ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Виды электромагнитных волн и их свойства. Принципы радиосвязи

Из закона Фарадея следует, что любое изменение потока магнитной индукции приводит к возникновению ЭДС индукции и индукционнго тока (при наличии замкнутого контура). Выходит, что сторонние силы действуют на неподвижные заряды (значит, это не сила Лоренца) и заставляют их начать движение.

Максвелл высказал гипотезу, что переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь является причиной возникновения электрического тока. Таким образом, наличие проводящего контура является всего лишь индикатором, обнаруживающим переменное электрическое поле. Такое электрическое поле называется вихревым.

Электромагнитное поле - совокупность порождающих друг друга электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:

· проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;

· распространяется с большой, но конечной скоростью;

· существует независимо от нашей воли и желаний.

При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.

При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные волны — это такие электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, которая зависит от свойства среды. Иными словами можно сказать, что электромагнитной волной называют распространяющееся в пространстве электромагнитное поле или электромагнитное возмущение.

Свойства электромагнитных волн

1. Электромагнитные волны поперечны – векторы E и B перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Для создания электромагнитной волны необходимо создать в пространстве систему быстро меняющихся электрических и магнитных полей. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля (и наоборот). Колебания достаточно высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Для того, чтобы частота была больше, необходимо уменьшить индуктивность и емкость контура:

Таким условиям отвечает открытый колебательный контур:

· Для уменьшения емкости С необходимо увеличить расстояние между пластинами и уменьшить площадь пластин. Самая маленькая емкость - это простой провод.

· Для того чтобы снизить индуктивность L необходимо уменьшить количество витков в катушке. В результате выходит обычный провод, который получил название открытого колебательного контура.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал устройство, называемое сейчас вибратор Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Схема опыта Герца

Первоначально вибратор представлял собой два соосных медных стержня диаметром 5 мм и длиной по 1,3 м; на концах стержней были насажены по одному латунному маленькому (диаметром 3 см) шарику и по одной большой цинковой сфере или полусфере (диаметром 30 см) либо квадратной пластине. Между маленькими шариками оставался искровой промежуток в 7... 7,5 мм. К медным стержням вблизи маленьких шариков были прикреплены обмотки катушки Румкорфа - преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения.

При импульсах постоянного тока, вследствие действия прерывателя, в гальванической цепи вторичной обмотки катушки между шариками проскакивали искры и в окружающую среду излучались электромагнитные волны. Перемещением больших сфер (или пластин) вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие частоты колебаний (и соответственно длины волн) согласно формуле Томсона.

Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц сделал простой резонатор, представляющий собой проволочное незамкнутое кольцо диаметром 70 см или прямоугольную незамкнутую рамку 125х80 см, также с латунными шариками на концах и также с малым искровым регулируемым промежутком.

Вибратор и резонатор Герца поражают своей остроумной простотой и высокой эффективностью. Изменяя размеры и положение резонатора, ученый настраивал его на частоту колебаний вибратора. В разряднике резонатора проскакивали маленькие искры в те самые моменты, когда происходили разряды между шариками вибратора. Интенсивность искрообразования была очень мала и наблюдения приходилось вести в темноте.

Экспериментальное подтверждение свойств электромагнитных волн

Поглощение волн

Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.

Отражение волн

При расположении цинкового экрана в точке пересечения оптических осей, когда перпендикуляр к его поверхности совпадал с биссектрисой угла, возникало искрообразование. Аналогичные результаты получались при замене сплошного экрана проволочной решеткой. Опыты показали, что отражение электромагнитных волн происходит по тем же законам, что и отражение света, как это и следует из теории Максвелла.

Преломление волн

Для изучения вопроса о преломлении электромагнитных волн Герц изготовил асфальтовую призму высотой 1,5 м весом в 1,2 т с поперечным сечением в виде равнобедренного треугольника со сторонами 1,2 м. Призма образовывала преломляющий угол 30°. Помещение призмы между зеркалами, стоящими одно против другого, вызывало полное прекращение искры в резонаторе. Искрообразование восстанавливалось при перемещении приемного зеркала на угол 22° по направлению к основанию призмы. Вычисленный коэффициент преломления асфальта 1,69 был близок к истинному значению.

