Урок 7 Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. колебательный контур – физика – 11 класс – Русская электронная школа

Вынужденные электромагнитные колебания это периодические изменения заряда, тока и напряжения в цепи, вызванные изменяющейся электродвижущей силой от внешнего источника.

Содержание

Урок 7 Свободные и вынужденные электромагнитные колебания Колебательный контур

5) построение графика зависимости электрического заряда, тока и напряжения от времени при свободных электромагнитных колебаниях

6) определение характеристик колебаний на основе графика;

7) Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.

8) Формула Томсона.

Глоссарий по теме

Электромагнитные колебания это периодические изменения заряда, тока и напряжения с течением времени.

Электромагнитные колебания бывают двух типов. бесплатно и принудительно.

Свободные колебания это колебание, которое возникает в колебательной системе за счет энергии, первоначально переданной системе.

Вынужденные электромагнитные колебания – это это периодические изменения заряда, тока и напряжения в цепи под действием изменяющейся электродвижущей силы от внешнего источника.

Контур, состоящий из конденсатора и индукционной катушки, подключенной к его обмоткам, называется колебательным контуром. колебательный контур.

Период электромагнитного колебания – это период времени, за который ток в колебательном контуре и напряжение на пластинах конденсатора совершают одно полное колебание.

Частота колебаний – это количество колебаний в единицу времени.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Физика, Г.Й. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Харугин. 11 класс. Учебник для средних школ. Москва: Просвещение, 2014 – С. 74 – 82.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа, 2009. – С. 126 – 128.

Основное содержание урока

ККолебательный контур – это это цепь, состоящая из конденсатора и индуктора, соединенных с электромагнитными катушками, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания

Электромагнитные колебания в цепи возникают на высоких частотах, и определить их характеристики без осциллографа невозможно.

Узор, образующийся на экране осциллографа, похож на узор, образуемый маятником кулича над движущимся листом бумаги при колебаниях математического маятника.

Для того чтобы колебательный контур колебался, необходимо подвести к нему энергию, зарядив конденсатор от источника тока.

Энергия, полученная конденсатором, содержится в электрическом поле обкладки

где – заряд конденсатора, C – емкость конденсатора.

Между электродами конденсатора существует разность потенциалов .

Когда конденсатор разряжается, энергия электрического поля преобразуется в энергию магнитного поля, определяемую формулой

где – индуктивность катушки, – сила переменного тока.

Полная энергия колебательного контура составляет

Когда конденсатор полностью разряжается, вся энергия электрического поля преобразуется в энергию магнитного поля. Когда ток и создаваемое им магнитное поле начинают уменьшаться, возникает ЭДС самоиндукции, пытающаяся поддержать ток, и начинается зарядка конденсатора. Во время свободных колебаний через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы в точности повторяется. Полная энергия такой системы в любой момент времени равна максимальной энергии электрического поля или максимальной энергии магнитного поля.

q, u и i – это мгновенные значения заряда, напряжения и тока. Если в цепи нет сопротивления, то полная энергия электромагнитного поля не изменяется. Колебания затухают, сопротивление катушки и проводников преобразует энергию электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводника.

Электромагнитные колебания в цепи подобны свободным механическим колебаниям. Природа периодического изменения различных величин одинакова. При механических колебаниях координата тела периодически изменяется. x и проекция его скорости и, в случае электромагнитных колебаний, заряд q конденсатора и ток i в цепи.

Индуктивность катушки L аналогична массе mКогда груз на пружине колеблется, кинетическая энергия тела аналогично магнитной энергии тока .

Энергия заряда конденсатора действует как потенциальная энергия:

Координата тела аналогична заряду конденсатора.

Полная энергия колебательного контура в любой момент времени равна сумме энергий магнитного и электрического полей:

Производная по времени от полной энергии равна нулю при R = 0. Поэтому сумма производных по времени энергий магнитного и электрического полей равна нулю:

Знак ” – ” минус в этом выражении означает, что когда энергия магнитного поля увеличивается, энергия электрического поля уменьшается, и наоборот. Физический смысл этого выражения заключается в том, что скорость изменения энергии магнитного поля равна по модулю и противоположна скорости изменения электрического поля.

Заряд и электрический ток при свободных колебаниях изменяются во времени по закону синуса или косинуса, т.е. совершают гармоники колебания.

Циклическая частота для свободных электрических колебаний:

Период свободных колебаний в контуре равен:

Период свободных электрических колебаний в колебательном контуре зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора.

Период электромагнитных колебаний – период времени, в течение которого ток в колебательном контуре и напряжение на пластинах конденсатора совершают одно полное колебание.

Частота колебаний составляет Частота равна обратной величине периода колебаний:

Частота свободных колебаний определяется как собственная частота колебательной системы.

Заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону:

где – амплитуда колеблющегося заряда. Ток также осциллирует гармонически:

где – амплитуда колебательного тока. Колебания силы тока по фазе предшествуют колебаниям заряда на .

Изучение типичных задач физических упражнений

Проблема 1.. Идеальный колебательный контур состоит из конденсатора емкостью 2 мкФ и индуктора. В контуре существуют свободные электромагнитные колебания. В таблице показана энергетическая зависимость Wхранится в конденсаторе идеального колебательного контура в зависимости от времени t.

Точно так же колебания настоящего пружинного маятника будут затухать: вся энергия маятника будет постепенно превращаться в тепло из-за неизбежного наличия трения.

Преобразование энергии в колебательном контуре

Рассмотрим далее незатухающие колебания в цепи, предполагая, что сопротивление катушки равно нулю. Конденсатор имеет емкость , индуктивность катушки равна .

Поскольку тепловые потери отсутствуют, энергия не уходит из контура: она постоянно перераспределяется между конденсатором и катушкой.

Возьмем момент времени, в который заряд конденсатора максимален и равен , а ток отсутствует. Энергия магнитного поля катушки в этот момент равна нулю. Вся энергия цепи сосредоточена в конденсаторе:

Теперь, наоборот, рассмотрим момент, когда ток максимален и равен , а конденсатор разряжен. Энергия конденсатора равна нулю. Вся энергия цепи хранится в катушке:

В любой момент времени, когда заряд конденсатора одинаков и ток течет через катушку, энергия цепи равна:

Уравнение (1) применимо ко многим проблемам.

> правый) = -frac< left( ¯nabla ¯times ¯mathbf Right) = -mu_0 epsilon_0 frac ymathbf Qquad (7)” width=”” height=”” />

Электромагнитные волны как универсальное явление были предсказаны классическими законами электричества и магнетизма, известными как уравнения Максвелла. Если мы внимательно рассмотрим уравнения Максвелла в отсутствие источников (зарядов или токов), то увидим, что помимо возможности того, что ничего не происходит, теория также допускает нетривиальные решения для изменений в электрическом и магнитном полях. Начнем с уравнений Максвелла для вакуума::

nabla ndot nmathbf<E>= 0 nqquad n (1).” width=”” height=””> <img decoding= – является векторным дифференциальным оператором (набла).

Одно из решений,

mathbf<E>= mathbf<B>= mathbf<0>” width=”” height=””>,</p><p>Чтобы найти другое, более интересное решение, воспользуемся векторным тождеством, которое верно для любого вектора, имеющего вид:</p><p> <img decoding= nabla^2 mathbf<E>= mu_0 epsilon_0 frac<partial^2> <partial t^2> mathbf<E>” width=”” height=””></td></tr></table><p>Используя аналогичные исходные результаты, мы получаем аналогичное дифференциальное уравнение для магнитного поля:</p><table cellpadding= nabla^2 mathbf<B>= mu_0 epsilon_0 frac<partial^2> <partial t^2> mathbf<B>” width=”” height=””>.</td></tr></table><p>Эти дифференциальные уравнения эквивалентны волновому уравнению:</p><p><img decoding=Box^2 f = 0где Box^2где – оператор Д’Аламбера: Box^2 = nabla^2 - frac<1><<c_0>^2> frac<partial^2> <partial t^2>= frac<partial^2> <partial x^2>+ frac<partial^2> <partial y^2>+ frac<partial^2> <partial z^2>-. frac<1><<c_0>^2> frac<partial^2> <partial t^2>. ” width=”” height=””></p><p>Обратите внимание, что в случае электрического и магнитного полей скорость:</p><p><img decoding=mathbf<E>= mathbf<E>_0 fleft( hat<mathbf<k>> cdot mathbf <x>– c_0 t right)” width=”” height=””></p><p>Здесь <img decoding= – любая мгновенно дифференцируемая функция,  hat<mathbf<k><meta itemprop= – любая мгновенно дифференцируемая функция, >” width=”” height=””> – единичный вектор в направлении распространения, и left( hat<mathbf<k>> cdot mathbf <x>– c_0 t prawda)” width=”” height=””> – является общим решением волнового уравнения. Другими словами</p><p><img decoding=E_0 = c_0 B_0что сразу же следует из вектора Пойнтинга. Электрическое поле, магнитное поле и направление распространения волны ортогональны, и волна распространяется в том же направлении, что и вектор mathbf<E><meta itemprop=что сразу же следует из вектора Пойнтинга. Электрическое поле, магнитное поле и направление распространения волны ортогональны, и волна распространяется в том же направлении, что и вектор mathbf mathbf,mathbf” width=”” height=””>.

С точки зрения электромагнитной волны, движущейся по прямой линии, электрическое поле может колебаться вверх-вниз, а магнитное поле – вправо-влево, но эта картина может чередоваться с колебаниями электрического поля вправо-влево и магнитного поля вверх-вниз. Эта случайность в ориентации с предпочтением направления распространения известна как поляризация.

Амплитуда q0 и начальная фаза φ0 определяются начальными условиямит.е. способ, которым система была выведена из состояния равновесия.

  • Печать
  • Электронная почта

В электрических цепях, а также в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут быть Свободные вибрации.

Электромагнитные колебания это периодические изменения заряда, тока и напряжения.

Свободные колебания вибрации – это колебания, которые происходят без внешних раздражителей за счет первоначально накопленной энергии.

