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

Гипотеза Максвелла: Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 7.1.1 и 7.1.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рис. 7.1.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла	Рис. 7.1.2. Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Максвелл записал систему математических уравнений, которые непротиворечиво описали законы взаимных превращений магнитного и электрического полей, эти уравнения стали впоследствии основными уравнениями электродинамики.

Эта гипотеза 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, т.е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы  и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 7.1.3).

Рис. 7.1.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы ,  и  взаимно перпендикулярны.

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью: .

Здесь  и  – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества,  и  – электрическая и магнитная постоянные: , .

Длина волны λ в синусоидальной волне связана со скоростью υ распространения волны соотношением , где f – частота колебаний электромагнитного поля, .

Скорость электромагнитных волн в вакууме ():

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой.

3. 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: .

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля  и напряженности электрического поля  в каждой точке пространства связаны соотношением:

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 7.1.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время  через площадку протечет энергия , равная: .

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади: .

Подставляя сюда выражения для ,  и , можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора  направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен . Этот вектор называют вектором Пойнтинга [3].

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I _ср плотности потока электромагнитной энергии равно:

где E ₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

5. Из теории Максвелла следует, 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. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г., которые имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением:

где  – объемная плотность электромагнитной энергии,

c – скорость распространения волн в вакууме.

 

Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме:

Отсюда следует:

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). 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.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент  которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 7.1.4).

 

Рис.7.1.4. Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания.

Рис. 7.1.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Рис. 7.1.5. Излучение элементарного диполя.

Максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

 

Принцип радиосвязи

План:

1. Изобретение радио.

2. Устройство и принцип радиосвязи.

 

Изобретение радио. Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. А. С. Попов[4].

Радиосвязь обеспечивает передачу информации на расстояние с помощью электромагнитных волн (радиоволн).

Радиоволны – электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света ().

Радиоволны – низкочастотные электромагнитные волны, имеющие частоту колебаний меньше, чем .

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Приемник А. С. Попова состоял из антенны 1, когерера 2, электромагнитного реле 3, электрического звонка 4 и источника постоянного тока 5 (рис. 7.2.1). Электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения в антенне. Переменное напряжение с антенны подавалось на два электрода, которые были расположены в стеклянной трубке, заполненной металлическими опилками.

Рис. 7.2.1. Приемник А. С. Попова

Эта трубка и есть когерер. Последовательно с когерером включались электромагнитное реле и источник постоянного тока.

Удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки и возвращал его в исходное состояние, приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн.

Открытый колебательный контур. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные колебания возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле – сосредоточенным в пространстве между пластинами конденсатора (рис. 7.2.2). Такой контур называется закрытым. Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство.

Рис. 7.2.2. Закрытый колебательный контур.

Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 7.2.3).

Рис. 7.2.3.

Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 7.2.4). Изображение пластин конденсатора на концах катушки открытого колебательного контура на рисунках 7.2.2 – 7.2.4 является лишь условностью. В действительности контур состоит из катушки и длинного провода – антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли.

Рис. 7.2.4. Открытый колебательный контур.

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. Со скоростью 300 000 км/с электромагнитные волны распространяются от антенны.

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

Амплитудная модуляция. При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяются различные виды модуляции гармонических колебаний высокой частоты.

Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебаний высокой частоты (рис. 7.2.6(а) в электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора (рис. 7.2.5). На вторую катушку трансформатора подается переменное напряжение звуковой частоты, например с выхода микрофона после необходимого усиления.

Рис. 7.2.5.

Переменный ток во второй катушке трансформатора вызывает появление переменного напряжения на концах первой Катушки трансформатора. Переменное напряжение звуковой частоты (рис. 7.2.6 (б) складывается с постоянным напряжением источника тока; изменения напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводят к изменениям со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора (рис. 7.2.6(в). Такие колебания высокой частоты называются амплитудно-модулированными.

Рис. 7.2.6.

С колебательным контуром генератора индуктивно связана антенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой частоты, происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.

