Радиоволны

4. Открытие и применение

Открытие радиоволн  дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары, радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчало нам  жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Гипотезу о существовании  радиоволн выдвинул английский учёный Джеймс Максвелл на основании изучения работ Фарадея по электричеству. Для выдвижения гипотезы о возможности  возникновения электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. Открытие индукционного тока Фарадеем. Максвелл объяснил появление индукционного  тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предложил, что электрическое  поле обладает такими же свойствами: при  любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает  вихревое   электрическое поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического поля должен непрерывно продолжаться и захватывать                    Схема Радиоволны.

 всё новые и  новые области в окружающем  пространстве. Процесс взаимопорождения  электрических и магнитных полей  происходит во взаимно перпендикулярных  плоскостях. Электрические и магнитные  поля могут существовать в  веществе и в вакууме, и могут   распространяться 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.  Следовательно, электромагнитные  волны должны возникать при  ускоренном движении электромагнитных  зарядов.

Но вот создание электромагнитных волн опытным путём  принадлежит физику Герцу. Для этого  Герц использовал высокочастотный  искровой разрядник (Вибратор). Произвёл этот опыт Герц в 1888 г. Состоял вибратор из двух стержней, разделённых искровым промежутком. Экспериментировал Герц с волнами частотой 100000000 Гц. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ=λν.Она оказалась приближенно равна скорости света:  с=300000 км/с. Опыт Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла. Для возбуждения колебаний вибратор подключался к индуктору. Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значения, возникла искра, которая закорачивала обе половинки вибратора. В результате возникали свободные затухающие колебания, которые  продолжались до тех пор, пока искра не гасла. А для того чтобы возникающий при колебаниях высокочастотный ток не ответвлялся в обмотку индуктора, между вибратором и индуктором включались дроссели (катушки с большой индуктивностью). После погасания искры вибратор снова заряжался от индуктора, и весь процесс повторялся вновь. Таким образом, вибратор Герца возбуждал ряд цугов слабо затухающих волн.

И во время этих колебаний  устанавливалась стоячая волна  тока и напряжения. Сила тока I была максимальной (пучность) в середине вибратора и обращалась в ноль на его концах. Напряжение U в середине вибратора имело узел, на концах – пучности. Опыты Герца были продолжены П. Н. Лебедевым в 1894 г. П.Н. Лебедев открыл двойное преломление  волн в кристалле. Также радиоволны обладают всеми основными свойствами волн.

Электромагнитные  волны в зависимости от длины  волны  (или частоты колебаний ) разделены условно на следующие  основные диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый  спектр, ультрафиолетовые волны и  гамма - лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на различии их свойств  при излучении, распространении  и взаимодействии с веществом.

Несмотря на то, что  свойства электромагнитных волн различных  диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются  системой уравнений Максвелла. Величины   и   в электромагнитной волне  в простейшем случае меняются по гармоническому закону.

Электромагнитные  волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности  переменного электрического и индукции  переменного магнитного поля взаимно  перпендикулярны и лежат в  плоскости, перпендикулярной к вектору  скорости распространения волны.

Основываясь на том, что электромагнитная волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с определенной ориентацией  векторов  и  в пространстве. Благодаря  этим свойствам возможно использовать электромагнитные волны в радиосвязи.

Первым кто применил радиоволны для беспроводной связи, был русский физик А. Попов. 7 мая 1895 г. Попов с помощью электромагнитных волн передал на расстояние 250 м сообщение (были переданы слова «Генрих Герц»). Для приёма сообщений Попов использовал  способность металлических порошков слипаться под влиянием высокочастотных  электрических колебаний и тем  самым повышать свою электропроводность. Передатчиком служила заземлённая  антенна А. В схеме передатчика    В – источник высокого переменного  напряжения, питаемый батареей Е. При  замыкании ключа К в искровом промежутке образуется искра, представляющая собой колебательный процесс, вследствие чего антенна                           Передатчик и приёмник..  

А начинает излучать радиоволны. Эти волны, достигая антенны  А’ приёмной станции, возбуждают электромагнитные колебания цепи, содержащей заземлённую  антенну и когерер Т. Сопротивление  когерера резко уменьшается, вследствие чего замыкается цепь батареи Е’, в  которой находится электромагнитное реле, притягивающее молоточек F. При  этом в точке О замыкается цепь более мощной батареи Е”, действующей  на пишущий аппарат LM. В тоже время  молоточек D ударяет по когереру Т  и размыкает цепь батареи Е’ (для  приёма следующего сигнала).

