Как найти период волны электромагнитного излучения

Физика, 11 класс

Урок 10. Электромагнитные волны

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Основные положения электромагнитной теории Максвелла и опытное доказательство Герцем существования электромагнитных волн.
2. Электромагнитная волна и её характеристики, вихревое поле, шкала электромагнитных волн.

Глоссарий по теме

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22

Основное содержание урока

Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».

Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.

Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?

Когда мы слышим слово “волна”, что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.

Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:

Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота – обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:

Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.

Длина волны – это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,

Скорость – υ, м/с

Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости – волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека – с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.

Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.

Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.

Генрих Герц

(1857–1894)

Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:

υ = λ·ν

Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор

Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.

Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:

Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.

Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов  и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:

Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:

Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн:

Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;

Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;

Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;

Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;

Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность – плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.

Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).

Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 10¹³ м (низкочастотные колебания) до 10^-10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.

Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.

Итак, свойства электромагнитных волн:

1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.

3. Векторы  и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

4.Электромагнитная волна является поперечной.

Разбор тренировочного задания

1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.

Дано: 𝛌=200 м с=3·108 м/с 𝞶 -?

Решение: Частоту выражаем через длину волны и скорость.

Ответ:

2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?

Дано: 𝛌= 1000 м с=3·108 м/с L- ?

Решение: Формула Томсона для периода колебаний: Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:

Ответ:

Содержание:

Электромагнитные волны и их свойства:

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. английский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся во времени.

В свою очередь, магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Силовые линии этого поля замкнуты и охватывают линии индукции магнитного поля, и

напряженность электрического поля 

Таким образом, в вакууме возникает система изменяющихся и взаимно порождающих друг друга электрических и магнитных полей, охватывающих все большие и большие области пространства (рис. 44).

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют переменным электромагнитным полем. Согласно теории Максвелла электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Рассмотрим подробнее процесс образования электромагнитного поля в пространстве, окружающем проводник.

Пусть в проводнике возбуждены электромагнитные колебания, в результате чего сила электрического тока в нем непрерывно меняется. Поскольку сила тока связана со скоростью движения свободных зарядов в проводнике, то скорость движения последних также будет непрерывно изменяться с течением времени. Это говорит о том, что свободные заряды внутри проводника будут двигаться с ускорением.

Согласно теории Максвелла при ускоренном движении свободных зарядов в проводнике в пространстве вокруг него создается переменное магнитное поле, которое порождает переменное вихревое электрическое поле. Последнее, в свою очередь, вновь вызывает появление переменного магнитного поля уже на 

большем расстоянии от заряда и т. д. Таким образом, в пространстве вокруг проводника образуются взаимосвязанные электрические и магнитные поля, которые распространяются с течением времени в виде волны.

Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с конечной скоростью, называется электромагнитной волной (рис. 45).

Электромагнитные волны являются поперечными. В них направления колебаний векторов напряженности  электрического поля и индукции  магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (см. рис. 45).

Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

# Частота электромагнитных волн совпадает с частотой колебаний излучающих частиц. Максимальное значение ускорения при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты колебаний: Так как излучают только ускоренно движущиеся заряды, то модуль напряженности электрического поля так же, как и модуль индукции магнитного поля, пропорционален модулю ускорения:  значит,  Тогда интенсивность излучения электромагнитной волны пропорциональна четвертой степени частоты  Следовательно, для получения интенсивных электромагнитных волн в их источнике необходимо создать колебания достаточно высокой частоты.

Одним из важнейших результатов теории Максвелла было теоретическое определение модуля скорости распространения электромагнитных волн (света). Согласно этой теории модуль скорости распространения  электромагнитной волны в вакууме связан с электрической постоянной  и магнитной постоянной  следующим соотношением:

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе скорость их распространения меньше с и зависит от его электрических и магнитных свойств.

Совпадение скорости электромагнитных волн со скоростью света дало возможность Джеймсу Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Благодаря этому произошло объединение в одно учение оптики и электромагнетизма.

Электромагнитные волны были экспериментально открыты немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. Для их генерации он использовал специальное устройство (рис. 46, а), впоследствии названное вибратором Герца.

Герц исследовал излучаемое вибратором электромагнитное поле. В воздушном зазоре между шарами при переменном напряжении, достигающем значения пробоя воздуха, происходил искровой разряд. При этом в вибраторе возникали электромагнитные колебания высокой частоты. Индикатором электромагнитных волн, возникающих в опытах Герца, служила искра, образующаяся в приемном контуре (рис. 46, б). Размеры приемного контура выбирались таким образом, чтобы собственная частота возникающих в нем колебаний была равна частоте излучаемых волн.

Изменяя положение приемного контура по отношению к вибратору и наблюдая появление в нем искры, Герц определял наличие поля в различных точках пространства. Таким образом, Герц экспериментально доказал существование, электромагнитных волн.

Длина волны, возникшей в вибраторе Герца, была  К 1889 г. Герц сумел не только убедительно доказать существование электромагнитных волн, но и установить их основные свойства: распространяются не только в различных средах, но и вакууме;

в вакууме распространяются со скоростью, модуль которой отражаются и преломляются на границах раздела сред; являются поперечными.

Герц считал, что электромагнитные волны невозможно использовать для осуществления связи без проводов. Однако русский ученый Александр Степанович Попов 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге сообщил о возможности приема электромагнитных сигналов. 18 декабря 1897 г. он передал на расстояние 250 м первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц».

В 1901 г. итальянский инженер Г. Маркони впервые осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Исследования по передаче информации электромагнитными волнами, проведенные 11оповым, показали, что для радиосвязи можно использовать колебательный контур.

Закрытый контур излучает слабо, так как электрическое поле сосредоточено в основном между обкладками конденсатора, а магнитное — в катушке, т. е. поля пространственно разделены. Такая система с сосредоточенными параметрами практически не излучает электромагнитные волны.

Проследим за изменениями в системе при увеличении расстояния  между обкладками конденсатора, при уменьшении площади  обкладок конденсатора и при уменьшении числа  витков катушки. Так как при этом электроемкость конденсатора и индуктивность катушки уменьшаются, то собственная частота колебаний контура  увеличивается. Соответственно, увеличится и интенсивность излучения, которая при прочих равных условиях 

Таким образом, для эффективного излучения контур необходимо «открыть», раздвинув обкладки конденсатора, т. е. создать условия «ухода» поля в пространство (рис. 47, а). Если заменить катушку прямым проводом, то частота  увеличится еще больше. В результате приходим к открытому колебательному контуру — это прямой провод (рис. 47, б). Однако в таком виде его невозможно использовать на практике, так как мощность излучения и в этом случае невелика. Интенсивное излучение начинается при достижении частот порядка сотен тысяч герц. Поэтому в действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны (рис. 47, в). Один конец провода соединен с землей (заземлен), второй — поднят над поверхностью Земли. Длина антенны изготовляется кратной половине длины волны, так как в этом случае она настроена в резонанс с генератором колебаний, что обеспечивает оптимальные условия для излучения и приема электромагнитных волн. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве электромагнитное поле, и электромагнитные волны распространяются от антенны (рис. 48).

Спектр электромагнитного излучения удобно изображать в виде шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 49.

Свойства электромагнитных волн сильно зависят от их частоты. Излучение электронов, обусловленное их движением в проводниках, позволяет генерировать электромагнитные волны с частотой до  Для генерации излучений с частотой выше  используют излучение атомов. Верхний предел частот, которые, могут генерировать атомные системы, составляет  Излучения более высоких частот (например, гамма-излучение) испускаются атомными ядрами.

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) приведена в таблице 5.

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике в таких процессах и явлениях, как:

• плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны),
• телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны);
• мобильная связь, радиолокация (микроволны);
• сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение);
• освещение, голография, лазеры (видимое излучение),
• люминесценция в газоразрядных лампах, лазеры (ультрафиолетовое излучение),
• рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение),
• дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, военное дело (гамма-излучение).

Пример №1

Радиоприемник настроен на радиостанцию, работающую на длине волны  Во сколько раз  необходимо изменить емкость приемного колебательного контура радиоприемника, чтобы настроить его на длину волны 

Дано: 

Решение

Длина волны определяется по формуле:

где 

По формуле Томсона

Тогда для двух длин волн можем записать:

Разделив второе уравнение на первое, получим:

Отсюда

Ответ: 

Итоги:

Идеальным колебательным контуром или LС-контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.

Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре определяется формулой Томсона:

Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по резистору сопротивлением  в электрической цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток:

Действующее значение напряжения:

Сопротивление  резистора, на котором в цепи переменного тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называется активным или омическим сопротивлением.

Трансформатор — электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора:

Если  то трансформатор понижающий, если  — повышающий. Совокупность связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Электромагнитными волнами называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как колебания напряженности  и индукции  происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Модуль скорости распространения электромагнитных волн в вакууме равен модулю скорости распространения света:

Электромагнитные волны и волновая оптика

Изучение электромагнитных колебаний в электрической цепи показало, что изменение напряжения и силы тока из одной части цепи в другую распространяется с очень высокой, т.е. 300000 км/с, скоростью. Эта скорость намного превышает скорость упорядоченного движения заряженных частиц в проводнике. Механизм передачи электромагнитных колебаний из одной точки в другую стало возможным объяснить только с использованием понятия «поле».

Дж. Максвелл в 1864 году выдвинул гипотезу о существовании электромагнитных волн, которые могут распространяться в вакууме и диэлектриках. Мы кратко познакомимся с теорией электромагнитного поля и электромагнитных волн.

Распространение электромагнитных колебаний. Скорость электромагнитных волн

Глубоко изучая явление электромагнитной индукции, открытое в 1831 году М. Фарадеем, Максвелл пришел к выводу: любое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.

Основной причиной появления индукционной ЭДС в замкнутом проводнике, в опытах Фарадея, являются переменные электрические поля. Эти вихревые электрические поля могут быть созданы не только в проводнике, но и в открытом пространстве. Таким образом, изменение магнитного поля создает электрическое поле. Не встречается ли в природе обратное этому явление, т.е. переменное электрическое поле не создаст ли магнитного поля? Это предположение, если рассмотреть с точки зрения симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла. Согласно этой гипотезе, любое изменение электрического поля порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле.

Эта гипотеза Максвелла долгое время не находила своего подтверждения. Электромагнитные волны, спустя 10 лет после смерти Максвелла, экспериментально получены Г.Р. Герцом. В 1886-1889 годах для

получения электромагнитной волны Г. Герц закрепил на концах прямого стержня два шарика или цилиндр диаметром 10-30 см, разделенных тонким слоем воздуха (рис. 4.1). В других опытах был использован металлический лист с размерами сторон по 40 см. Расстояние между шариками составляло несколько мм. 

Цилиндр или шарики были подсоединены к источнику высокого напряжения, который заряжал их положительным или отрицательным зарядом. При достижении определенного значения напряжения между шариками появлялись искры. В период возникновения искры в вибраторе появляются высокочастотные затухающие колебания. Если электромагнитные колебания распространяются и создаются волны, то во втором вибраторе должна появиться ЭДС, в результате чего между шариками появляются искры. Наблюдая это явление, Герц доказал существование электромагнитных волн.

Рассмотренный в предыдущей главе колебательный контур был замкнутым и излучение им колебаний было мало.

Постепенно удалим обкладки конденсатора друг от друга (рис. 4.2).

В этом случае силовые линии поля выходят из области, расположенной между обкладками, и распространяются в пространстве. Если обкладки установить так, чтобы одна смотрела строго вверх, а вторая вниз, то электромагнитные колебания полностью распространяются в пространстве.

Контур такого вида называется открытый колебательный контур.

Чтобы представить электромагнитные волны, которые распространяются, рассмотрим рис. 4.3. Пусть в какой-то момент в области А пространства будет переменное электрическое поле. В этом случае переменное электрическое поле вокруг себя создает магнитное поле. Переменное магнитное поле в соседней области создает переменное электрическое поле. В последовательно расположенных областях пространства появляются перпендикулярно расположенные, периодически изменяющиеся электричесские и магнитные поля. Распространение электромагнитных волн также называется излучением.

Силовые линии магнитного поля

В экспериментах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычисляя частоту собственных электромагнитных колебаний, возникающих в вибраторе, с помощью формулы , он определил скорость распространения электромагнитных волн. Она оказалась равной скорости света.

Последующие современные измерения подтвердили правильность этого значения.

Пример №2

Напряжение в открытом колебательном контуре изменяется по закону Определите длину электромагнитной волны  которая распространяется в воздухе.

Дано:  Найти:

Формула:

Решение:

Общие свойства электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн можно изучить с помощью специального генератора, который излучает электромагнитные волны. Высокочастотная электромагнитная волна, создаваемая в генераторе, распространяется через антенну, называемую рупором генератора (рис. 4.4).

Форма антенны приемника похожа на форму распространяющей антенны. ЭДС, созданная за счет электромагнитной волны, принятой в антенне, преобразуется в пульсирующий ток с помощью кристаллического диода. После усиления ток подается на гальванометр и регистрируется.

Отражение электромагнитных волн

Если между излучающим и принимающим рупорами установить металлическую пластину, то звук будет не слышен. Электромагнитные волны, не преодолевая металлические пластины, возвращаются. Теперь излучающий рупор развернем вверх (вниз). Металлическую пластину расположим сверху (снизу) так, как показано на рис. 4.5. В этом случае можно заметить, что принимающая антенна при расположении под углом, равным углу падения, принимает звук.

Отражение электромагнитных волн от металлической пластины можно объяснить следующим образом. Электромагнитные волны при столкновении с металлом создают на его поверхности вынужденные колебания свободных электронов. Частота этих вынужденных колебаний будет равна частоте электромагнитных волн. Волна не может пройти через металл, но поверхность металла становится источником вторичных волн, т.е волна возвращается от поверхности. Опыты показывают, что при отражении электромагнитных волн на границе двух сред выполняются законы отражения. Если вместо металлической пластины взять диэлектрик, то количество отраженных от него электромагнитных волн очень мало, т.к. в диэлектриках число свободных электронов незначительно.

Отражением электромагнитных волн широко пользуются в радиосвязи и радиолокации (рис. 4.6).

