Меня всегда привлекали способы «собрать что-либо из ничего» и сегодня рассмотрим один из них — «выживальщик со стажем», во мне не даёт покоя :-).
Предположим, что вы молодой и перспективный владелец бизнес-империи и зовут вас Ларго Винч каким-то образом попали на необитаемый остров — потерпев крушение или иным способом — например, вас удерживают там «злые дядьки-мафиозники».
Или же, допустим невероятное — произошёл конец цивилизации тем или иным способом, и вам необходимо связаться с другими разрозненными группами людей.
Одним из наиболее сложных (так как требует определённых технологических приспособлений) и в то же время одним из наиболее перспективных, ввиду своей дальности действия, является радиосвязь. Попробуем прикинуть — как нам это реализовать, не имея под рукой в буквальном смысле почти ничего!
Дальше будет рассмотрение исключительно передатчика и его питания. Приёмник уже был некоторым образом рассмотрен в статье по ссылке ниже.
В одной из прошлых статей, мы уже разобрали способ осуществления такой связи с помощью искрового радиопередатчика.
Однако в том способе есть существенная проблема, и заключается она в том, что для радиопередатчика, равно как и для любого другого электрического устройства, требуется электропитание.
Как нам обеспечить питание такого передатчика, учитывая, что у нас практически ничего нет?
К тому же, это может усугубляться ещё и тем, что у нас руки могут обладать определённой природной кривизной, естественным образом затрудняющей сколь-нибудь сложное взаимодействие с объектами материального мира :-)))
Одним из вариантов решения этой проблемы может быть использование обычной зажигалки с пьезоэлементом, которая вполне может выступить в качестве источника питания для радиопередатчика:
Однако мощность такого устройства будет оставлять желать лучшего, а следовательно, и его дальность тоже…
Ещё одна проблема заключается в том, чтобы вас услышали — желательно изготовить радиопередающий маяк, вещающий 24 часа в сутки.
Причём — вещающий не абы что, а желательно сигнал SOS, а ещё лучше, чтобы после него шли координаты вашего местоположения (их можно получить с помощью спутникового навигатора сотового телефона, которым мы не можем воспользоваться ввиду его ограниченного радиуса действия; допустим, он у нас сохранился и действует). Хотя, сгодится и без координат, просто вещать сигнал SOS.
Кстати говоря, вот как он звучит, если кто не знает:
Такой сигнал передаётся обычно азбукой Морзе — по ссылке вы можете найти более подробное описание, а также таблицу с кодировкой латинских и русских букв, а также символов.
Точки в азбуке Морзе означают короткий импульс включения передатчика, а отрезки линий — длинные периоды включения, где следует ориентироваться на такую длину:
- продолжительность длинного периода равна примерно трём периодам точки,
- продолжительность паузы между компонентами одного элемента — продолжительности одной точки (то есть, если мы возьмём, например, английскую букву J, которая с точки зрения азбуки Морзе состоит из точки и трёх линий, то паузы между точкой и линиями должны составлять по продолжительности одну точку),
- между буквами/символами слова пауза должна составлять три точки,
- длина паузы между отдельными словами — семь точек.
Исходя из вышесказанного, сразу становится понятно — сидеть и щёлкать зажигалкой 24 часа в сутки будет затруднительно.
К тому же, как нам обеспечить с помощью зажигалки — передачу длинных отрезков в азбуке Морзе?
Разве что, остаётся просто сидеть и кликать в определённом порядке, в надежде, что это, возможно, привлечёт чьё-то внимание…
Итак, в сухом остатке что у нас получается: никаких радиодеталей нет, делать что-либо своими руками мы не особо умеем, но тем не менее, вопрос стоит ребром: как же нам связаться с людьми?
И, если с радиопередатчиком всё более-менее понятно (об этом подробнее будет ещё ниже) и в качестве него, в самом простом варианте, сгодится просто кусок проволоки, то в качестве источника питания для этого передатчика нам поможет замечательное изобретение из 1867 года, так называемая «капельница Кельвина» — детище известного шотландского учёного лорда Кельвина:
Картинка: Cmglee
Это устройство представляет собой электростатический генератор, легко позволяющий получать высокое напряжение порядка 15 кВ с определённой периодичностью и для этого необходимы и достаточны всего лишь самые простые компоненты, в качестве которых, в самом простом варианте, могут выступить даже две консервные банки с двумя проволочками:
В качестве альтернативы сгодится всё, что угодно, например, жестяные банки из-под напитков:
Полагаю, что подобные компоненты легко можно найти практически в любом месте, где находятся люди и, в результате получится простейшее устройство, которое позволит получать высокое напряжение практически из подножных материалов.