Вынужденные колебания это колебания в цепи, вызванные внешней периодической электродвижущей силой.

Свободные электромагнитные колебания – это периодические изменения электромагнитных величин (q – электрический заряд, I – интенсивность тока, U – разность потенциалов), происходящие без получения энергии из внешних источников.

Простейшей электрической системой, способной к свободным колебаниям, является последовательная RLC цепь или колебательный контур.

Колебательный контур – это это система, состоящая из конденсатора, емкости Cиндуктор L и проводник с сопротивлением R

Рассмотрим замкнутый колебательный контур, состоящий из индуктивности L и емкости С.

Свободные электромагнитные колебания можно наблюдать на экране осциллографа.

Как видно из диаграммы осциллографа, свободные электромагнитные колебания являются затухающийЭто означает, что их амплитуда уменьшается со временем. Это происходит потому, что часть электрической энергии в активном резисторе R преобразуется во внутреннюю энергию проводника (проводник нагревается, когда по нему течет электрический ток).

Рассмотрим, как возникают колебания в колебательном контуре и какие изменения энергии происходят при этом. Сначала рассмотрим случай, когда в цепи нет потерь электромагнитной энергии (R = 0).

Если мы зарядим конденсатор до напряжения U0 то в начальный момент времени t1=0 катушки конденсатора будут иметь значения амплитуды напряжения U0 и заряд q0 = CU0.

Полная энергия W системы равна энергии электрического поля Wel:

При коротком замыкании цепи начинает течь ток. В цепи имеется э.д.с. самоиндукции

Из-за самоиндукции в катушке конденсатор разряжается не сразу, а постепенно (поскольку, согласно принципу Ленца, индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, который он индуцирует своим магнитным полем). Это означает, что магнитное поле индуцированного тока не позволяет магнитному потоку в контуре мгновенно увеличиться). Ток постепенно увеличивается до максимального значения I0 в момент времени t2=T/4 и заряд на конденсаторе становится равным нулю.

Когда конденсатор разряжается, энергия электрического поля уменьшается, но в то же время энергия магнитного поля увеличивается. Полная энергия контура при разряде конденсатора равна энергии магнитного поля Wм:

В следующий момент времени ток течет в том же направлении, уменьшаясь до нуля, что заставляет конденсатор снова заряжаться. Ток не прекращается сразу после разрядки конденсатора из-за самоиндукции (магнитное поле индуцированного тока не позволяет магнитному потоку в цепи сразу уменьшиться). В момент времени t3=T/2 заряд конденсатора снова максимален и равен начальному заряду q = q0напряжение также равно начальному U = U0а ток в цепи равен нулю I = 0.

Затем конденсатор снова разряжается, и ток течет через индуктивность в обратном направлении. Через время T система возвращается в исходное состояние. Полное колебание заканчивается, и процесс повторяется.

График изменения заряда и тока при свободных электромагнитных колебаниях в цепи показывает, что колебания тока запаздывают по отношению к колебаниям заряда на π/2.

В каждый момент времени полная энергия:

В свободных колебаниях происходит периодическое преобразование электрической энергии Wэнакопленная в конденсаторе, превращается в магнитную энергию Wм катушки и наоборот. Если в колебательном контуре нет потерь энергии, то полная электромагнитная энергия системы остается постоянной.

Свободные электрические колебания подобны механическим колебаниям. Изменение заряда показано на следующих диаграммах q(t) конденсатора и сдвиг x(t) груза из положения равновесия, и графики тока I(t) и скорость υ(t) для одного периода колебаний.

При отсутствии демпфирования свободные колебания в электрической цепи являются гармоникит.е. они подчиняются закону

q(t) = q0cos(ωt + φ0)

Параметры L и C колебательного контура определяют только собственную частоту свободных колебаний и период колебаний – Формула Томпсона

Амплитуда q0 и начальная фаза φ0 определяются начальными условиямит.е. способ, которым система была выведена из состояния равновесия.

Для колебаний заряда, напряжения и тока получены формулы:

Для конденсатора:

Для индуктора:

i(t) = I0cos(ω0t + π/2)

U(t) = U0cos(ω0t + π)

Вспомните основные характеристики колебательного движения:

q0, U0, I0амплитуда – модуль максимального значения колеблющейся величины

Т – период – минимальный интервал времени, в течение которого процесс полностью повторяется

ν – частота – количество колебаний в единицу времени

ω – циклическая частота – количество колебаний за 2p секунды

φ – фаза вибрации – это величина, стоящая под знаком косинуса (синуса) и характеризующая состояние системы в любой момент времени.

Пожалуйста, обратите внимание! Существует тесно связанный термин электрические колебания. Это периодическое, ограниченное изменение величины заряда, тока или напряжения. Переменный электрический ток это тип электрических колебаний.

Что называется электромагнитными колебаниями

Раздел ОГЭ по физике: 3.14. Переменный электрический ток. Колебания и электромагнитные волны. Масштаб электромагнитных волн

Электромагнитные колебания

☑ Электромагнитные колебания это периодические изменения интенсивности E и индукция B. Электромагнитные колебания – это Радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-излучение.

Внимание! Существует тесно связанный термин электрические колебания. Это периодическое, ограниченное изменение величины заряда, тока или напряжения. Переменный электрический ток это тип электрических колебаний.

Максвелл теоретически показал, а Герц экспериментально доказал, что переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, а переменное электрическое поле, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, т.е. происходят изменения (флуктуации) свойств электромагнитного поля в пространстве.

Электромагнитные колебания происходят в колебательной системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур – это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и индуктора.

Если зарядить конденсатор, а затем замкнуть его на катушку, через цепь потечет электрический ток. Это приведет к разрядке конденсатора. Вначале ток в цепи увеличится, и возникнет ток самоиндукции, препятствующий росту основного тока и противодействующий ему. Через 1/2 периода конденсатор будет полностью разряжен, а ток катушки достигнет максимума. После этого ток начнет уменьшаться. Возникающий ток самоиндукции будет стремиться поддержать основной ток и будет направлен в ту же сторону, что и основной ток. Через 1/4 периода ток прекратится и конденсатор зарядится. Затем произойдет обратный процесс.

Таким образом, электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре, то есть периодически изменяются заряд, ток, электрическое и магнитное поля. Колебания, возникающие в колебательном контуре, называются свободными колебаниями из-за начальной энергии, запасенной в конденсаторе. В процессе колебаний к цепи не подводится внешняя энергия.

Минимальный период времени, через который повторяется весь процесс в колебательном контуре, называется период (T) колебательного контура. В период колебаний заряд на катушках конденсатора изменяется от максимального значения до следующего максимального значения того же знака, или ток изменяется от максимального значения до следующего максимального значения в том же направлении тока.

Чтобы охарактеризовать электромагнитные колебания, часто говорят об их частоте. Частота (v) осцилляции число полных колебаний в секунду. Частота является обратной величиной периода колебаний. Единицей частоты является 1 Гц. Частота электромагнитных волн часто измеряется в килогерцах (1 кГц = 1 000 Гц) и мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц).

Электромагнитные волны

Подобно тому, как механические колебания распространяются через пространство в виде механических волн, электромагнитные колебания распространяются через пространство в виде электромагнитные волны. Многочисленные эксперименты показали, что электрическое и магнитное поля взаимно зависят друг от друга. Если в любой точке пространства создать переменное электрическое поле, оно создаст переменное магнитное поле в соседних точках, которое, в свою очередь, создаст переменное электрическое поле, и так далее. Поэтому мы можем говорить об электромагнитном поле. Это поле, распространяющееся через пространство.

☑ Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля представлен электромагнитными волнами.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Они характеризуются определенной длиной волны λ. Длина волны – это расстояние, проходимое электромагнитной волной за время, равное периоду колебаний (Т). λ = cT или λ = c/vгде c – скорость распространения электромагнитной волны, v – частота колебаний.

Электрически заряженные частицы могут колебаться с различной частотой. Поэтому излучаемые электромагнитные волны имеют разную длину волны. Поэтому диапазон частот электромагнитных волн очень широк: 0 – 10 22 Гц и длины волн от 10 -14 м до бесконечности. По длине волны или частоте электромагнитные волны можно разделить на восемь диапазонов. Обладая рядом общих свойств (интерференция, дифракция), волны разных частот также имеют особые свойства.

Переменный электрический ток

Любой ток, который изменяется во времени, называется переменным током. Чаще всего переменный электрический ток определяется как ток, который изменяется по гармоническому закону.

Переменный электрический ток – Электрический ток, величина и направление которого изменяются со временем или, в особом случае, изменяются по величине, сохраняя неизменным направление в цепи.

Переменный электрический ток

Автор: Donor – собственная работа. Векторное изображение содержит элементы, заимствованные из другого изображения: Виды тока.svg., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52957447.

Хотя переменный ток часто переводится на английский язык как переменный токэти термины не эквивалентны. Термин переменный ток (AC) в узком смысле определяется как синусоидальный токв более широком смысле – периодический переменный ток (т.е. двунаправленный периодический ток). Он обозначается символом на электрооборудовании: ≈ (символ синусоиды), или латинскими буквами AC.

Переменное напряжение, необходимое для производства переменного тока, вырабатывается генератором переменного тока. В простейшей модели генератора переменное напряжение возбуждается в замкнутой рамке с сопротивлением R, которая равномерно вращается в однородном магнитном поле.

В этом случае переменный ток, протекающий в рамке, определяется по закону Ома:

Колебания напряжения на активном сопротивлении рамки совпадают по фазе с колебаниями тока.

Для характеристической кривой переменного тока условия эффективный ток I и эффективное напряжение U.

Эффективный переменный ток I это мощность постоянного тока, который производит такое же количество тепла, как и данный переменный ток в том же проводнике и в то же время.

Эффективное напряжение переменного тока U напряжение такого постоянного тока, который в том же проводнике и в то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.

Среднеквадратические значения тока I и напряжения U задаются формулами:

Где I, U – среднеквадратичные значения тока и напряжения;
Im , Um – амплитудные значения тока и напряжения.

