IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Связь между переменным электрическим и переменным

магнитным полями

Колебания заряда и силы тока в колебательном контуре сопровождаются колебаниями напряженности электрического поля и магнитной индукции в окружающем контур пространстве. Подобно механическим колебаниям в среде (газе, жидкости, твердом теле), распространяющимся в пространстве с течением времени, колебания электромагнитного поля тоже распространяются в пространстве. Только это происходит не в какой-либо среде, а в вакууме. Среда влияет на распространение колебаний, но не является необходимой для их существования.

Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. При изменении со временем магнитной индукции B⃗ возникает электрическое поле, линии напряжённости которого охватывают линии магнитной индукции (рис. 1, а). Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряжённость электрического поля. При возрастании магнитной индукции (ΔB/Δt>0) [(ΔЕ/Δt>0)] направление напряженности образует левый винт с направлением вектора B⃗.

а б

Рис. 1 – Магнитная индукция

Итак, магнитное поле порождает электрическое. Не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное? Это предположение, диктуемое соображениями симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла¹.

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля (рис. 1, б) подобно тому, как линии напряжённости электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля. Но только при возрастании напряжённости электрического поля (ΔE/Δt>0) направление вектора индукции B⃗ возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора E⃗.

Утверждение Максвелла некоторое время оставалось не чем иным, как гипотезой. Причём гипотезой, которую мы сейчас с полным правом можем назвать гениальной. Ее справедливость была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает магнитное поле и т.д.

Переменное электрическое поле в пустоте или внутри диэлектрика было названо Максвеллом током смещения. Название «ток» было применено потому, что это поле порождает магнитное поле точно так же, как обычный ток. Добавка «смещения», с одной стороны, говорит нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны, напоминает о том отдалённом времени, когда с изменением электрического поля в вакууме связывалось смещение частиц гипотетической средь – эфира.

После введения представлений о токе смещения появилась возможность любой электрический ток рассматривать как замкнутый. Так, например, в колебательном контуре ток проводимости в катушке (упорядоченное движение электронов) сменяется током смещения между обкладками конденсатора (изменяющимся со временем электрическим полем, рис. 2). Причём переменное электрическое поле создаёт такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, равный току в катушке.

Рис. 2 – Колебательный контур

Сейчас может показаться, что в гипотезе Максвелла нет ничего необычного. Не мог ли её высказать любой учёный? Нет! Не надо забывать, что сама возможность гипотезы о возникновении магнитного поля при изменении электрического появилась лишь после объяснения электромагнитной индукции на основе представлений о поле. И это в то время, когда большинство известных учёных вообще не придавали самому понятию поля сколько-нибудь серьезного значения и когда до момента экспериментального доказательства его существования оставалось еще несколько десятков лет.

Максвелл не только высказал гипотезу, но и сформулировал точный количественный закон, определяющий значение магнитной индукции в зависимости от скорости изменения напряженности электрического поля (ток смещения, по Максвеллу, пропорционален скорости изменения напряжённости Е электрического поля).

Максвелл смело положил в основу теории объект, экспериментальное существование которого не было доказано, – поле. И далее, идя шаг за шагом, опираясь на установленные опытным путём закономерности (законы Кулона, Ампера, Био-Савара-Лапласа и закон электромагнитной индукции Фарадея), он пришёл к конечной цели. Гипотеза о токах смещения была последним принципиальным звеном. Здесь Максвелл наделил гипотетический объект новым гипотетическим свойством, не имея на то, в отличие от предыдущих случаев, прямых экспериментальных указаний.

Электромагнитное поле

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.

Правда, покоящийся заряд создает только электрическое поле (рис. 3). Но ведь заряд покоится лишь относительно определённой системы отсчёта. Относительно других систем отсчёта он будет двигаться и, следовательно, создавать и магнитное поле (рис. 4).

Рис. 3 – Электрическое поле неподвижного заряда

Рис. 4 – Электрическое поле подвижной заряженной частицы

Точно так же лежащий на столе магнит создает только магнитное поле. Но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчёта эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчёта, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчёта это поле может быть обнаружено.

