Электромагнитные волны
1) Джеймс Клерк Максвелл.
а) Понятие волны.
б) Гипотеза Максвелла. Процесс образования электромагнитной волны.
2) Опыт Герца.
а) почему обычный колебательный контур нельзя использовать для излучения электромагнитных волн.
б) Вибратор Герца.
в) Скорость волны.
3) Изобретение радио поповым.
а) Устройство радиоприёмника.
б) История изобретения.
4) Принципы радиосвязи.
5) Модуляция. Устройство простейшего детекторного приёмника. Детектирование.
6) Простейший радиоприёмник с УВЧ и УНЧ.
Джеймс Клерк (1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввёл понятия о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, назвав его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла – Кремоны), термодинамике, истории, физике и др.
Перед тем как перейти к гипотезе Максвелла надо ознакомиться с понятием волны. Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Важнейшей характеристикой волны является её скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно.
Волны бывают двух видов: поперечные и продольные. Поперечными называют волны, распространяющиеся в перпендикулярном направлении распространению волны. Продольными волнами называют волны, распространяющиеся вдоль направлению распространению волны.
Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в перемещении энергии без переноса вещества
Длинной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющихся в одинаковых фазах. Волны разной длинны, используются в разных отраслях человеческой деятельности. ДВ – длинные волны (их длинна может достигать километра); СВ – средние волны ; КВ – короткие волны ; УКВ – ультра короткие волны.
Различные виды механических волн, как поперечные, так и продольные могут распространяться только в непрерывной среде, в твёрдых телах, жидкостях и газах.
В вакууме механические волны распространятся, не могут.
Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству и магнетизму в 1864г. Высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространятся в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.
Для выдвижения гипотезы о возможности возникновения электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. Открытие индукционного тока Фарадеем. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предложил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле.
Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжатся и захватывать всё новые и новые области в окружающем пространстве.
Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна.
Электромагнитные волны могут существовать и распространятся в вакууме.
Условие возникновения электромагнитных волн.
Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.
Изменения электромагнитного поля происходят при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике изменяется при изменении скорости движения электрических зарядов в нём, т.е. при движении зарядов с ускорением.
Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электромагнитных зарядов.
Генрих Рудольф Герц (1857 – 1894), немецкий физик. Экспериментально доказал (1886 – 1889) существование электромагнитных волн (используя вибратор Герца). Придал уравнениям Максвелла симметричную форму. Экспериментально подтвердил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Открыл внешний фотоэффект (1887).
+
I
-
Электромагнитные волны были впервые экспериментально получены Герцем в 1887г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждались в двух металлических стержнях с шарами на концах (вибратор Герца). Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласовано. В электромагнитной волне векторы Е и В перпендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходят.
В обычном колебательном контуре (его можно назвать закрытым), почти всё магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому колебательному контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. В конце концов, получится прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.
В опытах Герца длинна волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле ?????? Она оказалась приближенно равна скорости света: с?300000 км/с. Опыт Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.
В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.
Попов Александр Степанович (1859-1905), русский физик и электротехник, изобретатель электрической связи без проводов (радиосвязи). В1895 году продемонстрировал изобретённый им первый в мире радиоприёмник. Весной 1897 года достиг дальности радиосвязи 600м, летом 1897 – 5 километров, в 1901 – около 150 километров. Создал (1895) прибор для регистрации грозовых разрядов(«грозоотметчик»). Получил золотую медаль на Всемирной выставке 1900 года в Париже.
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов была впервые продемонстрирована 7 мая 1895 года. Этот день считается днём рождения радио.
Приёмник Попова состоял из
1 – антенны, 2 – когерера, 3 – электромагнитного реле, 4 – электрического звонка, 5 – источника постоянного тока. Электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения в антенне. Переменное напряжение с антенны подавалось на два электрода, которые были расположены в стеклянной трубке, заполненной металлическими опилками. Эта трубка и есть когерер. Последовательно с когерером включались реле и источник постоянного тока.
Из - за плохих контактов между опилками сопротивление когерера обычно велико, поэтому электрический ток в цепи мал и реле звонка не замыкает. Под действием переменного напряжения высокой частоты в когерере возникают электрические разряды между отдельными опилками, частицы опилок спекаются и его сопротивление уменьшается в 100 – 200 раз. Сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает, и реле включает электрический звонок. Так регистрируется приём электромагнитной волны антенной.
Удар молоточка звонка встряхивает опилки и возвращает его в исходное состояние, приёмник снова готов к регистрации электромагнитной волны антенной.
Современные радиоприёмники совсем непохожи на своего прародителя, но принцип действия остался тот же, что и в приёмники Попова. Современный приёмник так - же имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые магнитные колебания. Как и в приёмнике Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.
В1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов с помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе. При участии Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
За границей усовершенствованием подобных приборов занималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через атлантический океан.
Важнейшим этапом развития радиосвязи было создание в 1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний.
Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможной надёжная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим.
Дело в том что, колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой
( звуковой) частоты почти совсем не излучаются.
Для передачи этих волн на большие расстояния их необходимо преобразовать в колебания высокой частоты, но так чтобы не испортить информацию которую они несут. Процесс преобразования электромагнитных колебаний низкой частоты в колебания высокой частоты называется модуляцией. Для преобразования звуковых волн используется амплитудная модуляция.
В процессе модуляции происходит наложение амплитуды низкочастотных сигналов на высокочастотный сигнал.
Модуляция – медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда измениться заметным образом.
Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.
Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебаний высокой частоты в электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На вторую катушку трансформатора подаётся переменное напряжение звуковой частоты, например, с выхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во второй катушке трансформатора вызывает появление напряжения на концах первой катушке трансформатора.
Переменное напряжение звуковой частоты складывается с постоянным напряжением источника тока; изменения напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводят к изменениям со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора. Такие колебания высокой частоты называются амплитудно-модулированными.
С колебательным контуром генератора индуктивно связана антенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой частоты, происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.
Электромагнитные волны, излучённые антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике. Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электрического тока, пропорционально длине проводника. Поэтому для приёма электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприёмнике применяется длинный провод – приёмная антенна (1). Для того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур (2) с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в контуре приёмника производится обычно изменением электроёмкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний, возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужной частоты.
С колебательного контура приёмника модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор (3). В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлени. В течении каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор (4), вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор (5). Если значения электроёмкости конденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, то через резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковой частотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике. Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подаётся на телефон (6).
Детекторный радиоприёмник весьма несовершенен. Он обладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи только от мощных радиостанций или от близкорасположенных радиопередатчиков.
Для повышения чувствительности в современных радиоприёмниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрические колебания поступают на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала на выходе радиоприёмника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектор поступают на вход усилителя низкой частоты.
Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подаётся на динамик.
Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.
Использованная литература:
1) Советский энциклопедический словарь
(издание второе)
2)Физика справочные материалы О.Ф. Кабардин
3)Физика 11 Г.Я. Мякишев Б.Б. Буховцев
Рецензия ?
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
???
1
5
- 5 -