Амперметры и вольтметры в электрической цепи переменного тока измеряют среднеквадратичные значения тока и напряжения.

(27.10)

Электромагнитные волны

Быстро меняющееся электромагнитное поле обладает тем необычным свойством, что оно не остается вокруг проводников, а распространяется по окружающему пространству.
Если в любой точке пространства создается быстро меняющееся электрическое поле, оно индуцирует магнитное поле в соседних точках пространства, которое (поскольку оно также меняется) индуцирует электрическое поле, и так далее.

Меняющиеся электрические и магнитные поля завоевывают все большие и большие области пространства, распространяясь через вакуум со скоростью около 300 000 км/сек.то есть с той же скоростью, что и свет. При распространении электромагнитного поля происходит передача энергии, которой обладает поле.

Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля представляет собой волновой процесс – электромагнитные волны.

Электромагнитные колебания и волны в физикеЭлектромагнитные колебания и волны в физике

Источником электромагнитных волн могут быть не только специальные передающие устройства, но и любые электрические искровые разряды, например, разряды молнии.

Теория и опыт показывают, что векторы напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

На рисунке 228 показаны графики изменения напряженности электрического и магнитного поля (Е) и магнитный (Н) поле электромагнитной волны, распространяющейся в ОЗ.

Расстояние, пройденное волной за промежуток времени, равный одному периоду колебаний, называется длиной волны Электромагнитные колебания и волны в физике.

Электромагнитные колебания и волны в физике
или

Электромагнитные колебания и волны в физике
В этих формулах с -это скорость распространения электромагнитных волн; Т – период колебаний и f-это частота колебаний.

Согласно действующим международным соглашениям, различают следующие типы радиоволн.Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

В радиотехнической практике принято говорить о волнах от 2000 до 750 м длинные, от 750 до 200 м средний, от 50 до 10 м м короткие и менее 10 м м ультракороткий.
Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

Излучение и прием электромагнитных волн

В колебательном контуре (рис. 229,аб) состоящий из катушки и конденсатора, результирующее переменное магнитное поле сосредоточено в основном в катушке, а электрическое поле сосредоточено между концами конденсатора. Такая цепь, называемая замкнутой, почти не излучает электромагнитные волны в пространство.

Электромагнитные волны можно излучать с помощью открытого колебательного контура, показанного на рисунке 229,в. На этом рисунке верхняя обкладка конденсатора заменена проводом, расположенным как можно выше над землей. Нижний провод, заменяющий вторую вкладку конденсатора, размещается на самой земле или просто заменяется на землю (“земля”).

Вертикальный провод, соединяющий верхний и нижний горизонтальные провода, в радиотехнике называется снижением.
Редукционная проволока играет важную роль в излучении электромагнитных волн. Вся рассматриваемая система проводов называется антенной.

Антенна была впервые изобретена А. С. Попов. Он также первым использовал заземляющий провод для передачи и приема радиосигналов.

Схема, показанная на рисунке 229, называется разомкнутым колебательным контуром.

Катушка Lсоединенный с проводом снижения, подключается к индукционной катушке высокочастотного генератора. Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceвысокочастотный осциллятор. Это позволяет поддерживать непрерывные электромагнитные колебания в разомкнутом колебательном контуре. Эта антенна должна быть помещена в резонанс с электромагнитным осциллятором для получения наибольшей амплитуды этих колебаний.

Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce
Электромагнитные волны, излучаемые антенной, распространяются во всех направлениях от антенны. Если электромагнитные волны встречают на своем пути проводники, они вызывают быстропеременные токи той же частоты, что и частота породившего их электромагнитного поля.

В этом случае часть энергии, переносимой электромагнитными волнами, преобразуется в энергию высокочастотных индукционных токов, возникающих в проводниках.

Проводники, в которых электромагнитные волны генерируют высокочастотные переменные токи, называются приемными антеннами.

Передатчик и приемник Попова

Максвелл теоретически, а Герц экспериментально доказали существование электромагнитных волн. Большой заслугой первых опытов А.С. Попова в области радиосвязи было использование электромагнитных волн в практических целях – телеграфирование без проводов.

В своих первых экспериментах с радио Попов использовал в качестве радиопередатчика простой вибратор Герца, колебания которого возбуждались искровым разрядом. Вибратор Герца состоит из двух проводников одинаковой длины, разделенных небольшим зазором. Проводники подключены к источнику высокого переменного напряжения.

Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

Когда напряжение между проводниками достигает значения, при котором искры проскакивают через упор, в вибраторе возникают колебания. Это вызывает излучение электромагнитных волн в окружающее пространство.

Попов заменил вибратор Герца заземленной антенной.

Схема такого передатчика показана на рисунке 230. здесь V – это источник высокого переменного напряжения, работающий от аккумулятора. Б. После нажатия клавиши К кнопка в искровом промежутке возникает искра, которая представляет собой колебательный процесс, заставляющий антенну А будут излучать электромагнитные волны. Эти волны, достигая антенны Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceприемной станции (рис. 231), вызывают электромагнитные колебания в цепи, содержащей эту заземленную антенну и когерентный Т.

Существенной частью радиоприемника Попова был чувствительный индикатор электромагнитных колебаний – когерер.

Когерер состоит из стеклянной трубки, в которую вставлены два электрода, а между электродами помещены металлические опилки. Сопротивление металлических опилок быстро уменьшается, когда через них пропускают ток высокой частоты. Если затем трубку встряхнуть или слегка ударить по ней, сопротивление опилок снова увеличивается.

Когда высокочастотные колебания, возникающие в антенном контуре, уменьшают сопротивление трубки когерентности, ток из ячейки ЕТок, протекающий через катушку и обмотку электромагнита P, усиливается. Это притягивает якорь электромагнита и замыкает цепь тяжелой батареи. В. Эта батарея питает телеграфный аппарат, который подключен параллельно TA и электромагнит М. Назначение электромагнита М – электромагнит заключается в вибрации молотка, который ударяет по червяку, встряхивая его и прерывая ток в цепи батареи В. На ленте телеграфного аппарата будет записана линия или точка, в зависимости от того, длинный или короткий ключ. К на передающей станции (рис. 230) замыкает цепь.

Нетрудно заметить, что электромагнит Р с железным сердечником и контактом – это не что иное, как электромагнитное реле, работающее при малых токах.

Дальнейшим усовершенствованием Попова стало введение настройки антенны на определенную частоту.

В 1897 году А.С.Попов провел серию экспериментов по передаче радиосигналов на кораблях Балтийского флота.

Зимой 1899 года радио было использовано для спасения линкора “Генерал-адмирал Апраксин”, который затонул на скалах. Во время спасательной операции Попов и его помощники П.Н. Рыбкин и Д.С. Троцкисты поддерживали связь между островом Гогланд, куда забрел линкор, и Котке на побережье, примерно в 50 км от острова. В то же время радио использовалось для спасения рыбаков, застрявших на льдине в море. Это было первое практическое применение радио. Именно в это время П.Н. Рыбкин сделал очень важное открытие – прием сигналов на слух, на телефонную трубку, что позволило увеличить дальность радиосвязи.

Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce
Усовершенствовав конструкцию приемо-передающего оборудования и увеличив мощность передатчиков, Попов увеличил дальность передачи радиосигнала до нескольких сотен километров.

А. С. Попов был великим ученым и горячим патриотом своей страны. Американские капиталисты неоднократно предлагали ему продать свое изобретение и переехать в Америку. Но Попов решительно отверг эти предложения и написал в ответ: Я – россиянин, все свои знания, весь свой труд и все свои достижения я имею право отдать только своей Родине”:

“Я – россиянин, и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения я имею право отдать только своей Родине. И если не наши современники, то, может быть, наши потомки поймут, как велика моя привязанность к родной земле и как я счастлив, что не за рубежом, а в России открыто новое средство общения”.

Модулированные колебания

Для передачи звука по радио необходимо вызвать соответствующие изменения в электромагнитных волнах, излучаемых антенной, за счет действия звуковых колебаний. Колебания электрического тока, создаваемые для этой цели микрофонной цепью, в точности соответствуют звуковым колебаниям, возникающим в микрофоне (рис. 233 а). Колебания электрического тока в цепи микрофона индуцируются на концах вторичной обмотки трансформатора ТВторичная обмотка трансформатора подключается к электросети.

Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

Вторичная обмотка трансформатора подключается к электросети. Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceвысокочастотного генератора лампы (рис. 232). Таким образом, к сетке лампы прикладывается переменное напряжение акустической частоты. В результате амплитуда высокочастотного колебания (рис. 233,б) в цепи генератора изменяется в соответствии с изменениями напряжения на сетке лампы, происходящими на акустической частоте (рис, в).

Высокочастотные колебания, в которых происходят изменения амплитуды колебания, соответствующие передаваемому звуковому или другому сигналу, называются модулированными колебаниями, а сам процесс этих изменений – модуляцией.

Обнаружение

Детекторный приемник. Радиоприемник в основном состоит из следующих компонентов: 1) антенна, 2) колебательный контур, 3) устройство обнаружения и 4) телефонная трубка.

Поскольку высокочастотные токи, протекающие в антенне радиотелефонного передатчика, модулируются, электромагнитные волны, излучаемые антенной, также будут модулироваться. Такие же модулированные колебания возникают в антеннах радиоприемников.

Для получения звука в радиоприемнике необходимо преобразовать модулированные высокочастотные колебания в колебания звуковой частоты, с которой осуществлялась модуляция в радиопередатчике. Процесс преобразования модулированных колебаний в звуковые частоты называется детектированием.

Детектирование осуществляется с помощью полупроводников или специальных однонаправленных проводящих устройств, называемых детекторами.

Схема, содержащая детектор, выпрямляет модулированные колебания. Ток, протекающий в цепи детектора, представляет собой пульсирующий ток переменной величины (рис. 233,г). Этот пульсирующий ток можно рассматривать как комбинацию высокочастотных пульсаций и звуковых колебаний (рис. 233,д). Для полного отделения высокочастотных пульсирующих токов от акустико-частотных достаточно создать разветвление в цепи детектора, причем одна ветвь легко проницаема для высокочастотных токов, а другая имеет высокое сопротивление для таких токов и низкое сопротивление для акустико-частотных токов.

