Примеры практического использования радиосвязи. Электромагнитные волны и их свойства

05.11.2019 Железо

Министерство образования Республики Беларусь

Кафедра радиоэлектроники

Реферат на тему:

Список литературы

Общие схемы организации радиосвязи

Система передачи информации, в которой сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве, называется радиосистемой. Радиосистемы подразделяются на радиолинии и радиосети.

По способу организации радиолиний различают одностороннюю и двустороннюю радиосвязь. Радиосвязь, при которой одна из радиолиний осуществляет только передачу, а другая - только прием, называется односторонней. Односторонняя радиосвязь, при которой радиопередачу одной (основной) радиостанции могут принимать одновременно несколько корреспондентов, называется циркулярной. Примерами односторонней циркулярной передачи сообщений являются системы оповещения, службы передачи сообщений из пресс-центров редакциям газет, журналов и т.д. Сети телевизионного и звукового вещания также представляют собой типичные образцы циркулярного способа организации радиосвязи. При этом радиопередающая станция, среда распространения радиосигналов (открытое пространство) и каждое радиоприемное устройство, находящееся в зоне действия станции, образуют одностороннюю радиолинию, а совокупность таких радиолиний - сеть радиовещания.

Двусторонняя радиосвязь предполагает возможность передачи и приема информации каждой радиостанцией. Для этого нужны два комплекта оборудования односторонней связи, т.е. в каждом пункте надо иметь и передатчик и приемник. Двусторонняя связь может быть симплексной и дуплексной (рис. 1.1). При симплексной радиосвязи передача и прием на каждой радиостанции ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах линии связи в этом случае работают на одинаковой частоте, на ту же частоту настроены и приемники.При дуплексной радиосвязи радиопередача осуществляется одновременно с приемом. Для каждой дуплексной линии радиосвязи должны быть выделены две разные частоты. Это делается для того, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с противоположного пункта и не принимал сигналы собственного радиопередатчика. Радиопередатчики и радиоприемники обоих корреспондентов дуплексной радиосвязи включены в течение всего времени работы линии радиосвязи.

Симплексная связь используется, как правило, при наличии относительно небольших информационных потоков. Для систем передачи с большой информационной нагрузкой характерна дуплексная связь.

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом корреспондентов, то организуется радиосеть (рис. 1.2). В этом случае одна радиостанция, называемая главной, может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных корреспондентов. Ее радист-оператор контролирует режим работы в радиосети и непосредственно устанавливает очередность на передачу подчиненных станций. Последние при соответствующем разрешении могут обмениваться информацией не только с главной радиостанцией, но и между собой. Этот вариант организации радиосети может быть построен на основе как сложного симплекса (см. рис. 1.2, а), так и сложного дуплекса (см. рис. 1.2, б). В первом случае возможно использование радиостанций (радиопередатчиков), работающих на одной (общей) радиоволне (частоте). Во втором случае главная радиостанция ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радиостанций).

Любая радиолиния передачи информации (связная, звукового или телевизионного вещания) содержит на концах радиопередающие и радиоприемные устройства, снабженные антеннами. Передающая антенна излучает электрический сигнал передатчика в виде радио-волны. Приемная антенна улавливает радиоволну, и с ее выхода электрический сигнал поступает на вход приемника. Линии передачи электромагнитной энергии, соединяющие антенну с радиопередатчиком или с приемником, называются фидерами. Антенно-фидерные устройства - очень важные элементы линии радиосвязи. На практике очень часто применяются антенны, обладающие направленным действием. При передаче направленная антенна излучает энергию радиоволн в определенном направлении. Чем больше направленность антенны, тем при меньшей мощности передатчика возможна радиосвязь. Приемные направленные антенны увеличивают отношение сигнал-помеха на входе приемного устройства, что также позволяет уменьшить необходимую мощность радиопередатчика.

Успешная работа радиолиний зависит не только от конструктивных особенностей и качества изготовления радиоаппаратуры. При сооружении и эксплуатации радиолиний необходимо учитывать особенности распространения радиоволн на пути от передающей до приемной антенны. Эти особенности различны в зависимости от диапазона частот.

Радиоволны на радиолиниях распространяются в естественных условиях, а эти условия разнообразны и непостоянны. Прежде всего необходимо учитывать, что Земля круглая. На пути от передающей до приемной антенны радиоволны должны обогнуть выпуклость Земли.