Поперечность электромагнитных волн

Колебания напряженности электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определенной плоскости, а колебания вектора магнитной индукции - поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических проволочек. Решетку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошному металлическому листу. Когда же E перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

Интерференция электромагнитных волн

На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приемник располагают друг против друга. Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечетному числу полуволн

Изобретение радио А.С. Поповым. Принцип радиосвязи.

Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Герц скептически относился к возможности беспроволочной телефонной связи. По его мнению, сравнительно медленные электрические колебания акустических частот не могут быть переданы на большие расстояния. Длина электромагнитных волн таких колебаний равна сотням километров.

В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. Как создавать электромагнитные волны, было известно со времен Герца. Увеличить интенсивность излучаемых волн можно было путем повышения мощности разряда. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником.

Трубка с опилками подвешена горизонтально между зажимами на лёгкой часовой пружине, которая для большей эластичности согнута со стороны одного зажима зигзагом. Над трубкой расположен звонок так, чтобы при своём действии он мог давать лёгкие удары молоточком посередине трубки, защищённой от разбивания резиновым кольцом. Удобнее всего трубку и звонок укрепить на общей вертикальной дощечке. Реле может быть помещено как угодно.

Действует прибор следующим образом. Ток батареи 4 - 5 В постоянно циркулирует от зажима Р к платиновой пластинке А, далее через порошок, содержащийся в трубке, к другой пластинке В и по обмотке электромагнита реле обратно к батарее. Сила этого тока недостаточна для притягивания якоря реле, но если трубка AВ подвергается действию электрического колебания, то сопротивление мгновенно уменьшится и ток увеличится настолько, что якорь реле притянется. В этот момент цепь, идущая от батареи к звонку, прерванная в точке С, замкнётся и звонок начнёт действовать, но тотчас же сотрясённая трубка опять уменьшит её проводимость, и реле разомкнёт цепь звонка.

Радиосвязь — это передача и прием информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот — от 3∙10⁴ до 3∙10¹¹ Гц.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, достаточно усилить эти колебания, подать в антенну, и передача на расстоянии речи и музыки с помощью электромагнитных волн будет осуществлена. Однако в действительности такой простой способ передачи неосуществим.

Дело здесь вот в чем. Колебания звуковой частоты — это медленные колебания. Энергия же, излучаемая в единицу времени, пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому электромагнитные волны низкой частоты практически не излучаются. Возникает проблемная ситуация. Высокочастотные волны интенсивно излучаются, но не несут с собой необходимой информации. Напротив, электрические колебания звуковой частоты такую информацию несут, но электромагнитные волны таких частот не излучаются.

Из этого положения был найден весьма остроумный выход. Он состоит в том, что для передачи используются высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором. Колебания же низкой (звуковой) частоты применяют лишь для изменения высокочастотных колебаний или, как говорят, для их модуляции (От латинского слова modulatio – мерность, размерность).

Модуляцией электромагнитной волны называется изменение ее характеристик (амплитуды, частоты или фазы) при помощи колебаний с частотами, значительно меньшими частоты самой электромагнитной волны.

Соответственно различаются амплитудная, частотная и фазовая модуляции колебаний. Частота исходной (немодулированной) волны называется несущей частотой, а частота изменения характеристик волны при модуляции — частотой модуляции.

Амплитудная модуляция

В радиоприемнике из модулированных колебаний высокой частоты, после их усиления, получают низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования называется детектированием (От латинского слова detectio — обнаружение) или демодуляцией.

Полученный в результате детектирования низкочастотный сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты могут быть преобразованы в акустические колебания или использованы для других целей.

Распространение радиоволн. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи

Электромагнитные волны различных диапазонов

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами. Радиоволны делятся на группы.

Наименование радиоволн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длин волн (в вакууме), м
Сверхдлинные	< 3∙10⁴	> 10 000
Длинные	3∙10⁴ – 3∙10⁵	10000 – 1000
Средние	3∙10⁵ – 3∙10⁶	1000 – 100
Короткие	3∙10⁶ – 3∙10⁷	100 – 10
Ультракороткие:
метровые	3∙10⁷ – 3∙10⁸	10 – 1
дециметровые	3∙10⁸ – 3∙10⁹	1 – 0,1
сантиметровые	3∙10⁹ – 3∙10¹⁰	0,1 – 0,01
миллиметровые	3∙10¹⁰ – 3∙10¹¹	0,01 – 0,001

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Нижняя, наиболее плотная часть атмосферы называется тропосферой и простирается до высоты 10-12 км. Выше расположена стратосфера, верхняя граница которой лежит на высоте 60-80 км. Далее находится ионосфера, которая характеризуется малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности и может отражать радиоволны.