Такой ветвью является, например, конденсатор и телефон, соединенные параллельно. Через конденсатор будут протекать токи высокой частоты, в то время как по обмоткам телефона будут протекать в основном токи акустической частоты. Таким образом, телефон будет воспроизводить звуковые колебания той же частоты (рис. 233, д) как частота звуковых колебаний (рис. 233, а), с помощью которого высокочастотные колебания модулируются в радиопередатчике.

Простейшими детекторами являются кристаллические детекторы, в которых контакт между кристаллом и металлом или между двумя кристаллами является однонаправленным.

На рисунке 234 показана примерная схема детекторного радиоприемника. На схеме показан колебательный контур приемника, состоящий из индуктора (2) и переменного конденсатора (1). Приемная цепь включена в цепь антенны. Переменный конденсатор используется для настройки схемы на частоту принимаемой радиостанции. Колебательный контур подключен к детекторной схеме (3), которая содержит конденсатор (5) и телефон (4), соединенные параллельно. Модулированные высокочастотные колебания, возникающие в приемной цепи, выпрямляются в детекторной цепи, как уже упоминалось выше, и на стыке телефон-конденсатор акустико-частотные токи, протекающие через телефон, и высокочастотные пульсации, проходящие через конденсатор, разделяются. Мембрана телефона, под действием токов акустической частоты, воспроизводит эти акустические колебания, которые принимаются микрофоном передающей станции.
Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce
Поэтому детекторные приемники можно использовать там, где нет источника питания. Работа таких приемников основана исключительно на энергии электромагнитной волны, которая преобразуется в высокочастотные токи в антенне.

Детекторные приемники не могут обеспечить прием удаленных или маломощных станций, а также не подходят для использования с громкоговорителями. Гораздо более совершенными и эффективными являются ламповые приемники, в которых обнаружение осуществляется с помощью электронной трубки.

Вся огромная мощь современной радиотехники основана на использовании электронных ламп.

Простейший вакуумный ламповый радиоприемник

Схема простейшего лампового радиоприемника показана на рис. 235. В этой схеме антенна через катушку alt=”Колебания и электромагнитные волны в физике” /> индуктивно связана с колебательным контуром, состоящим из катушки alt=”Колебания и электромагнитные волны в физике” /> и конденсатора переменной емкости. С. Колебательный контур соединен последовательно с двухэлектродной электронной трубкой.

Под действием приходящей электромагнитной волны в антенне создается модулированный высокочастотный ток с частотой, равной частоте колебаний волны. Благодаря индуктивной связи катушки Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceс катушкой L Тот же модулированный высокочастотный ток появляется в колебательном контуре последнего, а пульсирующий ток переменной величины будет протекать в цепи детектор-лампа из-за ее однонаправленной проводимости.

Пульсирующий ток представляет собой сложный ток, состоящий из тока акустической частоты и высокочастотного пульсирующего тока. Для того чтобы разделить эти токи и воспользоваться колебаниями тока акустической частоты, действующего на мембрану телефона, параллельно телефону подключается конденсатор, как в детекторном приемнике (рис. 234). Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceДля высокочастотных токов конденсатор представляет собой небольшое сопротивление, в то время как телефон – очень большое сопротивление, а для низкочастотных токов, наоборот, телефон представляет собой меньшее сопротивление. Таким образом, через телефон будет проходить ток звуковой частоты, и мембрана будет воспроизводить звуки, произносимые перед микрофоном передатчика.Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

Электронная трубка как усилитель электромагнитных колебаний

Конечно, при приеме дальних станций токи, наведенные в антенне, будут очень малы, и, следовательно, звук в телефоне также будет слабым. Поэтому, чтобы обеспечить достаточную громкость приема, токи, индуцированные в антенне, должны быть усилены до их обнаружения, а затем, если приемник работает с громкоговорителем, токи звуковой частоты также должны быть усилены. Таким образом, колебания сначала усиливаются на высокой частоте, а затем на низкой звуковой частоте. Соответственно, усилители называются: первый – высокочастотный, второй – низкочастотный. Следует отметить, что усиление тока происходит за счет энергии местного источника тока, а электромагнитные колебания, генерируемые в антенне, только приводят в движение этот источник.

Усиление электромагнитных колебаний может быть достигнуто с помощью трехэлектродных электронных трубок.

Процессы внутри трубки, как для усиления высоких, так и низких частот, по сути, одинаковы. Схема однолампового усилителя, называемого каскадом усиления, показана на рис. 236.

В этой схеме прием разомкнутого колебательного контура через катушку Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceиндуктивно связанный с Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceтрубка. Когда в приемной цепи возникает электромагнитное колебание, напряжение между сеткой и катодом (“напряжение на сетке”) будет изменяться. Поскольку сетка находится гораздо ближе к катоду, чем к аноду, даже небольшое изменение напряжения на сетке вызовет большое изменение анодного тока. Поэтому слабое колебание в контуре вызовет сильное колебание анодного тока в цепи лампы. Источником питания в анодной цепи лампы является батарея В. Однако токи в сетевой цепи, индуцированные электромагнитными колебаниями в антенне, только контролируют потребление энергии от этой батареи в анодной цепи лампы. Поэтому лампа в данном случае действует как реле, управляемое с передающей станции.

Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

В анодной цепи лампы участок резистора R. Пока анодный ток постоянен, на концах участка с сопротивлением R является постоянным напряжением. Если анодный ток изменяет свою величину, то изменяется и напряжение на концах участка линии. Напряжение на концах отрезка линии с сопротивлением R R будет переменным напряжением, изменяющимся по тому же закону, что и напряжение сети.

Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyce

Переменное напряжение U, генерируемый на проводнике с сопротивлением R. может быть больше, чем напряжение сети. Таким образом, лампа будет усиливать приложенное к ней переменное напряжение. Напряжение U может быть подан на записывающее устройство или на вторую трубчатую решетку для дальнейшего усиления.
Усиление может быть достигнуто и с помощью других схем. В зависимости от типа лампы и ее схемы возможно усиление в несколько сотен раз.

Полная схема радиоприемника (блок-схема), включая все основные компоненты, показана на рисунке 237.

Катодно-лучевая трубка

Особый тип электроники катодно-лучевых трубок получил широкое практическое применение.

Катодно-лучевая трубка, схематически показанная на рисунке 238, состоит из стеклянного цилиндра, из которого откачан воздух под давлением порядка Oscylacje i fale elektromagnetyczne w fizyceи несколько электродов.

Источником электронов в лампе является раскаленный катод. Между катодом и анодом возникает напряжение в несколько сотен или тысяч вольт. В электрическом поле, существующем между катодом и анодом, электроны, вылетающие из катода, ускоряются и проходят через отверстие в аноде в виде тонкого пучка.

Электромагнитные волны и колебания в физике
Этот пучок электронов, ударяясь о специальный экран, вызывает свечение экрана в виде небольшого круглого пятна в месте удара.

Все устройство, состоящее из накаленного катода и анода, называется электронным осветителем или электронной пушкой.

Чтобы наблюдать электрические процессы на экране трубки, узкий пучок электронов заставляют проходить между пластинами небольших конденсаторов, называемых отклоняющими пластинами.

Если к одному конденсатору приложено постоянное напряжение и поэтому между пластинами конденсатора создается электрическое поле, то электронный луч, проходящий через это поле, будет отклоняться в направлении, противоположном направлению электрического поля.

Это приведет к смещению светового пятна на экране; величина смещения будет пропорциональна величине приложенного напряжения.

Если к вертикально отклоненным пластинам конденсатора приложить переменное напряжение, световое пятно будет колебаться по вертикали. Амплитуда этих колебаний будет пропорциональна амплитуде приложенного напряжения.
Для того чтобы установить форму колебаний, необходимо приложить к горизонтально отклоненным пластинам такое переменное напряжение, которое равномерно возрастает до определенного заданного значения, а затем очень быстро падает до нуля, после чего процесс изменения напряжения повторяется. Это напряжение называется напряжением размотки.

Напряжение размотки заставляет электронный луч, а вместе с ним и пятно сетки, равномерно перемещаться по экрану в горизонтальном направлении, а затем почти мгновенно возвращаться в исходное положение. Повторение этого процесса приводит к развертке колебаний во времени, что позволяет определить форму тестируемых электрических колебаний, поскольку результирующее движение светового пятна на экране представляет собой изменяющуюся во времени кривую тестируемого напряжения.

Электромагнитные волны и колебания в физике

На рисунке 239 между пластинами AB показывает кривую переменного напряжения, полученную с помощью электронно-лучевой трубки.

Практически неинерционная природа электронного пучка позволяет использовать электронно-лучевые трубки для наблюдения и фотографирования очень быстро протекающих электромагнитных процессов. Этот факт имеет большое значение для исследований в области радио.

Прикладывая напряжение, изменяющееся с частотой звука, к вертикально отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, и разворачивающее напряжение к горизонтально отклоняющим пластинам, мы можем изучать различные звуковые колебания.

Электронно-лучевая трубка, используемая для наблюдения и фотографирования формы электрической волны, является основной частью прибора, называемого электронным осциллографом.

Электронно-лучевые трубки являются основными приборами в радарных и телевизионных установках.

Радиолокация

Радиолокация – это обнаружение объектов и измерение расстояния до них с помощью радиоволн.
Он основан на явлении отражения ультракоротких радиоволн от объекта (радиоэхо), которое аналогично отражению звуковых волн (звуковое эхо).

Существуют усовершенствованные антенны (радиопроекторы), которые обладают способностью излучать ультракороткие радиоволны в виде узкого луча, радиолуча.

Электромагнитные волны и колебания в физике
Пусть некая радиостанция пошлет радиолуч в космос. Направление луча можно изменить, вращая отражатель. Если он столкнется, например, с самолетом, радиолуч будет частично отражен от него и вернется обратно (рис. 240).