Призма

Преломление электромагнитных волн

Для изучения этого явления вместо металлической пластины берется треугольная призма, заполненная парафином (рис. 4.7). Принимающая антенна регистрирует волну. Значит, электромагнитная волна при прохождении двух сред, воздух-парафин и парафин-воздух, преломляется. Эксперименты показывают, что при прохождении электромагнитной волны из одной среды в другую, выполняются законы преломления:

Здесь:диэлектрическая проницаемость первой и второй сред соответственно.

Расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одинаковой фазе, называется длиной электромагнитной волны:

Основной характеристикой электромагнитной волны является ее частота v (период Т). При прохождении электромагнитной волны из одной среды в другую меняется длина волны, а частота остается постоянной.

Направление колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля будут перпендикулярными друг к другу и направлению распространения волны (рис. 4.8). Значит, электромагнитные волны являются поперечными волнами.

Скорость распространения электромагнитной волны направлена перпендикулярно вектору напряженности электрического поля и вектору индукции магнитного поля

Одной из основных энергетических характеристик электромагнитной волны является плотность потока излучения электромагнитной волны.

Плотностью потока излучения электромагнитной волны называется электромагнитная энергия W, проходящая за время через поверхность с сечением S, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны:

Плотность потока излучения электромагнитной волны равна средней мощности излучения электромагнитной волны, проходящей за один период через единичное сечение. Ее называют интенсивностью волны.

Выражение подставим в формулу (4-2) и получим:

Единица плотности потока излучения или интенсивности волны Вт/м2.

Нарисуем цилиндр с основанием, равным и площадью S, расположенной перпендикулярно направлению потока излучения. Объем цилиндра равен: Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем:

здесь: w-плотность энергии электромагнитной волны. Подставляя формулу (4-3) в формулу (4-2), получим:

Плотность потока электромагнитной волны равна произведению плотности электромагнитной энергии и скорости распространения волны.

Электромагнитные волны, излучаемые точечным источником, распространяются по всем направлениям. Поэтому пространство, окружающее источник, можно рассматривать как сферу. Формулу (4-2) запишем в следующем виде:

здесь: – площадь поверхности сферы. Значит, интенсивность волны, излучаемой точечным источником, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Напряженность электрического поля и индукция магнитного поля пропорциональны ускорению колеблющихся частиц Ускорение в гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. С учетом плотность потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени частоты:

Пример №3

Электромагнитные волны распространяются в данной среде со скоростью Найдите длину волны, если частота электромагнитной волны равна 1 МГц.

Дано:  Найти:

Формула:

Решение:

Физические основы радиосвязи

В древности люди общались друг с другом на расстоянии с помощью различных средств. Из одной страны в другую отправляли письма с караванами, использовали почтовых голубей и т.д. В некоторых случаях для отправки писем и информации использовали специальных быстроходных скакунов, которые без остановки скакали и доставляли письма по адресу. При этом скорость доставки информации зависела от скорости каравана, скакунов, людей и т.д.

На пути перемещения информации встречалось множество препятствий и не было гарантии доставки объекта адресату, нельзя ли использовать электромагнитные волны для отправки сообщения?

Во-первых, электромагнитные волны распространяются с самой большой скоростью на свете. Во-вторых, ее не смогут поймать или удержать разбойники.

Из-за слабости искры, созданной на вибраторе Герца, невозможно было использовать ее для распространения сигналов на большие расстояния. За пять лет до изобретения А.С. Попова по отправке сигналов с помощью электромагнитных волн французский физик Э. Бранли находит убедительную высокочувствительную методику регистрации электромагнитных волн. Этот прибор Э. Бранли назвал когерером (от латин. kohaerens – быть на связи). Когерер состоит из стеклянной трубки, заполненной железными опилками, внутри которой установлены два электрода. Сопротивления этого прибора в обычных условиях большие.

Пришедшая электромагнитная волна создает переменный ток. Появляющаяся между опилками искра способствует их спеканию. В результате сопротивление резко уменьшается (в экспериментах А.С. Попова от 100000 Ом до 1000 Ом, т.е. в 100 раз больше). Но после одного раза протекания тока частицы порошка слипаются. Снова вернуть когерер в рабочее состояние можно, если его встряхнуть. Для этого А.С. Попов в цепь когерера подсоединил электрический звонок через электромагнитное реле. При поступлении электромагнитной волны молоточек этого звонка ударялся о когерер, встряхивал его и приводил в рабочее состояние.

В 1985 году 7 мая в городе Санкт-Петербурге в России русский инженер А.С. Попов демонстрировал впервые отправку и получение сообщения с помощью электромагнитных волн. Обмен информацией с помощью электромагнитных волн называется радиосвязью. Устройство, применяемое для отправки информации, называли радиопередатчиком, устройство для приема информации – радиоприемником.

А.С. Попов 1899 году установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 году довел это расстояние до 150 км.

Подобное устройство было почти одновременно изобретено итальянским инженером Г. Маркони.

При осуществлении радиосвязи возникла необходимость использовать высокочастотные электромагнитные колебания, т.к., во-первых, при малой частоте мала интенсивность, а значит и энергия  которой будет не достаточно, чтобы волны распространялись на большие расстояния. Во-вторых, информация от двух близко расположенных радиостанций может накладываться друг на друга.

Важным шагом стало изобретение в 1913 году генератора, создающего незатухающие электромагнитные колебания.

Сообщения стали передавать с помощью высокочастотных электромагнитных волн. Для этого на высокочастотные электромагнитные колебания, произведенные генератором, при отправке накладывали низкочастотные (частота звука) колебания. Здесь звуковые колебания с помощью микрофона превращались в электрические колебания.

Наложение низкочастотных (звуковых) колебаний на высокочастотные электрические колебания называется модуляцией. Блок-схема осуществления радиосвязи приводится на рис. 4.9.

Модулированные колебания с помощью антенны распространяются в пространстве. Одной из частей приемника радиосвязи также является антенна. Электромагнитные волны, столкнувшись в ней, создают электромагнитные колебания. В радиоприемнике необходимый выбор из множества радиостанций осуществляется через приемный контур.

После этого выделяются низкочастотные колебания из наложенных на высокочастотные колебания при отправке. Это осуществляется в демодуляторе. В колонке телефона низкочастотные электрические колебания превращаются в звуковые колебания.

Теперь рассмотрим, из каких элементов состоит простейший радиоприемник и изучим принцип его работы (рис. 4.10).

Радиоволны в антенне создают электромагнитные колебания. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности (L) и конденсатора переменной емкости (С). С помощью конденсатора переменной емкости частота контура настраивается на частоту нужной радиостанции. Этим путем из многочисленных сигналов радиостанций выбирается нужное.

Известно, что отправленные сообщения поступают в смешанном виде с высокочастотными колебаниями. Как было сказано, их выделение осуществляется с помощью устройства демодуляции. Это в большинстве случаев называют детектированием. Эту функцию выполняет полупроводниковый диод. Высокочастотное напряжение, созданное во входном контуре через диод VD, конденсатор и телефон , создает ток. При прохождении через диод высокочастотные и низкочастотные сигналы отделяются друг от друга. Высокочастотные сигналы поступают на конденсатор низкочастотные -на телефон Т.

Через телефон можно слушать радиопередачи. В простейшем радиоприемнике диод выполняет функцию детектора, а другие

электронные устройства не используются. Этот приемник называется детекторным радиоприемником.

Электромагнитные волны также широко используются в радиолокации (рис. 4.11).

При этом используется явление отражения электромагнитных волн, которое рассматривалось в предыдущей теме. С помощью радиолокации с высокой точностью можно измерить высоту, скорость и дальность летящих самолетов. Для этого в течение короткого времени выключают-включают радиопередатчик и регистрируют отраженную от самолета радиоволну.

С помощью электроаппаратуры, если измерить промежуток времени между отправкой и возвращением волны, можно найти путь, пройденный электромагнитной волной . Здесь: с – скорость электромагнитной волны. Путь, пройденный волной до объекта и обратно, будет

где    – Расстояние от антенны до объекта. Для определения

местонахождения объекта в пространстве отправляют радиоволны в виде тонкого излучения. Это осуществляется путем изготовления антенны в форме, близкой к сфере.

Методом радиолокации точно измерены расстояния от Земли до Луны и до планет Меркурий, Венера, Марс и Юпитер.

Пример №4

Радиолокатор работает на длине электромагнитной волны 15 см и каждую секунду испускает 4000 импульсов. Продолжительность каждого импульса 2 мкс. Найдите число колебаний в каждом импульсе. Определите дальность действия данного радиолокатора.
Дано:   Найти:

Формула:

Решение:

Физические основы телевидения

В настоящее время невозможно встретить человека, который бы не смотрел телевизор. Передачи об окружающей среде, разные развлекательные программы, мультфильмы смотрят все. Кроме этого, разные важные события в жизни человека, свадьбы и мероприятия снимают на видео и присматривают их в любое время. Не бывая на Луне, Венере и Марсе, с помощью телекамер, установленных на космических кораблях, можно рассмотреть их поверхность. Это считается успехом телевидения. Так каким же образом видеозаписи передаются от одного места в другое? А как они превращаются в изображение на месте приема сигналов?

Подобные вопросы, конечно, заинтересуют множество учащихся. Простая блок-схема устройства, в которой осуществляется телепередача, приводится на рис. 4.12.

В предыдущих темах мы узнали, что звуковые колебания с помощью микрофона превращаются в электрические колебания. Таким же образом изображение сначала превращается в электрические сигналы. Этот процесс осуществляется в специальном устройстве, называемом видеокамерой. Сигналы, созданные в видеокамере, усиливаются с помощью специального электронного устройства.

В модуляторе к высокочастотным электромагнитным колебаниям, выработанным генератором, добавляются сигналы изображения. В устройстве телепередачи имеется отдельный блок радиопередачи. Ее принцип работы не отличается от устройств, с которыми мы познакомились в предыдущей теме.

В последнем блоке устройства телепередачи модулированные сигналы звука и изображения в цельном виде передаются излучающей антенне.

Детектор выделяет из высокочастотных сигналов изображение и звуковые сигналы. Сигнал изображения передается на экран телевизора, сигнал звука – на радиоколонку.

В антенне устройства телеприемника телесигналы превращаются в электрические колебания. С помощью входного контура выбираются необходимые программы. Выделенные слабые сигналы усиливаются в специальном электронном блоке и передаются на детектор.

Существует возможность менять тон звука, управлять различными функциями дистанционно и т. д. Поэтому в телевизоре, кроме тех блоков, которые мы перечислили, имеются и другие блоки.

Телесообщения распространяются в частотном диапазоне между 50 МГц и 230 МГц. Такие волны распространяются только на видимой границе антенны. Поэтому для охвата больших территорий телесообщением требуется увеличить высоту антенн и уплотнить их расположение. Для отправки телепередачи еще дальше можно пользоваться спутниковой связью.

Известно, что 9 мая 1911 года в Санкт-Петербургском технологическом институте Б.Л. Розинг создал неподвижное изображение решетки на экране электронно-лучевой трубки.

Дальнейшее развитие телевидения связано с Ташкентом. Лаборант Среднеазиатского Государственного университета Борис Павлович Грабовский проводил работу по созданию телевизионного аппарата, имеющего двигающееся изображение. Совместно с инженерами В.И. Поповым и Н.Г. Пискуновым они разработали конструкцию аппарата «радиотелефот». Данная разработка 9 ноября 1925 года получила удостоверение под входящим номером № 4899 и патент № 5592. Этот проект включал в себя все элементы современной телевизионной системы. Для реализации этого проекта – «видеть через радио» – нужны были дополнительная аппаратура и приборы. Тогда помощник Г. Белянский обратился за помощью к председателю Президиума России. Руководство республики выделило изобретателям необходимые финансовые средства. Для телевизионного устройства были выполнены заказы на всех предприятиях и в лабораториях Ташкента.

Официальные испытания дедушки современного телевизора «Телефот»а проходили 26 июля 1928 года в здании связи округа под председательством профессора Среднеазиатского Государственного университета Н.Н. Златовратского. Тогда первый раз увидели изображение

движущегося человека. 4 августа по «телефот»у был показан движущийся трамвай по улице. «Телефот» был усовершенствован: разработаны его другие варианты и проведены исследования учеными и инженерами всего мира. Телевизоры приобрели современный вид. Поэтому мы с гордостью можем сказать, что «Родина телевидения – это Россия».

* Среди бывших среднеазиатских республик первый черно-белый телевизионный центр начал работать в России в 1956 году.

В бывшем СССР до 1990 года существовало только два всесоюзных канала: «Первый (Москва)» и «Второй (Орбита)». На третьем канале транслировались местные программы. В России в качестве 4-ой программы по очереди транслировались передачи Киргизского и Таджикского телевидения. В 1956 году в России была построена телебашня высотой 180 м, которая систематически осуществляла телепередачи. В 1967 году была запущена передача цветного изображения под названием СЭКАМ. В 1978-1985 годах в городе России, на правом берегу канала Бозсув, была построена и запущена в эксплуатацию телебашня высотой 375 м. Ее глубина под землей составляет Ими общий вес превышает 6000 тонн. Эта телебашня по высоте в Центральной Азии на 1-ом месте, а во всем мире – после Останкино (Москва), Торонто (Канада), Токио (Япония) и др. – на 9-ом месте. В России работали 4 государственных канала: Россия. Последние два из них показывали российские каналы. В 1998 году появился первый частный канал, который назывался 30-ым каналом. В 2008 году на его частоте начал работать канал на русском языке Соф ТС. В последние годы открылось множество частных телеканалов. В 2017 году начал работать круглосуточный канал «Россия 24».
Переключайте домашний телевизор в рабочем состоянии на другую программу, изменяйте высоту звука. Подумайте, по какой причине они изменяются при управлении пультом.

Электромагнитные волны

В главах «Электромагнитные колебания» и «Переменный ток» были представлены низкочастотные электромагнитные колебания, созданные индукционным генератором. Они получили широкое применение в электротехнике: созданы устройства для получения, передачи и использования энергии электромагнитных колебаний низкой частоты. В данной главе будут рассмотрены основы радиотехники. В радиотехнике осуществляется беспроводная связь источника высокочастотных колебаний с приемником посредством электромагнитных волн.

