Билет № 20

Электромагнитные волны и

их свойства. Принципы радиосвязи и

примеры их практического

использования

План ответа

1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирование.

Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн:

угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах гасят. (Когерентные волны это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 32).

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 33, а). Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода антенны.

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Что представляет собой принцип радиосвязи? Начнем с того, что для ее осуществления необходимо иметь два прибора: приемник и передатчик электромагнитных и звуковых волн.

Принципы связи

Простые приборы, которые нужны для работы, создал в 1886 году Г. Герц. Принцип радиосвязи основывается на классических законах физики. Если разрезать на две половины и присоединить к отрезкам высоковольтный трансформатор, между ними будет возникать переменный (пульсирующий) ток, а вокруг него появляется электромагнитное поле. Проволока в данном случае рассматривается и в качестве передатчика, и в виде передающей антенны.

Особенности

Принцип радиосвязи основывается на характеристиках электромагнитного поля. Так как для его распространения необходимы волны, уловить его можно на значительном расстоянии с помощью приемника. В его роли выступают два куска металлической проволоки, расположенные параллельно к передающей антенне. Так как энергия волн будет распространяться в разные стороны, а приемнику удается улавливать только ее часть, в воздушном пространстве искры малы. Но в темноте их можно видеть даже без оптических приборов.

Особенности использования

Принципы радиосвязи базируются на передающих устройствах, разработанных Герцем, но подходят только для несущественных расстояний. Объясняется такая ограниченность применения незначительной мощностью радиоволн. Для того чтобы справиться с данной проблемой, был создан генератор высокой частоты. С его помощью радиоволны могли распространяться на значительные расстояния.

Схема радиотелефонной связи

Рассмотрим основные принципы радиосвязи и примеры их практического использования. В современном передатчике присутствует генератор высоких частот для создания необходимой мощности излучения. С его помощью образуется несущая частота, используемая приемником для настройки. У современного передатчика есть модулятор. Он представляет собой устройство, которое изменяет амплитуду либо частоту волны синхронно с музыкой либо голосом. Обязательным элементом передатчика является и передающая антенна.

Модуляция

Самой простой для восприятия является амплитудная модуляция. У высокочастотных колебаний, которые создает генератор, существует постоянная амплитуда. С помощью модулятора происходит ее изменение «по форме» сигнала низкой частоты, идущего от микрофона. Модулированный сигнал попадает на приемную антенну в качестве волн с непостоянной амплитудой.

Демодуляция

Принцип радиосвязи характеризуется и демодуляцией. После улавливания приемной антенной волн происходит отделение сигнала от одного передатчика, который функционирует на частоте, выбранной в качестве несущей величины. Для проведения таких преобразований применяется настроечный приемный контур. Тот сигнал, который выделен от одного передатчика, поступает в демодулятор. В этом устройстве происходит разделение низкочастотных колебаний от высокочастотного сигнала. Далее он поступает в громкоговоритель или в наушники.

Диапазоны волн

Рассматривая принципы радиосвязи, отметим, что волны имеют разные диапазоны. В настоящее время применяют средние, сверхдлинные, короткие, длинные, а также ультракороткие радиоволны. Их достаточно широко используют в разнообразных сферах электроники:

радиосвязь;
телевидение;
радиовещание;
радиоразведка;
метеорология.

Принцип современной радиосвязи предполагает превращение звуковых колебаний в электрические виды с помощью микрофона. Сложность передачи такого сигнала состоит в том, что для осуществления радиосвязи требуются высокочастотные колебания, а звуковые волны имеют низкую частоту. Для решения проблемы используются мощные антенны. Для звуковой частоты накладывание колебаний осуществляется так, чтобы переносить сигнал на существенные расстояния.

Современные принципы радиосвязи и телевидения базируются на радиопередающем устройстве. Он имеет генератор высокой частоты, который преобразует постоянное напряжение в высокочастотные гармонические колебания. Несущая частота должна быть постоянной величиной.

Принципы радиосвязи и телевидения предполагают определенное строение генератора. Он преобразовывает полученные сообщения в электрический сигнал, который и используется для процесса модуляции постоянной частоты. Выбор такого устройства основывается на физической природе транслируемого сигнала, В случае звука для этого используется микрофон, для передачи картинки применяют передающую телевизионную трубку. Модулятор необходим для проведения процесса перевода сигнала высокой частоты в ту величину, которая соответствует звуковому сигналу с передаваемой информацией. Также используются один либо два каскада для усиления модулированного сигнала. Излучающая антенна предназначена для выброса в окружающее пространство электромагнитных волн.

