linii Lechera

Linia Lecher z początku 1902 roku identyczna z oryginalnym aparatem Ernsta Lechera z 1888 roku. Fale generowane przez oscylator iskiernikowy Hertza po prawej stronie przemieszczają się wzdłuż równoległych przewodów. Przewody są zwarte razem na lewym końcu, odbijając fale z powrotem w górę przewodów w kierunku oscylatora, tworząc stojącą falę napięcia wzdłuż linii. Napięcie spada do zera w węzłach znajdujących się w odległości wielokrotności połowy długości fali od końca. Węzły znaleziono przesuwając rurkę Geisslera , małe wyładowanie jarzeniowe rurkę jak neon, w górę iw dół linii (dwie są pokazane na linii). Wysokie napięcie na linii sprawia, że lampa świeci. Kiedy rura dociera do węzła, napięcie spada do zera i rura gaśnie. Zmierzona odległość między dwoma kolejnymi węzłami jest równa połowie długości fali λ/2 fal radiowych. Linia jest pokazana na rysunku jako obcięta; długość linii wynosiła w rzeczywistości 6 metrów (18 stóp). Fale wytwarzane przez oscylator mieściły się w VHF i miały długość kilku metrów. Wstawka pokazuje rodzaje rurek Geissler używanych z linkami Lecher.

Zestaw edukacyjny Lecher-line sprzedawany przez Central Scientific Company w latach trzydziestych XX wieku do nauczania teorii radia na studiach. Zawiera wszystko, co niezbędne, w tym falomierz absorpcyjny do samodzielnego pomiaru częstotliwości.

W elektronice linia Lechera lub przewody Lechera to para równoległych drutów lub prętów, które były używane do pomiaru długości fali fal radiowych , głównie na częstotliwościach VHF , UHF i mikrofalowych . Tworzą krótki odcinek zrównoważonej linii transmisyjnej ( odgałęzienie rezonansowe ). Po podłączeniu do źródła energii o częstotliwości radiowej , takiego jak nadajnik radiowy, fale radiowe tworzą fale stojące wzdłuż ich długości. Przesuwając przewodzący pręt, który łączy dwa druty wzdłuż ich długości, można fizycznie zmierzyć długość fal. Austriacki fizyk Ernst Lecher , udoskonalając techniki stosowane przez Olivera Lodge'a i Heinricha Hertza , opracował tę metodę pomiaru długości fali około 1888 roku. Linie Lechera były używane jako urządzenia do pomiaru częstotliwości, dopóki liczniki częstotliwości nie stały się dostępne po drugiej wojnie światowej. Były również używane jako komponenty , często nazywane „ odgałęzieniami rezonansowymi ”, w VHF, UHF i mikrofalach sprzęt radiowy, taki jak nadajniki , zestawy radarowe i telewizory , służące jako obwody zbiornikowe , filtry i urządzenia dopasowujące impedancję. Są używane na częstotliwościach pomiędzy HF / VHF , gdzie stosowane są komponenty skupione , a UHF / SHF , gdzie wnęki rezonansowe są bardziej praktyczne.

Pomiar długości fali

Linia Lechera to para równoległych, nieizolowanych drutów lub prętów, rozmieszczonych w określonej odległości od siebie. Separacja nie jest krytyczna, ale powinna stanowić niewielki ułamek długości fali; waha się od mniej niż centymetra do ponad 10 cm. Długość drutów zależy od długości fali ; linie używane do pomiaru mają na ogół długość kilku długości fal. Jednolity odstęp drutów sprawia, że są one linią transmisyjną , przewodzącą fale ze stałą prędkością, bardzo bliską prędkości światła . Jeden koniec prętów jest podłączony do źródła RF , takiego jak wyjście a nadajnik radiowy . Na drugim końcu pręty są połączone ze sobą przewodzącym prętem między nimi. To zwarcia odbija fale. Fale odbite od zwartego końca interferują z falami wychodzącymi, tworząc sinusoidalną stojącą falę napięcia i prądu w linii. Napięcie zbliża się do zera w węzłach znajdujących się w odległości wielokrotności połowy długości fali od końca, z maksimami zwanymi antywęzłami znajdującymi się w połowie odległości między węzłami. Dlatego długość fali λ można określić, znajdując położenie dwóch kolejnych węzłów (lub antywęzłów) i mierząc odległość między nimi, a następnie mnożąc przez dwa. Częstotliwość f fal można obliczyć na podstawie długości fali i prędkości fal, która jest w przybliżeniu prędkością światła c :

{\ Displaystyle f = {\ Frac {c} {\ lambda}} \,}

Węzły są znacznie ostrzejsze niż antywęzły, ponieważ zmiana napięcia wraz z odległością wzdłuż linii jest maksymalna w węzłach, więc są używane.

