Излучение и распространение электронных волн

Из физики известно, что при протекании электрического тока по проводнику вокруг него образуется круговое магнитное поле, т.е. электрические и магнитные явления тесно связаны между собой. Эта связь используется в радиотехнике для получения электромагнитных колебаний высоких частот. Для этого применяют колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно. Чаще используют параллельный колебательный контур.

Процесс возникновения колебаний в контуре показан на рис. 4.1

Рис. 4.1 Колебательный контур

С помощью переключателя П к контуру можно подключить источник постоянного напряжения – батарею гальванических элементов G_В, которая имеет э.д.с. e_n.

В положении переключателя «1» конденсатор С зарядиться до напряжения U_c со знаками, показанными на рисунке. При установке переключателя в положение «2» к конденсатору подключается катушка индуктивности L, и через нее пойдет ток i, а конденсатор начнет разряжаться. Так как катушка обладает индуктивным сопротивлением X_L , то ток будет нарастать постепенно и достигнет максимального значения, когда напряжение U_c станет близким к нулю.

Нарастающий ток i сопровождается увеличением магнитного поля вокруг витков катушки, что приводит к накоплению магнитной энергии в ней, которая поддерживает протекание тока в том же направлении и при U_c≈0 за счет э.д.с. самоиндукции. Конденсатор С начнет накапливать заряды и получит на своих обкладаках заряд уже другого знака. Он будет максимальным тогда, когда ток i в катушке уменьшиться до нуля. Заряженный конденсатор обусловит появление тока разрядки i через катушку уже в другом направлении и достигнет наибольшего значения, когда U_c станет минимальным.

Процессы зарядки и разрядки конденсатора будут повторяться, т.е. в контуре возникнут колебания тока и магнитной энергии с некоторым периодом Т, который определяется формулой Томпсона:

, с, (4.1)

где L – индуктивность катушки Гн;

С – емкость конденсатора, Ф.

Частота колебаний в контуре

, Гц.

Амплитуда колебаний U_c и i будет уменьшаться из-за потерь на нагрев катушки, т.к. она обладает активным сопротивлением витком, и рассеивания магнитной энергии в окружающем пространстве.

Для получения незатухающих колебаний к контуру подключают генератор переменной э.д.с. ~ l_F, так чтобы он работал в резонансе с контуром, т.е. чтобы

f_K = f_e .

В этом случае реактивные сопротивления конденсатора и катушки делают равными, т.е.

X_L = X_С,

где , .

График напряжения на контуре U_К от частоты приведен на рис. 4.2.

Рис. 4.2. График зависимости напряжения на контуре от частоты

Этот график имеет явно выраженный максимум U_кт на частоте собственных колебаний f_K и называется резонансной кривой.

Проведя горизонтальную линию на высоте 0,7 U_кт, получим точки 1 и 2, определяющие нижнюю f_Н и верхнюю f_В частоты пропускания контура, т.е.

Δf = f_В – f_Н,

где Δf – полоса пропускания контура.

Полосу пропускания определяют свойства катушки

где

здесь X_L – индуктивное сопротивление катушки, Ом;

R – активное сопротивление ее витков, Ом.

Величину Q называют добротностью катушки.

Колебательный контур используют в генераторах электрических колебаний, в селекторах каналов для настройки радиоприемников на нужную радиостанцию, в избирательных усилителях, в фильтрах низких и высоких частот и других устройствах.

Рассмотренный контур является закрытым, так как он не излучает электромагнитную энергию в окружающее пространство.

Для излучения электромагнитной энергии в эфир применяют открытый колебательный контур, в котором обкладки конденсатора выполняют в виде отдельных проводников, подвешенных над поверхностью земли, или одного проводника, поднятого над землей («антенна») и самой поверхности («заземление» или «земля»).

На рис. 4.3 показан открытый колебательный контур.

Рис. 4.3. Открытый колебательный контур

Антенна получила название от греческого название слова «антус» (ушки насекомого), а «земля» от соединения пластины конденсатора с поверхностью земли в виде контактов металлических стержней с влажным грунтом.

Электромагнитное излучение энергии имеет волновой характер и называется радиоволнами.

Радиоволны характеризуются частотой излучения длиной волны, которая обычно измеряется в метрах.

, М,

где f – частота, Гц;

С – скорость распространения волны, м/с.

Скорость распространения волн близка к скорости света (≈300000 км/с).

Для практических расчетов можно использовать формулу

, м,

где f – частота мегагерцах.

По длине волны выделяют диапазоны длинных волн (ДВ), средних (СВ), коротких (УКВ).

ДВ – 10000÷1000 м;

СВ – 1000÷100 м;

КВ –100÷10 м;

УКВ: метровые 10÷1 м;

дециметровые 1÷0,1 м;

сантиметровые 10÷1 см;

СВЧ – миллиметровые 10 мм÷1мм;

дециметровые 1 мм÷0,1 мм.

На длинных, средних и коротких волнах осуществляется радиовещание и радиосвязь, на УКВ – телевидение, радиовещание и радиосвязь на малых расстояниях.

СВЧ диапазон используется для каналов компьютерной связи, кабельного телевидения, видеозаписи и в др. устройствах.

Использование радиоволн различных длин связано с различным их распространением в пространстве. Радиопередатчики излучают радиоволны как вдоль поверхности земли (поверхностные волны), так и в пространство (пространственные волны).

Длинные и средние волны, распространяясь вдоль поверхности земли, свободно огибают препятствия и неровности земли (холмы, возвышенности, даже горы) и распространяются на большие расстояния в сотни и тысячи километров.

Короткие поверхностные волны довольно сильно поглощаются землей, не огибают препятствий и быстро затухают, но пространственные волны, достигая ионосферы земли, отражаются от нее и могут достигать радиоприемников на больших расстояниях, а иногда могут огибать весь земной шар, многократно отражаясь от земли и ионосферы.

Особенности распространения коротких волн иллюстрируются рисунком 4.4.

Рис. 4.4 Распространение коротких волн

Ультракороткие волны вдоль поверхности земли распространяются в пределах прямой видимости (50÷70 км), поэтому антенны передатчиков располагают на магнитах высоко над землей. Используют для телевизионного вещания и в радиорелейных линиях связи. Пространственные волны не отражаются от ионосферы и свободно уходят в космическое пространство, поэтому используются в спутниковой связи и для связи между космическими аппаратами.

Лекция 5