Сами по себе электромагнитные колебания информации не несут. Для передачи информации необходимо на электромагнитные колебания наложить отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочастотные электромагнитные колебания лишь в роли переносчика сообщения, содержащего информацию. С этой целью нужно изменять один или несколько параметров несущего колебания (например, амплитуду, частоту, фазу и другие параметры) в соответствии с изменениями сообщения. Тогда получается высокочастотное колебание. О меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

Таким образом, всякое радиопередающее устройство должно состоять из генератора электрических колебаний, подключенного к передающей антенне, и модулятора, с помощью которого осуществляется модуляция.

В приемном пункте должно находиться устройство, преобразующее энергию электромагнитных волн в энергию электрических колебаний, т.е. приемная антенна. Антенна улавливает электромагнитные волны, излучаемые разными передатчиками, работающими на различных частотах. Чтобы принимать сигналы только одной станции, необходимо иметь избирательное устройство, способное выделить из колебаний различных частот только те колебания, которые передаются нужной радиостанцией. Для решения этой задачи используются электрические колебательные контуры, настраиваемые на частоту принимаемой радиостанции.

Выделенные с помощью колебательного контура высокочастотные колебания нужно подвергнуть обратному преобразованию, т.е. получить из них токи или напряжения, изменяющиеся в соответствии с законом модуляции электрических колебаний в радиопередатчике. Для решения этой задачи приемник должен иметь специальное устройство, которое называется детектором.

Наконец, выделенный сигнал нужно подать на некоторое оконечное устройство, которое запишет его или позволит человеку воспринимать его в виде звука или света (изображения).

Распространение радиоволн в земных условиях

Излучение радиоволн

Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее пространство. Излучение зарядом электромагнитной волны можно пояснить следующим образом. Рассмотрим два проводящих шара, находящихся на расстоянии L друг от друга (рис. 1.3) . Такая система называется электрическим диполем. После выключения генератора шары будут заряжаться и разряжаться. При этом по проводу L протекают токи зарядки и разрядки емкости, образованной шарами. Емкость шаров много больше емкости отрезков ab и cd провода L, поэтому током смещения между отрезками провода можно пренебречь. Можно считать, что ток проводимости, протекающий в проводе L, замыкается только через ток смещения, протекающий в пространстве между шарами. В этом случае амплитуда тока вдоль провода L остается постоянной. Такой электрический диполь называют диполем Герца.

На рис. 1.3 графически изображено распределение амплитуды тока вдоль провода диполя. На этом же рисунке показаны силовые линии электрического поля диполя для момента времени, когда шары заряжены. Линии тока смещения расположены в пространстве N так же, как и линии электрического поля. При работе генератора г переменный ток смещения вызывает появление переменного магнитного поля, силовые линии которого окружают линии тока смещения. В свою очередь переменное магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызывает в окружающем пространстве появление переменного электрического поля и соответствующего тока смещения и т.д. Рассмотренный процесс распространяется в окружающей среде самоподдерживаясь. Если, например, выключить генератор, питающий диполь, то в окружающей среде продолжает распространяться возникшая электромагнитная волна - ток смещения вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает переменное электрическое поле и ток смещения в соседних областях пространства. Если генератор, возбуждающий диполь, генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону U= L/msincof, то и электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону с

той же частотой.

Строение атмосферы Земли

В земных условиях радиоволны распространяются в атмосфере. Атмосферу разделяют по высоте на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Нижняя область - тропосфера простирается до высоты 7... 10 км в полярных районах и до 16... 18 км над экватором. Тропосфера переходит в стратосферу, верхняя граница которой находится на высоте около 50...60 км. Стратосфера отличается от тропосферы почти полным отсутствием водяного пара, осадки образуются только в тропосфере. Тропосфера и стратосфера влияют только на распространение УКВ.

Билет № 20

Электромагнитные волны и

их свойства. Принципы радиосвязи и

примеры их практического

использования

План ответа

1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирование.

Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн:

угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах гасят. (Когерентные волны это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 32).

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 33, а). Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода антенны.