Znajdowanie węzłów

Aby znaleźć węzły, stosuje się dwie metody. Jednym z nich jest użycie pewnego rodzaju wskaźnika napięcia, takiego jak woltomierz RF lub żarówka , przymocowanego do pary styków, które przesuwają się w górę iw dół przewodów. Kiedy żarówka dotrze do węzła, napięcie między przewodami spada do zera, więc żarówka gaśnie. Jeśli wskaźnik ma zbyt niską impedancję, zaburzy to falę stojącą na linii, dlatego należy zastosować wskaźnik o wysokiej impedancji ; zwykła żarówka ma zbyt małą rezystancję. Lecher i pierwsi badacze używali długich, cienkich rurek Geisslera , układając szklaną rurkę bezpośrednio w poprzek linii. Wysokie napięcie wczesnych nadajników wzbudziło wyładowanie jarzeniowe w gazie. W dzisiejszych czasach często używa się małych żarówek neonowych . Jednym z problemów związanych z używaniem żarówek jarzeniowych jest to, że ich wysokie napięcie udarowe utrudnia zlokalizowanie dokładnego minimum napięcia. W falomierzach precyzyjnych stosuje się woltomierz RF .

Inną metodą znajdowania węzłów jest przesuwanie listwy zwierającej w górę iw dół linii oraz pomiar prądu płynącego do linii za pomocą amperomierza RF w linii zasilającej. Prąd na linii Lechera, podobnie jak napięcie, tworzy falę stojącą z węzłami (punktami minimalnego prądu) co połowę długości fali. Tak więc linia przedstawia impedancję przyłożonej mocy, która zmienia się wraz z jej długością; gdy węzeł prądu znajduje się na wejściu do linii, prąd pobierany ze źródła, mierzony amperomierzem, będzie minimalny. Pręt zwarcia przesuwa się po linii i notuje położenie dwóch kolejnych minimów prądu, których odległość wynosi połowę długości fali.

Ostrożnie, linie Lecher mogą mierzyć częstotliwość z dokładnością do 0,1%.

Budowa

Falomierz liniowy Lecher, z artykułu „zrób to sam” w czasopiśmie radiowym z 1946 roku

Główną atrakcją linii Lecher był sposób pomiaru częstotliwości bez skomplikowanej elektroniki i można było improwizować z prostych materiałów znalezionych w typowym sklepie. Falomierze liniowe Lechera są zwykle budowane na ramie, która utrzymuje sztywne i poziome przewody, z torem, po którym porusza się listwa zwarciowa lub wskaźnik, oraz wbudowaną skalą pomiarową, dzięki której można odczytać odległość między węzłami. Rama musi być wykonana z materiału nieprzewodzącego, takiego jak drewno, ponieważ wszelkie przewodzące przedmioty znajdujące się w pobliżu linii mogą zakłócić wzór fali stojącej. Prąd o częstotliwości radiowej jest zwykle wprowadzany do linii przez pojedynczą pętlę z drutu na jednym końcu, którą można trzymać w pobliżu nadajnika. wężownica zbiornika .

Prostszą konstrukcją jest metalowy pręt w kształcie litery „U”, oznaczony podziałką, z przesuwanym prętem zwierającym. Podczas pracy koniec U działa jak łącznik i jest trzymany w pobliżu cewki zbiornika nadajnika, a pręt zwierający jest wysuwany wzdłuż ramion, aż prąd płytki nadajnika spadnie, wskazując na osiągnięcie pierwszego węzła. Wówczas odległość od końca łącza do listwy zwierającej wynosi połowę długości fali. Pręt zwierający powinien być zawsze wysunięty z dala od końca łącza, a nie do środka , aby uniknąć przypadkowego zbieżności w węźle wyższego rzędu.

Pod wieloma względami linie Lechera są elektryczną wersją eksperymentu z lampą Kundta , który służy do pomiaru długości fal dźwiękowych .

Pomiar prędkości światła

Jeśli częstotliwość f fal radiowych jest niezależnie znana, długość fali λ zmierzona na linii Lechera może zostać wykorzystana do obliczenia prędkości fal c , która jest w przybliżeniu równa prędkości światła :

{\ displaystyle c = \ lambda f \,}

W 1891 roku francuski fizyk Prosper-René Blondlot dokonał pierwszego pomiaru prędkości fal radiowych tą metodą. Użył 13 różnych częstotliwości między 10 a 30 MHz i uzyskał średnią wartość 297 600 km/s, co mieści się w granicach 1% obecnej wartości prędkości światła. Inni badacze powtórzyli eksperyment z większą dokładnością. Było to ważne potwierdzenie Jamesa Clerka Maxwella , że światło jest falą elektromagnetyczną podobną do fal radiowych.