Ионосфера неоднородна; некоторые ее слои ионизированы наиболее сильно. Различают слои ионосферы D, Е и F Степень ионизации атмосферы зависит от интенсивности солнечной радиации и изменяется в различное время суток и года.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Короткие волны (λ < 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы, проходя сквозь нее. Они также не огибают земную поверхность и крупные препятствия. Поэтому их используют для радиосвязи на сравнительно небольшие расстояния — 20-30 миль. Дециметровые волны применяются для спутниковой связи и радио-связи в пределах прямой видимости.

Радиолокация

Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией. Радиолокационная установка — радиолокатор (или радар) — состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты (108 — 1011 Гц). Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну. В радиолокаторах, работающих на длинах волн порядка 10 см и меньше, такая волна создается антеннами в виде параболических зеркал. Для волн метрового диапазона антенны имеют вид сложных систем вибраторов. При этом острая направленность излучения получается вследствие сложения волн. Антенна устроена так, что волны, посланные каждым из вибраторов, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направлениях происходит полное или частичное их взаимное гашение. Отраженная волна улавливается либо той же излучающей антенной, либо другой приемной антенной, тоже остронаправленной. Строгая направленность излучения позволяет говорить о луче радиолокатора. Направление на объект и определяется как направление луча в момент приема отраженного сигнала. Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения. Передатчик излучает волны кратковременными импульсами. Длительность каждого импульса составляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами примерно в 1000 раз больше. Во время пауз принимаются отраженные волны. Определение расстояния R проводится путем измерения общего времени t прохождения радиоволн до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с = 3 • 108 м/с в атмосфере практически постоянна на всем пути луча, то Вследствие рассеяния радиоволн до приемника доходит лишь ничтожная часть той энергии, которую излучает передатчик. Потому приемники радиолокаторов усиливают принятый сигнал в миллионы миллионов раз (1012). Такой чувствительный приемник, разумеется, должен быть отключен на время посылки импульса передатчиком.

Для фиксации посланного и отраженного сигналов используют электронно-лучевую трубку. В момент посылки импульса светлая точка, равномерно движущаяся по экрану электронно-лучевой трубки, отклоняется. На экране появляется всплеск около нулевой отметки шкалы дальности. Светящееся пятнышко на экране продолжает равномерно двигаться вдоль шкалы и в момент приема слабого отраженного сигнала снова отклоняется. Расстояние между всплесками на экране пропорционально времени t прохождения сигнала и, следовательно, расстоянию R до цели. Это позволяет проградуировать шкалу непосредственно в километрах. Радиолокационные установки обнаруживают корабли и самолеты на расстояниях до нескольких сот километров. На их работу лишь незначительно влияют условия погоды и время суток. В больших аэропортах локаторы следят за взлетающими и идущими на посадку самолетами. Наземная служба передает по радио пилотам необходимые указания и таким образом обеспечивает безопасность полетов. Корабли и самолеты также снабжены радиолокаторами, служащими для навигационных целей. Такие локаторы создают на экране картину расположения объектов, рассеивающих радиоволны, и оператор видит радиолокационную карту местности. В настоящее время применение радиолокации становится все более разнообразным. С помощью локаторов наблюдают метеоры в верхних слоях атмосферы. Локаторы используются службой погоды для наблюдения за облаками. Локаторы используются в космических исследованиях. Каждый космический корабль обязательно имеет на борту несколько радиолокаторов. В 1946 г. в США и Венгрии был осуществлен эксперимент по приему сигнала, отраженного от поверхности Луны. В 1961 г. учеными нашей страны произведена радиолокация планеты Венера, что позволило оценить период ее вращения вокруг своей оси. В настоящее время осуществлена локация и других планет Солнечной системы. Радиолокаторы используются для обнаружения самолетов и кораблей, в службе погоды, для локации планет и др.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

12 3 Следующая ⇒