Причём, что особенно ценно — для получения высокого напряжения таким способом, не нужны какие-то дефицитные материалы, которых может просто не оказаться под рукой: радиодетали, эбонитовые палочки/сухая шерсть и прочее, прочее, — на чём обычно базируются классические способы.
Но всё же, как это работает?
Как мы видим по схеме выше, вода налита в резервуар, из которого выходят патрубки (в самом простом варианте, резервуар может быть просто пробит дырками в двух местах), из которых вода струйками вытекает вниз, пролетая сквозь токопроводящие кольца (струйки не должны касаться этих колец) и далее падая вниз, в две ёмкости, каждая из которых связана проводником с кольцом крест-накрест.
Ёмкости-накопители падающей воды, равно как и кольца, должны быть электрически изолированы от окружающей среды — и если в случае ёмкостей, они для этого устанавливаются на изолирующие основание, например, деревянные доски (или хотя бы даже полиэтиленовую плёнку), то в случае колец это достигается тем, что они соединены с ёмкостями жёсткими проводниками-проволочками, за счёт жёсткости которых и удерживаются на весу.
Расстояние от верхней ёмкости, из которой вытекает вода, до нижних ёмкостей, куда она падает, должно быть подобрано таким образом, чтобы вода распалась на отдельные капли, прежде чем достигнет нижних ёмкостей (то есть, нельзя, чтобы непрерывные струи из верхней ёмкости упирались в нижние ёмкости).
Для понимания дальнейшего механизма работы, нужно выяснить, — откуда же в воде вообще берётся электричество?
Дело в том, в ходе экспериментов было установлено, что даже очень чистая вода, тем не менее, может проводить ток, при этом повышение её температуры увеличивает проводимость (по некоторым данным, проводимость дистиллированной воды всё равно наблюдается и составляет менее 5 мкСм/см (микроСименс/см)).
Такую электрическую проводимость обеспечивают ионы электрически нейтральной молекулы воды, на которые она распадается: H+ и ОН-.
Эти ионы непрерывно образуются в процессе нагрева молекул воды, равно как и обратно воссоединяются (рекомбинируют) обратно в молекулу, в процессе случайных взаимодействий в ходе своего теплового движения.
Частота появления ионов зависит от температуры и увеличивается с её повышением.
Частота обратной рекомбинации в молекулу зависит от концентрации ионов (т. е. количества развалившихся молекул, в конкретный момент времени).
Соотношение количества молекул воды к положительным ионам водорода H+ известна в качестве параметра pH и, для чистой воды, количество молекул воды в 
раз больше, чем ионов водорода Н+, то есть, говорят, что рН=7.
Из всей этой информации для нас важен следующий вывод, который очень простой и звучит так: в любой момент времени, вода в жидком состоянии содержит положительно и отрицательно заряженные частицы (ионы), которые мы можем использовать для своих целей.
В качестве любопытной мысли, для осмысления: если ионов больше в нагретой воде — не стоит ли её специально подогревать для увеличения токоотдачи?! На обдумывание…
Однако вернёмся обратно к схеме выше и проследим весь процесс.
Струйки из сосуда наверху в неразорванном состоянии пролетают сквозь кольца, и их разрыв на отдельные капельки происходит уже после колец, в промежутке между кольцами и нижними ёмкостями.
Так как нижние ёмкости расположены на некотором расстоянии и не сообщаются друг с другом, то они уже изначально обладают некоторой разницей в зарядах. Какая ёмкость — имеет какой заряд (положительный или отрицательный), дело произвольное и зависит от случая.
Тем не менее, уже изначально каждая из ёмкостей и сообщающееся с ней кольцо заряжено определённым образом, и такое кольцо начинает притягивать заряды (ионы) определённого знака из воды, так как разноимённые заряды притягиваются: левая струйка заряжается преимущественно отрицательно, правая струйка — положительно.
