Инфофиз

В окружающем нас мире существуют объекты, которые человек не воспринимает с помощью органов чувств. Для измерения характеристик этих объектов человек может воспользоваться только специальными техническими устройствами. Такими объектами являются электрическое и  магнитное поля, электромагнитные волны.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Джеймсом Максвеллом в 1864 году.

Изучив явление электромагнитной индукции, Фарадей пришел к выводу, что вихревое электрическое поле возникает при изменении во времени магнитного поля. Изменяющееся во времени магнитное поле можно создать в данной точке пространства, если придвигать к ней магнит или менять силу тока в проводе, который расположен рядом с этой точкой.

В 1864 году Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

 Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (линии напряженности охватывают линии магнитной индукции. Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. При возрастании магнитной индукции направление напряженности образует левый винт с направлением вектора магнитной индукции.

Также Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса. Он допустил, что переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле.

Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля. Но только при возрастании напряженности электрического поля направление вектора индукции возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора напряженности.

Итак, изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, то есть систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного. Переменные электрическое и магнитное поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле – это особая форма материи – совокупность электрического и магнитного полей - с помощью которой осуществляется электромагнитное взаимодействие.

Материальность электромагнитного поля :

1. Его можно зарегистрировать.
2. Существует независимо от нашей воли и желания.
3. Имеет большую, но конечную скорость.

Разрабатывая теорию электромагнитного поля Д.Максвелл в 60-х годах IXX века теоретически обосновал возможность существования электромагнитных волн и даже вычислил скорость их распространения. Она совпала со скоростью света v=с=3·10⁸м/с. Это дало Максвеллу основание сделать заключение: свет – это один из видов электромагнитных волн.

Вокруг неподвижного заряда существует только электрическое поле. Вокруг заряда, движущегося с постоянной скоростью, возникает электромагнитное поле. При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитная волна - это изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Электромагнитная волна поперечна – векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w_э = w_м.

Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью. Скорость электромагнитных волн в вакууме v=с=2,99792458·10⁸м/с=3·10⁸м/с

Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.

Выводы Максвелла были признаны далеко не всеми физиками – современниками Максвелла. Требовалось экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн. Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти (примерно через 15 лет после создания его теории) электромагнитные волны были экспериментально получены  в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем.

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Колебания высокой частоты  можно получить с помощью колебательного контура.

Частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость C контура   

В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур. Обычный колебательный контур, какой изображен на рисунке (его называют закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что его переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость. Уменьшение емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура.

Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод.

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.

Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Свойства волны

1. Отражение.
2. Преломление.
3. Интерференция.
4. Дифракция.
5. Поляризация.
6. Давление на вещество Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.
7. Поглощение средой.
8. Конечная скорость распространения в вакууме с.
9. Вызывает явление фотоэффекта.
10. Скорость в среде убывает.

Энергия электромагнитных волн

Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

ΔW_эм = (w_э + w_м)υSΔt

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Но немецкий физик не видел перспективы их применения. После своего открытия Герц написал: «К сожалению, это явление никогда не будет использовано на практике». Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Только через семь лет после опытов Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи.

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. 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. Дальность — 250 м. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.

День 7 мая стал днем рождения радио.

В 1899 г. Дальность уже составляла 20 км; 1901 г. — 150 км.

Была осуществлена безпроволочная связь с помощью электромагнитных волн.

Земля XXI в., окутанная сетью телекоммуникационных устройств, выглядит так благодаря открытию электромагнитных волн.

Радиосвязь - это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны.

Принципы радиосвязи далеко не новы. За это время радиосредства прошли путь от первых передатчиков сигналов азбуки Морзе до систем спутниковой связи. Радиоэфир наполнился музыкой радиостанций, сигналами далеких галактик и нашими разговорами. Однако с тех пор не изменилось главное - радиоволны.

Принцип радиотелефонной связи.

Принцип радиосвязи основан на передачи сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путем перемещения радиоволн в открытом пространстве,приемному устройству, содержащему приемную антенну и радиоприемник.

Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты. Этот сигнал поступает в усилитель низкой частоты (УНЧ). С УНЧ сигнал поступает в модулятор. Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает незатухающие колебания высокой частоты (ВЧ), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями низкой частоты и поступают в антенну. Антенна излучает в окружающее пространство электромагнитные волны, амплитуда которых также модулирована по низкой частоте. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал, а модулированные электромагнитные волны представляют собой радиоволну.

Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. В антенне приёмника радиоволны (реально ведь передатчиков много) возбуждают переменные ЭДС индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся осень слабым и его усиливает усилитель высокой частоты (УВЧ) приёмника. Принятый радиосигнал после усиления демодулируется. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала, фильтр сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал. УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания.  Выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания в радиопередатчике. Сигнал преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному.

Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника.

1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) вырабатывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несущая частота более 100 тыс. Гц).

2. Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.

3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с помощью электрических колебаний низкой частоты НЧ.

4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усиливают по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.

5. Передающая антенна излучает модулированные электромагнитные волны.

6. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

7. УВЧ.

8. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.

9. УНЧ.

10. Динамик преобразует электромагнитные колебания в механические звуковые колебания.

Амплитудная модуляция

Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитудной модуляцией.

Для получения амплитудно-модулированных электромагнитных колебаний в цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторичной обмотке трансформатора индуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным напряжением источника тока. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды колебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генератора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изменением напряжения низкочастотного сигнала на транзисторе. При изменении амплитуды сигнала НЧ меняется глубина модуляций.

Детектирование (демодуляция)

Выделение колебаний низкой звуковой частоты из промодулированных колебаний высокой частоты называют детектированием (демодуляцией).

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью: вакуумный или полупроводниковый диод — детектор.

Вольтамперная характеристика диода показывает, что ток в цепи течет преимущественно в одном направлении, являясь пульсирующим током.

Этот ток сглаживается с помощью фильтра.

Когда диод пропускает ток, то часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется на конденсатор.

Если диод заперт, то конденсатор частично разряжается через нагрузку. Уменьшается пульсация тока.

Через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний воспроизводит форму низкочастотного сигнала.