Радиоприемник. Электромагнитные волны, излученные антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике. Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электрического тока, пропорционально длине проводника. Поэтому для приема электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприемнике применяется длинный провод – приемная антенна 1 (рис. 7.2.7). Вынужденные колебания в антенне возбуждаются электромагнитными волнами от всех радиостанций. Для того чтобы слушать только одну ра­диопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур 2 с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в контуре приемника производится обычно изменением электроемкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой колебаний контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения.

Рис. 7.2.7.

С колебательного контура приемника модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор 3. В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлении. После прохождения детектора сила тока в цепи изменяется во времени по закону, представленному на рисунке 7.2.8, а. В течение каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор 4, вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор 5. Если значения электроемкости конденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, то через резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковой частотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике (рис. 7.2.8(б). Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подается на телефон 6.

Рис. 7.2.8.

Детекторный радиоприемник весьма несовершенен. Он обладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи только от мощных радиостанций или от близко расположенных радиопередатчиков.

Для повышения чувствительности в современных радиоприемниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрические колебания поступают на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала на выходе радиоприемника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектора поступают на вход усилителя низкой частоты (УНЧ).

Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подается на обмотку электродинамического громкоговорителя – динамика. Динамик преобразует энергию переменного тока звуковой частоты в энергию звуковых колебаний.

Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.

Схема устройства простейшего радиоприемника с усилителями высокой и низкой частот представлена на рисунке 7.2.9.

Рис. 7.2.9. Схема простейшего устройства УВЧ и УНЧ.

Для настройки на прием только одной станции в современных радиоприемниках используются довольно сложные электронные схемы, включающие в себя генераторы электромагнитных колебаний.

Сложение электрических колебаний от внутреннего генератора приемника с колебаниями, возбужденными в контуре приемника электромагнитными волнами от передающих радиостанций, позволяет настраивать приемник на очень узкий диапазон принимаемых частот. Внутренний генератор в приемнике называется гетеродином, а приемник с таким генератором – супергетеродинным радиоприемником.

Телевидение. С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображений предметов. Принцип передачи движущихся черно-белых и цветных изображений с помощью телевизионных передатчиков и приемников заключается в следующем.

Для передачи одного кадра телевизионного изображения с помощью объектива в телевизионной камере получается изображение предмета на экране специального электровакуумного прибора – передающей трубки (рис. 7.2.10). Под действием света участки экрана приобретают положительные заряды. На экран внутри передающей трубки направляется электронный луч, перемещающийся периодически слева направо по 625 горизонтальным линиям – строкам. Во время пробегания луча вдоль строки происходит нейтрализация электрических зарядов на отдельных участках экрана и в электрической цепи, соединяющей электронную пушку и экран, протекает импульс тока. Изменения силы тока в импульсе соответствуют изменениям освещенности экрана на пути электронного луча.

Рис. 7.2.10.

Высокочастотные электромагнитные колебания в телевизионном передатчике модулируются сигналом импульса, полученного на выходе передающей трубки, и подаются на антенну передатчика. Антенна излучает электромагнитные волны.

В телевизионном приемнике – телевизоре – имеется электровакуумная трубка, называемая кинескопом. В кинескопе электронная пушка создает электронный луч. Электроны под действием электрического поля движутся внутри трубки к экрану, покрытому кристаллами, способными светиться под ударами быстродвижущихся электронов. На пути к экрану электроны пролетают через магнитные поля двух пар катушек, расположенных снаружи трубки.

Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного луча по горизонтали, второй – по вертикали. Периодические изменения силы тока в катушках вызывают изменения магнитных полей, в результате которых электронный луч за  625 раз пробегает по экрану слева направо и один раз – сверху вниз (рис. 7.2.11).

Рис. 7.2.11

Во время движения луча вдоль первой строки силой тока в электронном луче управляет сигнал, принятый приемником от передатчика во время движения луча в передающей трубке по первой строке; при движении луча по второй строке силой тока в луче управляет сигнал от второй строки и т. д. В результате за  луч «рисует» такое же изображение на экране телевизора, какое построено объективом на экране передающей трубки. Кадры сменяют друг друга с частотой 25 кадров в секунду, последовательность сменяющих друг друга с высокой частотой кадров воспринимается глазом человека как непрерывное движение.

Телевизионные передачи ведутся в диапазоне от 50 до 230 МГц. В этом диапазоне электромагнитные волны распространяются почти только в пределах прямой видимости.

