Электромагнитные волны

Семинар по физике

Тема: «Электромагнитные волны»

Ученицы 11А класса

МОУ «Гимназия №56»

Стяжкиной Ксении

Преподаватель: И.В. Юдина

Ноябрь 2009 год

План

1. Что такое электромагнитная волна

Источники электромагнитного излучения

Излучение и распространение электромагнитных волн

2. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

3. Изобретение радио А.С. Поповым

4. Принципы радиосвязи

История применения радиосвязи

5. Свойства электромагнитных волн

6. Радиолокация

Военные применения

Невоенные применения

7. Развитие средств связи

1. Что такое электромагнитная волна

Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) - это распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания. Электромагнитные волны возникают благодаря тому, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле.

Источники электромагнитного излучения. Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Системы такого типа генерируют излучение в диапазоне от миллиметровых до самых длинных волн (в линиях электропередачи).

Излучение и распространение электромагнитных волн. Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала. Когда речь идет о неограниченном пространстве, эти условия дополняются особым граничным условием - условием излучения. Последнее гарантирует «правильное» поведение поля на бесконечности.

2. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Опыты Герца. Спустя 10 лет после смерти Максвелла, Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн и открыл их основные свойства, предсказанные Максвеллом.

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Причем частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура. Однако большая частота электромагнитных волн еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В своих опытах Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное количество электронов, движущихся согласованно.

Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой точно такое же устройство, что и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадет с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень малом промежутке между проводниками приемного вибратора.

Схема опыта Герца:

Своими опытами Герц доказал:

1)существование электромагнитных волн;

2)волны хорошо отражаются от проводников;

3)образование стоячих волн;

4)определил скорость волн в воздухе (она примерно равна скорости в вакууме - c).

3. Изобретение радио А.С. Поповым

Александр Степанович Попов одним из первых в России занялся изучением электромагнитных волн. Он начал с повторения опытов Герца, но затем нашел более надежный и чувствительный способ приема электромагнитных волн.

Попов применил когерер (от лат. - “когеренция” - “сцепление”) в качестве детали непосредственно регистрирующей электромагнитные волны. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. Внутри трубки находятся мелкие металлические опилки.

В основу работы прибора когерера положено влияние электрических разрядов на металлические порошки. Все происходит следующим образом: в обычных условиях опилки имеют довольно плохой контакт друг с другом, поэтому когерер обладает большим сопротивлением. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Опилки спекаются из-за мельчайших искорок, проскакивающих между ними. В результате сопротивление когерера резко падает со 100000 до 1000 - 500 Ом, то есть в 100-200 раз. После этого нужно вернуть прибору большое сопротивление. Это можно сделать просто встряхнув его. Но прибор должен работать автоматически для осуществления беспроволочной связи. Поэтому А.С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Срабатывало реле, включался звонок, и когерер получал “легкую встряску”, в результате чего сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.

А.С. Попов создал первую антенну для беспроволочной связи, заземлив один из выводов когерера и присоединив другой к высокоподнятому куску проволоки. Это позволило повысить чувствительность аппарата, так как заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура.

Основные принципы работы современных радиоприемников те же, что и в приборе А.С. Попова. Они также имеют антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Энергия этих колебаний не используется непосредственно для работы приемника. Такие слабые сигналы управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Управление осуществляется при помощи полупроводниковых приборов.

А.С. Попов впервые продемонстрировал действие своего прибора 7 мая 1895г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге. Этот прибор стал первым в мире радиоприемником, а день 7 мая стал днем рождения радио. И сейчас он ежегодно отмечается в России.

Изобретатель продолжал совершенствовать приемную аппаратуру, поставив себе цель построить прибор для передачи сигналов на большие расстояния. Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м. Вскоре удалось добиться дальности связи более 600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20км, а в 1901г. дальность радиосвязи была уже 150км.

Изменились способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный аппарат. Это позволило вести автоматическую запись сигналов.

Также была использована новая конструкция передатчика. Появился колебательный контур, индуктивно связанный с антенной и настроенный с ней в резонанс. В нем был размещен искровой промежуток.