Электромагнитные волны и колебания в физике
Радиолуч передается не непрерывно, а только через очень короткие промежутки времени порядка миллионных долей секунды, причем промежутки (отсутствие радиопередачи) между отдельными сигналами длятся примерно в сто раз дольше, чем сам сигнал. Это означает, что в течение интервала радиосигнал может достичь самолета и вернуться обратно.

Измерить время прохождения сигнала и знать, что он проходит через воздух со скоростью 299,820 км/сек, можно определить расстояние до самолета.

На рис. 242 показана блок-схема радара; основными частями являются генератор импульсов, направленная антенна, приемник, электронная трубка и так называемый датчик времени, который перемещает электронный луч вдоль экрана электронной трубки. На экране ЭЛТ образуется горизонтальная светящаяся линия (Рисунок 241).

Когда посылается радиосигнал, датчик времени начинает перемещать электронный луч. Радиосигнал попадает в антенну, излучается в пространство и одновременно производит на экране электронно-лучевой трубки отклонение электронного луча вдоль вертикали, показанное в левой части рисунка 241 над точкой нулевого масштаба.

Отраженный от самолета радиосигнал принимается той же антенной (на рис. 240 для наглядности показаны две антенны – передающая и приемная), проходит через приемник и на экране электронно-лучевой трубки производит вертикальное отклонение луча на некотором расстоянии от первого отклонения (рис. 241).

Зная время, которое луч проходит по горизонтали, расстояние между вертикальными отклонениями может быть запрограммировано непосредственно в километрах.

Направление, в котором обнаруживается объект, определяется положением антенны радара, при котором отраженный радиосигнал появляется на экране электронно-лучевой трубки.

Современные радиолокационные станции (часто называемые “радарами”) могут обнаружить самолет на расстоянии нескольких сотен километров и измерить расстояние до него с точностью до нескольких метров, а направление на самолет – с точностью до одного-двух градусов.

Помимо чисто военного применения, радиолокация очень важна для мирных целей. Это особенно важно для аэронавигационной и морской радионавигации самолетов и судов. Радарная технология позволяет летать “вслепую” на короткие и длинные расстояния, приземляться “вслепую” в аэропортах, избегать столкновений с другими самолетами, горами, высокими зданиями и т.д., а на море – ориентироваться ночью, в тумане и на узких водных путях.

Изобретение радио Александром Поповым

25 апреля (7 мая по новому стилю) 1895 года. Александр Степанович Попов сообщил Российскому физико-химическому обществу об изобретенном им приборе, способном обнаруживать и регистрировать молнии на расстоянии до 30 метров. . Его отчет. С. Попов завершил свой доклад следующими словами:

“В заключение я надеюсь, что мое устройство может быть использовано для передачи сигналов на расстояние с помощью быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний достаточной энергии”.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Эту проблему он смог решить самостоятельно. Почти год спустя, 24 марта 1896 года, Попов вновь выступил на заседании Русского физико-химического общества, и на этот раз он наглядно продемонстрировал возможность телеграфирования без проводов, публично передав первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: “Генрих Герц”. На своей радиограмме Попов отметил имя ученого, который впервые был назван “Генрих Герц” в конце 1887 года. Эксперимент с электромагнитными волнами, существование которых было теоретически предсказано Максвеллом в 1865 году.

День 7 мая 1895 года вошел в историю мировой культуры как дата появления одного из величайших изобретений – радио, которое широко проникло в народное хозяйство, быт людей и военное дело.

В настоящее время радио (радиотехника) – это широкая и многогранная отрасль техники, включающая передачу на большие расстояния сигналов, речи, музыки, изображений предметов, пилотирование самолетов и кораблей, измерение расстояний между удаленными точками земной поверхности, определение местонахождения невидимых объектов и т.д.

Замечательный расцвет радиотехнологий, который мы наблюдаем сейчас, стал возможен во многом благодаря достижениям в области физики. Радиотехника, с другой стороны, снабдила физику чрезвычайно гибкими и мощными средствами исследования и множеством новых идей.

Электромагнитные волны и колебания в физике
Передача и прием радиосигнала требуют выполнения следующих основных операций.

  • 1. создавать высокочастотные электромагнитные колебания.
  • 2. использовать эти колебания для передачи сигнала (речь, музыка, изображение) в пространство.
  • 3. принять сигнал.

Концептуальная схема односторонней радиосвязи показана на рисунке 213. На этом рисунке передающая станция состоит из устройства управления Мпередатчик Р и антенна Электромагнитные волны и колебания в физике. Приемная станция состоит из антенны Электромагнитные волны и колебания в физикеприемник S и воспроизводящее устройство R.

Для того чтобы понять устройство и работу радиопередающих и приемных станций, необходимо сначала ознакомиться с физическими процессами, лежащими в основе радиопередачи и приема.

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны можно изучать с помощью аппарата, состоящего из излучателя – генератора сверхвысокой частоты, который производит электромагнитные волны длиной в несколько сантиметров (f=10000 МГц) и приемник этих волн. С приемника сигнал поступает на усилитель, а после усиления – на громкоговоритель. Это позволяет услышать сигнал.

Если на пути электромагнитных волн между передатчиком и приемником поместить металлическую пластину, прием радиосигналов исчезает.

Этот эксперимент показывает, что проводники не пропускают электромагнитные волны.

Диэлектрики (например, лист стекла), с другой стороны, пропускают электромагнитные волны и лишь немного снижают их интенсивность.

Электромагнитные волны отражаются от проводников. Когда они проходят через призму из диэлектрического материала, они меняют направление своего распространения, т.е. преломляются.

Используя коротковолновый передатчик и приемник, можно наблюдать явления интерференции и дифракции электромагнитных волн.

Таким образом, электромагнитные волны обладают свойствами, характерными для волн различной природы: звука, света и т.д.

Свойства электромагнитных волн отражения, преломления и интерференции используются в различных радиотехнических устройствах. Эти свойства также связаны с характеристиками распространения различных электромагнитных волн. Поэтому длинные электромагнитные волны распространяются в основном вдоль поверхности Земли и сильно поглощаются ею. Если длинные волны направлены под углом к поверхности Земли, они уходят в космос и не возвращаются на Землю. Короткие электромагнитные волны еще сильнее поглощаются поверхностью Земли, но на больших высотах они отражаются от ионизированных слоев атмосферы и затем возвращаются на Землю. Это объясняет возможность связи на коротких волнах на очень большие расстояния с помощью радиостанций малой мощности. Однако коротковолновая связь не так стабильна, как длинноволновая, поскольку условия отражения волн постоянно меняются. Ультракороткие волны не позволяют избежать больших препятствий и могут использоваться только в том случае, если между передатчиком и приемником нет препятствий, которые могут отразить волны и изменить направление распространения.

Использование высокочастотных токов

Высокочастотные токи в основном используются в радиосвязи, и эти области применения постоянно расширяются.

Токи высокой частоты используются в промышленности, медицине и других областях практической деятельности человека.

В отличие от постоянного тока, высокочастотные токи текут в основном вдоль поверхности проводника. Это явление называется “поверхностным эффектом”.

Глубина проникновения тока в металл зависит от частоты тока, удельного сопротивления металла и его магнитной проницаемости. Например, при частоте 50 Гц токопроводящий слой в медном проводнике составляет 10 мм, на 500 000 Гц (500 кгц) —0,1 мми в 150 000 000 Гц (150 МГц) – всего 0,006 мм.

Поверхностный эффект используется для термической обработки стальных изделий.

Для различных двигателей и машин требуются детали с очень твердой поверхностью (хорошая стойкость к поверхностному износу, хорошая устойчивость к ударам и толчкам). Однако создание деталей с такими свойствами с помощью обычных методов нагрева было чрезвычайно сложным, а зачастую и совершенно невозможным, поскольку деталь успевала нагреться и становилась хрупкой после затвердевания.

При высокочастотной закалке заготовка помещается внутрь катушки с током высокой частоты. Переменное магнитное поле индуцирует высокочастотный ток в металлической детали. Если сила тока достаточно велика, поверхность заготовки нагревается до высокой температуры за очень короткое время (секунды). При отключении тока, если деталь быстро охладить, она затвердеет, но только на поверхности, внутренняя часть детали останется неотвержденной, т.е. мягкой.

В промышленности для плавки стали используются индукционные печи, в которых нагрев осуществляется токами высокой частоты. В последнее время высокочастотные токи используются для сварки пластмасс.

Высокочастотные генераторы также используются для сушки керамики, дерева и т.д. Вместо переменного магнитного поля индуктора древесина и другие материалы нагреваются в переменном электрическом поле конденсатора. Отдельные атомы, ионы и молекулы диэлектрического материала совершают колебательные движения в такт электрическому полю. Эти вынужденные колебания вызывают нагрев диэлектрика. Электрическое поле свободно проникает в диэлектрик и равномерно нагревает его. Вода, содержащаяся в порах диэлектрика, быстро закипает и улетучивается в виде водяного пара.

Высокочастотный нагрев также используется в медицине. При некоторых заболеваниях внутренних органов очень важно их сильно нагреть. Это осуществляется с помощью токов высокой частоты.

Преобразование энергии в замкнутом колебательном контуре. Частота собственных колебаний

Для получения электромагнитных колебаний необходимо иметь цепь, в которой энергия электрического поля может быть преобразована в энергию магнитного поля и наоборот. Этот контур называется колебательным контуром. колебательный контур.

Поскольку магнитное поле создается в соленоиде, а электрическое поле – в конденсаторе, простейший колебательный контур состоит из соленоида с индуктивностью L и А конденсатор с емкостью С. Активное сопротивление проводников, образующих колебательный контур, должно быть достаточно малым, иначе электромагнитные колебания в контуре не возникнут.

Давайте рассмотрим подробнее, как возникают электромагнитные колебания. Зарядить конденсатор емкостью С до определенного напряжения UM и подключить его к катушке индуктивности L (рис. 27.1). На рисунке 27.1, а показывает момент, когда конденсатор

Электромагнитные волны и колебания в физике

только начинает разряжаться. В этот момент в конденсаторе существует электрическое поле, но в катушке еще нет магнитного поля, поэтому вся избыточная энергия цепи является электрической и выражается формулой Электромагнитные волны и колебания в физике(§ 15.17).

