24 Радио

Урок №2/48
Тема №24: «Электромагнитное поле и его распространение в
пространстве. Открытый колебательный контур. Энергия
электромагнитного поля. Изобретение радио А.С.Поповым. Принципы
радиотелеграфной связи.»
1 Самостоятельная работа по задачам из предыдущей темы.
2 Электромагнитное поле и его распространение в пространстве.
В 1864г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно
которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные
составляющие единого целого - электромагнитного поля.
Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой
осуществляется
взаимодействие
между
заряженными
частицами.
Представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое поле и
магнитное поле. Взаимная связь электрического Е и магнитного Н полей
заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого: переменное электрическое поле, порождаемое ускоренно
движущимися зарядами (источником), возбуждает в смежных областях
пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь,
возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное
электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное поле
распространяется от точки к точке пространства в виде электромагнитных
волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости
распространения электромагнитное поле может существовать автономно от
породившего его источника и не исчезает с устранением источника
(например, радиоволны не исчезают с прекращением тока в излучившей их
антенне).
Электромагнитное поле в вакууме описывается напряженностью электрического поля Е и магнитной индукцией В. Эта теория с единой точки зрения
объясняла результаты всех предшествующих исследований в области
электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения
электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны,
распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с
конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной
проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой
скорости, было близко к экспериментальным измерениям скорости света,
полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать
предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из
проявлений электромагнитных волн.
Электромагнитные волны представляют собой электромагнитные колебания,
распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от
свойств среды (рис. 1).
Рис. 1. Электромагнитные волны
Существование электромагнитных волн предсказано английским физиком М.
Фарадеем в 1832 г. Другой английский ученый, Дж. Максвелл, в 1865 г.
теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются
локализованными в пространстве, а распространяются во все стороны от
источника. Теория Максвелла позволила единым образом подойти к
описанию радиоволн, оптического излучения, рентгеновского излучения,
гамма-излучения. Оказалось, что все эти виды излучения –
электромагнитные волны с различной длиной волны λ, т. е. родственны по
своей природе. Каждое из них имеет своё определённое место в единой
шкале электромагнитных волн (рис. 2).
Рис. 2. Шкала электромагнитных волн
Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие
волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред,
дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в
неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и
другие явления.
Электромагнитные волны различных диапазонов длин волн характеризуются
различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют
с
веществом.
Процессы
излучения
и
поглощения
электромагнитных волн от самых длинных до ИК излучения достаточно
полно описываются соотношениями классической электродинамики
3 Открытый колебательный контур.
Источником гармонических электромагнитных волн является открытый
колебательный контур. Излучение рассмотренного выше закрытого
колебательного контура мало, так как он излучает в окружающее
пространство ничтожную часть энергии (рис. 1).
Рис. 1
Это объясняется тем, что этот контур представляет собой почти замкнутую
электрическую цепь. В этой цепи сила тока в данный момент времени
одинакова во всех ее участках. Такой контур очень слабо излучает
электромагнитные волны. Каждому участку витка катушки контура
соответствует близко расположенный участок на противоположном конце
диаметра витка, по которому ток проходит в противоположном направлении
(рис. 2). На большом расстоянии от витка эти участки создают магнитные
поля, индукции которых почти равны по модулю и направлены в
противоположные стороны. В результате вдали от контура поля ослабляют
друг друга, так что магнитное поле оказывается сосредоточенным лишь
внутри катушки.
Рис. 2
Так же обстоит дело с электрическими полями зарядов на обкладках
конденсатора. Заряды равны по модулю и противоположны по знаку. Почти
все электрическое поле сосредоточено между пластинами, а вдали от них
поля зарядов противоположных знаков почти целиком компенсируют друг
друга.
Таким образом, большая частота колебаний в колебательном контуре еще не
гарантирует интенсивное излучение электромагнитных волн, хотя энергия
излучения
Необходимо перейти от закрытого колебательного контура к открытому.
Если контур состоит из катушки и двух пластин, не параллельных друг другу
(рис. 3), то чем под большим углом развернуты эти пластины, тем более
свободно электромагнитные волны излучаются в окружающее пространство.
Рис. 3
Предельным случаем является разнесение пластин на противоположные
стороны катушки. При таком преобразовании контура будет изменяться
частота электромагнитных волн. Как известно,
ν = 1/2π√𝑳𝑪
(70)
где С = ƐƐ0S/d. Если раздвигать пластины конденсатора, то его емкость при
этом будет уменьшаться, так как увеличивается d. Можно уменьшить и
индуктивность катушки, если заменить ее прямым проводом (рис. 3, а, б, в).
Частота колебаний в контуре возрастает. Таким образом, мы получили —
антенну. В антенне заряды уже не сосредоточены на концах, а распределены
по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях
проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока не одинакова в
различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посередине
достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока
сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.)
