Тема 3.6 Электромагнитные волны

 

1. Свободные электромагнитные колебания в контуре

Для получения электромагнитных колебаний используется колебательный контур, в котором энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля и обратно.

? Колебательный контур – цепь, состоящая из последовательно включенных катушки и конденсатора.

 

Рассмотрим, как происходят электромагнитные колебания. Зарядим конденсатор до макси-мального напряжения Um.

В этот момент вся энергия контура сосредоточена в конденсаторе и выражается формулой: .

Поскольку в контуре нет равновесия зарядов, конденсатор разряжается, и заряды устремляются в катушку. В ней создается э.д.с. самоиндукции, которая тормозит нарастание тока, но прекратить его не может.

Ток нарастает до тех пор, пока конденсатор не разрядится полностью. В этот момент ток в цепи достигает максимальной величины I_m, а вся энергия превращается в энергию магнитного поля катушки и выражается формулой:

.

Если активное сопротивление R мало и потерей энергии на нагревание проводников можно пренебречь, то W_маг будет равно W_эл. Таким образом, при R = 0, т.е при собственных колебаниях в контуре, справедлива формула: .

Когда ток достигает максимального значения, в цепи возникает равновесие зарядов, и ток в контуре начинает ослабевать.

Тогда в катушке возникает э.д.с. самоиндукции, поддерживающая прежнее направление тока, вследствие чего происходит перезарядка конденсатора, т.е. магнитная энергия превращается в электрическую.

Поскольку конденсатор снова зарядился, то возникнет ток обратного направления и в контуре повторятся все процессы, описанные выше, пока система не придет в первоначальное состояние.

На этом полное колебание в контуре закончится. Далее электромагнитные колебания в контуре будут повторяться периодически с периодом

.

 

2. Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)

 

В современной технике широкое распространение получили электрические автоколебательные системы.

В качестве примера рассмотрим работу генератора незатухающих электромагнитных колебаний на транзисторе.

При замыкании цепи через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромаг-нитные колебания. Если бы контур был изолирован, то колебания в нем затухали бы вследствие необратимых превра-щений сообщенной контуру энергии в тепловую.

Но контур через катушку обратной связи L_св соединен с транзистором. Это приводит к тому, что ток, протекающий по контурной катушке, индуцирует на концах катушки обратной связи (как на вторичной обмотке трансформатора) переменное напряжение. Под действием этого напряжения транзистор то открывается, то запирается с периодом, равным периоду собственных колебаний контура. Периодически поступающая от источника энергия компенсирует потери энергии в контуре, и колебания в контуре не затухают.

Таким образом, генератор преобразует энергию постоянного электрического тока в энергию переменного тока любой частоты.

 

3. Электромагнитное поле и его распространение в виде электромагнитных волн

В 5 модуле говорилось, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Линии этого поля замкнуты, оно существует независимо от электрических зарядов и только до тех пор, пока происходит изменение магнитного поля.

Изучая связь между электрическим и магнитным полями, Д.Максвелл создал теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов:

1) переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле;

2) переменное электрическое поле создает в окружающем его пространстве вихревое магнитное поле.

Итак, из постулатов Максвелла следует, что в природе должны существовать электромагнитные волны.

? Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн:

1) электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны и изменяются в одинаковых фазах;

2) эти волны являются поперечными, т.к. вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции колеблются перпендикулярно вектору скорости;

3) скорость распространения зависит от электрических и магнитных свойств среды и выражается формулой:

В вакууме скорость электромагнитных волн максимальна

с = 3 × 10⁸ м/с;

4) электромагнитные волны переносят энергию и импульс. Плотность энергии электромагнитного поля прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля и выражается формулой:

 

4. Открытый колебательный контур как источник электромагнитных волн

 

Электромагнитные колебания всегда должны создавать электромагнитные волны, но на практике эти волны не всегда легко обнаружить и использовать.

Закрытый колебательный контур почти не создает в окружающем пространстве электромагнитных волн, потому что изменения электрического и магнитного полей этого контура происходят в весьма ограниченной области пространства (внутри конденсатора и катушки). Для создания интенсивных волн необходимо производить эти колебания в открытом пространстве так, чтобы изменяющиеся поля охватывали контур со всех сторон. Для увеличения излучения контура можно раздвинуть обкладки конденсатора. Такой колебательный контур называют открытым.

А.С. Попов нашел более эффективный способ увеличения мощности излучения, он изобрел устройство, называемой антенной. Он оставил контур неизменным, но один конец катушки заземлил, а к другому присоединил вертикальный провод со свободным верхним концом.

 

5. Физические основы радиосвязи

 

Радиопередача

Трудность звуковой передачи состоит в том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, обладающие большой энергией. Звуковые же колебания имеют низкую частоту (20 ¸ 20000 Гц). Поэтому колебания звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие расстояния. Этот процесс называется модуляцией.

При амплитудной модуляции амплитуду высокочастотных колебаний изменяют со звуковой частотой.

Модулированные волны излучаются в пространство антенной.

 

Радиоприем

 

Приемная антенна «улавливает» электромагнитные волны, которые возбуждают в антенне вынужденные электрические колебания. Из множества принимаемых антенной сигналов необходимо выделить один, настроив радиоприемник в резонанс с частотой передающей радиостанции. Это осуществляется в колебательном контуре с помощью конденсатора переменной емкости (или катушки переменной индуктивности).

Затем из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют демодуляцией или детектированием.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью – полупроводниковый диод.

После прохождения через полупроводниковый диод ток становится пульсирующим (смотри рисунок). Пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра.

Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединенный к нагрузке. В простейшем приемнике динамик играет роль нагрузки.

Работа фильтра происходит так. В те моменты времени, когда ток возрастает, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его. В те моменты времени, когда ток уменьшается, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону. Благодаря этому через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму звукового сигнала на передающей станции.