Подобно тому, как меняется окраска окружающего нас пейзажа, если рассматривать его сквозь различные цветные стёкла (светофильтры), меняются количественные характеристики полей при переходе от одной системы отсчёта к другой. Подобно тому, как синие предметы становятся на чёрном фоне невидимыми, если их рассматривать через красное стекло, подходящим выбором системы отсчёта мы можем в ряде случаев сделать ненаблюдаемыми магнитное поле или поле электрическое. Разница в одном, но очень важном обстоятельстве. Мы можем отбросить цветные стекла и сказать: вот истинные цвета пейзажа, вот каков он в действительности! С полным правом один из светофильтров (атмосферу) можно объявить привилегированным. Сделать же это с системой отсчёта нельзя. Все инерциальные системы отсчёта имеют совершенно одинаковые права на существование. Поэтому нет какой-то особой конфигурации полей, имеющих абсолютную значимость, независимую от системы отсчёта.

На основании сказанного можно сделать вывод: электрические и магнитные поля – проявление единого целого: электромагнитного поля. В зависимости от того, в какой системе отсчёта рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны этого единого целого.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может. Ведь один заряд непосредственно через пустоту «чувствует» присутствие другого. По Максвеллу же дело обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т.д. Причём возникающее вихревое магнитное или вихревое электрическое поле гасит ноле в тех областях пространства, где оно уже имелось, но захватывает новые области пространства (рис. 5).

Рис. 5 – Электрические и магнитные поля

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает всё большие и большие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте – 300 000 км/с. Вот новое фундаментальное свойство поля, которое делает его, наконец, осязаемой реальностью.

Электромагнитная волна

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведён в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, равен периоду колебаний заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т.д.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 6 изображён «моментальный снимок» такой системы полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут её колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами.

Рис. 6 – Распространение электромагнитной волны

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. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причём интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Векторы E⃗ и B⃗ в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора E⃗ к вектору B⃗, то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны υ⃗.

Максвелл был глубоко убеждён в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

Излучение электромагнитных волн

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей: изменение одного поля приводит к появлению другого. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряжённость возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряжённость электрического поля, тем больше магнитная индукция. Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. При этом условии напряжённость электрического поля E⃗ и индукция магнитного поля B⃗ будут меняться быстро.

Опыты Герца²

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и ёмкость контура.

Однако большая частота электромагнитных колебаний ещё не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. 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 изображён на рисунке 7, а (его можно назвать 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. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.

а б в

Рис. 7 – Создание переменного электрического поля

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Ёмкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин ещё больше уменьшит ёмкость (рис. 7, б). Уменьшение же ёмкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для ещё 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 придём к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод (рис. 7, в). 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 не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.)

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 8, а). Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноимённых зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах – резонатор (рис. 8, б), – Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создаёт электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

а б

Рис. 8 – Резонатор

Из-за малой ёмкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и всё повторяется сначала (рис. 9).

Рис. 9 – Затухающие колебания

В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или лампового генератора.

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 число электронов, движущихся согласованно.

В электромагнитной волне векторы E⃗ и B⃗ перпендикулярны друг другу, причём вектор E⃗ лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор B⃗ перпендикулярен этой плоскости. На рисунке 10 показаны линии напряжённости электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной – линии напряжённости электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Рис. 10 – Линии напряжённости электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени

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

Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и интерференцию волн. При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуется стоячая волна. Перемещая приёмный вибратор, можно найти положение пучностей стоячей волны и определить длину волны. Длина волны равна удвоенному расстоянию между пучностями.

В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ=λ⋅ν . Она оказалась равной скорости света с = 300 000 км/с.

Опыты Герца блестяще подтвердили теоретические предсказания Максвелла.

Свойства электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Гармонические колебания генератора изменяют (модулируют) в такт с колебаниями звуковой частоты. Принятый сигнал после преобразования (детектирования) подаётся на громкоговоритель.

Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приёмная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке 11.

Рис. 11 – Общий вид установки (1) с рупорными антеннами

Поглощение электромагнитных волн

Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.

Отражение электромагнитных волн

Если вместо диэлектрика между рупорами поместить металлический лист, то звук перестанет быть слышимым. Электромагнитные волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к металлическому листу (рис. 12). Звук исчезает, если убрать лист или повернуть его.

Рис. 12 – Вариант (2) установки

Преломление электромагнитных волн

Электромагнитные волны изменяют своё направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина или другого диэлектрика. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой (рис. 13). Убирая призму или поворачивая её, наблюдают исчезновение звука.