Изучив эту страницу, вы сможете:

• объяснять условия возникновения электромагнитных волн и описывать их свойства;
• описывать модуляцию и детектирование высокочастотных электромагнитных колебаний;
• различать амплитудную (AM) и частотную модуляции (FM);
• объяснять принцип работы детекторного приемника;
• объяснять преимущества передачи сигнала в цифровом формате в сравнении с аналоговым сигналом;
• систематизировать средства связи и предлагать возможные пути их совершенствования.

Излучение и прием электромагнитных волн. Вихревое поле. Гипотеза Максвелла

Наблюдая явление электромагнитной индукции, М. Фарадей установил, что при изменении магнитного поля возбуждается вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. У них нет ни начала, ни конца, они охватывают линии магнитной индукции. Направление силовых линий вихревого поля определяют по правилу Ленца. При возрастании магнитной индукции вектор напряженности образует с вектором магнитной индукции левый винт, при уменьшении – правый винт (рис. 98).

Изучив свойства электрического и магнитного полей, Максвелл предположил, что во всех случаях, когда электрическое поле меняется, оно порождает переменное магнитное поле. Согласно гипотезе Максвелла при зарядке конденсатора магнитное поле создается не только вокруг проводника с током, но и между обкладками конденсатора (рис. 99).

При этом вектор магнитной индукции  созданного поля образует с вектором напряженности правый винт, если напряженность электрического поля возрастает и левый винт, если напряженность убывает

Вспомните! Вокруг наэлектризованных тел создается электростатическое поле, вокруг проводника с током создается магнитное поле.

Условия излучения электромагнитных волн

В 1865 г. Максвелл теоретически предсказал, что переменное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Всякое изменение напряженности электрического поля в некоторой точке пространства вызывает появление переменного магнитного поля, которое в свою очередь порождает вихревое электрическое поле. Происходит передача колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля из одних точек пространства в другие, создается электромагнитная волна (рис. 100).

Напряженность электрического поля меняется при ускоренном движении заряженных частиц, следовательно, переменный ток мог бы стать источником электромагнитной волны. Но стандартная частота колебаний переменного тока 50 Гц недостаточна для создания волны высокой энергии, интенсивность колебаний заряженных частиц ничтожно мала. Одним из необходимых условий для создания электромагнитных волн является высокая частота электромагнитных колебаний, порядка десятка мегагерц. Колебания такой частоты происходят в колебательном контуре, но закрытый колебательный контур не излучает энергию и не создает волну.

Для создания волны необходимо освободиться от участков цепи с противофазными колебаниями тока в катушке и увеличить расстояние между обкладками конденсатора. Для этого необходимо распрямить витки катушки и раскрыть обкладки конденсатора, т.е. необходимо создать открытый колебательный контур (рис. 101). При этом условии энергия электромагнитного поля, созданного высокочастотными колебаниями, будет распространяться в окружающем открытом контуре пространства.

Электромагнитная волна – поперечная волна

Скорость волны На рисунке 99 изображены направления векторов напряженности электрического поля, индукции магнитного поля и скорости распространения волны в точках Направление распространения волны определяют по правилу буравчика.

Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора к вектору , то поступательное движение буравчика будет совпадать с вектором скорости .

Направления колебаний векторов напряженности и магнитной индукции перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной волной (рис. 102).

Максвелл установил связь скорости распространения волны с напряженностью и магнитной индукцией:

Скорость электромагнитной волны равна отношению напряженности электрического поля к индукции магнитного поля.

В своих расчетах он получил значение скорости электромагнитных волн в вакууме:

Согласно его расчетам скорость электромагнитных волн в других средах уменьшается в n раз:

где диэлектрическая проницаемость среды; магнитная проницаемость среды; показатель преломления среды.

Связь длина волны с длиной антенны. Частота колебаний

В открытом колебательном контуре, который принято называть вибратором или антенной, плотность зарядов максимальная на его концах и всегда равна нулю в середине. Сила тока, напротив, максимальная в середине вибратора и равна нулю на его концах. Перезарядка концов антенны происходит за половину периода следовательно, длина излучаемой волны превышает длину антенны вдвое:

где − длина излучаемой волны; длина антенны.

При известном значении длины волны не сложно рассчитать собственную частоту колебаний антенны, излучающей волну:

Силовые характеристики электромагнитной волны

Электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве, являются бегущими волнами. Следовательно, колебания напряженности или магнитной индукции в какой-либо точке пространства, расположенной по направлению выбранной оси, можно определить по формуле бегущей волны:

где − время, за которое волна достигнет точки пространства А, находящейся на расстоянии от источника электромагнитных колебаний по направлению выбранной оси (рис. 104).

Энергия, плотность энергии и интенсивность электромагнитной волны

Интенсивность света определяется энергией волны. Интенсивность волны I, или поверхностная плотность потока энергии, – это физическая величина, равная энергии переносимой волнами через единичную поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волн, в единицу времени.

Единица измерения интенсивности .

Выразим энергию волны через объемную плотность энергии 

где V − объем пространства, в котором сосредоточена энергия, переносимая через поверхность площадью S за время t (рис. 105). Выразим объем пространства через скорость распространения волны:  С учетом (9) и (10) из формулы (8) получим:

Интенсивность электромагнитной волны равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость распространения волны.

Свойства электромагнитных волн

Из курса 9 класса известно, что электромагнитные волны отражаются, преломляются, огибают препятствия. Генератор электромагнитных волн высокой частоты и приемник с рупорными антеннами позволяют исследовать свойства электромагнитных волн. Не сложно убедиться в том, что проводники отражают электромагнитные волны (рис. 106 а), диэлектрики поглощают их и преломляют (рис. 106 б), когерентные электромагнитные волны создают устойчивую интерференционную картину (рис. 106 в).

Радиосвязь. Детекторный радиоприемник. Интенсивность и частота волны

Звук человеческого голоса не может распространяться на большие расстояния. Следовательно, волны, в диапазоне частот от баса (80 Гц) до сопрано (1400 Гц) являются волнами низкой интенсивности. Для увеличения дальности передачи сигнала необходимы волны с высокой плотностью энергии.

Не сложно доказать, что интенсивность сферической волны, созданного точечным источником, убывает пропорционально квадрату расстояния:

где – площадь поверхности фронта волны.

Для решения проблемы передачи на далекие расстояния проведем следующие рассуждения: плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности электрического поля и квадрату магнитной индукции  Напряженность и магнитная индукция электромагнитного поля являются силовыми характеристиками волны.

На основании второго закона Ньютона они зависят от ускорения заряженных частиц, создавших волну: которая в свою очередь зависит от квадрата частоты колебаний. Очевидно, что плотность энергии пропорциональна частоте колебаний в четвертой степени:

интенсивность электромагнитной волны прямо пропорциональна плотности энергии следовательно, она пропорциональна четвертой степени частоты:

С повышением частоты сигнала радиус действия передающей антенны возрастает. При увеличении частоты колебаний в 2 раза интенсивность электромагнитной волны увеличивается в 16 раз, увеличение частоты в 4 раза приведет к повышению интенсивности в 256 раз.

Модуляция сигнала несущей частоты. Принцип действия радиопередатчика

В радиотелефонной связи информацию передают на большие расстояния наложением колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал генератора на транзисторе.

Частоту колебаний, созданных генератором высокой частоты, называют несущей частотой.

Наложение колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал называют модуляцией.

Модуляцию можно осуществить изменением амплитуды (АМ) или частоты (FM) колебаний несущей частоты. Принципиальная схема радиопередатчика, излучающего амплитудно-модулированные сигналы, изображена на рисунке 107.

Схема устройства простейшего радиопередатчика на транзисторе без усилителей представлена на рисунке 109. В изображенном радиопередатчике модулятором служит трансформатор. Одна из его обмоток подключается последовательно с колебательным контуром генератора. На вторую обмотку подается напряжение звуковой частоты с выхода микрофона. Переменный ток во второй катушке трансформатора индуцирует переменное напряжение на концах первой катушки. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором приводит к изменению амплитуды силы тока в цепи с частотой звуковой волны. Модулированные колебания тока высокой частоты в передающей антенне создают электромагнитную волну.

Принцип действия радиоприемника

Из множества сигналов одновременно работающих станций антенна радиоприемника выделяет один с резонансной частотой (рис. 110). Осуществить прием сигнала в режиме резонанса позволяет конденсатор переменной емкости колебательного контура в радиоприемнике. Принятый сигнал проходит через усилитель высокой частоты (УВЧ) и поступает в детектор, который из высокочастотных модулированных колебаний выделяет низкочастотные. После усилителя низкой частоты (УНЧ) колебания преобразуются в телефоне или динамике в звуковые колебания.

Схема простейшего радиоприемника без усилителей изображена на рисунке 111. Детектором в радиоприемнике служит диод, через который в силу односторонней проводимости этого прибора протекает пульсирующий ток. Конденсатор, подключенный к телефону параллельно, полпериода заряжается, затем полпериода разряжается через телефон или динамик, тем самым сглаживает пульсирующий сигнал. Через телефон проходит ток той же частоты, что и в микрофоне радиопередатчика. Таким образом, телефон преобразует электрические колебания в механические и воспроизводит переданные звуки.

Аналого-цифровой преобразователь. Каналы радиосвязи

Диапазоны частот сигналов радиостанций не должны быть близкими, иначе при осуществлении приема сигнала одной станции будут помехи от сигналов других станций. Поэтому число каналов аналоговой радиосвязи было ограниченным.

Частотным каналом радиосвязи называют частоту радиоволн, выделенную и используемую для радиосвязи между конкретными пользователями.

Ширина частотного канала определяется объемом передаваемой информации. Наиболее широкие сигналы необходимы в телевидении для передачи звука, изображения и сигнала синхронизации звука с изображением. Ширина канала при неизменном объеме информации сужается, если использовать ультракороткие волны (УКВ), передача и прием которых возможен только в пределах прямой видимости. С появлением спутниковой связи этот недостаток УКВ стал их преимуществом. Радиосигналы на УКВ, направленные к спутнику, усиливаются бортовым ретранслятором и передаются в нужный участок планеты на сотни и тысячи километров от места передачи.

УКВ благодаря ограниченности радиуса действия в наземных условиях получили широкое применение в сотовой связи. Одни и те же частотные каналы используются не только на территории различных стран, но и внутри одной страны.

Международная классификация электромагнитных волн по частотам

В зависимости от частоты (длины) волны свойства распространения, отражения, преломления, дифракции проявляются по-разному, поэтому на международном уровне была принята классификация радиоволн (таблица 5).

Цифровые технологии. Аналого-цифровой преобразователь

Распределение частотных каналов между радио и телевизионными станциями ограничивало число радио- и телепередач. С появлением цифровой технологии ситуация изменилась. Цифровое кодирование сигнала в аналого-цифровых преобразователях (рис. 112) позволило работать нескольким станциям на одних и тех же частотах, число передач возросло в десятки раз. Звуковой и телевизионный сигнал с помощью цифровых технологий кодируется в двоичной системе (рис. 113) и передается пакетом, который меньше подвержен различным помехам. Качество сигнала после раскодировки в принимающем устройстве, значительно превышает качество сигнала, при осуществлении аналоговой радиосвязи.

 

Принцип цифрового телевидения

Современное телевидение основано на цифровой технологии. Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рисунке 114. Рассмотрим назначение основных частей системы.

Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует цветное изображение, которое поступает в аналого-цифровой преобразователь. В следующей части системы, называемой кодером изображения или кодером видео, осуществляется кодирование видеоинформации для передачи сигналов по стандартным каналам связи. Сигналы звукового сопровождения также преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется еще одно кодирование передаваемых данных для повышения помехоустойчивости. Цифровым сигналом, полученным в результате нескольких этапов кодирования, модулируют несущую частоту используемого канала связи.

В приемной части системы (рис. 115) все процессы осуществляются в обратном порядке: осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования.

Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится цветное изображение. На выходе декодера звука получают сигналы звукового сопровождения, также преобразованные в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.

Принцип цифрового радиовещания

Интересно знать! Изображение на экране представляет собой совокупность точек, пикселей, разных цветов. Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту: или черная – 1, или белая – 0. Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Для получения богатой палитры базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Для 256 цветов объем информации 8 бит или 1 байт, для 4 294 967 296 цветов – 32 бита или 4 байта.

Обратите внимание! Аудиокарта АЦП разделяет звук на очень мелкие временные участки и кодирует степень интенсивности каждого из них в двоичный код. Такое деление называют дискретизацией. Чем выше частота дискретизации, тем качественней получается запись. Если звуковая карта АЦП – устройства для раскодирования отцифрованного сигнала не поддерживает высокий уровень дискретизации, то сигнал не будет воспроизведен.

Развитие современных средств связи. Сеть Интернет

Реализация в РК проекта «Строительство и перевод сети телекоммуникаций на технологии NGN позволяет через одну сеть предоставить все услуги одновременно для телефонной связи, для доступа в Интернет, для кабельного телевидения, для проводного радиовещания. Основной тенденцией отрасли телекоммуникаций являются внедрение и развитие цифровых технологий телерадиовещания. В Республике Казахстан развивается сеть широкополосного доступа к сети Интернет с использованием современных технологий: ADSL, CDMA/EVDO, FTTH; 3G, 4G.

Строительство универсальной волоконно-оптической сети FTTH начато в 2011 году с целью удовлетворения растущего спроса на услуги высокоскоростного широкополосного доступа к Интернету и расширения спектра предоставляемых услуг. Проект предусматривает 100 %-ный охват многоквартирных домов и коттеджных застроек в городах Нур-Султан, Алматы и во всех областных центрах РК. Волоконно-оптические линии связи обладают рядом преимуществ:

• высокая пропускная способность в сочетании с большими расстояниями;
• защита от несанкционированного доступа: информацию невозможно «прослушать», не нарушив волоконно-оптический кабель;
• возможность объединения территориально удаленных офисов корпорации.

Для предоставления сельскому населению РК услуги широкополосного доступа к сети Интернет используется технология CDMA − это технология связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Начиная с 2011 года, она усовершенствуется благодаря дооборудованию платами EVDO. Высокая скорость передачи данных по технологии CDMA 450/EVDO достигается за счет применения новых алгоритмов сжатия цифровых данных.