   Это радио  стало прародителем не только  для современного радио, но  и для телевизоров, радиотелескопов,  мобильных телефонов и для  многих других вещей без которых  люди не могут представить  сегодняшнюю свою жизнь. 

Современные радиоприёмники совсем непохожи на своего прародителя, но принцип действия остался тот  же, что и в приёмники Попова. Современный приёмник так - же имеет  антенну, в которой приходящая волна  вызывает очень слабые магнитные  колебания. Как и в приёмнике  Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для  приёма. Слабые сигналы лишь управляют  источниками энергии, питающими  последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых  приборов.

  В1899 году была  обнаружена возможность приёма  сигналов с помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была  успешно использована во время  спасательных работ в Финском  заливе. При участии Попова началось  внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.

За границей усовершенствованием  подобных приборов занималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через атлантический океан.       

 Важнейшим этапом  развития радиосвязи было создание  в 1913 году генератора незатухающих  электромагнитных колебаний.

Кроме передачи телеграфных  сигналов, состоящих из коротких и  более продолжительных импульсов  электромагнитных волн, стала возможной  надёжная и высококачественная радиотелефонная  связь – передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной  связи колебания давления воздуха  в звуковой волне превращаются с  помощью микрофона в электрические  колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить  и подать в антенну, то можно будет  передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой  способ передачи неосуществим.

Дело в том что, колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой

( звуковой) частоты  почти совсем не излучаются.  

 Для передачи  этих волн на большие расстояния  их необходимо преобразовать  в колебания высокой частоты,  но так чтобы не испортить  информацию которую они несут.  Процесс преобразования электромагнитных  колебаний низкой частоты в  колебания высокой частоты называется  модуляцией. Для преобразования  звуковых волн используется амплитудная  модуляция.     

В процессе модуляции  происходит наложение амплитуды  низкочастотных сигналов на высокочастотный  сигнал.

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

Без модуляции нет  ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной  передачи.

  Для осуществления  амплитудной модуляции электромагнитных  колебаний высокой частоты в  электрическую цепь транзисторного  генератора последовательно с  колебательным контуром включают  катушку трансформатора. На вторую  катушку трансформатора подаётся  переменное напряжение звуковой  частоты, например, с выхода микрофона  после необходимого усиления. Переменный  ток во второй катушке трансформатора  вызывает появление напряжения  на концах первой катушке трансформатора. 

Переменное напряжение звуковой частоты 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. Такие колебания высокой  частоты называются амплитудно-модулированными.

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

 Электромагнитные  волны, излучённые 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 приёма электромагнитных  волн в простейшем детекторном  радиоприёмнике применяется длинный провод – приёмная антенна. Для того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в контуре приёмника производится обычно изменением электроёмкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний, возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужной частоты.      

 С колебательного  контура приёмника модулированные  колебания высокой частоты поступают на детектор. В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлении. В течении каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор , вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор. Если значения электроёмкости 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. Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подаётся на телефон.

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

 Для повышения  чувствительности в современных  радиоприёмниках 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  радиоприёмника электрические колебания  звуковой частоты с выхода  детектор поступают на вход  усилителя низкой частоты.

Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ  подаётся на динамик.

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

Благодаря радиоволнам  познается, и наша вселенная, и открываются  элементарные частицы материи. Даже живые существа испускают радиоволны, а животные такие животные, как  рыба молот используют их для охоты.

Библиография

1.        Гаевой А. И., Калабухов Н. П., Левашова Л. Е., Чепуренко В.  Г. «Справочник по физике для  поступающих в вузы». Киев, «Наукова  Думка», 1986.

2.      И.  В. Савельев «Курс общей физики»  том 2. Москва, «Наука», 1973.

3.      Михайличенко  Ю.П. «Двойное лучепреломление  сантиметровых электромагнитных  волн. Методические указания». Томск, 1986.

4.      Першинзон  Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. «Курс  общей физики. Оптика и атомная  физика». Москва, Просвещение, 1981.