Когда заряды перетекают из конденсатора в катушку, в катушке возникает энергия самоиндукции, которая тормозит нарастание тока, но не может его остановить (§23.10). Ток нарастает до тех пор, пока конденсатор полностью не разрядится. В этот момент (рис. 27.1, б), ток в цепи достигает своего максимального значения Iма вся избыточная энергия контура преобразуется в энергию магнитного поля катушки и выражается формулой Электромагнитные волны и колебания в физике(§ 23.11).

Если активное сопротивление R настолько мала, что потерями энергии из-за нагрева проводников можно пренебречь, тогда Электромагнитные волны и колебания в физикебудет равна Электромагнитные волны и колебания в физикеПоэтому в предельном случае с R = 0т.е. для собственных колебаний в контуре, справедлива следующая формула

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.1)

В следующее мгновение магнитное поле в катушке начинает ослабевать и возникает самоиндуцированная ЭДС, сохраняющая прежнее направление тока, что вызывает перезарядку конденсатора, т.е. преобразование магнитной энергии в электрическую.

Когда магнитное поле в катушке исчезает, конденсатор снова разряжается (рис. 27.1, в), и цепь генерирует ток в противоположном направлении, пока вся электрическая энергия снова не преобразуется в магнитную (рис. 27.1.), г). Затем конденсатор снова заряжается под действием ЭДС самоиндукции и достигается состояние, показанное на рис. 27.1, а. Таким образом, полное колебание в контуре завершается, и весь описанный выше процесс повторяется снова в том же порядке.

Электромагнитные колебания в цепи очень похожи на механические: электрическую энергию конденсатора можно сравнить с потенциальной энергией маятника, а магнитную энергию тока в катушке – с кинетической энергией маятника (рис. 27.1, справа).

Время, необходимое для одного полного колебания, является периодом электромагнитных колебаний Электромагнитные волны и колебания в физикеа их количество в единицу времени – частота колебаний Электромагнитные волны и колебания в физике

Как показывает теория, колебания в идеальной цепи (при R=0), т.е. естественные колебанияявляется гармоничным. Период собственных колебаний определяется из условия равенства пассивных сопротивлений катушки и конденсатора, т.е. по формуле

Электромагнитные волны и колебания в физикеили Электромагнитные волны и колебания в физике(27.2)

Частота Электромагнитные волны и колебания в физикепри котором выполняется это равенство, называется собственная частота колебательного контура.

Из (27.2) следует, что

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.3)

С сайта Электромагнитные волны и колебания в физике(§ 24.6), то для периода собственных колебаний в контуре получим

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.4)

Отношение (27.4) называется Формула Томсона.

Из (27.4) следует, что для частоты v собственных колебаний в контуре формула

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.5)

Из (27.5) следует, что для достаточно малых L и С в контуре можно получить колебания высокой частоты, измеряемой миллионами герц и более.

Затухающие электромагнитные колебания. Электрический резонанс

Поскольку цепь, описанная в предыдущем параграфе, имеет определенное активное сопротивление Rкогда заряженный конденсатор, имеющий энергию Wподключен к катушке, с каждым колебанием избыточная энергия контура уменьшается Wпоскольку он расходуется на нагрев проводников в цепи. Это означает, что в реальных случаях свободные колебания в цепи затухают. Очевидно, что степень затухания колебаний будет возрастать по мере увеличения активного сопротивления цепи. Rкоторый действует так же, как трение в механических колебаниях.
Для получения затухающих электромагнитных колебаний в колебательный контур может быть добавлен внешний синусоидальный источник электромагнитной энергии. Электромагнитные волны и колебания в физике(рис. 27.2). Под воздействием этой ЭДС цепь будет вынуждена колебаться с частотой источника i (т.е. будет протекать переменный ток).

Электромагнитные волны и колебания в физике

Если частота внешнего источника теперь изменена Электромагнитные волны и колебания в физикеамплитуда возбуждаемых электромагнитных колебаний будет изменяться, как и в случае механических колебаний (§ 24.23).

Когда частота вынужденных колебаний o” приближается к собственной частоте контура, an электрический резонанс. Когда эти частоты совпадают Электромагнитные волны и колебания в физикереактивные сопротивления конденсаторов ХC и катушка XL компенсируют друг друга (см. (26.13) и (27.2)), и ток в цепи быстро возрастает (рис. 27.3, резонансная кривая 1), так как его величина ограничена только активным сопротивлением цепи Rкоторый обычно невелик. Соответственно увеличивается падение напряжения на реактивном сопротивлении конденсатора Электромагнитные волны и колебания в физикеи катушка Электромагнитные волны и колебания в физикеВ резонансе амплитуды этих напряжений могут в десятки и сотни раз превышать амплитуду ЭДС, Электромагнитные волны и колебания в физикеСледует отметить, что собственная частота цепи Электромагнитные волны и колебания в физикеопределяемый выражением (27.3), часто называют резонансная частота контура.

Электромагнитные волны и колебания в физике

По мере увеличения активного сопротивления контура R резонансные кривые уменьшаются (2 и 3 на рис. 27.3).

Электрический резонанс имеет очень широкое применение в радиотехнике. Изменяя резонансную частоту колебательного контура с помощью конденсатора с переменной емкостью, приемник настраивается на определенную частоту, извлекая передачу нужной радиостанции из широкого диапазона радиоволн.

Получение незатухающих колебаний с помощью лампового осциллятора

На практике это устройство используется для получения незатухающих электромагнитных колебаний путем компенсации потери энергии “в цепи на тепловое воздействие каждого полного колебания, аналогично механизму дополнительной энергии маятника в часах. Потребляя энергию от внешнего источника питания, избыточная энергия колебательного контура W остается постоянным, и колебания становятся незатухающими. Устройство, которое поддерживает электромагнитные колебания в реальной цепи, называется осциллятор.

Давайте проанализируем принцип действия трубчатый генератор. Упрощенная схема показана на рис. 27.4. Колебательный контур А с емкостью С и индуктивность Lв котором должны поддерживаться незатухающие электромагнитные колебания, подключается к анодной цепи триода, а сеточная цепь подключается к катушке L1 индуктивно связанный с катушкой L. Когда анодная цепь замыкается, конденсатор С также заряжается в цепи А цепи, генерируются электромагнитные колебания.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Из-за индуктивной связи между катушками L и L1 в цепи сетки лампы возникает вынужденное колебание той же частоты, что и в цепи А. Ток в анодной цепи изменяется при этих колебаниях. Поскольку импульсы тока в цепи анода лампы возникают одновременно с электромагнитными колебаниями в цепи A АОни автоматически поддерживают эти колебания за счет потребления энергии анодной батареей.

Благодаря описанному устройству можно получить высокочастотные колебания, которые широко используются в технике. Частота колебаний в контуре A А можно свободно регулировать, используя конденсатор с переменной емкостью в качестве альтернативы конденсатору C Сили путем изменения индуктивности катушки L.

Высокочастотные токи и их применение

Токи высокой частоты имеют свои собственные характеристики. Когда такой ток течет по проводнику, внутри проводника возникают вихревые токи из-за быстрых изменений магнитного поля.

Эти изменения магнитного поля внутри проводника таковы, что на оси проводника вихревой ток течет в направлении основного тока, а на окружности проводника вихревой ток течет в направлении основного тока. Поэтому высокочастотный ток неравномерно распределяется по сечению проводника. Плотность тока в центре поперечного сечения проводника близка к нулю и увеличивается по направлению к внешней стороне проводника.

При очень высокой частоте ток фактически протекает только через тонкий внешний слой проводника. Это явление называется кожный эффект (от английского “кожа”). Для таких токов одножильные провода можно заменить тонкостенными трубками.

В настоящее время широко используются высокочастотные токи. Вот несколько примеров. Высокочастотные плавильные печи используются для быстрого нагрева и расплавления металлических тел. Например, при производстве металлических сплавов, содержащих быстро испаряющиеся вещества, плавление происходит в специальных герметичных тиглях, которые помещаются в катушку, питаемую высокочастотным током. Вихревые токи очень быстро нагревают и расплавляют вещества в тигле.

Стальные детали закаливаются таким же образом. Деталь на короткое время помещается внутрь катушки, на которую подается ток высокой частоты. Поверхностный слой детали нагревается под действием вихревых токов, в то время как металл внутри остается холодным. Когда деталь снимается с катушки, холодная внутренняя часть детали быстро отводит тепло от сильно нагретого поверхностного слоя, быстро охлаждается и затвердевает. Глубина нагрева детали может контролироваться временем пребывания детали в катушке и частотой тока. После такой закалки поверхность детали становится твердой и прочной, а металл внутри сохраняет гибкость и пластичность.

Для нагрева диэлектриков их помещают внутрь осциллирующего периферийного конденсатора, где быстро меняющееся электрическое поле вызывает колебания диполей диэлектрика. Этот метод также используется для сушки древесины и продуктов питания, в медицине для нагревания больных органов человеческого тела (электродиатермия) и т.д.

Электромагнитное поле как особая форма материи

Меняющееся магнитное поле создает вращающееся электрическое поле (рис. 23.8). Линии этого поля замкнуты, оно существует независимо от электрических зарядов и только до тех пор, пока изменяется магнитное поле. Оно действует на электрические заряды так же, как электростатическое поле, что связано с явлением электромагнитной индукции.

Изучая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, D. Максвелл создал теория электромагнитного поля на основании два постулата (утверждение)!

  • 1) Меняющееся магнитное поле создает вращающееся электрическое поле в окружающем пространстве,
  • 2) Переменное электрическое поле создает вращающееся магнитное поле в пространстве вокруг себя.

Когда конденсатор подключен в цепь переменного тока, между его клеммами возникает переменное электрическое поле, что означает, что в том же пространстве должно существовать магнитное поле. Таким образом, переменное электрическое поле можно рассматривать как разновидность электрического тока без заряда благодаря его магнитному действию. В отличие от ток проводимости Максвелл стал называть это ток смещения. Таким образом, применяя термин “электрический ток” в широком смысле, т.е. включая как токи проводимости, так и токи смещения, можно утверждать, что магнитное поле создается только электрическим током и действует только на движущиеся заряды; электрическое поле создается электрическими зарядами и изменяющимся магнитным полем и действует на любой электрический заряд.