Обратите внимание! Министерством транспорта и коммуникаций в 2012 году была разработана программа «Информационный Казахстан – 2020». Основная цель программы – создание информационного общества. Основные задачи: обеспечение эффективности системы государственного управления, доступности информационно-коммуникационной инфраструктуры; создание информационной среды для социально-экономического и культурного развития общества; развитие отечественного информационного пространства. Реализация программы требовала развития современных средств связи, повышения уровня компьютерной грамотности населения, освоения сетевых технологий.

Возьмите на заметку:

• NGN (Next Generation Network) – сеть связи следующего поколения;
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) – асимметричная цифровая абонентская линия; C
• DMA (Code Division Multiple Access) − множественный доступ с кодовым разделением;
• EVDO (Evolution Data Optimized) – улучшенная, оптимизированная;
• FTTH (Fiber to the Home) – оптоволоконный кабель в дом.

Цифровое телерадиовещание

Технология ADSL разработана для быстрой передачи информации, она основана на использовании телефонных проводов в качестве линии высокоскоростной передачи данных. Два модема подключают к концам телефонного кабеля (рис. 117). Для одновременной передачи нескольких сигналов по одной линии используют сплиттер – электрический фильтр для частотного разделения каналов. Каждый пользователь имеет специальный преобразователь, декодирующий сигнал и позволяющий видеть на экране телевизора разные передачи.

Скорость передачи данных зависит от диаметра проводов и ее протяженности. Затухание сигнала в линии увеличивается при увеличении длины линии и уменьшается с увеличением диаметра провода. Функциональным пределом для ADSL является абонентская линия длиной 3,5–5,5 км при толщине проводов 0,5 мм. В настоящее время ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных от сети к абоненту в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с. Скорость «восходящего» потока данных от абонента в сеть составляет от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. ADSL может обеспечить одновременную высокоскоростную передачу видеосигнала без прерывания обычной телефонной связи, для которой используется та же телефонная линия (рис. 118)

Сотовая связь

Все сотовые операторы Казахстана до 2012 г. использовали сеть третьего поколения 3G. Технология 3G обладает рядом преимуществ: благодаря высокой скорости загрузка и пересылка мультимедиа происходит за считанные секунды. Собеседника можно не только слышать, но и видеть, возможны режимы видеоконференции и видеотрансляции. Благодаря технологии 3G слабослышащие впервые получили возможность общаться посредством видеозвонков.

С 2012 г. началась реализация проекта по строительству сетей четвертого поколения стандарта 4G. Технология 4G обеспечивает возможность создания систем мобильной связи, оптимизированных для пакетной передачи данных.

Сетевые технологии. Дата-центр

Отрасль телекоммуникаций и связи является растущим и связующим сегментом казахстанской экономики, она оказывает влияние на увеличение производительности труда и создание условий для прогрессивного развития отечественных предприятий и их интеграции в мировую экономику.

В Павлодаре в декабре 2012 г. запущен в эксплуатацию первый крупнейший в СНГ дата-центр, представляющий собой комплекс сетевого и вычислительного оборудования и специализированного программного обеспечения. На базе созданного дата-центра малому и среднему бизнесу предоставлены IT-услуги: облачная система хранения данных, виртуальный резервный центр обработки данных, программное обеспечение для бизнеса, система интерактивного общения и обмена информацией, облачная серверная платформа. Проект был реализован АО «Казахтелеком» совместно с компанией из Калифорнии Hewlett-Packard, которая является мировым лидером в строительстве дата-центров. Сеть из 16 дата-центров АО «Казахтелеком» охватывает всю республику. На рисунке 119 изображен серверный дата-центр г. Алматы.

Облачные технологии

Над внедрением облачных технологий в Казахстане активно работает ведущий оператор связи. В июне 2011 г. подписан меморандум о сотрудничестве с компанией Microsoft. В первом квартале 2012 г. запущены такие облачные решения, как Microsoft Hosted Exchange и Microsoft Share Point Hosting.

Основные функции Microsoft Hosted Exchange − обработка и пересылка почтовых сообщений, поддержка мобильных устройств и веб-доступ, интеграция с системами голосовых сообщений, а также поддержка систем обмена мгновенными сообщениями.

Share Point Hosting – техническая платформа компании Microsoft для создания внутренних корпоративных ресурсов для обмена информацией и совместной работы. Платформа Share Point дает возможность создавать документы Office с возможностями отслеживания изменений, блоги, форумы, опросы, wiki-страницы, шаблоны страниц.

Сетевые социальные проекты

Рост компьютерной грамотности населения и вовлеченность в сетевые социальные проекты приводят к более интенсивному использованию услуг связи. Происходит развитие электронного документооборота, подача через Интернет заявлений в различные государственные учреждения, осуществление коммунальных платежей и интернет – торговля.

На портале egov.kz, граждане могут бесплатно получить доступ ко всей информации о государственных органах, в том числе имеется доступ к законодательной базе Казахстана. Посредством портала решены задачи предоставления информации и услуг гражданам, бизнесу и государственным органам.

Итоги:

Гипотеза Максвелла:

Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Всякое изменение электрического поля вызывает появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля.

Глоссарий

Интенсивность волны – физическая величина, равная энергии переносимой волнами через единичную поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волн, в единицу времени.

Модуляция – наложение колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал.

Несущая частота – частота колебаний, созданных генератором высокой частоты.

Частотный канал радиосвязи – частота радиоволн, выделенных и используемых для радиосвязи между конкретными пользователями.

• Заказать решение задач по физике

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Читали ли вы в детстве сказки? Вспомните: «катится золотое яблочко по серебряному блюдечку», и герой сказки видит «горы высокие, моря глубокие» и многое другое, что происходит за «семью морями и семью горами». Что вам напоминает это сказочное устройство? Наверное, в том числе и мобильный Интернет. О том, какие открытия в физике позволили изобрести такую «сказочную» вещь, пойдет речь в этом параграфе.

Напомним: существуют два вида материи — вещество и поле. Оба существуют реально, а не представляют собой некую «модель», предназначенную для объяснения тех или иных физических явлений.

В прошлом учебном году вы узнали об электрическом поле, в этом году — о магнитном поле. Вы также выяснили, что изменяющееся магнитное поле не только действует на движущиеся заряженные частицы и намагниченные тела, но и создает электрическое поле. К такому выводу пришел в свое время Майкл Фарадей.

Рис. 19.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — английский физик и математик, творец классической электродинамики, один из основателей статистической физики

Руководствуясь принципом симметрии, Джеймс Максвелл (рис. 19.1) выдвинул подтвержденную со временем гипотезу о том, что не только изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а и изменяющееся электрическое поле создает магнитное. Согласно этой гипотезе электрические и магнитные поля всегда существуют вместе и нет смысла рассматривать их как отдельные объекты. То есть существует единое электромагнитное поле, а электрическое и магнитное поля — это две составляющие (две формы проявления) электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами и частицами и намагниченными телами.

Кто-то может не согласиться с выводом Максвелла, вспомнив, что, например, вблизи неподвижного заряженного тела существует только электрическое поле, а вблизи неподвижного постоянного магнита — только магнитное поле. Но ведь движение и покой зависят от выбора системы отсчета!

Представьте: держа в руках заряженный шарик, вы идете к своему товарищу. Если бы человек мог «видеть» электромагнитное поле, в данном случае вы «видели» бы только одну его составляющую — электрическое поле, так как относительно вас заряд неподвижен. В то же время ваш товарищ «видел» бы и электрическое поле, и магнитное, потому что относительно него заряд движется и электрическое поле изменяется (см. рис. 19.2).

Рис. 19.2. В системе отсчета, связанной с мальчиком, обнаруживается только электрическая составляющая электромагнитного поля. В системе отсчета, связанной с девочкой, обнаруживаются обе составляющие — и электрическая, и магнитная

Таким образом, утверждение, что в данной точке существует только электрическое (или только магнитное) поле, не имеет смысла, ведь не указана система отсчета. Вместе с тем мы никогда не найдем систему отсчета, относительно которой «исчезли» бы обе составляющие электромагнитного поля, ведь электромагнитное поле материально.

Проанализировав все известные законы электродинамики, Дж. Максвелл исключительно математически получил фантастический на то время вывод: в природе должны существовать электромагнитные волны.

Электромагнитная волна — это распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.

Попробуем представить, как образуется и распространяется электромагнитная волна. Возьмем проводник, в котором течет переменный ток (рис. 19.4). Как известно, вблизи любого проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле, созданное переменным током, тоже является переменным. Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле должно создать электрическое поле, которое тоже будет переменным. Переменное электрическое поле создаст переменное магнитное поле и т. д. Таким образом получим распространение колебаний электромагнитного поля — электромагнитную волну (рис. 19.5). Частота этой волны равна частоте, с которой изменяется сила тока в проводнике, а проводник с переменным током является источником электромагнитной волны.

Рис. 19.4. Переменный ток — это ток, сила которого периодически изменяется: со временем значение силы тока то увеличивается, то уменьшается; изменяется и направление тока

Рис. 19.5. Схематическое изображение механизма распространения электромагнитной волны

Электромагнитная волна, как и механическая (вспомните распространение волны от брошенного в воду камешка), может оторваться от своего источника и начать самостоятельно распространяться в пространстве. Интересно, что некоторые электромагнитные волны «путешествуют» во Вселенной почти с начала ее существования!

По теории Максвелла, источником электромагнитной волны может быть любая заряженная частица, движущаяся с ускорением (то есть частица, которая все время изменяет скорость своего движения или по значению, или по направлению, или одновременно и по значению, и по направлению). Если же частица неподвижна или движется с неизменной скоростью, вблизи этой частицы существует электромагнитное поле, однако электромагнитную волну она не излучает.

Излучением электромагнитных волн сопровождаются и некоторые процессы, происходящие внутри молекул, атомов, ядер атомов (теория таких процессов — квантовая теория — была создана в XX в.).

Характеристика электромагнитных волн

Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется частотой длиной и скоростью распространения Так же, как в случае с механическими волнами, данные величины связаны формулой волны:

В отличие от механических волн, для распространения электромагнитных волн среда не нужна. Наоборот, лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Дж. Максвелл теоретически вычислил скорость распространения электромагнитной волны в вакууме и с удивлением обнаружил, что полученное значение совпадает со значением скорости света в вакууме (к тому времени оно уже было измерено экспериментально):

Дж. Максвелл выдвинул правильное и смелое на то время предположение: свет является разновидностью электромагнитных волн (рис. 19.6). Ученый не только установил природу света, но и предугадал существование и свойства разных видов электромагнитных волн.

В вакууме — и только в нем — все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью поэтому для вакуума длина и частота электромагнитной волны связаны формулой:

Рис. 19.6. Свет — это электромагнитные волны. Частота этих волн изменяется примерно от Гц (красный цвет) до Гц (фиолетовый цвет)

При переходе из одной среды в другую скорость распространения электромагнитной волны изменяется, изменяется и длина волны, а вот частота остается неизменной. В воздухе скорость распространения электромагнитных волн почти такая же, как в вакууме.

Теория электромагнитного поля Максвелла была подтверждена экспериментально через 15 лет после создания: Генрих Герц (рис. 19.7) продемонстрировал излучение и прием электромагнитных волн.

Рис. 19.7. Генрих Рудольф Герц (1857-1894) — немецкий физик, один из основателей электродинамики

Получив электромагнитные волны, Г. Герц изучил их свойства. Он, в частности, установил, что электромагнитные волны:

• отражаются от проводящих предметов (угол отражения равен углу падения);
• преломляются на границе с диэлектриком;
• частично поглощаются веществом и частично рассеиваются им.

Все эти явления обусловлены действием электромагнитного поля на заряженные частицы в веществе. Так, если электромагнитная волна падает на поверхность металла, то на свободные электроны действует переменное электрическое поле (электрическая составляющая электромагнитной волны). В результате в поверхностном слое металла возникают переменные электрические токи, которые и излучают отраженную электромагнитную волну.

Подводим итоги:

Взаимодействие заряженных тел и частиц осуществляется при помощи электромагнитного поля. Электромагнитное поле имеет две составляющие (две формы проявления) — электрическую (электрическое поле) и магнитную (магнитное поле): изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Распространение в пространстве переменного электромагнитного поля называют электромагнитной волной. Скорость распространения волны, ее длина и частота связаны формулой волны: Лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова для любых электромагнитных волн и равна скорости света: Свет тоже является электромагнитной волной. Для вакуума формула волны имеет вид:

Шкала электромагнитных волн

Удобная мобильная связь, яркий солнечный свет, вредное радиоактивное излучение, полезный в небольших дозах ультрафиолет, ласковое тепло печи, «видящие насквозь» рентгеновские лучи… Все это — электромагнитные волны, они имеют общую природу и распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Почему же их свойства такие разные? Имеют ли они какое-то принципиальное отличие? Как образуются разные виды электромагнитных волн и где их применяют? Попробуем разобраться.

Разные виды электромагнитных волн прежде всего отличаются частотой, а следовательно, длиной волны. Именно разные частоты — причина существенных отличий в некоторых свойствах электромагнитных волн.

Если расположить все известные электромагнитные волны в порядке увеличения их частоты (рис. 20.1), увидим, что частоты могут отличаться более чем в раз! Согласитесь, это огромная разница. И поэтому нетрудно представить, насколько разными могут быть свойства электромагнитных волн.

Шкала электромагнитных волн на рис. 20.1 разделена на участки, соответствующие разным диапазонам длин и частот электромагнитных волн, то есть разным видам электромагнитных волн. У волн одного диапазона одинаковый способ излучения и похожие свойства.

Радиоволны — от сверхдлинных с длиной более 10 км до ультракоротких и микроволн с длиной менее 0,1 мм — создаются переменным электрическим током.

Электромагнитные волны оптического диапазона излучаются возбужденными атомами. В данном диапазоне различают:

• инфракрасное (тепловое) излучение (длина волны — от 780 нм до 1-2 мм);
• видимый свет (длина волны — 400-780 нм);
• ультрафиолетовое излучение (длина волны — 10-400 нм).

Рентгеновское излучение (длина волны — 0,01-10 нм) возникает вследствие быстрого (ударного) торможения электронов, а также в результате процессов внутри электронных оболочек атомов.

излучение (длина волны менее 0,05 нм) испускается возбужденными атомными ядрами во время ядерных реакций, радиоактивных преобразований атомных ядер и преобразований элементарных частиц.

