Электромагнитная волна. Принцип радиосвязи и телевидения
Электромагнитная волна
Электромагнитная волна во многом схожа с механической волной, но есть и различия. Основное отличие состоит в том, что для распространения этой волны не нужна среда. Электромагнитная волна - результат распространения переменного электрического поля и переменного магнитного полей в пространстве, т.е. электромагнитного поля.
Электромагнитное поле создается ускоренно движущимися заряженными частицами. Его наличие относительно. Это особый вид материи, является совокупностью переменных электрического и магнитного полей.
Электромагнитная волна - распространение электромагнитного поля в пространстве.
Источником электромагнитной волны, таким образом, является движущейся с ускорением электрический заряд. Заряд движется подобно телу, подвешенному на пружине, но только колебания его происходят со значительно большой частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих колебаний будет равен периоду колебаний заряда.
Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а оно в свою очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда.
В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области возникает система взаимно-перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей.
Рассмотрим график распространения электромагнитной волны
Свойства электромагнитных волн
1) Электромагнитная волна поперечна, то есть колебания электрической и магнитной составляющей перпендикулярны скорости распространения волны.
2) Электромагнитная волна симфазна, то есть максимум векторов В и H, и минимум достигаются в одно и тоже время.
3) Скорость распространения электромагнитной волны в различных средах зависит от характеристик среды, ε, μ – диэлектрической и магнитной проницаемости.
ε0 = 8,85*10-12 Ф/м
μ0 = 12,6*10-7 Гн/м
4) Распространение электромагнитной волны связано с переносом энергии
5) Электромагнитная волна характеризуется интенсивностью. Интенсивность прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля
I ~ Е2
На органы чувств воздействуют только электрические компоненты электромагнитной волны. В связи ст этим в последнем соотношение отсутсвует магнитная составляющая.
6) Электромагнитные волны преломляются (изменяют сове направление на границе с диэлектриком)
7) Электромагнитные волны отражаются под углом, равным углу падения. Практически полностью отражаются от металлов
8) Интерференция, дифракция волн
Излучение электромагнитных волн
Электромагнитная волна излучается колеблющимся зарядом. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, то есть они движутся с ускорением.
Наличие ускорения у движущихся зарядов – главное условие излучения ими электромагнитных волн.
Электромагнитные волны излучаются не только при колебаниях заряда, но и при достаточно быстром изменение скорости его движения.
Интенсивность тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд
Характеристики электромагнитной волны.
Период Т – время, за которое вектор напряженности электрического поля Е и вектор индукции магнитного поля В совершают одно полное колебание.
Длина волны λ – это расстояние, которое проходит волна со скоростью v за время равное периоду.
λ = vT
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости распространения света (это послужило основанием для создания Максвеллом электромагнитной теории света). Учитывая, что абсолютный показатель преломления среды равен n = c/v, можно установить связь между η, ε, μ:
Шкала электромагнитных волн
Принцип радиосвязи
Для радиосвязи нужны два отдельных прибора: передатчик и приёмник электромагнитных волн.
Принцип радиосвязи заключается в следующем.
Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется виде электромагнитной волны.
Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы.
Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных колебаний.
Однако такой способ не осуществим.
Дело в том, что частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность. Для осуществления радиосвязи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или как говорят модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты.
Принципиальная схема радиотелефонной связи показана на рисунке ниже.
Во-первых, передатчик содержит высокочастотный генератор для обеспечения нужной мощности излучения. Именно он формирует так называемую несущую частоту, на которую настраивается приёмник.
Во-вторых, передатчик содержит модулятор – устройство, изменяющее амплитуду или частоту несущей волны «в такт» с передаваемым голосом или музыкой.
В-третьих, передатчик имеет передающую антенну.
Наиболее проста для понимания амплитудная модуляция. Высокочастотные колебания, созданные генератором, сначала имеют постоянную амплитуду (см. на рисунке слева). Модулятор меняет амплитуду несущей частоты «по форме» низкочастотного сигнала, поступающего от микрофона. Модулированный сигнал достигает приёмной антенны в виде волн с меняющейся амплитудой (см. на рисунке в центре).
Обратный процесс называется демодуляцией. Приёмная антенна улавливает волны сразу от множества передатчиков, работающих на разных частотах. Поэтому нужно отделить сигнал только от определённого передатчика, работающего на выбираемой нами несущей частоте. Для этого служит приёмный настроечный контур. Выделенный им сигнал «нашего» передатчика направляется в демодулятор – устройство, отделяющее полезный для слушателя низкочастотный сигнал от несущих колебаний. Именно этот сигнал и поступает в наушники или громкоговорители.
Пример решения задач
Задача 1. Колебательный контур имеет емкость 2.6·10-12Ф и индуктивность 0,012 мГн. Какой длины электромагнитные волны в вакууме создает этот контур, когда в нем происходят колебания с соответствующей частотой?
Задача 2. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 300м за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 2000 Гц?
Задачи:
1. Колебательный контур создает в воздухе электромагнитные волны длиной 150 м. Какая емкость включена в контур, если индуктивность контура 0,25мГн? Активным сопротивлением контура можно пренебречь.
2. На каком расстоянии от антенны радиолокатора находится объект, если отраженный от него радиосигнал возвратился обратно через 200 мкс?
3. Радиостанция ведет передачу на частоте 75 МГц (УКВ). Найти длину волны
4. Колебательный контур радиоприемника имеет индуктивность 0,32мГн и конденсатор переменной емкости. Радиоприемник может принимать электромагнитные волны длиной 0т 188 до 545м. В каких пределах изменяется электроемкость конденсатора в приемнике?
5. На какой диапазон длин волн рассчитан приемник, если индуктивность приемного контура 1,5мГн, а емкость может изменяться от 75 до 650 пФ?
6. Катушка приемного контура радиоприемника имеет индуктивность 1мкГн. Какова емкость конденсатора, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000м?
Домашнее задание:
Задачи:
1. Каков период колебаний в открытом колебательном контуре, излучающем радиоволны с длиной волны 300 м?
2. В радиоприемнике один из коротковолновых диапазонов может принимать передачи, длина волны которых 24—26 м. Найти частотный диапазон.
3. Катушка приемного контура радиоприемника имеет индуктивность 1 мкГн. Какова емкость конденсатора, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 м?
4. В каком диапазоне длин волн работает приемник, если емкость конденсатора в его колебательном контуре можно плавно изменять от 200 до 1800 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна 60 мкГн?
Контрольные вопросы:
1. Что является источником электромагнитной волны
2. Перечислите свойства электромагнитной волны?
3. Что такое волна, в частности механическая волна?
4. Какие величины характеризуют электромагнитную волну?
5. Какая математическая связь между длиной волны и периодом колебаний?
6. Объясните принцип радиотелефонной передачи сигнала
7. Что называется модуляцией, демодуляцией?
8. Как должна двигаться частица, чтобы она излучала электромагнитные волны?