Cкоро при участии А.С. Попов началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России. В начале 1900г. радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе. Через 5 лет после постройки первого приемника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстоянии 40 км. Опыты продолжались и совершенствовались приборы, медленно, постепенно увеличивалась дальность действия радиосвязи. Благодаря радиограмме, переданной зимой 1900г., удалось спасти рыбаков, которых шторм унес в открытое море.

В ХХ веке радио стало самым прогрессивным видом связи.

4. Принципы радиосвязи

Радиосвязь, электросвязь посредством радиоволн. Для осуществления радиосвязи в пункте, из которого ведётся передача сообщений (радиопередача), размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в котором ведётся приём сообщений (радиоприём), - радиоприёмное устройство, содержащее приёмную антенну и радиоприёмник. Генерируемые в передатчике гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал. От передатчика радиосигнал поступает в передающую антенну, посредством которой в окружающем антенну пространстве возбуждаются соответственно модулированные электромагнитные волны. Распространяясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый т. о. радиосигнал очень слаб, т.к. в приёмную антенну попадает лишь ничтожная часть излученной энергии. Поэтому радиосигнал в радиоприёмнике поступает в электронный усилитель, после чего он подвергается демодуляции, или детектированию; в результате выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания с несущей частотой в радиопередатчике. Далее этот сигнал (обычно дополнительно усиленный) преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, адекватное исходному.

В месте приёма на радиосигнал могут накладываться электромагнитные колебания от посторонних источников радиоизлучений, способные помешать правильному воспроизведению сообщения и называемые поэтому помехами радиоприёму. Неблагоприятное влияние на качество радиосвязи могут оказывать также изменение во времени затухания радиоволн на пути распространения от передающей антенны к приёмной и распространение радиоволн одновременно по двум или нескольким траекториям различной протяжённости; в последнем случае электромагнитное поле в месте приёма представляет собой сумму взаимно смещенных во времени радиоволн, интерференция которых также вызывает искажения радиосигнала. Поэтому и эти явления относят к категории помех радиоприёму. Их влияние на приём радиосигналов особенно велико при связи на больших расстояниях. Широкое распространение радиосвязи и использование радиоволн в радиолокации, радионавигации и др. областях техники потребовали обеспечения одновременного функционирования без недопустимых взаимных помех различных систем и средств, использующих радиоволны, - обеспечения их электромагнитной совместимости.

Распространение радиоволн в открытом пространстве делает возможным в принципе приём радиосигналов, передаваемых по линиям радиосвязи, лицами, для которых они не предназначены (радиоперехват, радиоподслушивание); в этом - недостаток радиосвязи по сравнению с электросвязью по кабелям, радиоволноводам и др. закрытым линиям. Тайна телефонных переговоров и телеграфных сообщений, предусматриваемая соответствующими правилами международными соглашениями, обеспечивается в необходимых случаях применением автоматических средств засекречивания радиосигналов (кодирование и др.).

История радиосвязи. Попытки осуществить радиосвязь предпринимал ещё Т.А. Эдисон в 80-е гг. 19 в. (им получен соответствующий патент), до открытия в 1888 электромагнитных волн Г. Герцем; хотя работы Эдисона не имели практического успеха, они способствовали появлению др. работ, направленных на реализацию идеи беспроводной связи. Герцем был создан искровой излучатель электромагнитных волн, который (с последующими различными усовершенствованиями) в течение нескольких десятилетий оставался наиболее распространённым в радиосвязи видом радиопередатчика. Возможность и основные принципы радиосвязи были подробно описаны У. Круксом в 1892, но в то время ещё не предвиделось скорой реализации этих принципов. Развитие радиосвязи началось после того, как в 1895 А.С. Поповым, а годом позже Г. Маркони были созданы чувствительные приёмники, вполне пригодные для осуществления сигнализации без проводов, т. е. для радиосвязи. Первая публичная демонстрация Поповым работы созданной им радиоаппаратуры и беспроводной передачи сигналов с её помощью состоялась 7 мая 1895, что даёт основание считать эту дату фактическим днём появления Радиосвязи.

