Тема 9.1Электромагнитные волны. Принципы радиосвязи
1. Электромагнитное поле, как особый вид материи.
2. Открытый колебательный контур – антенна.
3. Электромагнитные волны, скорость их распространения в различных средах.
4. Изобретение радио Поповым. Радиотелеграфная связь.
5. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция.
1. Электромагнитное поле, как особый вид материи.
Для того чтобы объяснить явление электромагнитной индукции открытой Фарадеем опытным путем в середине IXX века Максвелл разрабатывает теорию электромагнитного поля, электромагнитных волн исходя из 2-х постулатов.
1-й постулат – переменные магнитные поля создают вихревые электрические поля.
2-й постулат – вихревые электрические поля создают вихревые магнитные поля.
Из постулатов Максвелла следует, что вихревые электрические и магнитные поля в природе взаимосвязаны и как вид материи представляют собою единое электромагнитное поле.
Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты и в отличие от электрического поля создаваемого неподвижными зарядами эти линии не имеют ни начала, ни конца. В электромагнитном поле энергия вихревого электрического поля переходит в энергию магнитного поля и наоборот, то есть происходят электромагнитные колебания. Эти колебания, распространяясь в пространстве, образуют электромагнитные волны.
Следовательно, электромагнитная волна – это процесс распространения электрических магнитных колебаний в пространстве, так как электрические и магнитные поля обладают энергией, то вместе с волной распространяется и энергия электромагнитного поля.
Так как электромагнитное поле особый вид материи, то для распространения электромагнитных волн среда необязательна, в отличие от механических волн.
Самая большая скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.
300 000 000м/с
300 000км/с
3х108 м/с
2. Открытый колебательный контур – антенна.
Для того чтобы получить электромагнитные волны необходимо в ограниченном объеме пространства получить электромагнитные колебания.
С этой целью на практике можно использовать закрытый колебательный контур.
В закрытом колебательном контуре энергия электрического поля в основном сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитное поле связано с катушкой. По проводам контура идут токи противоположенных направлений, магнитные поля которых, складываясь, друг друга компенсируют, поэтому мощность излучения электромагнитных волн будет не значительной. По этой причине его называют закрытым колебательным контуром. Эффективность излучения электромагнитных волн возрастает, если одну обкладку конденсатора поднять над землей, а вторую заземлить. Такой контур называется открытым или антенной.
Впервые такая антенна была использована Поповым в опытах по радиотелеграфной связи.
Антенный передатчик преобразует энергию переменного тока в энергию электромагнитных волн и излучают.
Антенна приемника принимают электромагнитные волны и преобразуют их в токи той же частоты.
3. Электромагнитные волны, скорость их распространения в различных средах.
Так как электромагнитная волна это процесс распространения электромагнитных колебаний, то в электромагнитной волне электрические и магнитные поля совершают колебания, плоскость колебания вектора напряженности электрического поля совпадает с плоскостью антенны. Плоскость колебания вектора напряженности магнитного поля, перпендикулярно плоскости антенны.
Таким образом, электрические и магнитные поля совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Направление распространения волны можно определить по правилу правого винта. Если винт вращать от вектора Е к вектору В в сторону меньшего угла, то поступ движения винта будет указывать на направление распространения волны.
Скорость распространения волны – это длина волны умноженная на частоту.
ν=λvформула расчета скорости распространения волн
λ – длина волны
ν – частота
Вывод:при переходе электромагнитных волн из одной среды в другую меняется их скорость, длина волны. Частота не меняется вследствие того, что меняется скорость волны, испытывают преломления.
4. Изобретение радио Поповым.
В 1895 г. русский ученый Попов впервые предложил идею использования электромагнитных волн для передачи информации на расстоянии и сам ее осуществил. Первая радиосвязь была телеграфной с использованием азбуки Морзе в этой азбуке каждой букве и цифре соответствует определенный набор и последовательность точек и тире (сигналы, разной длительности).