Рис. 20.1. Шкала (спектр) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин существующих в природе электромагнитных волн

Радиоволны

В технике наиболее часто используются электромагнитные волны радиодиапазона. Их применяют в мобильной связи, радиовещании, телевидении, для обнаружения и распознавания различных объектов (радиолокация), определения местонахождения объектов (GPS-навигация, GPS-мониторинг и др.), для связи с космическими аппаратами и т. д. (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Микроволновая печь — устройство, в котором используют радиоволны высокой частоты (обычно Гц)

Радиоволны сделали жизнь человека намного комфортнее. Однако они влияют на общее состояние людей и животных, при этом чем короче волны, тем сильнее реагируют на них организмы.

Мощные электромагнитные волны негативно воздействуют на человека. Медики утверждают, что сотовый телефон — опасный источник электромагнитного излучения, тем более что он часто находится вблизи мозга и глаз человека. Поглощаясь тканями головного мозга, зрительными и слуховыми анализаторами, волны передают им энергию. Со временем это может привести к нарушениям нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем.

Инфракрасное излучение

Между радиоволнами и видимым светом расположен участок инфракрасного (теплового) излучения. В промышленности это излучение используют для сушки лакокрасочных поверхностей, древесины, зерна и др. Инфракрасные лучи применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Эти лучи невидимые и не отвлекают внимания человека. Но существуют приборы, которые могут ощущать и преобразовывать невидимое инфракрасное изображение в видимое. Так работают тепловизоры — приборы ночного видения, «улавливающие» инфракрасные волны длиной 3-15 мкм. Такие волны излучают тела, которые имеют температуру от -50 до 500 °С.

Интересно, что многие представители фауны обладают своеобразными «приборами ночного видения», способными воспринимать инфракрасные лучи (рис. 20.3, 20.4).

Рис. 20.3. Глубоководные кальмары кроме обычных глаз имеют еще термоскопические — они расположены на хвосте и улавливают инфракрасные лучи

Рис. 20.4. Американская гремучая змея имеет сверхчувствительный термолокатор, расположенный в лицевой ямке между глазами

Из всего спектра наиболее естественным для организма человека является инфракрасное излучение. Волны, имеющие длины приблизительно 7-14 мкм, по частоте близки излучению человеческого тела и оказывают на организм человека чрезвычайно полезное воздействие. Самый известный естественный источник таких волн на Земле — это Солнце, а самый известный искусственный — дровяная печь, и каждый человек обязательно ощущал на себе их благотворное влияние.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение, в отличие от видимого света и инфракрасного излучения, имеет высокую химическую активность, поэтому его применяют для дезинфекции воздуха в больницах и местах большого скопления людей.

Основной источник естественного ультрафиолетового излучения — Солнце. Атмосфера Земли частично задерживает ультрафиолетовые волны: те, что короче 290 нм (жесткий ультрафиолет), задерживаются в верхних слоях атмосферы озоном, а волны длиной 290-400 нм (мягкий ультрафиолет) поглощаются углекислым газом, водяным паром и тем же озоном.

В больших дозах ультрафиолетовое излучение вредно для здоровья человека (рис. 20.5). Чтобы снизить вероятность солнечного ожога и заболеваний кожи, врачи рекомендуют не находиться летом на солнце между 10 и 13 часами, когда солнечное излучение наиболее интенсивно. Однако в небольших количествах ультрафиолет положительно влияет на человека, так как способствует выработке витамина D, укрепляет иммунную систему, стимулирует ряд важных жизненных функций.

Рис. 20.5. Ультрафиолетовое излучение особо опасно для сетчатки глаза, поэтому высоко в горах, где ультрафиолетовые лучи меньше всего поглощаются атмосферой, нужно обязательно защищать глаза

Рентгеновское

Рентгеновское и излучение:

Чаще всего рентгеновское излучение используют в медицине, ведь оно имеет свойство проходить сквозь непрозрачные предметы (например, тело человека). Костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем другие ткани организма, поэтому кости четко видны на рентгенограмме. Рентгеновскую съемку используют также в промышленности (для выявления дефектов), химии (для анализа соединений), физике (для исследования структуры кристаллов).

Рентгеновское излучение оказывает разрушительное воздействие на клетки организма, поэтому применять его следует чрезвычайно осторожно.

излучение, которое имеет еще большую проникающую способность, используют в дефектоскопии (для выявления дефектов внутри деталей), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (для стерилизации продуктов). На организм человека у-излучение оказывает негативное влияние, в то же время четко направленное и дозированное у-излучение применяют при лечении онкологических заболеваний — для уничтожения раковых клеток (лучевая терапия).

Подводим итоги:

Спектр (шкала) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин электромагнитных волн, существующих в природе.

По способу излучения различают радиоволны (создаются переменным электрическим током); электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение — испускаются возбужденными атомами); рентгеновское излучение (возникает при быстром торможении электронов); излучение (испускается возбужденными атомными ядрами). Электромагнитные волны разных диапазонов имеют разные свойства, поэтому не одинаково влияют на человека и применяются в разных областях.

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. С увеличением частоты волны (с уменьшением ее длины) увеличиваются проникающая способность и химическая активность электромагнитного излучения.

Физические основы современных беспроводных средств связи

Обратившись к шкале электромагнитных волн (см. рис. 20.1), увидим, что наибольший ее участок принадлежит радиоволнам. Так как частоты этих волн существенно отличаются, то отличаются и свойства волн. Подробнее о радиоволнах вы узнаете в старшей школе, а сейчас остановимся на применении ультракоротких радиоволн (длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров).

Особенности распространения ультракоротких радиоволн

По своим свойствам ультракороткие радиоволны очень близки к световым лучам: они распространяются в пределах прямой видимости, их можно посылать узкими пучками. Именно эти свойства обеспечили широкое применение ультракоротких радиоволн в радиолокации, беспроволочной связи, спутниковом телевидении. Узкий луч меньше рассеивается (что позволяет применять менее мощные передатчики), его проще принимать.

Почему мобильную радиосвязь называют сотовой

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Для сотовой связи используют электромагнитные волны частотой от 450 до 3000 МГц. Главная особенность такой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на небольшие участки — соты (их так называют, поскольку они имеют форму шестиугольника). Каждая ячейка сот имеет площадь около 25 и обслуживается отдельной базовой станцией. Соты, частично перекрываясь, образуют сеть (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Основные составляющие сотовой сети: сотовые телефоны, базовые станции, центры коммутации

Каждый из вас умеет пользоваться мобильным телефоном. А как он осуществляет связь?

Когда вы включаете телефон, он начинает «прослушивать» эфир и улавливает сигнал базовой станции той ячейки, где вы на данный момент находитесь. После этого телефон излучает радиосигнал — посылает станции свой идентификационный код. С этого момента телефон и станция будут поддерживать радиоконтакт, периодически обмениваясь сигналами.

Но вы не всегда находитесь в одном месте, и, если в какой-то момент окажетесь в другой ячейке, ваш телефон наладит связь с базовой станцией этой ячейки. Ячейки частично перекрываются, поэтому вы даже не заметите, что вас начала обслуживать другая станция. А вот если телефон не сможет найти ближайшую станцию и передать ей свой код, связь прервется и на дисплее появится информация об отсутствии сети.

Описанными процессами «руководят» центры коммутации, которые связаны с базовыми станциями проводными каналами связи. По сути центр коммутации непрерывно «отслеживает» месторасположение вашего мобильного телефона. Он «передает» вас, как эстафетную палочку, от одной базовой станции к другой, когда вы «путешествуете» из ячейки в ячейку. Именно через центры коммутации осуществляется выход на другие сети: вы можете позвонить товарищу, телефон которого обслуживается другим оператором, сделать звонок на стационарный телефон, воспользоваться Интернетом и т. д.

Радиолокация

Свойство радиоволн отражаться от металлов установил Г. Герц. Со временем выяснили, что электромагнитные волны отражаются от любых тел, и чем лучше тело проводит электрический ток, тем больше энергия отраженной волны. На отражении радиоволн основана радиолокация.

Радиолокация — способ обнаружения, распознавания и определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка — радиолокатор (радар) — обеспечивает излучение радиоволн, а также прием радиоволн, отраженных от объекта (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Принцип работы радиолокатора

Если радиоволны излучать во всех направлениях или широким пучком, они будут отражаться одновременно от многих тел и выяснить, где находится интересующий объект, например самолет, будет невозможно. Поэтому радиолокатор посылает волны направленно и узким пучком, а обнаружение отраженного сигнала свидетельствует, что объект находится в направлении распространения радиоволн (рис. 21.3).

Рис. 21.3. Излучение узкого направленного пучка ультракоротких радиоволн и прием отраженного сигнала обеспечивает параболическая антенна радиолокатора

Различают два основных режима работы радиолокатора. В режиме поиска (сканирования антенна радиолокатора все время сканирует пространство (например, поворачивается по горизонтали и одновременно движется вниз-вверх). В режиме наблюдения антенна все время направлена на выбранный объект.

Как работает радиолокатор:

Радиосигнал, посылаемый радиолокатором, представляет собой короткий (продолжительностью миллионные доли секунды), но очень мощный импульс. Как только импульс послан, антенна радиолокатора автоматически переключается на прием: радиолокатор «слушает» эфир — ждет отраженного сигнала. У приемника высокая чувствительность (отраженный радиосигнал довольно слаб), поэтому на время излучения импульса приемник отключают, иначе аппаратура испортится.

Через определенный интервал времени (значительно больший, чем продолжительность импульса) антенна снова переключается на радиопередатчик, а радиолокатор посылает следующий импульс.

Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до цели и обратно. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе практически равна скорости распространения света в вакууме поэтому:

Интервал времени очень мал. Так, если расстояние до объекта равно 120 км, то отраженный радиосигнал вернется через

Радиолокаторы создавались исключительно в военных целях — для обнаружения самолетов противника (рис. 21.4). Со временем радиолокацию стали применять в других областях. Сейчас все воздушные, морские и океанские суда оснащены радиолокаторами — они помогают найти свободные проходы между облаками или айсбергами, в плохую погоду избежать столкновения с другими судами, уточнить курс и т. д. (рис. 21.5).

Рис. 21.4. Современный «летающий радар» может обнаружить самолет противника на расстоянии 540 км

Рис. 21.5. Радар современного морского судна

Радиолокационные станции в аэропортах помогают совершить посадку воздушным судам, а станции, установленные вдоль побережья, обеспечивают безопасный вход кораблей в порт.

Радиолокацию применяют в научных исследованиях, метрологии, сельском и лесном хозяйстве. Она помогает составить карты рельефа земной поверхности, исследовать плотность растительного покрова, обнаружить лесной пожар, определить состав почвы и т. д.

Важное значение имеет радиолокация в космических исследованиях. Запуски и посадки космических аппаратов невозможны без использования радиолокаторов. С помощью радиолокации были уточнены расстояния до Луны, Венеры, Марса. Радиолокаторы, установленные на искусственных спутниках Венеры, помогли проникнуть сквозь толщу облаков этой планеты и определить ее рельеф.

Подводим итоги

Сейчас особенно широко используют волны ультракороткого диапазона: с помощью специальных антенн их можно направить узким пучком, который меньше рассеивается, что позволяет использовать менее мощные передатчики; ультракороткие радиоволны применяют в сотовой связи, спутниковом телевидении, радиолокации. Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор создает узкий направлений пучок радиоволн и принимает радиоволны, отраженные от объектов. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно:

Механические и электромагнитные волны

1. Вы узнали о существовании механических волн и их видах.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Механическая волна — распространение колебаний в упругой среде.
Продольные	Поперечные
Частицы колеблются вдоль направления распространения волны Сжатие и растяжение среды	Частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны Относительное смещение слоев среды

2. Вы узнали о физических величинах, характеризующих механические волны, и установили соотношения между ними.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Частота волны	Скорость распространения волны	Длина волны
Равна частоте колебаний источника волны	Изменяется при переходе из одной среды в другую
Формула волны:

3. Вы ознакомились со звуковыми волнами и выяснили, что звуковые волны — это механические волны определенной частоты.

ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Инфразвук (1 мГц — 20 Гц)	Слышимый звук (20 Гц — 20 кГц)	Ультразвук (свыше 20 кГц)
Оказывает негативное воздействие на здоровье человека	Высота звука определяется частотой звуковой волны; громкость — амплитудой	Используют в медицине, дефектоскопии, эхолокации

4. Вы узнали, что теоретические исследования Дж. Максвелла и многочисленные эксперименты доказали неразрывную связь между электрическими и магнитными полями. Эти поля образуют единое электромагнитное поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие заряженных тел и частиц с намагниченными телами
Формы проявления электромагнитного поля
Электрическое поле	Магнитное поле
Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле

5. Вы узнали, что в природе существуют электромагнитные волны, ознакомились со свойствами электромагнитных волн разных диапазонов и некоторыми примерами их применения.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля
Некоторые общие свойства электромагнитных волн
Распространяются в вакууме с одинаковой скоростью:	Отражаются от проводящих поверхностей, при этом угол отражения равен углу падения	Преломляются на границе двух диэлектриков	Длина и частота волны в вакууме связаны формулой волны:

Увеличивается частота, уменьшается длина электромагнитной волны

Радио-волны	Оптический диапазон	Рентге- новское излучение	излучение
инфракрасное излучение	видимый свет	ультрафиолето- вое излучение

Увеличивается проникающая способность, усиливается химическая активность

6. Вы узнали, что на свойствах ультракоротких радиоволн распространяться узким пучком и отражаться от препятствий основана радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно:

Содержание:

1. Электромагнитные колебания и волны
2. Колебательный контур
3. Собственные электромагнитные колебания. Период и частота
4. Затухающие электромагнитные колебания
5. Трёхэлектродная электронная лампа
6. Получение незатухающих электромагнитных колебаний
7. Вынужденные колебания. Резонанс
8. Электромагнитное поле
9. Электромагнитные волны
10. Излучение и приём электромагнитных волн
11. Передатчик и приёмник А. С. Попова
12. Модулированные колебания
13. Детектирование
14. Простейший ламповый радиоприёмник
15. Электронная лампа в роли усилителя электромагнитных колебаний
16. Электронно-лучевая трубка
17. Радиолокация
18. Изобретение радио А. С. Поповым
19. Свойства электромагнитных волн
20. Применение токов высокой частоты
21. Превращение энергии в закрытом колебательном контуре. Частота собственных колебаний
22. Затухающие электромагнитные колебания. Электрический резонанс
23. Получение незатухающих колебаний с помощью лампового генератора
24. Токи высокой частоты и их применение
25. Электромагнитное поле как особый вид материи
26. Открытый колебательный контур. Излучение
27. Электромагнитные волны. Скорость их распространения
28. Опыты Герца
29. Изобретение радио А. С. Поповым. Радиотелеграфная связь
30. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция
31. Устройство простейшего лампового радиоприемника с усилителем низкой частоты
32. Понятие о радиолокации

Электромагнитными колебаниями называют периодические (или почти периодические) взаимосвязанные изменения зарядов, токов, напряженностей электрического и магнитного полей. Распространение электромагнитных колебаний в пространстве происходит в виде электромагнитных волн.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – это электромагнитные колебания с периодической изменёностью напряжения E и индукции B. Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.

