Билет № 20
Электромагнитные волны и
их свойства. Принципы радиосвязи и
примеры их практического
использования
План ответа
1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирование.
Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме .
Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна км/с.
Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны - это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.
Они подчиняются закону отражения волн:
угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция - это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах - гасят. (Когерентные волны - это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией , т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
 |
При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 32).
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 33, а). Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны.
 |
Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио - и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.
При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс - детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.
С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)
С помощью электромагнитных волн можно передавать речь, музыку другие звуки и сигналы на расстояние.
Радиосвязь – передача информации с помощью электромагнитных волн.
Важным принципом радиосвязи является использование модуляции (амплитудной или частотной) под действием сигнала, несущего информацию, например, звукового.
Так можно изобразить схему радиопередатчика:
Электромагнитные колебания звуковой частоты не способны излучаться антенной. Поэтому для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания.
Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или как говорят, модулируют с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты.
Так выглядит схема радиоприемника:
В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Этот процесс называется детектированием (демодуляцией).
Полученные в результате детектирования колебания соответствуют тем звуковым колебаниям, которые воздействовали на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.
Радиоприемник имеет колебательный контур, настроенный на частоту радиостанции, поскольку радиоприем связан с явлением резонанса.
Простейший детекторный приемник состоит из контурной катушки L, конденсатора настройки переменной емкости С, полупроводникового диода D, конденсатора С1 (фильтр), телефона.
Приемник работает исключительно за счет энергии электромагнитных волн. Поэтому высокие требования предъявляются к антенне А и заземлению приемника. Так как выходная мощность приемника невелика, то прием возможен только на головной телефон.
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. знаменитый русский физик Александр Степанович Попов (1859-1906). Этот день считается днем рождения радио.
Приемник А. С. Попова состоял из антенны 1, когерера 2, электромагнитного реле 3, электрического звонка 4 и источника постоянного тока 5 (рис. 245). 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 электромагнитное реле и источник постоянного тока.
Из-за плохих контактов между опилками сопротивление когерера обычно велико, поэтому электрический ток в цепи мал и реле цепь 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 прием электромагнитной волны антенной.
Удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки и возвращал его в исходное состояние, приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн.
Открытый колебательный контур.
Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные колебания возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным в пространстве между пластинами конденсатора (рис. 246, а). Такой контур называется закрытым. Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство.
Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины,
тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 246, б).
Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 246, в). Изображение пластин конденсатора на концах катушки открытого колебательного контура на рисунке 246 является лишь условностью. В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли.
Катушка антенны имеет индуктивную связь с катушкой колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле. Со скоростью электромагнитые волны распространяются от антенны.
Энергия излучаемых электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность излучения электромагнитных волн ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен тысяч мегагерц.
Амплитудная модуляция.
При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяются различные виды модуляции гармонических колебаний высокой частоты.
Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебаний высокой частоты
(рис. 247, а) в электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора (рис. 248). На вторую катушку трансформатора подается переменное напряжение звуковой частоты, например, с выхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во второй катушке трансформатора вызывает появление переменного напряжения на концах первой катушки трансформатора. Переменное напряжение звуковой частоты (рис. 247, б) 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 (рис. 247, в). 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.
Радиоприемник.
Электромагнитные волны, излученные 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 приема электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприемнике применяется длинный провод - приемная антенна 1 (рис. 249). Вынужденные колебания в антенне возбуждаются электромагнитными волнами от всех радиостанций. 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 приемника производится обычно изменением электроемкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой колебаний 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 приемника модулированные колебания
высокой частоты поступают на детектор 3. В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлении. После прохождения детектора сила тока в цепи изменяется во времени по закону, представленному на рисунке 250, а. В течение каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор 4, вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор 5. Если значения электроемкости 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 (рис. 250, б). Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подается на телефон 6.
Детекторный радиоприемник весьма несовершенен. Он обладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи только от мощных радиостанций или от близко расположенных радиопередатчиков.
Для повышения чувствительности в современных радиоприемниках 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 радиоприемника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектора поступают на вход усилителя низкой частоты (УНЧ).
Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подается на обмотку электродинамического громкоговорителя - динамика. Динамик преобразует энергию переменного тока звуковой частоты в энергию звуковых колебаний.
Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.
Схема устройства простейшего радиоприемника с усилителями высокой и низкой частот представлена на рисунке 251.