Приёмник Попова не только оказался пригодным для радиосвязи, но и (с некоторыми дополнительными узлами) был впервые успешно применен им в том же 1895 для автоматической записи грозовых разрядов, чем было положено начало радиометеорологии. В странах Западной Европы и США была развёрнута активная деятельность по использованию радиосвязи в коммерческих целях. Маркони в 1897 зарегистрировал в Англии Компанию беспроводного телеграфирования и сигнализации, в 1899 основал Американскую компанию беспроводной и телеграфной связи, а в 1900 - Международную компанию морской связи. В декабре 1901 им была осуществлена радиотелеграфная передача через Атлантический океан. В 1902 в Германии производство оборудования для радиосвязи организовал А. Слаби (совместно с Г. Арко), а также К.Ф. Браун. Очевидное огромное значение радиосвязи для военных флотов и для морского транспорта, а также гуманистическая роль радиосвязи (при спасании людей с кораблей, потерпевших крушение) стимулировали развитие её во всём мире. На 1-й Международной административной конференции в Берлине в 1906 с участием представителей 29 стран были приняты регламент радиосвязи и международная конвенция, вступившая в силу с 1 июля 1908. В регламенте было зафиксировано распределение радиочастот между разными службами радиосвязи (см. ниже). Было основано Бюро регистрации радиостанций и установлен международный сигнал бедствия SOS. На международной конференции в Лондоне в 1912 было несколько изменено распределение частот, уточнён регламент и учреждены новые службы: радиомаячная, передачи сводок погоды и передачи сигналов точного времени. По решению радиоконференции 1927 было запрещено применение искровых радиопередатчиков, создававших излучение в широком спектре частот и препятствовавших тем самым эффективному использованию радиочастот; искровые передатчики были оставлены только для передачи сигналов бедствия, поскольку широкий спектр излучения радиоволн увеличивает вероятность их приёма. С 1915 до 50-х гг. аппаратура для радиосвязи развивалась главным образом на основе электронных ламп; затем были внедрены транзисторы и др. полупроводниковые приборы.

Линии радиосвязи используются для передачи телефонных сообщений, телеграмм, потоков цифровой информации и факсимиле, а также и для передачи телевизионных программ (обычно на метровых и более коротких волнах). По назначению и дальности действия различают международные и внутригосударственные линии радиосвязи. Внутригосударственные линии делятся на магистральные (между Москвой и краевыми и областными центрами, а также между последними) и зоновые (внутриобластные и внутрирайонные). Развитие линий радиосвязи планируется с учётом вхождения радиосвязи в Единую автоматизированную систему связи страны.

5. Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны обладают следующими свойствами:

1. Электромагнитные волны (в отличие от упругих) могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме.

2. Скорость электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической константой, одинаковой для всех систем отсчета: с = 299 792 458 м/с ? 300 000 км/с.

3. Скорость электромагнитных волн в веществе меньше, чем в вакууме.

4. Электромагнитные волны с частотой от 400 до 800 ТГц вызывают у человека ощущение света.

5. Электромагнитные волны являются поперечными, т. е. векторы Е и В в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения.

6. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых сравнимы с длиной волны (дифракция).

7. Для когерентных электромагнитных волн наблюдается явление интерференции.

8. Электромагнитные волны преломляются на границе раздела двух сред.

9. Электромагнитные волны могут поглощаться веществом.

10. Электромагнитные волны, особенно низкочастотные, хорошо отражаются от металлов.

11. Для электромагнитных волн, распространяющихся в веществе, имеет место дисперсия.

12. При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую частота волны остается неизменной.

Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний векторов в ней, называется длиной электромагнитной волны.

6. Радиолокация

Радиолокация - метод обнаружения и определения местонахождения объектов посредством радиоволн. Эти волны излучаются радиолокационной станцией, отражаются от объекта и возвращаются на станцию, которая анализирует их, чтобы точно определить место, где находится объект.

Применение. Военные применения. Одним из первых важных применений радиолокации были поиск и дальнее обнаружение. Перед Второй мировой войной Великобритания построила не очень совершенную, но довольно эффективную сеть радиолокационных станций дальнего обнаружения для защиты от внезапных воздушных налетов со стороны Ла-Манша. Более совершенные радиолокационные сети защищают Россию и Северную Америку от внезапного нападения авиации или ракет. Корабли и самолеты также оснащаются радиолокаторами. Таким образом, стало возможным наведение истребителей на вражеские бомбардировщики с наземных радиолокаторов слежения или с корабельных радиолокаторов перехвата; можно также использовать бортовые самолетные радиолокаторы для обнаружения, слежения и уничтожения техники противника. Бортовые радиолокаторы важны для поиска, осуществляемого над сушей или морем, и оказания помощи в навигации или при слепом бомбометании.