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Передача и приём информации посредством электромагнитных волн называется радиосвязью. Линии радиосвязи используют, например, для осуществления радиотелефонной связи, передачи телеграмм, факсимиле (факсов), радиовещательных и телевизионных программ.

Радиосвязь представляет собой довольно сложный процесс. Поэтому рассмотрим лишь наиболее общие принципы одного из её видов - радиотелефонной связи, т. е. передачи звуковой информации, например речи и музыки, с помощью электромагнитных волн. Для получения целостного представления об этом процессе обратимся к блок-схеме, представленной на рисунке 139.

Рис. 139. Блок-схема процесса радиосвязи

На рисунке 139, а изображено передающее устройство, состоящее из генератора высокочастотных колебаний, микрофона, модулирующего устройства и передающей антенны.

В микрофон поступают звуковые колебания (речь, музыка и т. д.). Они преобразуются микрофоном в электрические колебания такой же формы, какую имеют звуковые. Из микрофона низкочастотные электрические колебания поступают в модулирующее устройство. Туда же из генератора подаются высокочастотные колебания постоянной амплитуды.

В модулирующем устройстве амплитуду высокочастотных колебаний изменяют (модулируют) с помощью электрических колебаний звуковой частоты. В результате амплитуда становится переменной, причём меняется она точно так же, как и поступающие из микрофона электрические колебания. Такие высокочастотные модулированные по амплитуде колебания несут в себе информацию о форме звукового сигнала. Поэтому частота высокочастотных колебаний называется несущей.

Процесс изменения амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала, называется амплитудной модуляцией.

Под воздействием высокочастотных модулированных колебаний в передающей антенне возникает переменный ток высокой частоты. Этот ток порождает в пространстве вокруг антенны электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн и достигает антенн радиоприёмных устройств.

Вы уже знаете о том, что мощность электромагнитной волны пропорциональна четвёртой степени её частоты: Р ~ v 4 .

Электромагнитные волны звуковых, т. е. низких, частот (от 16 до 20 000 Гц) имеют малую мощность и после излучения очень быстро затухают. Этим и вызвана необходимость использования модулированных радиоволн, которые благодаря высокой несущей частоте распространяются на большие расстояния и при этом содержат информацию о форме передаваемых звуковых колебаний.

Как видно из рисунка 139, б, радиоприёмное устройство состоит из приёмной антенны, приёмного резонирующего колебательного контура и детектора - элемента, пропускающего переменный ток только в одном направлении.

В приёмную антенну поступают волны от множества радиостанций. Но каждая радиостанция осуществляет вещание только на строго определённой, отведённой ей несущей частоте.

Настраивая свой радиоприёмник на частоту нужной радиостанции, вы меняете собственную частоту имеющегося в приёмнике колебательного контура так, чтобы она была равна несущей частоте данной радиостанции, т. е. чтобы контур был настроен в резонанс с колебаниями, генерируемыми на данной радиостанции. При этом амплитуда колебаний выбранной радиостанции в контуре вашего приёмника будет максимальной по сравнению с амплитудами колебаний, поступивших от радиостанций, вещающих на других несущих частотах. В этом заключается второе назначение несущей частоты - она обеспечивает возможность настройки на частоту нужной радиостанции.

Александр Степанович Попов (1859-1906)
Русский физик, электротехник, изобретатель радио. Сконструировал генератор электромагнитных колебаний. Изобрёл приёмную антенну, построил первый в мире радиоприёмник

Принятые колебания сначала усиливают. Затем для преобразования высокочастотных модулированных колебаний в звуковые производят детектирование, т. е. процесс, обратный модуляции. Детектирование проводится в два этапа: сначала с помощью детектора (представляющего собой элемент с односторонней проводимостью) из высокочастотных модулированных колебаний получают высокочастотный пульсирующий ток (рис. 140, а), а затем в динамике этот ток сглаживается и преобразуется в колебания звуковых частот (рис. 140, б). На возможность использования электромагнитных волн для передачи радиосигналов 1 впервые указал в 1889 г. Александр Степанович Попов. В 1896 г. при помощи сконструированных им передатчика и приёмника радиосигналов передал первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов «Генрих Герц».