Для настройки на прием только одной станции в современных радиоприемниках используются довольно сложные электронные схемы, включающие в себя генераторы электромагнитных колебаний. Сложение электрических колебаний от внутреннего генератора приемника с колебаниями, возбужденными в контуре приемника электромагнитными волнами от передающих радиостанций, позволяет настраивать приемник на очень узкий диапазон принимаемых частот. Внутренний генератор в приемнике называется гетеродином, а приемник с таким генератором называется еупергетеродинным радиоприемником.
Телевидение.
С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображений предмета. Принцип передачи движущихся черно-белых и цветных изображений с
помощью телевизионных передатчиков и приемников заключается в следующем.
Для передачи одного кадра телевизионного изображения с помощью объектива в телевизионной камере получается изображение предмета на экране специального электровакуумного прибора - передающей трубки (рис. 252). Под действием света участки экрана приобретают положительные заряды. На экран внутри передающей трубки направляется электронный луч, перемещающийся периодически слева направо по 625 горизонтальным линиям - строкам. Во время пробегания луча вдоль строки происходит нейтрализация электрических зарядов на отдельных участках экрана и в электрической цепи, соединяющей электронную пушку и экран; протекает импульс тока. Изменения силы тока в импульсе соответствуют
изменениям освещенности экрана на пути электронного луча.
Высокочастотные электромагнитные колебания в телевизионном передатчике модулируются сигналом импульса, полученного на выходе передающей трубки, и подаются на антенну передатчика. Антенна излучает электромагнитные волны.
В телевизионном приемнике - телевизоре - имеется электровакуумная трубка, называемая кинескопом. В кинескопе электронная пушка создает электронный луч. Электроны под действием электрического поля движутся внутри трубки к экрану, покрытому кристаллами, способными светиться под ударами быстро движущихся электронов. На пути к экрану электроны пролетают через магнитные поля двух пар катушек, расположенных снаружи трубки.
Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного луча по горизонтали, второй - по вертикали. Периодические изменения силы тока в катушках вызывают изменения магнитных полей, в результате которых электронный луч за секунды 625 раз пробегает по экрану слева направо и один раз - сверху вниз (рис. 253).
Во время движения луча вдоль первой строки силой тока в электронном луче управляет сигнал, принятый приемником от передатчика во время движения луча в передающей трубке по первой строке; при движении луча по второй строке силой тока в луче управляет сигнал от второй строки и т. д. В результате за с луч «рисует» такое же изображение на экране телевизора, какое построено объективом на экране передающей трубки. Кадры сменяют друг друга с частотой 25 кадров в секунду, последовательность сменяющих друг друга с высокой частотой кадров воспринимается глазом человека как непрерывное движение.
Телевизионные передачи ведутся в диапазоне от 50 МГц до 230 МГц. В этом диапазоне электромагнитные волны распространяются почти только в пределах прямой видимости. Поэтому для обеспечения передачи телевизионных сигналов на далекие расстояния строят высокие антенны. Передающие антенны студий Центрального телевидения СССР установлены на вершине Останкинской башни высотой Такая высота обеспечивает прием телевизионных передач на расстояниях до 120 км от Москвы.
Передача телевизионных сигналов в любую точку нашей страны осуществляется с помощью ретрансляционных искусственных спутников Земли в системе «Орбита».
Передача и прием цветных изображений требуют применения более сложных телевизионных систем. Вместо одной передающей трубки требуется применять три трубки, передающие сигналы трех одноцветных изображений- красного, синего и зеленого цветов.
В отличие от черно-белого телевизора экран кинескопа цветного телевизора покрыт кристаллами люминофоров трех сортов. Одни кристаллы при попадании на них алекзронного луча светятся красным светом, другие - синим, третьи - зеленым. Эта кристаллы расположены на в кране в строгом порядке. Сигналы поступают от телевизионного передатчика к трем электронно-лучевым пушкам.
На экране цветного телевизора три луча создают одновременно три изображения красного, зеленого и синего цветов. Наложение этих изображений, состоящих из маленьких светящихся точек, воспринимается глазом человека как многоцветное изображение со всеми оттенками цветов. Одновременное свечение кристаллов в одном месте синим, красным и зеленым светом воспринимается глазом как белый цвет; поэтому на экране цветного телевизора можно получать и черно-белые изображения.
Распространение радиоволн.
Радиосвязь осуществляется на длинных средних коротких и ультракоротких волнах. Радиоволны с различными длинами волн по-разному распространяются у поверхности Земли.
Длинные волны за счет дифракции распространяются далеко за пределы видимого горизонта; радиопередачи на длинных волнах можно принимать на больших расстояниях за пределами прямой видимости антенны.