Изменение электрического поля в конденсаторе, описанное выше, создает переменное магнитное поле в близлежащих точках окружающего пространства, которое в свою очередь создает электрическое поле в соседних точках, и так далее. Таким образом, во всем пространстве, где возникают переменные поля, одновременно существуют вращающиеся электрические и магнитные поля, взаимно порождающие и поддерживающие друг друга. Поскольку эти поля неразделимы, их общее поле называется электромагнитное поле.

Из сказанного следует, что если в некоторой небольшой области пространства электрическое и магнитное поля периодически изменяются, то эти изменения должны периодически повторяться во всех остальных точках пространства, причем в каждой последующей точке несколько позже, чем в предыдущей. Другими словами, если электромагнитные колебания возникают в некоторой небольшой области, то электромагнитные волны должны распространяться во всех направлениях с определенной скоростью. Таким образом, из постулатов Максвелла следует, что в природе должны существовать электромагнитные волны.

Используя установленную теорию, Максвелл доказал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света Электромагнитные волны и колебания в физике(§ 28.6):

Электромагнитные волны и колебания в физике

Поскольку электрические и магнитные поля обладают энергией, в пространстве, в котором распространяются волны, существует определенное количество электрической и магнитной энергии, которая переносится волнами от точки к точке в направлении распространения.

Эксперименты и дальнейшее развитие теории Максвелла подтвердили справедливость постулатов Максвелла, приведенных выше.

Электромагнитные явления подчиняются своим собственным законам, которые характеризуют особую форму движения материи – электромагнитную форму, отличающуюся от механической формы движения. Теперь давайте объясним, как можно получить электромагнитные волны с помощью колебательного контура.

Разомкнутый колебательный контур. Радиация

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

В колебательном контуре, показанном на рисунке 27.1, происходит только обмен энергией между емкостью и индуктивностью, и потери энергии на создание электромагнитных волн в окружающем пространстве очень малы. Поэтому такой колебательный контур называется закрытый. На самом деле, замкнутый колебательный контур производит настолько слабые волны, что их можно обнаружить только с помощью специальных, очень чувствительных приборов. Что же нужно сделать, чтобы увеличить интенсивность электромагнитных волн?

Первые эксперименты в этой области были проведены Г. Герцем (§ 27.8), но окончательное решение этой проблемы было достигнуто только благодаря работе А. С. Попова.

Замкнутый колебательный контур практически не генерирует электромагнитных волн в окружающем пространстве, поскольку изменения электрического и магнитного полей контура происходят в очень ограниченной области пространства (внутри конденсатора и катушки). Для создания интенсивных волн необходимо производить эти колебания в открытом пространстве, чтобы изменяющиеся поля охватывали контур со всех сторон.

Электромагнитные волны, создаваемые колебательным контуром, называются электромагнитным излучением. Чтобы увеличить излучательную способность контура, можно удлинить обкладки конденсатора (рис. 27.5, а). Такой колебательный контур называется разомкнутым. Но даже в этом случае интенсивность излучения недостаточна для практических целей.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Попов нашел гораздо более эффективный способ увеличить мощность излучения, производимого схемой. Он оставил схему без изменений, но заземлил один конец катушки и присоединил к другому концу вертикальный провод со свободным верхним концом. Этот вертикальный провод А (Рисунок 27.5, б) теперь принято называть редукцией. Все устройство, которое присоединяется к колебательному контуру для увеличения мощности электромагнитного излучения и приема электромагнитных волн, называется антенна (изобретен Поповым в 1895 году).

Электромагнитные волны. Скорость, с которой они распространяются

При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодические изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения могут быть представлены как колебания векторов интенсивности H и E в каждой точке пространства.

Максвелл показал, что колебания этих векторов в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений (рис. 27.6), которые в свою очередь перпендикулярны вектору скорости распространения Электромагнитные волны и колебания в физикеОтносительные положения этих векторов в волне, распространяющейся от антенны Апоказаны, например, в пункте В. Относительные положения этих трех векторов в любой точке движущейся электромагнитной волны связаны между собой следующим образом по правилу правого винта: если головка винта расположена в плоскости векторов Е и Н и поверните его в направлении от Е к H (по кратчайшему пути), поступательное движение винта укажет направление вектора Электромагнитные волны и колебания в физикет.е. направление распространения самой волны и переносимой ею энергии.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Поэтому векторы E и H колеблются в плоскости, перпендикулярной вектору Электромагнитные волны и колебания в физикеЭто означает, что электромагнитные волны являются поперечными волнами. Положение векторов E и H в разных точках волны для одного и того же момента времени показаны на рисунке 27.7.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Скорость распространения электромагнитных волн зависит от электрических и магнитных свойств среды и ее численное значение, вытекающее из теории Максвелла, выражается формулой

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.6)

С сайта Электромагнитные волны и колебания в физикеи Электромагнитные волны и колебания в физикеу нас есть

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.7)

Поскольку для вакуума значения Электромагнитные волны и колебания в физикеи Электромагнитные волны и колебания в физикеравны единице, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.8)

(Покажите, что из (27.8) для c дает значение, близкое к 3-10 8 м/с).

Из сравнения формул (27.8) и (27.7) получаем

Электромагнитные волны и колебания в физикеили Электромагнитные волны и колебания в физике(27.9)

Значение пкоторый показывает, во сколько раз скорость распространения электромагнитных волн в вакууме больше, чем в среде, называется абсолютным показателем преломления этой среды:

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.10)

Явление преломления волн и происхождение названия для n объясняется в §§ 29.6 и 29.7. Таким образом,

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.11)

Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость среды Электромагнитные волны и колебания в физикев формуле (27.11) не совпадает с диэлектрической проницаемостью той же среды Электромагнитные волны и колебания в физикекак обсуждалось в электростатике (§14.7), потому что Электромагнитные волны и колебания в физикезависит от частоты вибрации. Поэтому в расчетах по формулам (27.6), (27.7), (27.9), (27.11) значения Электромагнитные волны и колебания в физикеиз таблиц, приведенных в электростатике. Однако, Электромагнитные волны и колебания в физикевсегда больше единицы, и Электромагнитные волны и колебания в физикедля диэлектриков, в которых могут распространяться электромагнитные волны, практически можно принять равным единице. Поэтому, в любой среде скорость распространения электромагнитных волн меньше, чем в вакууме, т.е. n всегда больше единицы.

Для электромагнитных волн справедлива формула (24.23): Электромагнитные волны и колебания в физикеДля вакуума эта формула принимает вид

Электромагнитные волны и колебания в физике(27.12)

где Электромагнитные волны и колебания в физике– длина волны в вакууме.

Напомним, что когда волны переходят из одной среды в другую, частота колебаний остается неизменной, а длина волны изменяется. Обратите внимание, что длина волны электромагнитной волны всегда указывается для вакуума, если нет особых оговорок. На практике в основном используются волны с высокой частотой колебаний, поскольку энергия, передаваемая волнами, пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, чем выше частота колебаний, тем легче реализовать направленное излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны также важны для передачи электрической энергии по проводам, которые являются как бы направляющими для волн. Электрические сигналы распространяются по проводам со скоростью 3-10 8 м/с, то есть при замыкании цепи ток возникает почти одновременно во всей цепи, а скорость направленных электронов в проводе составляет десятые доли сантиметра в секунду.

Эксперименты Герца

Если поместить колебательный контур на пути распространения электромагнитной волны, то электромагнитное поле волны индуцирует в контуре переменную величину, напр. и в нем возникает вынужденное электромагнитное колебание (§ 27.2) на частоте электромагнитной волны. Когда эта частота далека от собственной частоты контура, амплитуда вынужденных колебаний незначительна. Заметные электромагнитные колебания индуцируются в цепи только тогда, когда собственная частота цепи совпадает с частотой индуцированных колебаний, т.е. когда цепь настроена в резонанс с источником волнового излучения (вибратором).

Электромагнитные волны впервые были экспериментально обнаружены Г. Герцем с помощью резонанса. Он использовал так называемые диполи в качестве колебательных контуров. диполи (рис. 27.8). Диполь Д1 состоит из двух проводов, заканчивающихся шариками. Колпачки крепятся к противоположным концам проводов C1 и С2Перемещая их, можно изменять емкость цепи. Таким образом, диполь представляет собой разомкнутую цепь (рис. 27.5, a), в котором катушка заменена линейным проводником, разделенным посередине воздушным зазором. Индуктивность и емкость такого контура малы, поэтому, согласно (27.5), частота колебаний очень высока (до 10 8 Вибратор питается от источника питания вибратора).

Электромагнитные волны и колебания в физике

Вибратор работает от индукционной катушки К. Когда диполь питается от Д1высокое напряжение через зазор А в цепи возникает искра Д1 а вибратор излучает электромагнитные колебания. Когда появляется искра, цепь катушки К цепь замыкается и напряжение на клеммах катушки падает, искра пробивается и колебания в контуре выключаются. Напряжение снова повышается, искра снова вспыхивает, излучение возобновляется, и так далее. д.

Электромагнитные волны, излучаемые вибратором Д1 принимаются вторым диполем Д2 (резонатор), который имеет аналогичную конструкцию и расположен параллельно Д1. Настройка схемы Д2 при резонансе с E Д1 сдвигая свои крышки Электромагнитные волны и колебания в физикеи Электромагнитные волны и колебания в физике. В резонансе в щели В появляется слабая искра.

Эксперименты Герца доказали существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Максвелла. Герц экспериментально исследовал их свойства и наблюдал отражение и интерференцию. Используя интерференцию, Герц определил длину волны и, зная частоту, рассчитал скорость их распространения по формуле (24.23). Оказалось, что эта скорость равна скорости света. Электромагнитные волны и колебания в физике. Таким образом, эксперименты Герца гениально подтвердили теорию Максвелла об электромагнитном поле.