Рис. 13 – Вариант (3) установки

Поперечность электромагнитных волн

Электромагнитные волны – это поперечные волны. Векторы E⃗ и B⃗ электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению её распространения. Колебания напряжённости электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определённой плоскости, а колебания вектора магнитной индукции – в плоскости, ей перпендикулярной. Волны с определённым направлением колебаний называются поляризованными. Приёмный рупор принимает только поляризованную в определённом направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приёмный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приёмником решётку из параллельных металлических проволочек (рис. 14). Решётку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решётка отражает волны подобно сплошному металлическому листу.

Рис. 14 – Вариант (4) установки

Когда же вектор E⃗ перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

Интерференция электромагнитных волн

На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приёмник располагают друг против друга (рис. 15). Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Рис. 15 – Установка для наблюдения интерференции волн

Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приёмный рупор. Другая же её часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отражённой волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечётному числу полуволн. Можно наблюдать также дифракцию электромагнитных волн.

Принципы радиосвязи

Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Герц скептически относился к возможности беспроволочной телефонной связи. По его мнению, сравнительно медленные электрические колебания акустических частот не могут быть переданы на большие расстояния. Длина электромагнитных волн таких колебаний равна сотням километров.

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 нашёл способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. Как создавать электромагнитные волны, было известно со времён Герца. Увеличить интенсивность излучаемых волн можно было путём повышения мощности разряда. 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 радиоприёмником. День 7 мая стал днем рождения радио. Ныне он ежегодно отмечается в России.

Радиосвязь — это передача и прием информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот — от 3∙10⁴ до 3∙10¹¹ Гц.

Схема радиосвязи изображена на рисунке 16, а, б. На передающей станции генератор высокочастотных колебаний возбуждает в антенне вынужденные колебания. Для увеличения интенсивности этих колебаний частота генератора выбирается равной одной из собственных частот колебаний антенны.

а б

Рис. 16 – Схема радиосвязи

Излучаемые передающей антенной электромагнитные волны распространяются во все стороны и достигают антенны приёмной станции (рис. 16, б). Под действием переменного электромагнитного поля волны электроны в приёмной антенне приходят в движение. В антенне возникает переменный ток высокой частоты. Для того чтобы антенна не влияла на резонансную частоту приёмного контура, этот контур вынесен из цепи антенны и связан с ней индуктивно. Приёмный контур выделяет из всех частот, возбужденных в антенне, только колебания, частота которых равна собственной частоте контура.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было изобретение американским радиоинженером Де Форестом³ (1873–1961) в 1906 г. электронной лампы – триода. На основе триода был создан в 1913 г. ламповый генератор незатухающих электрических колебаний. Благодаря этому, кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, т.е. «точек» и «тире» азбуки Морзе (рис. 17), стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

Рис. 17 – Импульсы разной продолжительности (азбука Морзе)

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, достаточно усилить эти колебания, подать в антенну, и передача на расстоянии речи и музыки с помощью электромагнитных волн будет осуществлена. Однако в действительности такой простой способ передачи неосуществим.

Дело здесь вот в чём. Колебания звуковой частоты – это медленные колебания. Энергия же, излучаемая в единицу времени, пропорциональна четвёртой степени частоты. Поэтому электромагнитные волны низкой частоты практически не излучаются. Возникает проблемная ситуация. Высокочастотные волны интенсивно излучаются, но не несут с собой необходимой информации. Напротив, электрические колебания звуковой частоты такую информацию несут, но электромагнитные волны таких частот не излучаются.

Из этого положения был найден весьма остроумный выход. Он состоит в том, что для передачи используются высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором (рис. 18, а). Колебания же низкой (звуковой) частоты (рис. 18, б) применяют лишь для изменения высокочастотных колебаний или, как говорят, для их модуляции (от латинского слова modulatio – мерность, размерность).

Модуляцией электромагнитной волны называется изменение её характеристик (амплитуды, частоты или фазы) при помощи колебаний с частотами, значительно меньшими частоты самой электромагнитной волны.

Соответственно различаются амплитудная (рис. 18, в), частотная (рис. 18, г) и фазовая (рис. 18, д) модуляции колебаний. Частота исходной (немодулированной) волны называется несущей частотой, а частота изменения характеристик волны при модуляции – частотой модуляции.