Рис. 140. Графики высокочастотных модулированных колебаний и звуковых колебаний

При передаче телевизионных программ высокочастотные колебания модулируются не только звуковым, но и видеосигналом. Это осуществляется с помощью телевизионной передающей трубки, которая преобразует оптическое изображение в электромагнитные колебания. Модулированные таким образом высокочастотные колебания заключают в себе информацию и о звуке, и об изображении.

В телевидении используются более высокие (порядка миллиардов герц) несущие частоты.

Вопросы

Что называется радиосвязью?
Приведите 2-3 примера использования линий радиосвязи.
Используя рисунки 139 и 140, расскажите о принципах осуществления радиотелефонной связи.
Частота каких колебаний называется несущей?
В чём заключается процесс амплитудной модуляции электрических колебаний?
Почему в радиосвязи не используются электромагнитные волны звуковых частот?
В чём заключается процесс детектирования колебаний?

Упражнение 43

Период колебаний зарядов в антенне, излучающей радиоволны, равен 10 -7 с. Определите частоту этих радиоволн.

1 Радиосигналы - электромагнитные волны, излучаемые в течение коротких промежутков времени в диапазоне частот от 104 до 1010 кГц.

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. знаменитый русский физик Александр Степанович Попов (1859-1906). Этот день считается днем рождения радио.

Приемник А. С. Попова состоял из антенны 1, когерера 2, электромагнитного реле 3, электрического звонка 4 и источника постоянного тока 5 (рис. 245). Электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения в антенне. Переменное напряжение с антенны подавалось на два электрода, которые были расположены в стеклянной трубке, заполненной металлическими опилками. Эта трубка и есть когерер. Последовательно с когерером включались электромагнитное реле и источник постоянного тока.

Из-за плохих контактов между опилками сопротивление когерера обычно велико, поэтому электрический ток в цепи мал и реле цепь звонка не замыкает. Под действием переменного напряжения высокой частоты в когерере возникают электрические разряды между отдельными опилками, частицы опилок спекаются и его сопротивление уменьшается в 100-200 раз. Сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает, и реле включает электрический звонок. Так регистрируется прием электромагнитной волны антенной.

Удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки и возвращал его в исходное состояние, приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн.

Открытый колебательный контур.

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные колебания возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным в пространстве между пластинами конденсатора (рис. 246, а). Такой контур называется закрытым. Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство.

Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины,

тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 246, б).

Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 246, в). Изображение пластин конденсатора на концах катушки открытого колебательного контура на рисунке 246 является лишь условностью. В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли.

Катушка антенны имеет индуктивную связь с катушкой колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле. Со скоростью электромагнитые волны распространяются от антенны.

Энергия излучаемых электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность излучения электромагнитных волн ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен тысяч мегагерц.

Амплитудная модуляция.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяются различные виды модуляции гармонических колебаний высокой частоты.

Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебаний высокой частоты

(рис. 247, а) в электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора (рис. 248). На вторую катушку трансформатора подается переменное напряжение звуковой частоты, например, с выхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во второй катушке трансформатора вызывает появление переменного напряжения на концах первой катушки трансформатора. Переменное напряжение звуковой частоты (рис. 247, б) складывается с постоянным напряжением источника тока; изменения напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводят к изменениям со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора (рис. 247, в). Такие колебания высокой частоты называются амплитудно-модулированными.

С колебательным контуром генератора индуктивно связана антенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой

частоты, происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.

Радиоприемник.

Электромагнитные волны, излученные антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике. Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электрического тока, пропорционально длине проводника. Поэтому для приема электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприемнике применяется длинный провод - приемная антенна 1 (рис. 249). Вынужденные колебания в антенне возбуждаются электромагнитными волнами от всех радиостанций. Для того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур 2 с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в контуре приемника производится обычно изменением электроемкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой колебаний контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом из большого числа электромагнитных колебаний, возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужной частоты.

С колебательного контура приемника модулированные колебания

высокой частоты поступают на детектор 3. В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлении. После прохождения детектора сила тока в цепи изменяется во времени по закону, представленному на рисунке 250, а. В течение каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор 4, вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор 5. Если значения электроемкости конденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, то через резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковой частотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике (рис. 250, б). Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подается на телефон 6.

Детекторный радиоприемник весьма несовершенен. Он обладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи только от мощных радиостанций или от близко расположенных радиопередатчиков.