В передатчике генератор высокой частоты.
Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает токи высокой частоты которые через телеграфный ключ (ТК) поступают на антенну А1, которая энергию тока преобразует в энергию волн той же частоты и длительности. Телеграфная модуляция осуществляется с помощью ключа ТК. Телеграфные модулированные волны выпрямляются антенной А2 приемника и преобразуются в токи той же частоты и длительности. Антенна А2 принимает любые электромагнитные волны и преобразует их в токи для того чтобы выделить токи интересующей станции параллельно катушки L приемной антенны подключают конденсатор переменной емкостью C. Эта часть схемы называется РК. Меняя электроемкость конденсатора, добиваемся равенства собственной частоты контура f0 с частотой передатчика f. При таком условии внутрь приемника пройдут токи на частоте f. Дальше в приемнике эти токи детектируются (выпрямляются) с помощью детектора d.
Детектор – прибор, обладающий односторонней проводимостью. Это может быть полупроводниковый диод или радиолампа. После детектора ток становиться пульсирующим и одного направления. Дальше пульсация тока поступают на электрофильтр Сf представляющий собой конденсатор, подключенный параллельно исполнительному механизму ТА (телеграфный аппарат). Часть импульса тока поступает на конденсатор и заряжает его. Остальная часть уходит на исполнительный механизм. В промежутках между импульсами конденсатор разряжается на исполнительный механизм. По этому все время пока длится сигнал через исполнительный механизм идет ток, которому соответствует точка или тире.
5. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция.
Электромагнитные волны на звуковых частотах от 16 до 20 000 Герц имеют слишком большую длину волны. Волны такой длины практически с помощью антенн эффективно излучать и принимать не возможно. Поэтому для радиосвязи используются волны высокой частоты, которые имеют не большую длину волны. Они называются несущие волны. На радиостанции, на волны высокой частоты накладывают колебания звуков частоты. Такой процесс называют амплитудной модуляцией.
Рассмотрим принцип амплитудной модуляции.
Если включить генератор на передающей станции, то он будет вырабатывать токи высокой частоты, которые с помощью антенны А1 преобразуются в волны и излучаются.
Такие волны не содержат информации и называются несущими волнами. Подключим в цепь генератора модулятор, который состоит из трансформатора ТR и микрофона МК. Если перед микрофоном создать колебания высокой частоты, то микрофон энергию механических волн преобразует в энергию тока, той же частоты. Ток звуковой частоты проходя по первичной обмотке трансформатора ТR своим магнитным полем во вторичной обмотке наводит ЭДС индукции той же частоты. Так как вторичная обмотка трансформатора подключена к сетке лампы, то потенциал сетки относительно катода начнет изменяться в соответствии со звуковой частотой. Любые изменения потенциала сетки вызывают изменение анодного тока, по этому амплитуда начнет изменяться в соответствии со звуковой частотой. Такие токи называются амплитудно-модулированные. Эти токи с помощью антенны А1 преобразовываются в высокочастотные амплитудно-модулированные электромагнитные волны и излучаются.
Антенна А2 принимает амплитудно-модулированные волны и преобразовывает их в амплитудно-модулированные токи. С помощью разного контура Rк настраиваем приемник в резонанс на несущую частоту. При таком условии в контур проходят токи резонансной частоты. Детектором d эти токи выпрямляются. После выпрямления высокочастотные токи становятся пульсирующими. Слаживание пульсации тока происходит в электрофильтре Сф отдельной пульсации тока поступает на конденсатор Сф и его заряжают. А частично уходят на звуковоспроизводящее устройство ТА. В промежутках между пульсациями конденсатор разряжается на звуковоспроизводящее устройство и в результате через звуковоспроизводящее устройство идет ток звуковой частоты. Это устройство преобразует колебания тока в механические волны, той же частоты и мы слышим звук, произведенный перед микрофоном передающей станции.