Электромагнитные волны. Радиосвязь

Размещено на http://www.allbest.ru/

- 11 -

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Тема: "Электромагнитные волны. Радиосвязь"

Открытый колебательный контур

радиосвязь модуляция детектирование излучение

Излучение

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные колебания возникают в контуре из катушки индуктивности и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным в пространстве между пластинами конденсатора. 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 бoльшим углом развёрнуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство.

Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром. Этот контур состоит из катушки и длинного провода - антенны. Один конец антенны заземлён, второй поднят над поверхностью Земли.

В открытом контуре заряды 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 неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посередине достигает максимума.

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.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т.е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения - главное условие излучения электромагнитных волн. Интенсивность излучённой волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Электромагнитные волны

Скорость распространения электромагнитных волн.

Важнейшей характеристикой волны является её скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна.

По известной частоте ? электромагнитных колебаний в контуре и измеренному значению длины ? электромагнитной волны можно определить скорость распространения электромагнитной волны:

? = ??.

Она оказалась равной примерно 300 000 км/с.

Свойства электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн во многом сходны со свойствами механических волн.

· На границе раздела двух сред электромагнитные волны частично отражаются, частично проходят во вторую среду. От поверхности диэлектрика волны отражаются слабо, от поверхности металла отражаются почти без потерь. Закон отражения совпадает с законом отражения механических волн. На границе раздела двух сред происходит преломление электромагнитных волн.

· У края преграды или при прохождении электромагнитных волн через отверстие наблюдается явление дифракции волн, т.е. отклонение направления от прямолинейного.

· Когда электромагнитные волны когерентных источников встречаются в одной точке, то наблюдается явление интерференции.

· Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решёток показывают, что при параллельной ориентации металлических стержней в двух решётках электромагнитные волны проходят через них, а при взаимно перпендикулярной ориентации стержней волны не проходят. Это доказывает, что электромагнитные волны являются поперечными волнами.

Радиосвязь

Опыт Герца

Электромагнитные волны были впервые экспериментально обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894) в 1887 г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. При сообщении шарам достаточно больших разноимённых зарядов между ними происходил электрический разряд. В результате шары перезаряжались, между ними вновь проскакивала искра и т.д. - процесс повторялся многократно, т.е. возникали электрические колебания. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью резонатора, представляющего собой такое же устройство, как и излучающий контур. Если собственная частота резонатора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Эти колебания Герц обнаруживал, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками резонатора.

Изобретение радио А.С. Поповым.

В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем использовал более надёжный и чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А.С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, т. к. опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создаёт в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает. Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приёма, необходимую для осуществления беспроводной связи, А.С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приёма сигнала. Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием приёма волны работа звонка сразу прекращалась т. к. молоточек звонка ударял не только по звонковой чашечке, но и по когереру. С последним встряхиванием когерера аппарат был готов к приёму новой волны.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А.С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приёмную антенну для беспроводной связи.

Принцип радиосвязи:

ѕ Модуляция.

Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. 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. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.

Амплитудная модуляция высокочастотных колебаний достигается специальным воздействием на генератор незатухающих колебаний. В частности, модуляцию можно осуществить, изменяя на колебательном контуре напряжение, создаваемое источником. При увеличении напряжения на контуре генератора энергия, поступающая в контур, увеличивается, а при уменьшении напряжения - уменьшается. Поэтому уменьшается и амплитуда колебаний в контуре.

Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют частотную модуляцию - изменение частоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Её преимуществом является большая устойчивость по отношению к помехам.

Модуляция - медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.

ѕ Детектирование.

В приёмнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют детектированием.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью - детектор. Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Простейший радиоприёмник.

Простейший радиоприёмник состоит из колебательного контура, связанного с антенной, и присоединённой к контуру цепи, состоящей из детектора, конденсатора и телефона:

Схема простейшего радиоприёмника:

1 - приёмная антенна

2 - колебательный контур

3 - детектор

4 - конденсатор

5 - резистор

6 - электродинамический громкоговоритель

В колебательном контуре радиоволной возбуждаются модулированные колебания. Катушки телефонов играют роль нагрузки. Через них течёт ток звуковой частоты. Небольшие пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

Распространение волн.

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

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

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны ?>10 м как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времён года.

Устойчивая радиосвязь между пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность. Это огибание выражено тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счёт огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м.

Короткие волны (10 - 100 м) распространяются на большие расстояния только за счёт многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Ультракороткие волны (?<10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.

Радиолокация

Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией. Радиолокационная установка - радиолокатор (или радар) состоит из передающей и приёмной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты. Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну. Отражённая волна улавливается той же излучающей антенной либо другой, тоже остронаправленной приёмной антенной.

Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения. Передатчик испускает волны кратковременными импульсами. Во время пауз принимаются отражённые волны. Определение расстояния R производится путём измерения общего времени t прохождения радиоволн до цели и обратно. Т. к. скорость радиоволн с=3?10⁸м/с в атмосфере практически постоянна, то

R=c•t/2.

Вследствие рассеяния радиоволн до приёмника доходит лишь ничтожная часть той энергии, которую излучает передатчик. Поэтому приёмники радаров усиливают принятый сигнал примерно в 10¹² раз. Радиолокационные установки обнаруживают корабли и самолёты на расстояниях до нескольких сот километров.

Понятие о телевидении

Радиоволны используются не только для передачи звука, но и для передачи изображения. Принцип передачи изображений на расстояние состоит в следующем:

1. На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами модулируют затем колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты.

2. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния.

3. В приёмнике производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение.

Для передачи движения используют принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передают десятки раз в секунду.

Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки - иконоскопа в серию электрических сигналов. Такой же сигнал получается в телевизионном приёмнике после детектирования. Это видеосигнал. Он преобразуется в видимое изображение на экране приёмной вакуумной электронной трубки - кинескопа.

Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких волн. Такие волны распространяются обычно лишь в пределах прямой видимости антенны. Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики чаще и поднимать их антенны выше.

Развитие средств связи

В настоящее время для междугородной телефонной связи всё больше применяются кабельные и радиорелейные линии, повышается уровень автоматизации связи.

Радиорелейные линии связи используют ультракороткие волны. Эти волны распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому линии состоят из цепочки маломощных радиостанций, каждая из которых передаёт сигналы к соседней как бы по эстафете. Такие станции имеют мачты высотой 60 - 80 м, находящиеся на расстоянии 40 - 60 км друг от друга.

Совершенствуются и находят новые применения и такие сравнительно старые средства связи, как телеграф и фототелеграф. О размахе, который получила передача неподвижных изображений по фототелеграфу, можно судить по таким цифрам: в год по фототелеграфу передаётся до70 тысяч газетных полос, с которых печатается свыше 3 миллиардов экземпляров центральных газет. Телевидение охватывает почти все населённые пункты нашей страны.

Литература

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1991. - 254 с.

2. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. материалы. Учеб. пособие для учащихся. - М.: Просвещение, 1985. -359 с.

3. Мансуров А.Н. Физика: 10-11: Учеб. для шк. с гуманит. профилем обучения / А.Н. Мансуров, Н.А. Мансуров. - 2-е изд. - М.: Просвещение, 2001. - 222 с.

Размещено на Allbest.ru