Для повышения чувствительности в современных радиоприемниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрические колебания поступают на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала на выходе радиоприемника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектора поступают на вход усилителя низкой частоты (УНЧ).

Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подается на обмотку электродинамического громкоговорителя - динамика. Динамик преобразует энергию переменного тока звуковой частоты в энергию звуковых колебаний.

Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.

Схема устройства простейшего радиоприемника с усилителями высокой и низкой частот представлена на рисунке 251.

Для настройки на прием только одной станции в современных радиоприемниках используются довольно сложные электронные схемы, включающие в себя генераторы электромагнитных колебаний. Сложение электрических колебаний от внутреннего генератора приемника с колебаниями, возбужденными в контуре приемника электромагнитными волнами от передающих радиостанций, позволяет настраивать приемник на очень узкий диапазон принимаемых частот. Внутренний генератор в приемнике называется гетеродином, а приемник с таким генератором называется еупергетеродинным радиоприемником.

Телевидение.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображений предмета. Принцип передачи движущихся черно-белых и цветных изображений с

помощью телевизионных передатчиков и приемников заключается в следующем.

Для передачи одного кадра телевизионного изображения с помощью объектива в телевизионной камере получается изображение предмета на экране специального электровакуумного прибора - передающей трубки (рис. 252). Под действием света участки экрана приобретают положительные заряды. На экран внутри передающей трубки направляется электронный луч, перемещающийся периодически слева направо по 625 горизонтальным линиям - строкам. Во время пробегания луча вдоль строки происходит нейтрализация электрических зарядов на отдельных участках экрана и в электрической цепи, соединяющей электронную пушку и экран; протекает импульс тока. Изменения силы тока в импульсе соответствуют

изменениям освещенности экрана на пути электронного луча.

Высокочастотные электромагнитные колебания в телевизионном передатчике модулируются сигналом импульса, полученного на выходе передающей трубки, и подаются на антенну передатчика. Антенна излучает электромагнитные волны.

В телевизионном приемнике - телевизоре - имеется электровакуумная трубка, называемая кинескопом. В кинескопе электронная пушка создает электронный луч. Электроны под действием электрического поля движутся внутри трубки к экрану, покрытому кристаллами, способными светиться под ударами быстро движущихся электронов. На пути к экрану электроны пролетают через магнитные поля двух пар катушек, расположенных снаружи трубки.

Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного луча по горизонтали, второй - по вертикали. Периодические изменения силы тока в катушках вызывают изменения магнитных полей, в результате которых электронный луч за секунды 625 раз пробегает по экрану слева направо и один раз - сверху вниз (рис. 253).

Во время движения луча вдоль первой строки силой тока в электронном луче управляет сигнал, принятый приемником от передатчика во время движения луча в передающей трубке по первой строке; при движении луча по второй строке силой тока в луче управляет сигнал от второй строки и т. д. В результате за с луч «рисует» такое же изображение на экране телевизора, какое построено объективом на экране передающей трубки. Кадры сменяют друг друга с частотой 25 кадров в секунду, последовательность сменяющих друг друга с высокой частотой кадров воспринимается глазом человека как непрерывное движение.

Телевизионные передачи ведутся в диапазоне от 50 МГц до 230 МГц. В этом диапазоне электромагнитные волны распространяются почти только в пределах прямой видимости. Поэтому для обеспечения передачи телевизионных сигналов на далекие расстояния строят высокие антенны. Передающие антенны студий Центрального телевидения СССР установлены на вершине Останкинской башни высотой Такая высота обеспечивает прием телевизионных передач на расстояниях до 120 км от Москвы.

Передача телевизионных сигналов в любую точку нашей страны осуществляется с помощью ретрансляционных искусственных спутников Земли в системе «Орбита».

Передача и прием цветных изображений требуют применения более сложных телевизионных систем. Вместо одной передающей трубки требуется применять три трубки, передающие сигналы трех одноцветных изображений- красного, синего и зеленого цветов.

В отличие от черно-белого телевизора экран кинескопа цветного телевизора покрыт кристаллами люминофоров трех сортов. Одни кристаллы при попадании на них алекзронного луча светятся красным светом, другие - синим, третьи - зеленым. Эта кристаллы расположены на в кране в строгом порядке. Сигналы поступают от телевизионного передатчика к трем электронно-лучевым пушкам.