Впервые электромагнитные волны экспериментально получил, передал на
расстояние (правда, в пределах стола) и принял Генрих Герц. В качестве
колебательных контуров он использовал так называемые диполи Герца
(вибраторы Герца): два стержня с шариками, между которыми оставлен
определенный зазор. К шарикам от индукционной катушки подводили
достаточно высокое напряжение, и между ними проскакивала искра —
высокочастотный разряд (переменный ток). Следовательно, в пространстве
возникало быстропеременное электромагнитное поле, распространялась
электромагнитная волна, интенсивность которой была наибольшей в
направлении, перпендикулярном вектору напряженности .
Введено понятие вибратора Герца,
приведена рабочая схема вибратора
Герца, рассмотрен переход от
замкнутого контура к электрическому
диполю
Посредством вибратора, резонатора и
отражательных металлических экранов
Герц доказал существование
предсказанных Максвеллом
электромагнитных волн,
распространяющихся в свободном
пространстве. Он доказал их
тождественность световым волнам
(сходство явлений отражения,
преломления, интерференции и
поляризации) и сумел измерить их
длину.
Приемник электромагнитных волн Г.
Герц сделал аналогичным образом, только расстояние между шариками было
уменьшено. Герц наблюдал электромагнитные колебания в приемном
вибраторе по искоркам, проскакивающим между проводниками приемного
вибратора.
Г. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что
они ведут себя подобно другим видам волн. Он наблюдал отражение
электромагнитных волн от металлического листа, установил, что они
распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают
преломление на границе прозрачных сред, наблюдал интерференцию и на
основании экспериментальных данных определил длину электромагнитной
волны В опытах Герца λ = 66 см. А при известной частоте можно вычислить
скорость распространения электромагнитных волн
Он рассчитал, что
, т.е. она равна скорости света в вакууме.
4 Изобретение радио А.С.Поповым.
Прошло более 100 лет со дня изобретения радиопередачи полезной
(заданной) информации русским ученым Александром Степановичем
Поповым, который 25 апреля по старому стилю (7 мая - по новому стилю)
1895 года впервые в мире сделал научный доклад для научно-технической
общественности об изобретенном им методе использования излученных
электромагнитных волн для беспроводной передачи электрических сигналов,
содержащих полезную информацию для получателя, и продемонстрировал
такую передачу в действии, получая в приемнике эту информацию. В марте
следующего года он продемонстрировал уже прибор для передачи сигналов,
передав на расстояние 250 м радиограмму их двух слов "Генрих Герц".
Первые сообщения об этом докладе появились в газете "Кронштадский
вестник" (от 30 июня 1895 года). Описание аппаратуры А.С. Попова и
полученных им результатов было опубликовано А.С. Поповым в ряде
журналов, в том числе в журналах Русского физико-химического общества
(РФХО) - том 27 от 24 ноября 1895 года и том 28 от 28 февраля 1896 года.
Эти журналы распространялись не только в России, но и за рубежом и были
весьма популярны среди иностранных ученых. Предложенный А.С. Поповым
метод беспроводной передачи полезной информации путем модуляции
(манипуляции) излучаемых электромагнитных волн получил в дальнейшем
название радиопередачи (Radio - испускать лучи, лат.).
После демонстрации радиопередачи 25 апреля(7 мая) 1895 года А.С.
Попов в течение ряда лет передавал на корабли Балтийского флота
множество служебных радиограмм для нужд этого флота и исследовал
методы увеличения дальности приема радиограмм, проводил прием
радиоволн от грозовых облаков в Лесном институте в Санкт-Петербурге
(летом 1895 и 1896 г.г.) и на электростанции в Нижнем Новгороде (летом
1896 г.) - дальность приема составляла 30 км. Успешное применение
радиосвязи А.С. Поповым на Балтийском флоте было высоко оценено
руководством флота и командирами кораблей. Для оснащения флота
потребовалось изготовление многих десятков комплектов аппаратуры А.С.
Попова. Изготовление первых десятков таких комплектов было организовано
в Кронштадте по чертежам и под руководством А.С. Попова в мастерских
лейтенанта Е.В. Колбасьева. Кроме того, для удовлетворения растущих
потребностей флота в такой аппаратуре к ее изготовлению были привлечены
иностранные фирмы, которым были переданы чертежи А.С. Попова. Это
фирма Э. Дюкрете во Франции и Всеобщая Компания электричества (AEG) в
Германии (профессор А. Слаби и граф Арко). Э. Дюкрете представил 19
ноября 1897 года на выставку в Париже образцы такой аппаратуры, а 21
января 1898 года делал доклад о ней на заседании Французского физического
общества.
Таким образом, производство
радиоаппаратуры А.С. Попова в Кронштадте
в мастерских Е.В. Колбасьева можно считать
первым в мире промышленным выпуском
приемной и передающей радиоаппаратуры, а
эти мастерские были первенцем
отечественной радиопромышленности.