Колебательный контур

Основным элементом радиотехнических устройств является колебательный контур. Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора С и катушки индуктивности L (рис. 214а).

Повернув переключатель Р на контакт а (рис. 214, б), можно зарядить конденсатор, т. е. сообщить ему некоторую электрическую энергию.

Если теперь отключить конденсатор от батареи, то на его обкладках останется некоторый электрический заряд: положительный на одной обкладке и отрицательный на другой.
При повороте переключателя в положение b электроны начнут перетекать с пластины, где они были в избытке, к пластине, где их недостаток; в цепи контура появится электрический ток, наличие которого регистрирует вспыхнувшая лампочка К, включённая в цепь контура.

Электрический ток, протекая по катушке индуктивности, создаёт магнитное поле внутри и вокруг катушки. Таким образом, при разряде конденсатора происходит переход энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки аналогично тому, как происходит переход потенциальной энергии отклонённого маятника в кинетическую энергию при его движении к положению равновесия. Мы знаем, что маятник, достигнув своего положения равновесия, не остановится, а будет продолжать движение дальше по инерции. В процессе этого движения происходит переход приобретённой им кинетической энергии в потенциальную. Нечто аналогичное имеет место и в случае электромагнитных колебаний в контуре.

Чтобы разобраться более подробно в процессах, которые будут протекать в колебательном контуре после того, как конденсатор разрядился и вся энергия электрического поля перешла в энергию магнитного поля, обратимся к опыту. Воспользуемся осциллографом и соберём установку, изображённую на рисунке 215, с помощь которой получим график, изображающий процесс изменения тока в колебательном контуре в зависимости от времени.

Полученный на экране Э график изменения тока в цепи даёт картину происходящего в колебательном контуре процесса. Из графика видно, что разрядный ток не мгновенно достигает своего максимального значения, а нарастает постепенно, так же как постепенно разряжается сам конденсатор. Причиной этого явления служит возникновение в цепи э. д. с. самоиндукции, которая препятствует любому изменению электрического тока в этой цепи.

После того как ток в катушке достигнет наибольшего значения и напряжение на обкладках конденсатора упадёт до нуля, ток, продолжая течь, начнёт перезаряжать конденсатор. Возникшее при этом электрическое поле, будучи направлено теперь против тока, начнёт уменьшать величину его. Уменьшение же тока в контуре вызовет появление в катушке индуктивности э. д. с. самоиндукции.

Поддерживаемый э. д. с. самоиндукции ток в катушке, постепенно ослабевая, будет продолжать течь до тех пор, пока не закончится перезарядка конденсатора.

Когда же перезарядка конденсатора закончится, ток станет равен нулю, а напряжение на конденсаторе достигнет максимума.

С окончанием процесса перезарядки конденсатора энергия магнитного поля катушки окажется превращённой в энергию электрического поля, существующего между пластинами конденсатора, причём направление напряжённости этого поля будет противоположно начальному. Дальше конденсатор, вновь разряжаясь, создаёт ток противоположного направления. Энергия электрического поля постепенно начнёт убывать, превращаясь в энергию магнитного поля, которая в свою очередь опять перейдёт при повторной перезарядке конденсатора в энергию электрического поля, и т. д.

Таким образом, в цепи, состоящей из конденсатора и катушки индуктивности, будет переменный ток. Напряжение и ток в катушке периодически изменяются по величине и направлению. Периодически изменяются напряжённости электрического поля в конденсаторе и магнитного поля в катушке.

Периодические изменения напряжённости магнитного поля и напряжённости электрического поля называются электромагнитными колебаниями.

На рисунке 216, а изображены процессы превращения энергии в колебательном контуре, а на рисунке 216,б показаны аналогичные явления с превращением энергии при колебании маятника.

Собственные электромагнитные колебания. Период и частота

Рассмотренные нами в предыдущем параграфе электромагнитные колебания, возникающие в контуре, которому сообщён некоторый запас энергии, называются собственными электромагнитными колебаниями.

Чем большая энергия была сообщена контуру, тем с большей амплитудой будут происходить колебания в контуре.

Периодом электромагнитных колебаний называется промежуток времени, в течение которого напряжение на обкладках конденсатора или ток в колебательном контуре совершает одно полное колебание. Период колебания измеряется секундами.

Для получения контура с заданной частотой колебания применяются конденсаторы различной ёмкости и катушки различной индуктивности. А для того чтобы можно было изменять частоту собственных колебаний контура, применяются конденсаторы с переменной ёмкостью (§24) и катушки с переменной индуктивностью. На рисунке 217 изображены катушки, обладающие различной индуктивностью, применяемые в радиотехнике.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем в течение большего времени он будет разряжаться, с другой стороны, чем больше индуктивность, тем медленнее будет происходить нарастание тока в цепи и медленнее будет разряжаться конденсатор.

Зависимость периода собственных колебаний Т от величины ёмкости и индуктивности колебательного контура определяется формулой Томсона (Кельвина):

где L — индуктивность в генри, С — ёмкость в фарадах, а Т — период в секундах.

Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний    Частота колебаний измеряется в герцах (гц). 1 гц— одно колебание в секунду.

Так как в радиотехнике приходится иметь дело с очень большими частотами колебаний, то на практике часто применяются единицы, в 1000 раз большие,— килогерц (кгц) и, в раз большие—мегагерц (Мгц). .

Затухающие электромагнитные колебания

На графике тока, текущего в колебательном контуре (рис.218), видно, что амплитуда тока непрерывно уменьшается. Этот факт указывает на то, что в колебательном контуре не вся энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля, часть её непрерывно расходуется на преодоление сопротивлений в контуре. Если контур не пополнять энергией, то колебательный процесс в нём практически очень быстро прекратится, подобно тому как прекращается колебательный процесс маятника, который также непрерывно расходует сообщённую ему однажды энергию на преодоление различных видов сопротивлений. Как механические, так и электрические колебания подобного вида называются затухающими колебаниями. Чтобы процесс затухания колебаний проходил медленнее, необходимо уменьшить величину сопротивления контура, что уменьшит количество энергии, идущей на нагревание проводников контура. Но невозможно создать колебательный контур, в котором свободные колебания продолжались бы как угодно долго, так как сопротивление элементов контура нельзя сделать равным нулю. Поэтому свободные колебания в колебательном контуре всегда будут затухающими колебаниями. 

Трёхэлектродная электронная лампа

В современной радиотехнике используются главным образом незатухающие электромагнитные колебания, получаемые при помощи трёхэлектродной электронной лампы. Устройство и схематическое изображение такой лампы показано на рисунке 219.

В этой лампе нить накала, нагреваемая специальной батареей накала, окружена металлической спиралью, помещённой внутри металлического цилиндра. В баллоне, в котором помещены все
три электрода лампы, создаётся высокий вакуум. Спираль, окружающая нить, называется сеткой, металлический же цилиндр — анодом, нить накала, как и в двухэлектродной лампе, служит катодом. Два конца нити накала, конец сетки и анода выведены через баллон наружу лампы и включаются в цепь при помощи четырёх ножек.

Какую роль играет сетка в электронной лампе?
Создавая то или иное напряжение между сеткой и нитью, при помощи вспомогательной батареи (рис. 220) можно усиливать или ослаблять анодный ток, не меняя анодного напряжения. Действительно, если потенциал сетки выше потенциала нити, то сетка притягивает электроны из электронного облачка около нити. Эти электроны проскакивают между витками сетки и достигают анода. Если же потенциал сетки ниже потенциала нити, то она отталкивает электроны, вследствие чего электронный поток к аноду ослабляется или даже совсем прекращается. В последнем случае принято говорить, что лампа «заперта».

На рисунке 221 показан график сеточной характеристики лампы. По горизонтальной оси откладывается напряжение между сеткой и катодом , а по вертикальной оси — ток в анодной цепи .

Благодаря близости сетки к нити влияние сетки на интенсивность электронного потока очень велико. Небольшие колебания напряжения между сеткой и нитью вызывают весьма большие колебания электронного потока, т. е. тока в анодной цепи. Это ценнейшее свойство трёхэлектродной электронной лампы делает её незаменимой в радиотехнике, где часто требуется усиливать весьма слабые электрические колебания.

Получение незатухающих электромагнитных колебаний

Для получения незатухающих высокочастотных колебаний, применяемых в радиосвязи, используется ламповый генератор. Задачей лампового генератора является преобразование энергии постоянного тока, даваемого источниками тока, в энергию переменного тока высокой частоты, возникающего в колебательном контуре.

Простейшая схема такого генератора представлена на рисунке 222. Она состоит из колебательного контура, электронной лампы и источников питания.

Если при разогретом катоде K (электронной лампы ключом замкнуть анодную цепь, то по ней пойдёт ток, который зарядит конденсатор С контура. Последний будет разряжаться на катушку , и в контуре возникнут колебания, частота которых определится величинами ёмкости и индуктивности контура.

Переменный ток, проходящий через катушку , индуктирует в сеточной катушке переменную э. д. c., частота которой равна частоте колебаний в контуре.

Так как концы катушки присоединены один к сетке, а другой к нити накала лампы К, то в ламповом промежутке сетка — катод возникает той же частоты переменное электрическое поле, а между сеткой и катодом — переменное напряжение. Это переменное напряжение управляет анодным током в цепи лампы, то увеличивая, то уменьшая его, в такт с колебаниями в контуре.

Рассмотрим несколько подробнее этот процесс.

В течение полупериода потенциал сетки положителен — лампа «открыта»; через неё проходит анодный ток. В течение первой половины этого полупериода, когда на верхней обкладке конденсатора С накапливается отрицательный заряд, анодный ток будет подзаряжать конденсатор, пополняя его заряд. При разряде конденсатора, происходящем в течение второй половины этого же полупериода, анодный ток увеличивает силу разрядного тока, текущего через катушку .

В течение второго полупериода потенциал сетки отрицателен — лампа «запирается», и анодный ток в ней прекращается. Описанный процесс повторяется в каждый период.

Таким образом, в генераторе лампа в течение каждого периода автоматически в нужные моменты времени включает батарею в колебательный контур, обеспечивая пополнение энергии в нём, и этим поддерживает в контуре незатухающие колебания.

Графически незатухающие колебания изобразятся периодически изменяющейся кривой с постоянной амплитудой.

Хорошей аналогией энергетических процессов, происходящих в ламповом генераторе незатухающих колебаний, являются процессы превращения энергии в маятниковых часах. Незатухающие колебания маятника поддерживаются за счёт энергии пружины или поднятой гири, а роль лампы выполняет храповый механизм, дважды за период обеспечивающий пополнение энергией качающийся маятник.

Вынужденные колебания. Резонанс

Представим себе, что мы раскачиваем маятник, действуя на него периодически изменяющейся силой. В этом случае маятник будет совершать колебания не самостоятельно, не свободно, а под действием периодической внешней силы. Такие колебания маятника называются вынужденными колебаниями (см. ч. II).

Вынужденные колебания маятника будут происходить с частотой, которая определяется только частотой изменения внешней силы.

Вынужденные колебания могут поддерживаться внешней силой так, что амплитуда колебаний маятника будет постоянной, т. е. можно получить вынужденные незатухающие колебания. Убыль энергии маятника в таких колебаниях непрерывно пополняется за счёт работы внешней силы, действующей на маятник.

В электрических колебательных контурах также могут происходить вынужденные электромагнитные колебания.

Если в каком-либо колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивностью L и конденсатора ёмкостью С (рис. 223), всё время действует генератор переменного тока, то э. д. с. генератора будет вызывать в этом контуре переменный электрический ток с частотой колебаний э. д. с. генератора. Частота этих вынужденных колебаний в общем случае не совпадает с частотой собственных колебаний контура, определяемых по формуле:

Если эта внешняя переменная э. д. с. имеет постоянную амплитуду, то и вынужденные колебания в контуре будут происходить с постоянной амплитудой, т. е. будут незатухающими.

Таким образом, в колебательном контуре могут существовать два типа колебаний: 1) собственные колебания, частота которых определяется свойствами самого контура, его индуктивностью и ёмкостью, и 2) вынужденные колебания, частота которых определяется действующей в контуре э. д. с. и может быть различной.

Когда собственная частота колебательного контура далека от частоты э. д. е., действующей в контуре, общее сопротивление контура велико и ток в нём незначителен.

При сближении частоты собственных колебаний контура и частоты э. д. е., действующей в контуре, наблюдается увеличение тока в контуре, и, когда наступает совпадение частот, сопротивление контура становится наименьшим, равным активному, а ток становится наибольшим.

Такой случай является особенно важным, ом называется резонансом.

Итак, условием возникновения резонанса в колебательном контуре является равенство частоты внешнего подаваемого на контур напряжения частоте собственных колебаний контура.

На рисунке 224 показан примерный вид кривых резонанса. На горизонтальной оси отложена переменная собственная частота контура (частота внешнего приложенного напряжения обычно бывает постоянной), по вертикальной оси отложены значения тока в контуре. При резонансе ток в контуре (т.е. амплитуда вынужденных колебаний) получается наибольшим, ток в этом случае будет зависеть только от приложенного к контуру напряжения и активного сопротивления цепи. При отклонении частоты в любую сторону от резонансной ток в контуре уменьшается.