На экране цветного телевизора три луча создают одновременно три изображения красного, зеленого и синего цветов. Наложение этих изображений, состоящих из маленьких светящихся точек, воспринимается глазом человека как многоцветное изображение со всеми оттенками цветов. Одновременное свечение кристаллов в одном месте синим, красным и зеленым светом воспринимается глазом как белый цвет; поэтому на экране цветного телевизора можно получать и черно-белые изображения.

Распространение радиоволн.

Радиосвязь осуществляется на длинных средних коротких и ультракоротких волнах. Радиоволны с различными длинами волн по-разному распространяются у поверхности Земли.

Длинные волны за счет дифракции распространяются далеко за пределы видимого горизонта; радиопередачи на длинных волнах можно принимать на больших расстояниях за пределами прямой видимости антенны.

Средние волны испытывают меньшую дифракцию у поверхности Земли и распространяются за счет дифракции на меньшие расстояния за пределы прямой видимости. Короткие волны еще менее способны к дифракции у поверхности Земли, но их можно принять в любой точке на поверхности Земли. Распространение коротких радиоволн на большие расстояния от передающей радиостанции объясняется их способностью отражаться от ионосферы.

Ионосферой называется верхняя часть атмосферы, начинающаяся с расстояния примерно 50 км от поверхности Земли и

переходящая в межпланетную плазму на расстояниях 70-80 тыс. км. Особенностью ионосферы является высокая концентрация в ней свободных заряженных частиц - ионов и электронов. Ионизация верхних слоев атмосферы создается ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца. Максимальные значения количества свободных электронов в ионосфере электронов в кубическом сантиметре - достигаются на высотах 250- 400 км от поверхности Земли.

Проводящий слой земной атмосферы - ионосфера - способен поглощать и отражать электромагнитные волны. От ионосферы хорошо отражаются длинные радиоволны. Это явление наряду с дифракцией увеличивает дальность распространения длинных волн. Хорошо отражаются ионосферой и короткие радиоволны. Многократные отражения коротких радиоволн от ионосферы и земной поверхности делают возможной радиосвязь на коротких волнах между любыми точками на Земле (рис. 254).

Ультракороткие волны (УКВ) не отражаются ионосферой и не огибают поверхность Земли в результате дифракции (рис. 255). Поэтому связь на УКВ

осуществляется только в пределах прямой видимости антенны передатчика.

Радиолокация.

Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играют радиолокационные средства связи. В основе радиолокации лежит свойство отражения радиоволн от проводящих тел.

Если радиопередатчик включить на очень короткое время и выключить, то можно через некоторое время с помощью радиоприемника зарегистрировать возвращение радиоволн, отраженных от проводящих тел вдали от радиостанции.

Измерив с помощью электронной аппаратуры длительность промежутка времени между моментами времени отправления и возвращения электромагнитных волн, можно определить путь, пройденный радиоволнами: где с - скорость электромагнитной волны. Так как волны прошли путь до тела и обратно, расстояние до тела, отражавшего радиоволны, равно половине этого пути:

Чтобы определить не только расстояние до тела, во и его положение в пространстве, необходимо посылать радиоволны узконаправленным пучком. Узкий пучок радиоволн создается с помощью антенны, имеющей форму, близкую к сферической. Для того чтобы антенна радиолокатора могла создать узконаправленный пучок радиоволн, в радиолокации используются ультракороткие волны

Для определения, например, местонахождения самолета антенну радиолокатора направляют на самолет и на очень короткое время включают генератор электромагнитных волн. Электромагнитные волны отражаются от самолета и возвращаются к радиолокатору. Отраженный радиосигнал улавливает та же антенна, отключенная от передатчика и подключенная к приемнику (рис. 256). По углам поворота антенны радиолокатора определяется направление на самолет. Радиолокатор, установленный на самолете, позволяет по времени прохождения радиоволн до поверхности Земли и обратно измерять высоту, на которой находится самолет.

Вода и суша, сухая и влажная почва, городские строения и транспортные коммуникации по-разному отражают радиоволны. Это позволяет с помощью радиолокационных приборов на самолете не только измерять расстояние до

поверхности Земли, но и получать своеобразную радиолокационную карту местности, над которой летит самолет. Эту карту пилот самолета получает днем и ночью, в ясную погоду и при сплошной облачности, так как облака не являются преградой для электромагнитных волн.