Средние волны испытывают меньшую дифракцию у поверхности Земли и распространяются за счет дифракции на меньшие расстояния за пределы прямой видимости. Короткие волны еще менее способны к дифракции у поверхности Земли, но их можно принять в любой точке на поверхности Земли. Распространение коротких радиоволн на большие расстояния от передающей радиостанции объясняется их способностью отражаться от ионосферы.
Ионосферой называется верхняя часть атмосферы, начинающаяся с расстояния примерно 50 км от поверхности Земли и
переходящая в межпланетную плазму на расстояниях 70-80 тыс. км. Особенностью ионосферы является высокая концентрация в ней свободных заряженных частиц - ионов и электронов. Ионизация верхних слоев атмосферы создается ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца. Максимальные значения количества свободных электронов в ионосфере электронов в кубическом сантиметре - достигаются на высотах 250- 400 км от поверхности Земли.
Проводящий слой земной атмосферы - ионосфера - способен поглощать и отражать электромагнитные волны. От ионосферы хорошо отражаются длинные радиоволны. Это явление наряду с дифракцией увеличивает дальность распространения длинных волн. Хорошо отражаются ионосферой и короткие радиоволны. Многократные отражения коротких радиоволн от ионосферы и земной поверхности делают возможной радиосвязь на коротких волнах между любыми точками на Земле (рис. 254).
Ультракороткие волны (УКВ) не отражаются ионосферой и не огибают поверхность Земли в результате дифракции (рис. 255). Поэтому связь на УКВ
осуществляется только в пределах прямой видимости антенны передатчика.
Радиолокация.
Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играют радиолокационные средства связи. В основе радиолокации лежит свойство отражения радиоволн от проводящих тел.
Если радиопередатчик включить на очень короткое время и выключить, то можно через некоторое время с помощью радиоприемника зарегистрировать возвращение радиоволн, отраженных от проводящих тел вдали от радиостанции.
Измерив с помощью электронной аппаратуры длительность промежутка времени между моментами времени отправления и возвращения электромагнитных волн, можно определить путь, пройденный радиоволнами: где с - скорость электромагнитной волны. Так как волны прошли путь до тела и обратно, расстояние до тела, отражавшего радиоволны, равно половине этого пути:
Чтобы определить не только расстояние до тела, во и его положение в пространстве, необходимо посылать радиоволны узконаправленным пучком. Узкий пучок радиоволн создается с помощью антенны, имеющей форму, близкую к сферической. Для того чтобы антенна радиолокатора могла создать узконаправленный пучок радиоволн, в радиолокации используются ультракороткие волны
Для определения, например, местонахождения самолета антенну радиолокатора направляют на самолет и на очень короткое время включают генератор электромагнитных волн. Электромагнитные волны отражаются от самолета и возвращаются к радиолокатору. Отраженный радиосигнал улавливает та же антенна, отключенная от передатчика и подключенная к приемнику (рис. 256). По углам поворота антенны радиолокатора определяется направление на самолет. Радиолокатор, установленный на самолете, позволяет по времени прохождения радиоволн до поверхности Земли и обратно измерять высоту, на которой находится самолет.
Вода и суша, сухая и влажная почва, городские строения и транспортные коммуникации по-разному отражают радиоволны. Это позволяет с помощью радиолокационных приборов на самолете не только измерять расстояние до
поверхности Земли, но и получать своеобразную радиолокационную карту местности, над которой летит самолет. Эту карту пилот самолета получает днем и ночью, в ясную погоду и при сплошной облачности, так как облака не являются преградой для электромагнитных волн.
Радиолокационными методами выполнены наиболее точные измерения расстояний от Земли до Луиы и до планет Меркурий, Венера, Марс и Юпитер.
Билет № 20
Электромагнитные волны и
их свойства. Принципы радиосвязи и
примеры их практического
использования
План ответа
1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирование.
Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме.
Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.
Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.
Они подчиняются закону отражения волн:
угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах гасят. (Когерентные волны это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 32).
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 33, а). Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода антенны.
Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.
При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.
С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)
Что представляет собой принцип радиосвязи? Начнем с того, что для ее осуществления необходимо иметь два прибора: приемник и передатчик электромагнитных и звуковых волн.
Принципы связи
Простые приборы, которые нужны для работы, создал в 1886 году Г. Герц. Принцип радиосвязи основывается на классических законах физики. Если разрезать на две половины и присоединить к отрезкам высоковольтный трансформатор, между ними будет возникать переменный (пульсирующий) ток, а вокруг него появляется электромагнитное поле. Проволока в данном случае рассматривается и в качестве передатчика, и в виде передающей антенны.
