Детектор электромагнитного излучения

История

Один из первых прототипов магнитных детекторов, построенных Маркони в 1902 году в миланском музее. Сенсорные катушки на этом приборе удалены.

Воссоздание радиорубки корабля Маркони в Морском музее Ольборга, Ольборг, Дания. Магнитный детектор находится на столе справа от приемника тюнера Marconi, который выдает сигнал для магнитного детектора.

Примитивные радиопередатчики с искровым разрядником, использовавшиеся в течение первых трех десятилетий существования радио (1886-1916), не могли передавать звук (звук), а вместо этого передавали информацию по беспроводному телеграфу ; оператор включал и выключал передатчик с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы радиоволн для написания текстовых сообщений азбукой Морзе . Таким образом, радиоприемное оборудование того времени не должно было преобразовывать радиоволны в звук, как современные приемники, а просто определять наличие или отсутствие радиосигнала. Устройство, которое это сделало, называлось детектором . Первым широко используемым детектором был когерер , изобретенный в 1890 году. Когерер был очень плохим детектором, нечувствительным и склонным к ложному срабатыванию из-за импульсного шума, что побудило многие исследования найти лучшие детекторы радиоволн.

Эрнест Резерфорд впервые использовал гистерезис железа для обнаружения волн Герца в 1896 году путем размагничивания железной иглы, когда радиосигнал проходил через катушку вокруг иглы, однако иглу пришлось перемагничивать, так что это не подходило для непрерывного детектора. . Многие другие исследователи беспроводной связи, такие как Э. Уилсон, К. Тиссо, Реджинальд Фессенден , Джон Амброуз Флеминг , Ли Де Форест , Дж. К. Балсилли и Л. Тьери, впоследствии изобрели детекторы, основанные на гистерезисе, но ни один из них не получил широкого распространения из-за различных недостатков. . Многие ранние версии имели вращающийся магнит над неподвижной железной лентой с катушками на ней. Этот тип был только периодически чувствительным, когда магнитное поле изменялось, что происходило, когда магнитные полюса проходили через железо.

Во время своих трансатлантических экспериментов по радиосвязи в декабре 1902 года Маркони обнаружил, что когерер слишком ненадежен и нечувствителен для обнаружения очень слабых радиосигналов при передаче на большие расстояния. Именно эта потребность побудила его разработать свой магнитный детектор. Маркони разработал более эффективную конфигурацию с движущейся железной лентой, приводимой в движение часовым двигателем, проходящим мимо неподвижных магнитов и катушек, что привело к непрерывной подаче железа, изменяющей намагниченность, и, таким образом, постоянной чувствительности (Резерфорд утверждал, что он также изобрел эту конфигурацию). Магнитный детектор Marconi был «официальным» детектором, который использовался компанией Marconi с 1902 по 1912 год, когда компания начала переходить на клапан Флеминга и вакуумные лампы типа Audion . Он использовался до 1918 года.

Дополнительные возможности

Что можно добавить, чтобы увеличить функциональность? Регулятор громкости — два потенциометра между выходом из схемы и гнездом для наушников. Выключатель питания — сейчас схема включена все время, пока не отсоединится батарейка.

При испытаниях оказалось, что устройство очень чувствительно на источника поля. Вы можете услышать, например, как обновляется экран в мобильном телефоне, или как красиво поет кабель USB во время передачи данных. Приложенный к включенному громкоговорителю работает как обычный и вполне точный микрофон, который собирает эл-магнитное поле катушки работающего динамика.

Хорошо ищет кабеля в стене, на манер трассоискателя. Только надо поднять НЧ, увеличив все 4 ёмкости до 10 мкФ. Недостатком является довольно большой шум и ещё сигнал слишком слабый — нужен какой-то дополнительный усилитель мощности, например на PAM-8403.

Процесс сборки

Сборка предполагает использование макетной платы размером не менее 15 x 24 отверстия, и особое внимание обращается на расположение элементов на ней. На фотографиях показано рекомендуемое расположение каждого из радиоэлементов и какие связи между ними выполнить

Перемычки на печатной плате можно выполнить из фрагментов кабеля или отрезанных ножек от других элементов (резисторы, конденсаторы), которые остались после их монтажа.

Сначала надо впаять катушки L1 и L2. Хорошо отодвинуть их друг от друга, что даст нам пространство и увеличит эффект стерео. Эти катушки являются ключевым элементом схемы — они ведут себя как антенны, которые собирают электромагнитное излучение из окружающей среды.

После впайки катушек можно установить конденсаторы C1 и C2. Их емкость составляет 2,2 мкФ и определяет нижнюю частоту среза звуков, которые будут услышаны в наушниках. Чем выше значение ёмкости, тем ниже звуки воспроизводящиеся в системе. Большая часть мощного электромагнитного шума лежит на частоте 50 Гц, так что есть смысл его отфильтровать.

Далее припаиваем резисторы по 1 кОм — R1 и R2. Резисторы эти, вместе с R3 и R4 (390 кОм) определяют усиление операционного усилителя в схеме. Инвертирование напряжения не имеет в нашей системе особого значения.

Виртуальная масса — резисторы R5 и R5 с сопротивлением 100 кОм. Они являются простым делителем напряжения, который в данном случае будет делить напряжение 9 V на половину, так что с точки зрения схемы питается м/с напряжением -4,5 V и +4,5 V по отношению к виртуальной массе.

Можно поставить в панельку операционный усилитель любой со стандартными выводами, например OPA2134, NE5532, TL072 и другие.

Подключаем аккумулятор и наушники — теперь мы можем использовать этот акустический монитор для прослушки электромагнитных полей. Батарею можно приклеить к плате скотчем.