Таким образом, уже ниже кольца, когда струйка разбивается на отдельные капли, получается, что левый поток капель — отрицательно заряжен, в то время как правый поток — положительно заряжен.
Падая в ёмкости внизу, каждая из капель сообщает свой заряд этой ёмкости. Таким образом, получается, что в случае, рассмотренном на схеме выше, левая ёмкость заряжается отрицательно, а правая — положительно.
При этом с каждой каплей их заряды начинают расти и при достижении определённого предела, происходит искровой разряд между разрядниками, направленными от одной ёмкости — в сторону другой.
Максимальная величина накопленного заряда обуславливается некоторым пределом, при котором эти заряды начинают самопроизвольно истекать в воздух, образуя коронный разряд (если разрядники расположены слишком далеко).
В тех описаниях экспериментов, которые мне удалось найти, говорится о том, что этот предел можно, некоторым образом, отодвинуть в максимальную сторону, если установка не содержит острых граней и тонких элементов, на которых потенциально может возникать коронный разряд.
На практике, из того что мне удалось найти, люди достигали напряжений, приблизительно в плюс/минус 15 кВ.
Если установка собрана таким образом, что разбиение струи на капли происходит неподалёку от колец, то, с ростом заряда на кольцах (и на сообщающихся с ними ёмкостях соответственно) до определённой величины, в силу того, что одноимённые заряды в струе начинают отталкиваться друг от друга — с одной стороны, а с другой стороны — их притягивает к кольцам (так как кольца противоположным образом заряжены) — струю разрывает на разлетающиеся в стороны капли, которые начинают вращаться вокруг колец, как спутники, до тех пор, пока окончательно не упадут на кольца и не сообщат им свой заряд. Что, вообще-то, является отрицательным явлением, так как пропорционально уменьшает накопленный заряд на этом плече. Тем не менее, смотрится красиво — см. с 0:40:
Или здесь, с 2:42:
Естественно было бы предположить, что скорость накопления заряда ёмкостями внизу зависит от количества воды, протекающей сквозь кольца, в единицу времени.
Так оно и есть — как можно видеть, большие установки с множеством струй — очень быстро заряжаются и генерируют частый разряд — см. с 6:35:
Тем не менее, как можно обратить внимание, разряд здесь достаточно протяжённый.
Другими словами, вполне можно использовать установки маленького размера, с экспериментально подобранным промежутком между разрядниками таким образом, чтобы для этого промежутка установка успевала быстро зарядиться и, в идеале, этот разряд должен иметь возможность гореть с большой частотой, практически непрерывно, чтобы в случае радиопередатчика, вещающего азбукой Морзе, обеспечить его питание во время передачи не только «точек», но и «полосок» (во время которых разряд должен гореть практически непрерывно).
Конечно, это всё условно, и если разряд сможет гореть с более-менее высокой частотой, субъективно воспринимаемой как «непрерывно» — то этого будет вполне достаточно, чтобы те, кто слушает эфир, смогли более-менее явно распознать точки и полоски.
А что же насчёт самого радиопередатчика, что он должен собой представлять?
Дело в том, что на заре радиосвязи использовался такой тип радиопередатчика, который назывался искровым, где накопленная энергия использовалась для пробоя воздушного промежутка искрой, в ходе чего замыкалась цепь и соединённая с этой цепью антенна излучала в эфир электромагнитные волны:
Картинка: Chetvorno
В дальнейшем эта конструкция была ещё усовершенствована, что позволило существенно увеличить дальность передачи (по некоторым данным, вплоть до 10000 км, против 20 км у предыдущего варианта):
Источник картинки: www.popadancev.net
В качестве конденсатора в этой схеме использовалась Лейденская банка или банки:
Картинка — «На заре искровой передачи информации», В. М. Пестриков: conf-ntores.etu.ru
А в качестве источника высокого напряжения — катушка Румкорфа.
Этот усовершенствованный передатчик получил название «передатчика со сложной схемой Фердинанда Брауна».
Ещё одним существенным моментом является то, что как раз в ту пору было найдено принципиальное решение (было найдено параллельно и независимо друг от друга А. С. Поповым и Г.Маркони), заложившее основы дальней радиосвязи — вертикальная поляризация, то есть, антенна желательно должна располагаться вертикально, таким образом, излучаемые волны будут распространяться на максимальное расстояние, за горизонт, отражаясь от ионизированного верхнего слоя атмосферы.