Особенности
Принцип радиосвязи основывается на характеристиках электромагнитного поля. Так как для его распространения необходимы волны, уловить его можно на значительном расстоянии с помощью приемника. В его роли выступают два куска металлической проволоки, расположенные параллельно к передающей антенне. Так как энергия волн будет распространяться в разные стороны, а приемнику удается улавливать только ее часть, в воздушном пространстве искры малы. Но в темноте их можно видеть даже без оптических приборов.
Особенности использования
Принципы радиосвязи базируются на передающих устройствах, разработанных Герцем, но подходят только для несущественных расстояний. Объясняется такая ограниченность применения незначительной мощностью радиоволн. Для того чтобы справиться с данной проблемой, был создан генератор высокой частоты. С его помощью радиоволны могли распространяться на значительные расстояния.
Схема радиотелефонной связи
Рассмотрим основные принципы радиосвязи и примеры их практического использования. В современном передатчике присутствует генератор высоких частот для создания необходимой мощности излучения. С его помощью образуется несущая частота, используемая приемником для настройки. У современного передатчика есть модулятор. Он представляет собой устройство, которое изменяет амплитуду либо частоту волны синхронно с музыкой либо голосом. Обязательным элементом передатчика является и передающая антенна.
Модуляция
Самой простой для восприятия является амплитудная модуляция. У высокочастотных колебаний, которые создает генератор, существует постоянная амплитуда. С помощью модулятора происходит ее изменение «по форме» сигнала низкой частоты, идущего от микрофона. Модулированный сигнал попадает на приемную антенну в качестве волн с непостоянной амплитудой.
Демодуляция
Принцип радиосвязи характеризуется и демодуляцией. После улавливания приемной антенной волн происходит отделение сигнала от одного передатчика, который функционирует на частоте, выбранной в качестве несущей величины. Для проведения таких преобразований применяется настроечный приемный контур. Тот сигнал, который выделен от одного передатчика, поступает в демодулятор. В этом устройстве происходит разделение низкочастотных колебаний от высокочастотного сигнала. Далее он поступает в громкоговоритель или в наушники.
Диапазоны волн
Рассматривая принципы радиосвязи, отметим, что волны имеют разные диапазоны. В настоящее время применяют средние, сверхдлинные, короткие, длинные, а также ультракороткие радиоволны. Их достаточно широко используют в разнообразных сферах электроники:
- радиосвязь;
- телевидение;
- радиовещание;
- радиоразведка;
- метеорология.
Принцип современной радиосвязи предполагает превращение звуковых колебаний в электрические виды с помощью микрофона. Сложность передачи такого сигнала состоит в том, что для осуществления радиосвязи требуются высокочастотные колебания, а звуковые волны имеют низкую частоту. Для решения проблемы используются мощные антенны. Для звуковой частоты накладывание колебаний осуществляется так, чтобы переносить сигнал на существенные расстояния.
Современные принципы радиосвязи и телевидения базируются на радиопередающем устройстве. Он имеет генератор высокой частоты, который преобразует постоянное напряжение в высокочастотные гармонические колебания. Несущая частота должна быть постоянной величиной.
Принципы радиосвязи и телевидения предполагают определенное строение генератора. Он преобразовывает полученные сообщения в электрический сигнал, который и используется для процесса модуляции постоянной частоты. Выбор такого устройства основывается на физической природе транслируемого сигнала, В случае звука для этого используется микрофон, для передачи картинки применяют передающую телевизионную трубку. Модулятор необходим для проведения процесса перевода сигнала высокой частоты в ту величину, которая соответствует звуковому сигналу с передаваемой информацией. Также используются один либо два каскада для усиления модулированного сигнала. Излучающая антенна предназначена для выброса в окружающее пространство электромагнитных волн.
Заключение
Радиопередающее устройство используется для приема той информации, которая передается благодаря электромагнитным волнам, исходящим от передающей антенны современного радиопередатчика. В данном устройстве предполагается наличие следующих основных элементов:
- Приемная антенна, которая нужна для улавливания электромагнитных колебаний. Здесь систематически возникают модулированные вынужденные колебания, которые возбуждаются разнообразными радиостанциями.
- Резонансный контур настраивается на конкретную частоту, считающуюся полезным сигналом.
- Детекторный каскад необходим для предобразования усиленного модулированного высокочастотного сигнала, а также выделения из него модулирующего сигнала, который несет передаваемую информацию.
Детектирование является процессом, противоположным модуляции. Детекторами выступают полупроводниковые приборы и электронные лампы, которые имеют нелинейные характеристики. Моделирование и детектирование являются основными процессами, которые способствуют передаче и приему звука и изображения, то есть они связаны с передачей телевизионного изображения и звукового сигнала.