Чем меньше сопротивление контура, т. е. чем меньше затухание, тем сильнее ток в контуре и круче кривая резонанса. Такой случай принято называть острым резонансом.

Контур, обладающий острым резонансом, очень чувствителен к колебаниям резонансной частоты. Наоборот, при большом затухании колебаний в контуре (большое сопротивление контура) ток при резонансе небольшой, резонансная кривая пологая и резонанс получается тупой. На рисунке 224 показаны три резонансные кривые для сопротивлений

Явление резонанса широко применяется в радиотехнике. С этим явлением, например, мы встречаемся при настройке радиоприёмника на какую-нибудь передающую радиостанцию. Поворачивая ручку настройки, мы тем самым изменяем ёмкость конденсатора, а стало быть, и частоту собственных колебаний контура приёмника. Когда частота собственных колебаний в соответствующих контурах радиоприёмника совпадает с частотой, на которой работает передающая радиостанция, наступает резонанс: ток в контурах радиоприёмника достигает максимума, и громкость приёма данной радиостанции получается наибольшей. В этом и состоит сущность настройки приёмника на передающую станцию.

Явление резонанса двух контуров можно пронаблюдать на опыте с помощью установки, изображённой на рисунке 225.

Первичный колебательный контур состоит из лейденской банки, прямоугольной проволочной петли и искрового разрядника. Этот контур будет обладать определённой ёмкостью и индуктивностью. При подведении к разряднику А напряжения лейденская банка разряжается, и при некотором напряжении на её обкладках в разряднике проскакивает искра. Искра, представляющая собой токопроводящий мостик, замыкает контур; при этом в контуре возникают затухающие колебания. В момент, когда искра гаснет, колебания прекращаются и происходит новая зарядка банки от источника напряжения. Колебательный процесс в контуре для данного случая можно представить в виде отдельных следующих друг за другом серий затухающих колебаний с собственной частотой контура.

Второй контур имеет также лейденскую банку с ёмкостью, равной или близкой к ёмкости банки первого контура, и проволочной петлёй таких же размеров, но с перемещающейся перекладиной CD для изменения индуктивности контура. Меняя местоположение перекладины, добиваются того, чтобы газосветная лампочка L, присоединённая к внутренней и наружной обкладкам банки, ярко вспыхнула. Свечение лампочки показывает, что напряжение на обкладках конденсатора достигло наибольшей величины. Это случится, когда второй контур окажется настроенным в резонанс на частоту первого контура.

С вынужденными электромагнитными колебаниями и явлением резонанса мы встречаемся не только в радиотехнике, но и в электротехнике. Так, переменный ток в любой цепи представляет собой вынужденные электромагнитные колебания в ней. Каждая данная цепь переменного тока, обладая индуктивностью и ёмкостью, обладает вместе с этим и собственной частотой колебания. Если собственная частота цепи окажется равной частоте э. д. с. генератора, питающего цепь, то ток в цепи достигнет максимума. В этом и заключается явление резонанса в цепи переменного тока.

Это явление можно наблюдать на установке, схема которой дана на рисунке 226. В этой установке цепь состоит из катушки индуктивности L (обмотка трансформатора) и конденсатора С.

Реостат с сопротивлением R введен для ограничения тока в цепи при резонансе; амперметр А регистрирует изменения тока в цепи. Катушка с индуктивностью L и конденсатор с ёмкостью С включены последовательно. Изменяя величину индуктивности или ёмкости цепи, добиваются наибольшего тока в цепи. Величина этого тока при резонансе определяется только включённым в цепь реостатом с сопротивлением R.

 

Электромагнитное поле

В основе радиосвязи лежит учение об электромагнитном поле, развитое Максвеллом.

Чтобы понять сущность теории Максвелла, рассмотрим наиболее общий случай индукции. Представим себе проводник, концы которого присоединены к гальванометру (рис. 227). Допустим теперь, что площадь, ограниченную нашим проводником, пронизывают силовые линии магнитного поля Н. При всяком изменении этого магнитного поля, согласно закону индукции, в проводнике будет возникать э. д. с. индукции, которая возбудит в нём ток.

На первый взгляд представляется, что проводник в явлении электромагнитной индукции играет главную роль. Однако это не так. Максвелл установил, что проводник позволяет лишь обнаружить явление индукции. Истинная сущность этого явления заключается в том, что в пространстве, где изменяется магнитное поле, возникает изменяющееся электрическое поле.

В отличие от поля неподвижных зарядов, силовые линии изменяющегося электрического поля замкнуты так же, как и силовые линии магнитного поля.

Максвелл теоретически обосновал, что между электрическими и магнитными полями существует теснейшая связь: всякое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве изменяющегося электрического поля. Аналогично, всякое изменение электрического поля вызывает появление в окружающем пространстве изменяющегося магнитного поля.

Чем с большей скоростью происходит изменение напряжённости электрического поля, тем более сильнее возникает магнитное поле, связанное с электрическим полем. Точно так же при  большей скорости изменения напряженности магнитного поля появляется более сильное электрическое поле, связанное с магнитным полем.

Совокупность переменного электрического поля и неразрывно связанного с ним переменного магнитного поля называется электромагнитным полем.

 

Важнейшая особенность электромагнитного поля заключается в том, что оно распространяется в пространстве с громадной скоростью; именно это и обеспечивает возможность осуществления радиосвязи.

Электромагнитные волны

Быстропеременное электромагнитное поле обладает тем замечательным свойством, что оно не остаётся вокруг проводов, а распространяется в окружающем пространстве.
Если в какой-либо точке пространства возникло быстро изменяющееся электрическое поле, то оно в соседних точках пространства возбуждает магнитное поле, которое (поскольку оно тоже изменяется) возбуждает электрическое поле, и т. д.

Изменяющиеся электрические и магнитные поля захватывают всё новые и новые области пространства, распространяясь в вакууме со скоростью около 300 000 км/сек, т. е. с такой же скоростью, с какой распространяется свет. В процессе распространения электромагнитного поля происходит перенос энергии, которой обладает это поле.

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

 

Источником электромагнитных волн могут быть не только специальные устройства—передатчики, но и любые искровые электрические разряды, например грозовые разряды.

Теория и опыт показывают, что векторы напряжённости электрического и магнитного поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения.

На рисунке 228 изображены графики изменения напряжённостей электрического (Е) и магнитного (Н) полей электромагнитной волны, распространяющейся в направлении OZ.

Расстояние, на которое перемещается волна за промежуток времени, равный одному периоду колебания, называется длиной волны .

Следовательно,

или

В этих формулах с —скорость распространения электромагнитных волн; Т — период колебания и f—частота колебаний.

По существующим международным соглашениям различают следующие виды радиоволн.

В радиотехнической практике принято называть волны от 2000 до 750 м длинными, от 750 до 200 м средними, от 50 до 10 м короткими и короче 10 м ультракороткими.

 

Излучение и приём электромагнитных волн

В колебательном контуре (рис.229,а,б), состоящем из катушки и конденсатора, возникающее переменное магнитное поле сосредоточено главным образом в катушке, а электрическое поле — между обкладками конденсатора. Такой контур, называемый закрытым контуром, электромагнитные волны в пространство почти не излучает.

Излучение электромагнитных волн можно осуществить с помощью открытого колебательного контура, показанного на рисунке 229,в. На этом рисунке верхняя обкладка конденсатора заменена проводом, который располагается как можно выше над землёй. Нижний провод, заменяющий другую обкладку конденсатора, располагается у самой земли или просто заменяется землёй («заземляется»).

Вертикальный провод, соединяющий верхний и нижний горизонтальные проводы, в радиотехнике называется снижением.
Провод снижения принимает главное участие в излучении электромагнитных воли. Вся рассмотренная система проводов называется антенной.

Антенна была впервые изобретена А. С. Поповым. Им же впервые было применено при радиопередаче и радиоприёме заземление.

Изображённый на рисунке 229, в контур называется открытым колебательным контуром.

Катушка L, включённая в провод снижения, связывает его с катушкой индуктивности высокочастотного генератора. Это даёт возможность поддерживать в открытом колебательном контуре непрерывные электромагнитные колебания. Для получения наибольшей амплитуды этих колебаний антенна должна быть настроена в резонанс с генератором электромагнитных колебаний.

Электромагнитные волны, излучённые антенной, распространяются во все стороны от антенны. Если на своём пути электромагнитные волны встречают проводники, они возбуждают в них быстропеременные токи той же частоты, какова частота создавшего их электромагнитного поля.

При этом часть энергии, которую несут с собой электромагнитные волны, превращается в энергию индукционных токов высокой частоты, возникающих в проводниках.

Проводники, в которых электромагнитные волны возбуждают переменные токи высокой частоты, называются приёмными антеннам и.

Передатчик и приёмник А. С. Попова

Максвелл теоретически, а Герц на опыте доказали существование электромагнитных волн. Великая заслуга А. С. Попова заключается в получении и применении электромагнитных волн для практических целей — телеграфирования без проводов.

В своих первых опытах по радиосвязи в качестве радиопередатчика Попов использовал простейший вибратор Герца, колебания в котором возбуждались искровым разрядом. Вибратор Герца состоит из двух проводников одинаковой длины, разделённых небольшим промежутком. К проводникам присоединяется источник высокого переменного напряжения.

Когда напряжение между проводниками достигает величины, при которой через разрядник проскакивают искры, в вибраторе возникают колебания. При этом в окружающее пространство излучаются электромагнитные волны.

Вибратор Герца Попов заменил заземлённой антенной.

Схема такого передатчика изображена на рисунке 230. Здесь V — источник высокого переменного напряжения, питаемый батареей Б. При нажатии ключа К в искровом промежутке образуется искра, представляющая собой колебательный процесс, вследствие чего антенна А начнёт излучать электромагнитные волны. Эти волны, достигая антенны приёмной станции (рис. 231), возбуждают электромагнитные колебания в цепи, содержащей эту заземлённую антенну и когерер Т.

Существенной частью радиоприёмника Попова являлся чувствительный индикатор электромагнитных колебаний — когерер.

Когерер состоит из стеклянной трубочки, в которую вставлены два электрода, а между этими электродами помещены металлические опилки. Сопротивление металлических опилок резко уменьшается, когда через опилки проходит ток высокой частоты. Если после этого встряхнуть трубочку или слегка ударить по ней, то сопротивление опилок вновь увеличивается.

Когда под действием возникших в цепи антенны высокочастотных колебаний сопротивление когерера уменьшается, то ток от элемента Е, идущий через когерер и обмотку электромагнита Р, усиливается. Вследствие этого якорь электромагнита притягивается и замыкает цепь мощной батареи В. Эта батарея питает параллельно соединённые телеграфный аппарат ТА и электромагнит М. Назначение электромагнита М — приводить в колебание молоточек, который, ударяя по когереру, встряхивает его и прекращает ток в цепи батареи В. На ленте в телеграфном аппарате будет записана чёрточка или точка, в зависимости от того, на длинный или короткий промежуток времени ключ К на передающей станции(рисунок 230) замыкает цепь.

Нетрудно видеть, что электромагнит Р с железным сердечником и контактом представляет собой не что иное, как электромагнитное реле, работающее при слабых токах.

Дальнейшим усовершенствованием Попова было введение настройки антенны на определённую частоту.

В 1897 г. А. С. Попов поставил ряд опытов по передаче радиосигналов на судах Балтийского флота.

Зимой 1899 г. радио было использовано при проведении работ по спасению севшего на камни броненосца «Генерал-адмирал Апраксин». А. С. Попов со своими помощниками П. Н. Рыбкиным и Д. С. Троицким во время спасательных работ поддерживал связь между островом Гогланд, у которого броненосец сел на камни, и местечком Котке па побережье, на расстоянии около 50 км от острова. Тогда же радио было использовано для спасения рыбаков, угнанных на льдине в море. Это было первое практическое применение радио. В это время П. Н. Рыбкиным было сделано очень важное открытие— приём сигналов на слух, на телефонную трубку, которое позволило увеличить дальность радиосвязи.

Улучшая конструкцию передающих и приёмных аппаратов и усиливая мощность передатчиков, А. С. Попов довёл передачу радиосигналов до нескольких сот километров.

А. С. Попов был замечательным учёным и горячим патриотом своей родины. Американские капиталисты неоднократно предлагали ему продать своё изобретение и переехать в Америку. Но А. С. Попов решительным образом отвергал подобные предложения и в ответ писал:

«Я русский человек, и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения имею право отдать только своей родине… И если не современники, то, может быть, потомки наши поймут, сколь велика моя преданность нашей родине и как счастлив я, что не за рубежом, а в России открыто новое средство связи».

Модулированные колебания

Для передачи звуков по радио нужно воздействием звуковых колебаний вызвать соответствующие им изменения в излучаемых антенной электромагнитных волнах. Для этого в цепи микрофона возбуждают колебания электрического тока, которые в точности соответствуют звуковым колебаниям, действующим на микрофон (рис.233, а). Колебания электрического тока в цепи микрофона индуктируют на концах вторичной обмотки трансформатора Т, включённого в цепь микрофона, переменное напряжение.

Вторичная обмотка трансформатора включается в цепь сетки  лампового генератора высокой частоты (рис. 232). Таким образом, на сетку лампы подаётся переменное напряжение звуковой частоты. В результате этого амплитуда высокочастотных колебаний (рис. 233,б) в колебательном контуре генератора меняется в соответствии с изменениями напряжения на сетке лампы, происходящими со звуковой частотой (рис. 233, в).

Высокочастотные колебания, в которых происходят изменения амплитуды колебаний, соответствующие передаваемым звукам или каким-нибудь другим сигналам, называются модулированными колебаниями, а самый процесс этих изменений — модуляцией.

Детектирование

Детекторный приёмник. Радиоприёмник состоит в основном из следующих элементов: 1) антенны, 2) колебательного контура, 3) детектирующего устройства и 4) телефонной трубки.

Так как в антенне радиотелефонного передатчика высокочастотные токи, протекающие в ней, являются модулированными, то и электромагнитные волны, излучаемые антенной, будут тоже модулированными. Такие же модулированные колебания возникают и в антеннах радиоприёмников.

Чтобы обеспечить получение звука в радиоприёмной установке, необходимо преобразовать высокочастотные модулированные колебания в колебания звуковой частоты, с помощью которых была осуществлена модуляция в радиотелефонном передатчике. Процесс преобразования модулированных колебаний в колебания звуковой частоты носит название детектирования.