Рис. 18 – Варианты модуляции колебаний

Модуляция – медленный процесс. Это такой процесс изменений в высокочастотной колебательной системе, при котором она успевает совершить очень много своих высокочастотных колебаний, прежде чем модулируемая характеристика изменится сколько-нибудь заметным образом. Без модуляции нет никакой передачи – ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной. В лучшем случае можно лишь констатировать, работает станция или нет.

В радиоприёмнике из модулированных колебаний высокой частоты, после их усиления, получают низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования называется детектированием (от латинского слова detectio – обнаружение) или демодуляцией.

Полученный в результате детектирования низкочастотный сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты могут быть преобразованы в акустические колебания или использованы для других целей. На рисунке 19 показана блок-схема радиовещательного тракта.

Рис. 19 – Блок-схема радиовещательного тракта

Амплитудная модуляция

Мы ограничимся рассмотрением наиболее простого типа модуляции — амплитудной модуляции.

Для осуществления амплитудной модуляции можно использовать схему, изображенную на рисунке 20.

Рис. 20 – Схема осуществления амплитудной модуляции

Эта схема состоит из генератора на транзисторе (нижний большой пунктирный прямоугольник), к которому добавлен модулятор (верхний пунктирный прямоугольник). В простейшем случае модулятор состоит из микрофона и источника тока, соединённых последовательно с первичной обмоткой L1 трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора L2 присоединена параллельно к конденсатору С контура в цепи базы транзистора. Конденсатор С имеет малое сопротивление для переменного тока высокой частоты, текущего по обмотке катушки обратной связи L. Вторичная обмотка трансформатора L2 имеет большое индуктивное сопротивление. Поэтому переменные токи высокой частоты, вырабатываемые генератором, проходят через конденсатор С, не ответвляясь в цепь микрофона модулятора. В результате генератор работает так же, как и в отсутствие модулирующей цепи.

Если микрофон отключен, то генератор вырабатывает гармонические колебания:

i₁=I_m0⋅sinωt,

где ω — несущая частота, а I_m0 — постоянная амплитуда колебаний.

График этих колебаний представлен на рисунке 21, а.

а

б

в

Рис. 21 – Гармонические колебания

При включённом микрофоне звуковые волны возбуждают в его цепи электрические токи низкой частоты. Для этих токов конденсатор обладает большим сопротивлением. Поэтому переменное напряжение, создаваемое на концах обмотки L2трансформатора, оказывается целиком приложенным к участку цепи база-эмиттер. Медленные колебания этого напряжения приводят к медленному изменению амплитуды высокочастотных колебаний в цепи контура генератора.

Амплитудная модуляция является наиболее простой и широко применяется в радиовещании. Существует частотная модуляция, которую сложно осуществить технически и частотно-модулированный сигнал занимает большую полосу частот, чем амплитудно-модулированный. Но зато частотно-модулированный сигнал менее чувствителен к разного рода помехам, искажающим передаваемую информацию. Поэтому частотная модуляция используется для передачи в диапазоне УКВ, где на каждую станцию может быть выделена достаточно большая полоса частот (в 15–20 раз большая, чем в диапазоне средних и длинных волн).

Детектирование колебаний

Под действием электромагнитной волны передатчика в антенне приёмника возбуждаются токи высокой частоты, такие же как токи в антенне передатчика, но только гораздо более слабые. Принятый приёмником модулированный сигнал даже после усиления не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он только возбудит высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Кроме того, амплитуда вынужденных колебаний такой механической системы, как мембрана, при большой частоте очень мала. Вследствие инертности мембрана не будет успевать смещаться сколько-нибудь значительно за малое время, равное периоду высокочастотных колебаний. В приёмнике необходимо сначала преобразовать высокочастотные модулированные колебания и получить сигнал звуковой частоты. При этом преобразовании сигнала, как и при модуляции, меняется частотный спектр колебаний. Поэтому должно быть применено устройство с нелинейной характеристикой.

Такое устройство, осуществляющее демодуляцию, или детектирование, содержит обычно элемент с односторонней проводимостью – детектор. Детектором может служить полупроводниковый диод или транзистор, вакуумный диод или триод. Мы рассмотрим работу полупроводникового детектора. На рисунке 22 изображена схема цепи, на вход которой поданы принятые антенной высокочастотные модулированные колебания.