Ракеты с радиолокационным наведением оснащаются для выполнения боевых задач специальными автономными устройствами. Для распознавания местности на самонаводящейся ракете имеется бортовой радиолокатор, который сканирует земную поверхность и соответствующим образом корректирует траекторию полета. Радиолокатор, расположенный поблизости от противоракетной установки, может непрерывно отслеживать полет межконтинентальной ракеты. За последние годы в обычные методы и средства радиолокации было внесено много нового - появилась, в частности, система для одновременного слежения за многими целями, находящимися на разных высотах и азимутах; кроме того, разработан способ усиления сигналов радиолокатора без увеличения фонового шума.

Невоенные применения. Океанские суда используют радиолокационные системы для навигации. Служба береговой охраны США применяет радиолокационно-телевизионную навигационную систему «Ратан» для получения телевизионно-радиолокационного изображения на подходах к гавани Нью-Йорка. На промысловых траулерах радиолокатор находит применение для обнаружения косяков рыбы.

На самолетах радиолокаторы используют для решения ряда задач, в том числе для определения высоты полета относительно земли. В аэропортах один радиолокатор служит для управления воздушным движением, а другой - радиолокатор управления заходом на посадку - помогает пилотам посадить самолет в условиях плохой видимости.

7. Развитие средств связи

В нашей стране создается единая автоматизированная система связи. Для этого развиваются, совершенствуются и находят новые области применения различные технические средства связи. Еще недавно междугородняя телефонная связь осуществлялась исключительно по воздушным линиям связи; при этом на надежность связи влияли грозы и возможность обледенения проводов. В настоящее время все шире применяются кабельные и радиорелейные линии, повышается уровень автоматизации связи. Все разнообразие используемых в технике и быту систем связи, в основном радиосвязи, можно свести к трем видам, отличающимся способами передачи сигнала от передатчика к приемнику. В первом случае используется ненаправленная радиосвязь от передатчика к приемнику, типичная для широкого вещания радио и телевидения. Такой способ радиосвязи имеет то преимущество, что позволяет охватить практически неограниченное число абонентов - потребителей информации. Недостатками такого способа являются неэкономное использование мощностей передатчика и мешающее влияния на другие аналогичные радиосистемы. В тех случаях, когда число абонентов ограничено и нет необходимости в широковещании, используется передача сигнала с помощью направленно излучающих антенн, а также при помощи специальных устройств, называемых линиями передачи сигнала.

Телефон. Изобретение телефона принадлежит 29 - летнему шотландцу, Александру Грехем Беллу. Попытки передачи звуковой информации посредством электричества предпринимались начиная с середины XIX столетия. Едва ли не первым в 1849 - 1854 гг. разрабатывал идею телефонирования механик парижского телеграфа Шарль Бурсель. Однако в действующее устройство свою идею он не воплотил.

Белл с 1873 года пытался сконструировать гармонический телеграф, добиваясь возможности передавать по одному проводу одновременно семь телеграмм (по числу нот в октаве). Он использовал семь пар гибких металлических пластинок, подобных камертону, при этом каждая пара настраивалась на свою частоту. Во время опытов 2 июня 1875 года свободный конец одной из пластинок на передающей стороне линии приварился к контакту. Помощник Белла механик Томас Ватсон, безуспешно пытаясь устранить неисправность, чертыхался, возможно, даже используя не совсем нормативную лексику. Находящийся в другой комнате и манипулировавший приемными пластинками Белл своим чутким натренированным ухом уловил звук, дошедший по проводу. Самопроизвольно закрепленная на обоих концах пластинка превратилась в гибкую своеобразную мембрану и, находясь над полюсом магнита, изменяла его магнитный поток. Вследствие этого поступавший в линию электрический ток изменялся соответственно колебаниям воздуха, вызванным бормотанием Ватсона. Это был момент зарождения телефона.

Устройство называлось "трубкой Белла". Ее следовало прикладывать попеременно то ко рту, то к уху либо пользоваться двумя трубками одновременно.