Кстати, любопытная справка по поводу горизонта: с высоты своего роста, в условиях ясной погоды человек может видеть на дальность приблизительно в 5 км — далее уже поверхность Земли начинает существенно закругляться и уходить за пределы видимости, что и воспринимается как линия горизонта.
Ёмкость Лейденских банок выбиралась максимально возможной, чтобы они могли накопить достаточное количество энергии для импульса, который послужил бы для возбуждения электромагнитной волны соответствующей мощности, которая смогла бы распространиться на большое расстояние.
Тем не менее, искровой передатчик любого типа всё равно является достаточно высокошумящим и передающим сразу на многих частотах, что позволяет говорить о его малой эффективности (что для нас, в рамках решаемой задачи глубоко параллельно — «с людьми бы как-нибудь связаться и то хорошо, не до академических рассуждений»).
Так как у нас нет под рукой таких изысков, как Лейденские банки и уж тем более, заводских конденсаторов, придётся обойтись без всего этого. Тем более, что наша установка и так представляет собой 2 в 1: условно говоря, своеобразный «повышающий трансформатор» и конденсатор сразу. Так что, полагаю, без отдельных конденсаторов можно вполне обойтись.
Фактически, в наших условиях мы имеем возможность сделать только антенну (опционально, с удлиняющей катушкой, намотав сколько-нибудь витков того же самого провода, который используется для антенны — на деревянную палку или просто в виде витков, а потом повесив, например, на дерево), хотя в теории можно вещать, просто установив вертикальный кусок провода.
Но остаётся открытым вопрос, если всё же ставить удлиняющую катушку на антенну — сколько витков и какого диаметра они должны быть, чтобы вещать на нужной частоте?
Для чего она нужна: позволяет укоротить длину антенны. А так как антенна для нашей затеи, скорее всего, будет довольно длинной, попробуем заодно прикинуть, какой такая катушка для укорачивания антенны должна быть.
Я постарался произвести свои расчёты, чтобы хотя бы приблизительно понять, какой должна быть длина антенны и количество витков/их диаметр для достижения резонанса и осуществления радиосвязи на стандартной частоте SOS — обо всём этом ниже.
Для начала выясним, а какова же частота сигнала SOS: по международным правилам, сигнал должен передаваться на частотах 2182 кГц или 156,8 МГц.
При прочих равных, более длинные волны — распространяются на более далёкое расстояние, легко огибая рельеф местности, а длина волны напрямую связана с частотой, что легко понять, если посмотреть на график ниже (где λ — длина волны) — при увеличении частоты, график ужимается по оси Х, и длина волны укорачивается:
Картинка: Dicklyon (Richard F. Lyon)
Таким образом, для нас более предпочтительна частота 2182 кГц для осуществления передачи.
За базовые формулы для расчётов возьмём представленные на этом ресурсе.
Сначала выясним длину волны, для частоты 2182 кГц:
Для передачи будем использовать антенну, как на видео несколько выше (где эксперимент с пьезозажигалкой), представляющую собой два «усика», с подключением посередине — так называемый «полуволновой диполь», где каждый из усиков называется «четвертьволновым вибратором»:
Картинка: Chetvorno
Рассчитаем длину одного «усика»:
Да, немаленькая длина…
Посмотрим, по формуле резонанса, какой должна быть индуктивность катушки для такой антенны, для нашей частоты SOS.