Изобретение радио Александром Поповым. Радиотелеграфная связь

Эксперименты Г. Герца впервые продемонстрировали возможность передачи электромагнитных сигналов, но это происходило на очень короткое расстояние, в пределах лабораторного стола. Попов использовал антенны для многократного увеличения мощности излучения вибратора и чувствительности резонатора. Таким образом, он реализовал дальнюю связь с помощью электромагнитных волн.

Усовершенствовав передатчик и приемник электромагнитных волн, он начал передавать и принимать слова по телеграфу. Азбука Морзе.. Очень скоро он обнаружил, что эти сигналы можно принимать на слух через телефон. Этот метод общения стал известен как радиотелеграфия. Сначала Попов мог устанавливать радиосвязь только на расстоянии нескольких десятков метров, но позже он смог передавать сообщения на расстояние в десятки километров. Значение открытий Попова очень велико. Все мы хорошо знаем о важной роли радиосвязи, телевидения, радиолокации и т.д. в современной жизни.

Концептуальная схема простого радиотелеграфного соединения показана на рисунке 27.9. Передатчик представляет собой незатухающий высокочастотный генератор HFV, который через ключ К подключается к антенне A1. Закрывая ключ К передатчик начинает излучать электромагнитные волны. Приемник с антенной размещается на большом расстоянии от передатчика. A2который подключен к резонансному контуру РКгде конденсатор с переменной емкостью C1 используется для установки приемника в резонанс с передатчиком. Известно, что на практике существует множество передатчиков, работающих одновременно. Чтобы не создавать помех друг другу, каждый передатчик должен работать на частоте, отличной от частоты других передатчиков. Конденсатор C1 позволяет настроиться в резонанс с конкретным передатчиком, т.е. на нужную радиостанцию.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Колебания в резонансном контуре переносятся детектором Д к телеграфному аппарату (или телефону) Т или на записывающее устройство. Детектор (выпрямитель) преобразует высокочастотный переменный ток в постоянный, т.е. выпрямляет переменный ток (§ 21.5). Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в телеграфном аппарате используется конденсатор C С2который заряжается во время протекания импульса тока и частично разряжается между импульсами.

Сигналы передаются следующим образом. Если необходимо передать точку и тире, ключ закрывается один раз на короткое время и второй раз на более длительное время. В этом случае от передатчика последовательно распространяются два волновых импульса – короткая и длинная волны (они показаны на рис. 27.10, а). После прохождения через детектор приемника импульсы тока принимают форму, показанную на рисунке 27.10, б и попадают в телеграфный аппарат. Импульсы тока сглаживаются конденсатором С2и в приборе появляется ток, график которого показан на рис. 27.10, в. Кривая этого графика называется конвертчто можно получить, проведя прямую линию, касательную ко всем вершинам импульса на рисунке 27.10, б.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Выпрямление тока в приемнике необходимо потому, что записывающее устройство телеграфного аппарата не может производить колебания, соответствующие высокочастотному току. Телеграфные сигналы можно принимать на слух с помощью телефона. Для этого высокочастотные колебания должны быть преобразованы в низкочастотные.

Общение по беспроводному телефону. Амплитудная модуляция

Звуковые радиопередачи стали возможны после изобретения электронных усилительных ламп.

Сложность передачи звука заключается в том, что для радиосвязи необходимы высокочастотные колебания, а колебания звукового диапазона – это низкочастотные колебания, для излучения которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания звуковой частоты должны тем или иным образом накладываться на высокочастотные колебания, которые уже переносят их на большие расстояния.

Управление высокочастотными колебаниями в соответствии с низкочастотными колебаниями называется модуляция высокочастотных колебаний. Модуляция – это изменение на низкой (звуковой) частоте одного из параметров высокочастотного колебания. Высокочастотные колебания называются перевозчики Высокочастотные колебания называются несущими, поскольку их функция заключается в переносе частоты звука. Несущая частота должна быть строго постоянной, т.е. стабилизированной.

Z амплитудная модуляция Амплитудная модуляция заставляет амплитуду высокочастотного колебания изменяться в зависимости от частоты звука. Амплитудная модуляция может быть достигнута следующим образом. В цепи сетки трубчатого демпфированного высокочастотного вибрационного генератора имеется источник электрических колебаний акустической частоты. Звуковые колебания возбуждают цепь микрофона М (рис. 27.11) электрические колебания, которые через трансформатор Tp передаются в цепь сетки электронно-лучевой трубки.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Поскольку вторичная обмотка этого трансформатора не допускает высокочастотных колебаний, параллельно ей подключается конденсатор С. Сс, через которые они легко проходят. В то же время низкочастотные колебания не замыкаются этим конденсатором, поскольку он обеспечивает для них высокое сопротивление. Еще одна батарея смещения включена в цепь решетки. Бстак, чтобы потенциал сетки оставался отрицательным по отношению к катоду все время.

Если звук не издается, устройство работает как осциллятор с постоянной амплитудой и незатухающей высокой частотой (Глава 27.3). Когда в цепи микрофона возникают электрические колебания (рис. 27.12, а), напряжение сети, изменяющееся с высокой частотой в ритме с колебаниями в цепи LaCАмплитуда тока в цепи непрерывно изменяется в соответствии с колебаниями звуковой частоты. Следовательно, анодный ток лампы и амплитуда колебаний тока в цепи непрерывно изменяются в соответствии с колебаниями звуковой частоты (рис. 27.12, б), т.е. происходит модуляция высокочастотных колебаний.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Модулированные высокочастотные колебания принимаются антенной радиоприемника, усиливаются и детектируются (рис. 27.12), в). В телефоне возникают колебания звуковой частоты (рис. 27.12, г), а мембрана телефона или динамика воспроизводит передаваемые звуковые колебания.

Идейные схемы радиотелефонной связи для передачи звука показаны на рис. 27.13 показаны основные узлы, из которых состоят передатчик и приемник. Первый блок в передатчике – это незатухающий осциллятор Гвторой – модулятор Мв котором колебания модулируются микрофоном MKтретий – усилитель высокой частоты UHF и четвертая – передающая антенна A1.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Первым приемным устройством является антенна А2второй блок – резонансный контур ПКи третий блок – усилитель высокой частоты UHFчетвертый блок – детектор Дв котором колебания выпрямляются, пятый блок – усилитель колебаний низкой (звуковой) частоты ОНЧ и, наконец, громкоговоритель Громкоговоритель – это ..

Следует отметить, что современные ламповые и полупроводниковые усилители позволяют многократно усиливать принимаемые колебания практически без искажений, что делает возможным прослушивание передач очень далеких радиостанций.

Конструкция элементарного лампового радиоприемника с усилителем низкой частоты

Схема простейшего лампового радиоприемника показана на рис. 27.14. Давайте посмотрим, как он работает.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Когда электромагнитные волны проходят через антенну, в ней возникают вынужденные колебания. Из-за индуктивной связи между катушками L1 и L2 эти колебания повторяются в цепи Вкоторый настраивается в резонанс с помощью конденсатора C1. Колебания в цепи В выпрямляются и передаются на сетку триода, вызывая быстрые колебания тока в анодной цепи в такт колебаниям в сетке. Повышенные колебания тока активируют мембрану телефонного аппарата TfУсиленные колебания тока действуют на мембрану телефона Tf, где они преобразуются из электрических колебаний в механические, т.е. возникает звук. Если звук в телефоне слишком слабый, усиление колебаний можно повторить еще раз. Для этого анодная цепь подключается к сетке и катоду второго триода вместо телефона, а телефон уже включается в его анодную цепь. В многоамперных приемниках высокочастотные колебания усиливаются перед обнаружением (рис. 27.13), что повышает чувствительность радиоприемника к передачам на большие расстояния.

Концепция радиолокации

Ультразвуковой локатор уже был описан. Аналогичное устройство имеется и для электромагнитных волн.

Отражение электромагнитных волн от корабля было обнаружено в 1897 году во время радиоэкспериментов Попова. Это явление лежит в основе радиолокация – обнаружение и определение местоположения в пространстве тел, отражающих электромагнитные волны.

Радарная система основана на генерации “электромагнитного эха”, поэтому система должна излучать электромагнитные волны и принимать их после отражения. Его излучение должно быть строго направленным. Представлено устройство для точного измерения времени между посылкой импульса излучения и его возвращением после отражения.

Поскольку направленное излучение тем легче получить, чем короче длина волны, для радиолокации используются короткие длины волн, например, сантиметры. Система радиолокации оснащена специальной антенной, имеющей форму рефлектора, в центре которой размещен коротковолновый передатчик (рис. 27.15). Эта же антенна используется для приема импульса излучения, отраженного от препятствия.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Радар имеет катодно-лучевую трубку, на которую посылаются и принимаются сигналы при отправке и приеме импульсов излучения. Изображение на экране показано на рис. 27.16. Время между отправкой и получением импульса можно определить, зная время прохождения электронного пучка по диаметру экрана трубки. Расстояние до препятствия можно получить, умножив скорость волны 3-10 8 м/с на половину времени между отправкой и приемом импульсов (почему половину?). Обычно на экране трубки непосредственно отображается расстояние до препятствия в определенных единицах шкалы, которое определяется положением отраженного импульса на экране.

Электромагнитные волны и колебания в физике

Радиолокация имеет широкий спектр практического применения: она используется в самолетах для определения высоты полета и для посадки в условиях плохой видимости, на кораблях для обнаружения препятствий и в астрономии для измерения расстояний до небесных тел.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Отправляйте заказы в любое время дня и ночи ➔.

Официальный сайт Брилёновой Натальи Валерьевны, преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещенные материалы принадлежат их владельцам. Любое коммерческое и/или иное использование, кроме предварительного, материалов студии natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещенных материалов не преследует коммерческой и/или любой другой выгоды.

Цель сайта – облегчить студентам очной и заочной форм обучения путь в вопросах, связанных с учебой. Наталья Брилёнова не предлагает и не предоставляет услуги или товары.

Читайте далее:

Сохранить статью?