Рис. 22 – Устройство, осуществляющее демодуляцию

В цепь последовательно включены детектор (диод) и резистор (нагрузка). Пренебрегая обратным током, можно считать, что в цепи течет ток в одном направлении, отмеченном на рисунке стрелкой. В результате ток в цепи будет пульсирующим. График зависимости силы тока от времени для этого случая показан на рисунке 23.

Рис. 23 – График зависимости силы тока от времени

Этот пульсирующий ток сглаживается фильтром, состоящим из конденсатора С, шунтирующего резистор R (рис. 24).

Рис. 24 – Подключение фильтра в схему

Сглаженный ток звуковой частоты течет через нагрузку. Форма колебаний этого тока почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции (рис. 25, а). Этот ток можно рассматривать как сумму постоянного тока (рис. 25, б) и переменного тока низкой частоты (рис. 25, в). Небольшие пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

а

б

в

Рис. 25 – Ток звуковой частоты

Простейший детекторный приёмник состоит из колебательного контура, индуктивно связанного с антенной, и присоединённой к контуру цепи, состоящей из детектора и телефона (рис. 26). Катушки телефона играют роль нагрузки. Через них течет ток звуковой частоты. Детекторный приемник очень прост, надежен, не требует источников питания. Однако отсутствие источников питания является и недостатком приемника: он принимает сигналы только близких или очень мощных радиостанций.

Рис. 26 – Детекторный радиоприёмник

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами. Радиоволны делятся на группы.

Наименование радиоволн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длин волн (в вакууме), м
Сверхдлинные	< 3∙104	> 10 000
Длинные	3∙104 – 3∙105	10000 – 1000
Средние	3∙105 – 3∙106	1000 – 100
Короткие	3∙106 – 3∙107	100 – 10
Ультракороткие:
метровые	3∙107 – 3∙108	10 – 1
дециметровые	3∙108 – 3∙109	1 – 0,1
сантиметровые	3∙109 – 3∙1010	0,1 – 0,01
миллиметровые	3∙1010 – 3∙1011	0,01 – 0,001

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

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях 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, испускаемых Солнцем.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100–1000 м), гораздо надёжнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена 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 (средние и длинные волны).

Короткие волны(λ < 100 м) распространяются на большие расстояния только за счёт многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли (рис. 27). Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Рис. 27 – Распространение радиоволн при помощи ионосферы

Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой. Всё же наиболее надёжная радиосвязь на ограниченных расстояниях при достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на длинных волнах.

Ультракороткие радиоволны(λ < 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.

Литература

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Колебания и волны: Учебник для углублённого изучения физики. – М.: Дрофа, 2002. – 288 с.

2. Физика: Учеб. пособие с углубл. изуч. Физики / А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.; под ред. А.А. Пинского. – М.: Просвещение, 1995. – 432 с.

3. Интернет-ресурс: http://www.physbook.ru/index.php/Referat._%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B

1^Джеймс Клерк Ма́ксвелл (англ. James Clerk Maxwell; 13 июня 1831, Эдинбург, Шотландия – 5 ноября 1879, Кембридж, Англия) – британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость – газ и другие). Пионер количественной теории цветов; автор трёхцветного принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла – исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Он подготовил к публикации рукописи работ Генри Кавендиша, много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов.

2^ Ге́нрих Ру́дольф Герц – немецкий физик из еврейской семьи (его отец Давид Густав Герц), 1827–1914. Окончил Берлинский университет, где его учителями были Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. С 1885 по 1889 год был профессором физики Университета в Карлсруэ. С 1889 года – профессор физики университета в Бонне.

3^ Ли де Фо́рест (англ. Lee De Forest; 26 августа 1873, Каунсил-Блафс, штат Айова – 30 июня 1961, Голливуд, штат Калифорния, США) – американский изобретатель, имеющий на своём счету 180 патентов на изобретения. Де Форест изобрёл триод – электронную лампу, которая принимает на входе относительно слабый электрический сигнал и затем усиливает его. Де Форест является одним из отцов «века электроники», потому что триод помог открыть дорогу широкому использованию электроники.

Код для цитирования: Скопировать