Радиолокационными методами выполнены наиболее точные измерения расстояний от Земли до Луиы и до планет Меркурий, Венера, Марс и Юпитер.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 42). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит

При изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны - это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция - это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах - гасят. (Когерентные волны - это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 44, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 44, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс - детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предметов. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Электромагнитная волна – это меняющееся с течением времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн :

1.Возникают при ускоренном движении зарядов.

2.Являются поперечными.

3.Имеют скорость в вакууме 3٠ 10 8 м/с.

4.Переносят энергию

5.Проникающая способность и энергия зависит от частоты.

6.Отражаются.

7.Обладают интерференцией и дифракцией.

Свойство отражения электромагнитных волн используется в радиолокации.

Радиолокация – это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка (радиолокатор) состоит из передающей и приёмной частей.

От передающей антенны идёт электромагнитная волна, доходит до объекта и отражается.

Радиолокаторы используют в военных целях, а также службой погоды для наблюдения за облаками. С помощью радиолокации исследуются поверхности Луны, Венеры и других планет.

Билет №13

Механическая работа. Мощность. Энергия; кинетическая энергия; потенциальная энергия тела в однородном поле тяготения и энергия упруго деформированного тела; закон сохранения энергии; закон сохранения энергии в механических процессах; границы применимости закона сохранения механической энергии, работа как мера изменения механической энергии тела.
Принципы радиосвязи: излучение электромагнитных волн зарядом, движущимся с ускорением; амплитудная модуляция; детектирование; развитие средств связи; радиолокация.
Задача на применение уравнения состояния идеального газа.

Вопрос 1. Механическая работа. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии механических процессов.

Работа – это величина, равная произведению силы, приложенной к телу на величину перемещения.

А= F*s , где А – работа, Дж

F – сила, Н

s - перемещение, м

Механическая энергия – эта сумма потенциальной и кинетической энергии тела: W=W кин *W п

W кин - кинетическая энергия – это энергия движения. Этой энергией обладает любое тело, которое находится в движении: , где m - масса тела (кг),V - скорость (м/с 2)

W п - потенциальная энергия (Дж) – это энергия взаимодействия, зависит от массы тела (m ) и его высотой над землей (h ):

Если тело или система тел могут совершить работу, то они обладают энергией.

Энергия – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

Энергия обозначается буквой Е, измеряется в Джоулях (Дж).

Механическая энергия бывает двух видов: кинетическая и потенциальная.

Кинетической энергией называется величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Кинетическая энергия – это энергия движения. Например, кинетической энергией обладает двигающаяся машина, летящий воздушный шарик и т.д.

Потенциальная энергия определяется положением тела по отношению к другим телам или взаимным расположением частей одного и того же тела.

Величину, равную произведению массы тела на ускорение свободного падения и на высоту тела над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли .

Величину, равную половине произведения коэффициента упругости на квадрат деформации, называют потенциальной энергией упруго деформированного тела .

Например, потенциальной энергией обладает подброшенный на высоту мяч или сжатая пружина.

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения энергии: полная механическая энергия тела или замкнутой системы тел остаётся постоянной (если не действуют силы трения).

Вопрос 2. Принципы радиотелефонной связи. Амплитудная модуляция и детектирование. Простейший радиоприёмник.

Для осуществления радиосвязи используются электромагнитные волны частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен тысяч мегагерц. Такие волны хорошо излучаются антеннами передатчиков, распространяются в пространстве и доходят до антенны приёмника.

Микрофон передатчика преобразует звуковые волны в электрические колебания низкой частоты, которые не излучаются антенной. Эти колебания складываются с колебаниями, которые вырабатывает генератор высокой частоты, и получаются амплитудно-модулированные колебания . Они являются высокочастотными, но изменёнными по амплитуде в соответствии со звуковыми колебаниями.

Амплитудно-модулированные колебания излучаются передающей антенной и доходят до приёмной антенны . В приёмнике происходит детектирование – выделение из высокочастотных модулированных колебаний сигнала звуковой частоты.

