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.
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.
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.)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