Inne aplikacje

Linia Lechera jako obwód zbiornikowy we wzmacniaczu RF . Na tym uproszczonym schemacie nie pokazano dławików, które zasilają anody lamp ze źródła HT. Bez nich dwie anody są zwarte.

Krótkie odcinki linii Lechera są często używane jako obwody rezonansowe o wysokiej Q , zwane króćcami rezonansowymi . Na przykład zwarta linia Lechera o ćwierć długości fali (λ/4) działa jak równoległy obwód rezonansowy, objawiając się wysoką impedancją przy częstotliwości rezonansowej i niską impedancją przy innych częstotliwościach. Są używane, ponieważ przy UHF wartość cewek indukcyjnych i kondensatorów potrzebnych do obwodów strojonych z „ komponentami skupionymi ” staje się niezwykle niska, co czyni je trudnymi do wytworzenia i wrażliwymi na zakłócenia. pojemność pasożytnicza i indukcyjność. Jedna różnica między nimi polega na tym, że odgałęzienia linii transmisyjnych, takie jak linie Lechera, również rezonują przy nieparzystych wielokrotnościach ich podstawowej częstotliwości rezonansowej, podczas gdy skupione obwody LC mają tylko jedną częstotliwość rezonansową.

Obwody zbiornika wzmacniacza mocy

Obwody liniowe Lecher mogą być stosowane jako obwody zbiornikowe wzmacniaczy mocy UHF . Na przykład podwójny wzmacniacz tetrodowy (QQV03-20) 432 MHz opisany przez GR Jessopa wykorzystuje zbiornik anodowy Lechera.

Tunery telewizyjne

Linie ćwierćfalowe Lechera są używane w obwodach strojonych we wzmacniaczu RF i lokalnych oscylatorach nowoczesnych telewizorów . Strojenie niezbędne do wyboru różnych stacji odbywa się za pomocą diod waraktorowych w poprzek linii Lechera.

Impedancja charakterystyczna linii Lechera

Odstęp między prętami Lechera nie wpływa na położenie fal stojących na linii, ale określa impedancję charakterystyczną , która może być ważna dla dopasowania linii do źródła energii o częstotliwości radiowej w celu wydajnego przesyłania mocy. Dla dwóch równoległych cylindrycznych przewodów o średnicy d i odległości D ,

${\ Displaystyle Z_ {0} = 276 \ log \ lewo ({\ Frac {D} {d}} + {\ sqrt {\ lewo ( {\ Frac {D} {d}} \ prawej) ^ {2} -1}} \ prawej) =}$ ${\ Displaystyle {\ Frac {120} {\ sqrt { \epsilon _{r}}}}\cosh ^{-1}\left({\frac {D}{d}}\right)}$

Dla przewodów równoległych wzór na pojemność (na jednostkę długości) C to

{\ Displaystyle C = {\ Frac {\ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln {\ lewo ({\ Frac {2D} {d}}\prawo)}}}\,}

Stąd jako

{\ Displaystyle Z_ {0} ^ {2} = {\ Frac {L} {C}}}

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} c & = {\ Frac {1} {1} {\ sqrt {{\ Frac {L} {C}} \ cdot C ^ {2}}}} \\& = { \frac {1}{Z_{0}\cdot \left(\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}\right)\cdot \ln \left({\frac {2D}{d}}\ w prawo)}}\end{wyrównane}}}

Dostępny w handlu 300 i 450 omów zbalansowany podajnik wstęgowy może być używany jako linia Lecher o stałej długości (odgałęzienie rezonansowe).

Zobacz też

Linia transmisyjna

Linki zewnętrzne

„ Indeks do demonstracji fizyki; druty Lecher ”. Demonstracje fizyki, University of Minnesota. 1997-06-16.
„ E-82. Promieniowanie elektromagnetyczne; Demonstracja Aparat krótkofalowy ”. Elektryczność/magnetyzm, pokazy wykładów. Uniwersytet Purdue.
MB Allenson, AR Piercy i KNR Taylor „ Ulepszony eksperyment z drutem Lechera ”. 1973 Fiz. Eduk. 8 47-49. doi : 10.1088/0031-9120/8/1/002 .
FC Blake i BH Jackson, „ Względna intensywność harmonicznych systemu Lecher (eksperymentalna) ”. Ohio Journal of Science. * PDF )
FC Blake, „ Względna intensywność harmonicznych systemu Lechera (teoretyczna) ”. Laboratorium fizyczne, Uniwersytet Stanowy Ohio. ( PDF )