Простейший приёмник состоит из приёмной антенны, колебательного контура, детектора, конденсатора, усилителя и динамика.

В антенне приёмника возникают колебания той же частоты, на которой работает передатчик. Чтобы настроить радиоприёмник на частоту какой-нибудь радиостанции обычно используют конденсатор переменной ёмкости . С изменением его ёмкости меняется собственная частота контура приёмника. При совпадении этой частоты с частотой какой-нибудь радиостанции наступает резонанс – резкое увеличение силы тока.

Затем с колебательного контура модулированные колебания поступают на детектор , который пропускает ток только в одном направлении. После детектора ток становится пульсирующий. Импульсы тока делятся: часть заряжает конденсатор, другая часть идёт на динамик. В промежутке между импульсами, когда через детектор ток не идет, конденсатор разряжается через динамик. В результате этого через нагрузку течёт ток звуковой частоты, и из динамика слышны музыка или речь.

Шкала электромагнитных излучений. Применение электромагнитных излучений на практике.

Шкала электромагнитных волн простираются от длинных радиоволн (λ>1 км) до γ-лучей (λ<10 -10 м) . Электромагнитные волны различной длины условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации, характеру взаимодействия с веществом).

Принято выделять следующие семь излучений: низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма- излучение.

Низкочастотное излучение имеет самую маленькую частоту и самую большую длину волны. Его источники: переменные токи и электрические машины. Это излучение слабо поглощается воздухом, намагничивает железо. Применяется для изготовления постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.

Радиоволны находятся в интервале частот от 10 3 до 10 11 Гц. Они излучаются антеннами передатчиков и также лазерами. Радиоволны хорошо распространяются в воздухе, отражаются от металлических предметов, облаков. Радиоволны используются для радиосвязи и радиолокации.

Инфракрасное излучение имеет ещё большую частоту, чем радиоволны (до 10 14 Гц) и излучается всеми нагретыми телами. Оно хорошо проходит через туман и другие непрозрачные тела, действует на термоэлементы. Применяется для плавки, сушки, в приборах ночного видения, в медицине.

Видимый свет имеет частоту порядка 10 14 Гц, длину волны 10 7 м. Это единственное видимое излучение. Источники: Солнце, лампы. Свет делает видимыми окружающие предметы, разлагается на лучи разного цвета, вызывает фотоэффект и фотосинтез.

Используется для освещения.

Ультрафиолетовое излучение имеет частоту от 10 14 до 10 17 Гц. Его источники: Солнце, кварцевые лампы. Это излучение вызывает фотохимические реакции, на коже образуется загар, убивает бактерии, поглощается озоном. Применяется в медицине, в газоразрядных лампах.

Рентгеновские лучи образуются в рентгеновской трубке при резком торможении электронов. Они обладают большой проникающей способностью, активно воздействуют на клетки, фотоэмульсию. Применяются в медицине, в рентгенографии.

Гамма-лучи (γ-лучи) имеют самую большую частоту (10 19 -10 29 Гц). Они образуются при радиоактивном распаде, при ядерных реакциях. Имеют наибольшую проникающую способность, не отклоняются полями, разрушают живые клетки. Применяются в медицине, военном деле.

Билет №14

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул.
Свет как электромагнитная волна. Скорость света. Интерференция света, опыт Юнга; цвета тонких пленок.
Экспериментальное задание: «Измерение плотности вещества твердого тела».

Вопрос 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как мельчайших частиц вещества.

В основе МКТ лежат три основных положения:

1.Все вещества состоят из мельчайших частиц: атомов и молекул.

2.Эти частицы беспорядочно двигаются.

3.Частицы взаимодействуют друг с другом.

Основные положения МКТ подтверждаются опытными фактами.

Существование атомов и молекул доказано экспериментально, получены фотографии с помощью электронных микроскопов.

Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь объём объясняется непрерывном хаотичным движением молекул. Также его объясняет диффузия и броуновское движение.

Упругость газов, твёрдых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твёрдые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твёрдыми телами говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами.

Массы и размеры молекул очень малы, и удобно использовать не абсолютные значения масс, а относительные. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева (в сравнении с массой атома углерода).

Количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода, называется одним молем .

В одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул. Это число называется постоянной Авогадро: .

Массу одного моля называют молярной массой : .

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе: .