Распространение радиоволн. Радиосвязь осуществляется на длинных (10 000 – 1000 м), средних (1000 – 100 м), коротких(100 – 10 м) и ультракоротких (< 10 м) волнах. Радиоволны с различными длинами волн по-разному распространяются у поверхности Земли.

Длинные волны за счет дифракции распространяются далеко за пределы видимого горизонта; радиопередачи на длинных волнах можно принимать на больших расстояниях за пределами прямой видимости антенны.

Средние волны испытывают меньшую дифракцию у поверхности Земли и распространяются за счет дифракции на меньшие расстояния за пределы прямой видимости.

Короткие волны еще менее способны к дифракции у поверхности Земли, но их можно принять в любой точке на поверхности Земли. Распространение коротких радиоволн на большие расстояния от передающей радиостанции объясняется их способностью отражаться от ионосферы.

Ионосферой называется верхняя часть атмосферы, начинающаяся с расстояния примерно 50 км от поверхности Земли и переходящая в межпланетную плазму на расстояниях 70 – 80 тыс. км. Особенностью ионосферы является высокая концентрация в ней свободных заряженных частиц – ионов и электронов. Ионизация верхних слоев атмосферы создается ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца. Максимальные значения количества свободных электронов в ионосфере –  электронов в кубическом сантиметре – достигаются на высотах 250 – 400 км от поверхности Земли.

Проводящий слой земной атмосферы – ионосфера – способен поглощать и отражать электромагнитные волны. От ионосферы хорошо отражаются длинные радиоволны. Это явление наряду с дифракцией увеличивает дальность распространения длинных волн. Хорошо отражаются ионосферой и короткие радиоволны. Многократные отражения коротких радиоволн от ионосферы и земной поверхности делают возможной радиосвязь на коротких волнах между любыми точками на Земле (рис. 7.2.12).

Рис. 7.2.12.

Ультракороткие волны (УКВ) не отражаются ионосферой и не огибают поверхность Земли в результате дифракции, связь на УКВ осуществляется только в пределах прямой видимости антенны передатчика. (рис. 7.2.13).

Рис. 7.2.13.

Радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения радиоволн от проводящих тел.

Если радиопередатчик включить на очень короткое время и выключить, то можно через некоторое время  с помощью радиоприемника зарегистрировать возвращение радиоволн, отраженных от проводящих тел вдали от радиостанции.

Измерив с помощью электронной аппаратуры длительность промежутка времени  между моментами времени отправления и возвращения электромагнитных волн, можно определить путь, пройденный радиоволнами: , где с – скорость электромагнитной волны. Так как волны прошли путь до тела и обратно, расстояние до тела, отражавшего радиоволны, равно половине этого пути:

Чтобы определить не только расстояние до тела, но и его положение в пространстве, необходимо посылать радиоволны узконаправленным пучком. Узкий пучок радиоволн создается с помощью антенны, имеющей форму, близкую к сферической. Для того чтобы антенна радиолокатора могла создать узконаправленный пучок радиоволн, в радиолокации используются ультракороткие волны ().

Для определения, например, местонахождения самолета антенну радиолокатора направляют на самолет и на очень короткое время включают генератор электромагнитных волн. Электромагнитные волны отражаются от самолета и возвращаются к радиолокатору. Отраженный радиосигнал улавливает та же антенна, отключенная от передатчика и подключенная к приемнику (рис. 7.2.14). По углам поворота антенны радиолокатора определяется направление на самолет. Радиолокатор, установленный на самолете, позволяет по времени прохождения радиоволн до поверхности Земли и обратно измерять высоту, на которой находится самолет.

Рис. 7.2.14.

 

 

[1] Жан Бернар Леон Фуко (1819 – 1868) – французский физик, механик и астроном. Известен, прежде всего, как создатель маятника Фуко и изобретатель гироскопа.

[2] Коронный разряд – самостоятельный газовый разряд, возникающий в резко неоднородных полях у электродов с большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Зона вблизи такого электрода характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.

[3] Джон Генри Пойнтинг (1852 – 1914) – известный британский физик.

[4] Александр Степанович Попов (1859 – 1905(6) – русский физик и электротехник, профессор, изобретатель, статский советник (1901), Почётный инженер-электрик (1899). Один из изобретателей радио.