Если «усик» всего один — допустим, совсем всё плохо и у нас нет столько провода, на 2 «усика» или полная антенна получается слишком громоздкой — тогда делаем так называемую «штыревую антенну». Подробнее о ней можно почитать здесь. И вот ещё некоторая более развёрнутая информация, о штыревых антеннах, согласно источнику:
Ну и расчёт индуктивности катушки для такой антенны:
Рассчитаем в онлайн-калькуляторе параметры удлиняющей катушки:
Кстати, любопытный момент, там же в ресурсе выше с формулами, говорится, что возможно подобрать размер излучающей антенны произвольно, так как нам удобно, а резонанс вызвать уже удлиняющей катушкой, пересчитанной под этот, новый размер. Понятно, что антенна, даже укороченная (штыревая), длиной в 34 метра с лишним — это сильно неудобно. Попробуем её укоротить до 1 метра и пересчитать, используя ту же формулу (не уверен, что это сильно корректно, но всё же):
Также как выше рассчитаем в онлайн-калькуляторе параметры удлиняющей катушки:
Как видим, витков получается многовато — более 2 тыс. Мотать столько не хочется, поэтому увеличиваем диаметр катушки — наматывать будем уже не на черенок, а «с ладони на локоть» — как обычно собирают в бухты провод. В моём случае, диаметр получится 340 мм. Посчитаем на основе него:
Ну вот, уже вполне щадящий вариант.
Итого, в случае последнего варианта мы имеем антенну в виде штыря, длиной в 1 метр, и вполне скромную по трудозатратам катушку.
Попробуем напоследок прикинуть, а сколько провода уйдёт на всё это удовольствие (для двух вариантов — на антенну и катушку вместе).
Считать будем, используя формулу длины окружности: длина окружности = π×d, где d — диаметр.
1 вариант (штыревая антенна, длиной 34,0278 м):
2 вариант (штыревая антенна укороченная, длиной 1 метр):
И напоследок, куда на антенне устанавливать такую катушку? Так как наша частота попадает в так называемый «диапазон СВ» — т. е. средних по длине волн (300 кГц-3 МГц), то мы вполне можем воспользоваться схемой ниже, несмотря на то, что наши параметры несколько отличаются — т. е. катушка устанавливается в основание антенны:
Картинка: cxem.net
Вариант установки катушки взят вот из этой статьи. Весьма познавательно и рекомендую ознакомиться.
В реальности проволоки потребуется ещё несколько больше, так как расчёты выше касаются только антенны и удлиняющей катушки, а в схеме потребуются ещё 2 катушки (симметрирующее устройство). По сути, пара проводов, соединённых друг с другом — об этом ниже. Так что тут есть вот такой небольшой нюанс — т. е удлинительную катушку надо будет намотать, например, прямо на ствол дерева, а ниже неё, также намотать на дерево ещё пару катушек, сдвоенным проводом каждая — (см. схему ниже). То есть, потребуется изолированный провод (годится даже лакированный дроссельный).
Сразу вспомнился анекдот: «Из дипломного проекта: так как до этого места всё равно никто читать не будет, полагаю возможным взять в качестве материала сердечника для трансформатора — дерево» 😀
Смех смехом, но ничего смешного на самом деле нет: если две катушки расположить соосно друг в друге, то коэффициент связи будет близким к единице, и всё будет отлично работать. Так что можно смело мотать все катушки прямо на дерево, а антенну крепить верёвкой к нему же. Или просто конец антенны можно воткнуть в кору.
Но тут, как выясняется, тоже есть нюансы, как именно мотать — нужно не «катушка в катушку», а в виде так называемой «бифилярной» намотки — обо всём этом ниже.
Насколько мне удалось понять, по крайней мере, судя по этой схеме (на картинке ниже справа):
Картинка: www.researchgate.net
Думаю, что в оригинале Фердинанд Браун, скорее всего, делал именно симметрирующий трансформатор. Полагаю, что в нашем случае и более простого устройства будет достаточно — для передачи энергии 1:1, без трансформации (обсуждаемо). То есть, помимо собственно удлинительной катушки (которая позволяет сделать антенну короткой, виртуально удлиняя её) скорее всего, придётся рассчитывать и ставить ещё и симметрирующее устройство, ниже удлиняющей катушки, через которое и запитывается антенна — расчёты в статье для такого устройства не приведены, надо будет поискать самостоятельно, однако, кое-какую информацию можно найти вот здесь, кроме того — готовые варианты показаны ниже, с описанием.
Что думает современная радиотехника о таком симметрирующем устройстве: это, по жаргонному наименованию шалун «балун» (BALanced-UNbalanced), — если трансформации не происходит и нужно только согласование, хотя, возможен и вариант подключения в виде трансформатора (для преобразования сопротивления) — ниже показаны оба варианта. А вот как можно описать функционал и типичную схему в нашем случае:
Как было уже выше сказано, насколько мне удалось выяснить, намотка такого устройства должна быть «бифилярной» — то есть намотка ведётся двумя проводами сразу, лежащими рядом, и передача магнитной энергии происходит от провода к проводу, поперёк (Transverse Electro-Magnetic (TEM) Mode):
Картинка: allaboutcircuits.com.