Как это устроено

Устройство работает за счет гистерезиса намагничивания в железных проволоках. Эти постоянные магниты расположены так, чтобы создать два противоположных магнитных полей , каждый из которых направлен в сторону (или в сторону) от центра катушек в противоположных направлениях вдоль проволоки. Это намагничивает железную ленту вдоль ее оси, сначала в одном направлении, когда она приближается к центру катушек, а затем меняет ее магнетизм в противоположном направлении, когда она уходит с другой стороны катушки. Из-за гистерезиса ( коэрцитивной силы) железа требуется определенное пороговое магнитное поле ( коэрцитивное поле , H _c ), чтобы изменить намагниченность. Таким образом, намагниченность движущихся проводов меняется не на противоположную в центре устройства, где поле меняет направление, а в некотором направлении к отходящей стороне проводов, когда поле второго магнита достигает H _c . Хотя сам провод движется через катушку, в отсутствие радиосигнала место, где намагниченность «переворачивается», является неподвижным по отношению к катушке датчика, поэтому нет никакого изменения магнитного потока и напряжения в катушке датчика.

Радиосигнал от антенны ( A ) принимается тюнером ( не показан ) и проходит через катушку возбуждения C , другой конец которой соединен с землей ( E ). Быстро изменяющееся магнитное поле от катушки превышает коэрцитивную силу H _c и нейтрализует гистерезис железа, заставляя изменение намагниченности внезапно перемещаться вверх по проводу к центру между магнитами, где поле меняет направление. Это имело эффект, аналогичный проталкиванию магнита в катушку, вызывая изменение магнитного потока через считывающую катушку D , вызывая импульс тока в считывающей катушке. Катушка приема звука подключена к телефонной трубке ( наушнику ) ( T ), которая преобразует импульс тока в звук .

Радиосигнал от передатчика с искровым разрядником состоял из импульсов радиоволн ( затухающих волн ), которые повторялись со скоростью звука около нескольких сотен в секунду. Каждый импульс радиоволн производил импульс тока в наушнике, поэтому сигнал звучал в наушниках как музыкальный тон или жужжание.

Технические подробности

Используемый магнитный детектор

Железный ремешок вращался с помощью боевой пружины и часового механизма внутри корпуса. Были даны разные значения скорости ленты от 1,6 до 7,5 см в секунду; устройство, вероятно, могло бы работать в широком диапазоне скоростей диапазона. Оператору приходилось удерживать заводную пружину заводной рукояткой сбоку. Операторы иногда забывали его завести, поэтому полоса переставала вращаться, и датчик переставал работать, иногда в середине радиосообщения.

Детектор создавал электронный шум, который слышался в наушниках как «шипящий» или «ревущий» звук на заднем плане, который несколько утомлял при прослушивании. Это был шум Баркгаузена из-за эффекта Баркгаузена в железе. По мере того как магнитное поле в данной области железной проволоки изменялось по мере ее прохождения через детектор, микроскопические доменные стенки между магнитными доменами в железе перемещались серией рывков, поскольку они зависали на дефектах в кристаллической решетке железа. затем вытащил. Каждый толчок вызывал крошечное изменение магнитного поля через катушку и вызывал импульс шума.

Поскольку на выходе был звуковой переменный ток, а не постоянный, детектор можно было использовать только с наушниками, а не с обычным записывающим прибором, используемым в приемниках когерерной радиотелеграфии, сифонным бумажным магнитофоном.

С технической точки зрения для работы необходимы несколько тонких предпосылок. Сила магнитного поля постоянных магнитов на железной полосе должна быть того же порядка величины, что и сила поля, создаваемого радиочастотной катушкой возбуждения, что позволяет радиочастотному сигналу превышать пороговый гистерезис (коэрцитивность) железо. Кроме того, импеданс тюнера, который подает радиосигнал, должен быть низким, чтобы соответствовать низкому импедансу катушки возбуждения, что требует особых соображений по конструкции тюнера. Импеданс телефонного наушника должен примерно соответствовать импедансу звукоснимающей катушки, который составляет несколько сотен Ом. Железная лента перемещается на несколько миллиметров в секунду. Магнитный детектор был намного более чувствительным, чем когереры, обычно используемые в то время, хотя и не таким чувствительным, как клапан Флеминга , который начал заменять примерно в 1912 году.

В « Справочнике технических инструкций для беспроводных телеграфистов », составленном: JC Hawkhead (второе издание, пересмотренное HM Dowsett) на стр. 175, приведены подробные инструкции и спецификации по эксплуатации и обслуживанию магнитного детектора Маркони.

Описание

(A) Антенный провод, (B, B) Железная лента вокруг шкивов, (C, C) Обмотка ВЧ-возбуждения на стеклянной трубке, по которой проходит железная лента, (D) Обмотка звукоснимателя, (E) Заземляющая пластина, (S , N) Постоянные магниты, (T) Телефонная трубка.

См. Рисунок справа. Версия Marconi состояла из бесконечной железной ленты ( B ), состоящей из 70 нитей покрытой шелком железной проволоки калибра 40 . В процессе работы лента проходит через два шкива с канавками, которые вращаются заводным мотором. Железная полоса проходит через центр стеклянной трубки, которая плотно намотана одним слоем вдоль нескольких миллиметров медной проволокой, покрытой шелком калибра 36 . Эта катушка ( C ) функционирует как катушка возбуждения радиочастоты . Поверх этой обмотки намотана небольшая бобина с проводом того же калибра с сопротивлением около 140 Ом . Эта катушка ( D ) функционирует в качестве звуковой катушки для съема. Вокруг этих катушек расположены два постоянных подковообразных магнита, которые намагничивают железную ленту, когда она проходит через стеклянную трубку.

Измерители электромагнитного поля (18)