Примеру мастерских Е.В. Колбасьева, фирм
Э. Дюкрете и AEG последовала Англия, которая как колониальная держава
особенно нуждалась в радиосвязи с кораблями и с колониями. Некоторое
количество такой аппаратуры было изготовлено в Англии военным
ведомством.
Работами А.С.Попова заинтересовался молодой предприимчивый итальянец
Гульельмо Маркони, который согласно сообщениям (появляющимся в
настоящее время) западной прессы, пытался повторить в доме своего отца в
Болонье опыты А.С. Попова. Первое сообщение об этом появилось в печати
без каких либо подробностей и без описания аппаратуры и полученных
результатов. Г. Маркони 2 июня 1896 г. подал в Англии заявку на
изобретение аппаратуры для связи без проводов с помощью
электромагнитных волн, 2 марта 1897 года он закончил внесение изменений
в эту заявку и 2 июля 1897 года он получил английский патент. Г. Маркони в
своем патенте применил приемник по схеме А.С. Попова, а его
"Усовершенствования" состояли в добавлении (с целью внесения отличий от
приемника А.С. Попова) в приемник отдельной батареи звонка, что
усложнило схему. Из сравнения схем А.С. Попова и Г. Маркони следует, что
Г. Маркони отстал от А.С. Попова на 2 года.
5 Принцип современной радиосвязи.
Электромагнитные волны в настоящее время широко применяются в
различных областях радиоэлектроники (отрасль науки и техники,
использующая электромагнитные волны для передачи, приема и
преобразования информации): радиосвязь, радиовещание, телевидение,
радиолокация, радиоуправление, радиотелеметрия, радиометеорология,
радиоразведка и др.
Остановимся на принципах современной радиотелефонной связи.
Радиопередачи стали возможны после создания генератора незатухающих
колебаний. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в
звуковой волне с помощью микрофона превращаются в электрические
колебания той же формы. Трудность передачи звукового сигнала состоит в
том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, а
колебания звукового диапазона — низкочастотные колебания, для излучения
которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания
звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на
колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие
расстояния.
Радиопередающее устройство содержит следующие основные элементы (рис.
1): Г — задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразующий
энергию источника постоянного напряжения в гармонические колебания
высокой частоты. Частоту этих колебаний называют несущей. Она должна
быть строго постоянной;
МК — преобразователь сообщений в электрический сигнал, используемый
для модуляции колебаний несущей частоты. Вид преобразователя зависит от
физической природы передаваемого сигнала: при звуковом сигнале
преобразователем является микрофон, при передаче изображений —
передающая телевизионная трубка:
Μ — модулятор, в котором происходит модуляция высокочастотного
сигнала в соответствии с частотой звукового сигнала, несущего информацию,
подлежащую передаче;
УВЧ — обычно имеется один или два каскада усилителя мощности
модулированного сигнала;
Α1 — излучающая антенна, предназначенная для излучения
электромагнитных волн в окружающее пространство.
Рис. 1
Радиоприемное устройство предназначено для приема информации,
передаваемой с помощью электромагнитных волн, излучаемых передающей
антенной радиопередатчика. Радиоприемное устройство содержит
следующие основные элементы (рис. 2): А2 — приемная антенна служит для
улавливания электромагнитных колебаний. В антенне возникают
вынужденные модулированные колебания, возбуждаемые различными
радиостанциями;
РК — резонансный контур, настраиваемый на определенную частоту,
который из множества принятых антенной сигналов выделяет полезный
сигнал;
УВЧ — в РК в результате резонанса происходит увеличение амплитуды
напряжения принятых колебаний. Однако при этом дополнительная
высокочастотная энергия не создается и мощность принятого сигнала не
возрастает. Более того, она даже несколько уменьшается из-за неизбежных
потерь энергии на активном сопротивлении входной цепи. Мощность
принятого сигнала исключительно мала. Поэтому в усилителе высокой
частоты повышается напряжение принятого сигнала и увеличивается его
мощность;
Д - детекторный каскад. Здесь усиленный модулированный высокочастотный
сигнал преобразуется и из него выделяется модулирующий сигнал, несущий
передаваемую информацию. Следовательно, детектирование — процесс,
обратный модуляции. В качестве детектора используют приборы с
нелинейной характеристикой — электронные лампы и полупроводниковые
приборы;
УНЧ — усилитель низкой частоты. Выделенное в детекторном каскаде
модулирующее напряжение низкой частоты мало и его усиливают в
усилителе низкой частоты;
ГВ — после усиления низкочастотный сигнал поступает на
громкоговоритель (телефон).
Рис. 2
6 Вопросы на закрепление изученной темы.
- Что представляет собой электромагнитное поле? электромагнитные волны?
- Кто создал теорию электромагнитных волн?
- Чем отличается закрытый колебательный контур от открытого?
- Расскажите об опытах Герца.
- Кто изобрёл радио?
- В чём заключаются процессы модуляции и детектирования?
Рисунок 42 - Процесс детектирования АМ сигналов
1/ω0С1