Намотка может вестись более чем двумя попарными, например, сразу 4, 6 и т.д. проводами — и такие пары проводов подключаются к разным выводам, разделяясь как, например, 2 и 2, 3 и 3 и т.д., и наматываются, перемежаясь с проводами другого вывода, попарно, как показано выше.
Подробнее можно почитать здесь.
Согласующее устройство может быть подключено как в роли трансформатора, так и в роли «балуна» и ниже показаны примеры обоих вариантов (левая сторона — присоединяется к антенне и земле, правая сторона — подключается к разрядникам):
Картинка: chipinfo.pro
Можно попробовать взять схему «балуна» выше, без изменений (так как витков мало, можно без труда намотать; потому что удлиняющую катушку мы мотали на ствол дерева, чтобы уменьшить количество витков, за счёт увеличения диаметра катушки).
Что же касается периодического включения/выключения электрического разрядника — то для этого достаточно всего лишь расположить между разрядниками согнутую из проволоки «шестерню», у которой длина и количество зубцов выбраны таким образом, чтобы эта шестерня, установленная, например, вертикально — периодически подходила к разрядникам на такое расстояние, чтобы происходил пробой воздушного промежутка. Длина «макушек» зубцов выбрана таким образом, чтобы происходила имитация сигнала SOS.
А вращение этой шестерни может осуществляться массой разных способов, например, с помощью той же самой падающей воды: скажем, проволочная шестерня располагается на одном конце деревянной палки, на втором конце которой — крыльчатка, вращаемая потоком воды (картинка ниже кликабельна; верхняя ёмкость и кольца не показаны, для упрощения восприятия электрических соединений):
Если хорошо присмотреться к схеме, то становится понятно, что мы всего лишь проапгрейдили уже, по историческим данным, хорошо работающую конструкцию «передатчика со сложной схемой Фердинанда Брауна», добавив туда удлиняющую катушку (для «виртуального» удлинения короткой антенны), автоматизацию (автоматическая шестерня-замыкатель), другую систему питания — капельницу Кельвина, вместо катушки Румкорфа.
Таким образом, на выходе мы получим автоматический дальнобойный радиомаяк, в буквальном смысле, собранный из хлама: консервных банок, проволоки или аналогичных вещей.
Подобный способ применения капельницы Кельвина мне видеть ещё не приходилось и лично мне — он представляется интересным.
В качестве варианта усовершенствования: в литературе мельком приходилось видеть упоминание, что можно убрать разряд, и тогда это повысит мощность. В теории, у нас для этого всё есть: разрядники заменить гибкими проволочками — ползунками, которые бы скользили по контактам, не требуя пробоя воздуха (энергия бы не тратилась на это).
Например, это можно осуществить, специально отодвинув разрядник на большое расстояние, чтобы не могла проскочить искра — а контактов касались гибкие проволочки, специально подпружиненные. У меня на этот счёт информация весьма скудная (о таком апгрейде) — если кто-то сможет сказать больше, буду рад.
Нужно ещё оговориться, что такое её использование является концептуальным, то есть представляет собой своего рода приглашение к общественному обсуждению, чтобы мы совместно смогли подправить контуры будущей системы, с целью сделать её наиболее эффективной.
Поэтому любые ваши идеи можете смело высказывать в комментариях, думаю, что с помощью коллективного разума обрисовать такую систему и запомнить её устройство — будет весьма невредным, для любого выживальщика.
Итак, подытоживая, похоже, что только капельница Кельвина, искровой радиопередатчик
и катушка с проводом, заботливо припасённая в кармане пиджакаспасут нашего условного Ларго Винча, при попадании помимо своей воли на необитаемый остров/пустынную местность — так как позволят «добить» сигналом, если не до другого населённого пункта, то, хотя бы, до пролетающих самолётов. Полагаю, что радиомаяк, вещающий сигнал SOS — 24 часа в сутки, недолго останется без внимания. А вы как думаете? 😉
© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/850268/
Добавить комментарий