Заключение

Радиопередающее устройство используется для приема той информации, которая передается благодаря электромагнитным волнам, исходящим от передающей антенны современного радиопередатчика. В данном устройстве предполагается наличие следующих основных элементов:

Приемная антенна, которая нужна для улавливания электромагнитных колебаний. Здесь систематически возникают модулированные вынужденные колебания, которые возбуждаются разнообразными радиостанциями.
Резонансный контур настраивается на конкретную частоту, считающуюся полезным сигналом.
Детекторный каскад необходим для предобразования усиленного модулированного высокочастотного сигнала, а также выделения из него модулирующего сигнала, который несет передаваемую информацию.

Детектирование является процессом, противоположным модуляции. Детекторами выступают полупроводниковые приборы и электронные лампы, которые имеют нелинейные характеристики. Моделирование и детектирование являются основными процессами, которые способствуют передаче и приему звука и изображения, то есть они связаны с передачей телевизионного изображения и звукового сигнала.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 42). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит

При изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны - это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция - это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах - гасят. (Когерентные волны - это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 44, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 44, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс - детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предметов. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Задача на применение закона Джоуля-Ленца.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны - это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция - это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах - гасят. (Когерентные волны - это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс - детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

Современная радиосвязь значительно отличается по сравнению с далекими временами. Постоянно появляются и внедряются инновационные приборы и методики, которые имеют более высокие функциональные возможности. Именно поэтому они пользуются большой популярностью.

Несмотря на наличие других видов связи, этот тип все также не утрачивает своей актуальности и сегодня. Стоит отметить, что он имеет свои особенности.

Сама радиосвязь представляет собой передачу различного рода информации посредством электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве между двумя пунктами: самим источником и системой приема данных.

Излучение происходит с помощью специальных антенн. Как правило, они представляют собой провод, по которому протекают токи высокой частоты. Последние создаются непосредственно передатчиком. За счет того, что токи высокой частоты протекают по проводу, в окружающем пространстве образовывается электромагнитное поле радиоволны.

К основным характеристикам современной радиосвязи относятся:

диапазон волн;
мощность;
вид и качество передаваемых сигналов.

Современная радиосвязь – инновационные методы передачи информации на больше расстояния. Посредством применения подобных технологий можно достичь высокого качества сигнала.

Принципы современной радиосвязи

Существует определенная классификация радиоволн. В зависимости от этого и выбирается передатчик.

Передатчик может быть:

километровым;
гектометровым;
декаметровым и т.д.

Также это оказывает влияние на особенности конструкции устройства. Современная радиосвязь предполагает использование передатчиков, которые могут работать одновременно на нескольких фиксированных волнах. Также при необходимости они настраиваются на абсолютно любую длину в непрерывном диапазоне.

Важным показателем является также мощность устройств передачи информации. От этого параметра непосредственно зависит качество передаваемого сигнала.

Сигнал определяется как минимальная мощность высокочастотных колебаний, которые поступают в антенну при условиях, что модуляция отсутствует, а излучение является непрерывным. Однако это далеко не все.

Современная радиосвязь имеет дело с сигналами, имеющих определенные особенности. Как правило, их напряжение может варьироваться в достаточно широком диапазоне.

Также за минимальный период времени оно принимает значения, которые превосходят средний уровень.

Примеры технологий современной радиосвязи на выставке

Проведение тематических проектов и отраслевых мероприятий имеет огромное значение для развития индустрии.

Подобные мероприятия позволяют:

повысить конкурентную способность;

увеличить качество отечественной продукции;

наладить сотрудничество на интернациональном уровне;

принять участие в деловой программе;

повысить инвестиционную привлекательность индустрии в целом;

обменяться опытом и знаниями.

Одним из таких проектов является выставка «Связь». Ее организатором традиционно стал комплекс международного масштаба ЦВК «Экспоцентр».

Устроители позаботились о том, чтобы мероприятие проводилось на максимально высоком уровне в формате «В2В».

Здесь также можно принять участие в деловой программе, которая предусматривает рассмотрение всех направлений в данной области, в частности и современная радиосвязь.