Детектирование осуществляется путём использования полупроводников или специальных устройств, обладающих односторонней проводимостью, которые носят название детекторов.

В цепи, содержащей детектор, происходит выпрямление модулированных колебаний. Ток, текущий в цепи детектора, представляет собой пульсирующий ток переменной величины (рис. 233,г). Этот пульсирующий ток можно рассматривать как сочетание высокочастотных пульсаций и колебаний звуковой частоты (рис. 233,д). Для того чтобы полностью осуществить разделение высокочастотных пульсаций и тока звуковой частоты, достаточно в цепи детектора создать разветвление, причём такое, в котором одна из ветвей была бы легкопроходимой для высокочастотных токов, другая же представляла для таких токов большое сопротивление, а для токов звуковой частоты обладала бы незначительным сопротивлением.

Таким разветвлением являются, например, параллельно соединённые конденсатор и телефон. Через конденсатор будут проходить высокочастотные токи, через обмотки телефона в основном будет протекать ток звуковой частоты. В телефоне будут, таким образом, воспроизводиться звуковые колебания той же частоты (рис. 233, д), как и частота звуковых колебаний (рис. 233, а), с помощью которых осуществлялась модуляция высокочастотных колебаний в радиопередатчике.

Простейшими детекторами являются кристаллические детекторы, в которых контакт между кристаллом и металлом или между двумя кристаллами обладает односторонней проводимостью.

На рисунке 234 изображена наглядная схема детекторного радиоприёмника. На этой схеме показан приёмный колебательный контур, состоящий из контурной катушки индуктивности (2) и конденсатора переменной ёмкости (1). Приёмный контур включён в цепь антенны. С помощью конденсатора переменной ёмкости производится настройка контура на частоту принимаемой радиостанции. К колебательному контуру приключена цепь детектора (3), содержащая в себе параллельно включённые конденсатор(5) и телефон (4). Модулированные высокочастотные колебания, возникающие в приёмном контуре, в цепи детектора выпрямляются, как об этом было сказано раньше, а в разветвлении телефон — конденсатор происходит разделение токов звуковой частоты, идущих через телефон, и высокочастотных пульсаций, проходящих, через конденсатор. Мембрана телефона под действием токов звуковой частоты воспроизводит те звуковые колебания, которые поступают на микрофон передающей станции.

Таким образом, детекторные приёмники могут быть использованы там, где не имеется источников тока. Работа таких приёмников осуществляется только за счёт энергии электромагнитных волн, превращаемой в антенне в энергию высокочастотных токов.

Детекторные приёмники не могут обеспечить возможности приёма далёких или маломощных станций, не пригодны они и для работы репродукторов. Значительно более совершенными и мощными являются ламповые приёмники, в которых детектирование осуществляется при помощи электронной лампы.

Вся огромная мощь современной радиотехники базируется на использовании электронных ламп.

Простейший ламповый радиоприёмник

Схема простейшего лампового приёмника изображена на рисунке 235. В этой схеме антенна при помощи катушки индуктивно связана с колебательным контуром, состоящим из катушки и конденсатора переменной ёмкости С. Колебательный контур включён последовательно в цепь двухэлектродной электронной лампы.

Под действием пришедшей электромагнитной волны в антенне возникает модулированный высокочастотный ток с частотой, равной частоте колебаний в этой волне. Благодаря индуктивной связи катушки  с катушкой L колебательного контура в последнем появляется такой же высокочастотный модулированный ток, а в цепи детектора—лампы благодаря её односторонней проводимости будет проходить пульсирующий ток переменной величины.

Пульсирующий ток является сложным током, состоящим из тока звуковой частоты и пульсирующего высокочастотного тока. Чтобы разделить эти токи и получить возможность использовать колебания тока звуковой частоты, действующие на мембрану телефона, параллельно телефону, так же как и в детекторном приёмнике (рис. 234), включается конденсатор Для токов высокой частоты конденсатор представляет малое сопротивление, телефон же — очень большое сопротивление, а для токов низкой частоты, наоборот, меньшее сопротивление представляет телефон. Поэтому ток звуковой частоты пойдёт через телефон и мембрана воспроизведёт те звуки, которые были произнесены перед микрофоном передатчика.

Электронная лампа в роли усилителя электромагнитных колебаний

Естественно, что при приёме дальних станций наводимая в антенне э. д. с. будет очень малой; соответственно слабым будет и звук в телефоне. Поэтому для обеспечения достаточной громкости приёма приходится индуцированные в антенне токи усиливать до их детектирования, а затем, если приёмник работает на репродуктор, усиливать токи и звуковой частоты. Таким образом, колебания сначала усиливаются на высокой частоте, а затем — на низкой звуковой частоте. Соответственно и усилители называются: первые — усилителями высокой частоты, а вторые— усилителями низкой частоты. Важно подчеркнуть, что усиление токов происходит за счёт энергии местного источника тока, а возникающие в антенне электромагнитные колебания только управляют работой этого источника.

Усиление электромагнитных колебаний может быть получено с помощью трёхэлектродных электронных ламп.

Процессы, протекающие внутри лампы как при усилении высокочастотных колебаний, так и колебаний низкой (звуковой) частоты, принципиально одинаковы. Схема усиления с одной лампой, называемая ступенью усиления, показана на рисунке 236.

В этой схеме приёмный открытый колебательный контур через катушку индуктивно связывается с сеткой  лампы. При возникновении электромагнитных колебаний в приёмном контуре напряжение между сеткой и катодом («сеточное напряжение») будет изменяться. Так как сетка расположена к катоду значительно ближе, чем анод, то даже незначительные изменения напряжения на сетке вызовут значительные изменения анодного тока. Таким образом, слабые колебания в контуре вызывают большие колебания величины анодного тока в цепи лампы. Источником энергии в анодной цепи лампы служит батарея В. Токи же в цепи сетки, возбуждённые электромагнитными колебаниями в антенне, лишь управляют расходом энергии этой батареи в анодной цепи лампы. Следовательно, лампа в этом случае работает как реле, управляемое с передающей станции.

В анодную цепь лампы включён участок с сопротивлением R. Пока анодный ток имеет постоянную величину, на концах участка с сопротивлением R существует некоторое постоянное напряжение. По если анодный ток изменяет свою величину, то вместе с тем Судет изменяться и напряжение на концах этого участка. Таким образом, на участке с сопротивлением R будет существовать переменное напряжение, изменяющееся по тому же закону, как и подводимое к сетке напряжение.

Переменное напряжение U, получаемое на проводнике с сопротивлением R. может быть больше, чем напряжение, подводимое к сетке. Таким образом, лампа будет усиливать подводимое к ней переменное напряжение. Напряжение U может быть подано на регистрирующие аппараты или на сетку второй лампы для дальнейшего усиления.
Усиление может осуществляться и по другим схемам. В зависимости от типа лампы и схемы включения её удаётся получать усиления в сотни раз.

Схема радиоприёмника (блок-схема), включающая все основные элементы, изображена на рисунке 237.

Электронно-лучевая трубка

В настоящее время широкое практическое применение получил особый вид электронных приборов — электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевая трубка, схематически изображённая на рисунке 238, состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух до давления порядка и ряда электродов.

Источником электронов в этой трубке служит накаливаемый током катод. Между катодом и анодом создаётся напряжение в несколько сот или тысяч вольт. В электрическом поле, существующем между катодом и анодом, электроны, вылетевшие из катода, ускоряются и проходят отверстие в аноде в виде тонкого пучка.

Этот пучок электронов, попадая на специальный экран, вызывает в месте удара свечение экрана в виде маленького круглого пятнышка.

Всё устройство в целом, состоящее из накаляемого катода и анода, называется электронным прожектором или электронной пушкой.

Для наблюдения электрических процессов па экране трубки узкий пучок электронов заставляют проходить между пластинами небольших конденсаторов, называемых отклоняющими пластинами.

Если на один конденсатор подано постоянное напряжение и, следовательно, между пластинами конденсатора возникло электрическое поле, то электронный луч, проходя в этом поле, будет отклоняться в направлении, противоположном направлению электрического поля.

При этом светлое пятно на экране сместится; величина смещения будет пропорциональна величине приложенного напряжения.

Если переменное напряжение приложить к вертикально отклоняющим пластинам конденсатора, то световое пятно будет совершать колебания по вертикали. Амплитуда этих колебаний будет пропорциональна амплитуде приложенного напряжения.
Чтобы выявить форму колебаний, необходимо к горизонтально отклоняющим пластинам приложить такое переменное напряжение, которое равномерно увеличивается до некоторой определённой величины, а затем очень быстро спадает до нуля, после чего этот процесс изменения напряжения повторяется. Такое напряжение называется развёртывающим.

Развёртывающее напряжение заставит электронный луч и вместе с ним сетовое пятно равномерно перемещаться на экране в горизонтальном направлении и затем практически мгновенно возвращаться к начальному положению. Повторение этого процесса и даёт развёртку колебаний во времени, которая выявит форму исследуемых электрических колебаний, так как результирующее движение светового пятна на экране представляет собой кривую изменения исследуемого напряжения в зависимости от времени.

На рисунке 239 между пластинами АВ изображена кривая изменения напряжения переменного тока, полученная с помощью электронно-лучевой трубки.

Практическая безынерционность электронного луча позволяет применять электронно-лучевые трубки для наблюдения и фотографирования весьма быстро протекающих электромагнитных процессов. Это обстоятельство имеет исключительное значение для исследований в области радио.

Накладывая изменяющееся со звуковой частотой напряжение на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, а на горизонтально отклоняющие пластины развёртывающее напряжение, мы можем исследовать различные звуковые колебания.

Электронно-лучевая трубка, используемая для наблюдения и фотографирования формы кривой электрических колебаний, является основной частью прибора, называемого электронным осциллографом.

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

Радиолокация

Радиолокацией называется обнаруживание различных предметов и измерение расстояния до них с помощью радиоволн.
В основе радиолокации лежит явление отражения ультракоротких радиоволн от предметов (радиоэхо), аналогичное явлению отражения звуковых волн (звуковое эхо).

Существуют сложные антенны (радиопрожекторы), обладающие способностью излучать ультракороткие радиоволны в виде узкого пучка — радиолуча.

Пусть радиостанция посылает в пространство радиолуч. Направление этого радиолуча можно изменять, поворачивая радиопрожектор. Встретив на своём пути, например, самолёт, радиолуч частично отразится от него и возвратится обратно (рис. 240).

     
Радиолуч посылается не непрерывно, а только в очень короткие промежутки времени, равные миллионной доле секунды, причём паузы (отсутствие радиопередачи) между отдельными сигналами длятся примерно в сто раз дольше самого сигнала. Благодаря этому во время паузы радиосигнал успевает достичь самолёта и вернуться обратно.

Измеряя время движения сигнала и зная, что он распространяется в воздухе со скоростью 299 820 км/сек, можно определить расстояние до самолёта.

На рисунке 242 изображена блок-схема радиолокатора; существенными частями её являются: импульсный генератор, направленная антенна, приёмник, электронно-лучевая трубка и так называемый датчик времени, смещающий электронный луч вдоль экрана электронно-лучевой трубки. На экране электроннолучевой трубки образуется горизонтальная светящаяся линия (рис. 241).

В момент посылки радиосигнала датчик времени начинает смещать электронный луч. Радиосигнал поступает в антенну, излучается в пространство и одновременно создаёт на экране электронно-лучевой трубки отклонение электронного луча вдоль вертикали, изображённое в левой части рисунка 241 над нулевым делением шкалы.

Отражённый от самолёта радиосигнал принимается той же антенной (на рис. 240 для ясности изображены две антенны — отправительная и приёмная), проходит через приёмник и на экране электронно-лучевой трубки даёт вертикальное отклонение луча на некотором расстоянии от первого отклонения (рис. 241).

Зная время движения луча по горизонтали, можно расстояние между вертикальными отклонениями проградуировать прямо в километрах.

Направление, в котором находится обнаруживаемый объект, определяется положением антенны радиолокатора, при котором на экране электронно-лучевой трубки появляется отражённый радиосигнал.

Современные радиолокационные станции (их часто называют «радиолокаторами») позволяют обнаружить самолёт на расстоянии нескольких сот километров и измерить расстояние до него с точностью до десятка метров, а направление на самолёт с точностью до одного-двух градусов.

Радиолокация, помимо чисто военных применений, имеет очень большое значение для мирных целей. Сюда в первую очередь относятся воздушная и морская радионавигация самолётов и кораблей. Радиолокационная техника позволяет осуществлять слепой полёт на дальние и близкие расстояния, слепую посадку на аэродром, предупреждать столкновения с другими самолётами, горами, высокими зданиями и т. п., а на море осуществлять плавание ночью, в тумане и по узким фарватерам.

Изобретение радио А. С. Поповым

25 апреля (по новому стилю 7 мая) 1895 г. Александр Степанович Попов доложил Русскому физико-химическому обществу об изобретённом им приборе, могущем улавливать и регистрировать грозовые разряды, происходящие на расстоянии до 30 км. Доклад свой А. С. Попов закончил следующими словами:

«В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применён к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией».

Эту задачу ему самому и удалось решить. Почти через год, 24 марта 1896 г., А. С. Попов снова выступил в Русском физико-химическом обществе и на этот раз наглядно продемонстрировал возможность телеграфирования без проводов, публично передав первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: «Генрих Герц». В своей радиограмме Попов отметил имя учёного, впервые получившего в конце 1887 г. на опыте электромагнитные волны, существование которых было теоретически предсказано Максвеллом в 1865 г.

7 мая 1895 г. прочно вошло в историю мировой культуры как дата одного из величайших изобретений — радио, широко проникшего в народное хозяйство, быт людей и в военное дело.

Радио (радиотехника) в настоящее время является обширной и разносторонней отраслью техники, охватывающей передачу на расстояние сигналов, речи, музыки, изображений предметов, вождение самолётов и кораблей, измерение расстояний между удалёнными пунктами земной поверхности, определение местоположений невидимых предметов и т. д.

Блестящий расцвет радиотехники, который сейчас мы наблюдаем, стал возможным в значительной степени благодаря успехам физики. В свою очередь радиотехника вооружила физику чрезвычайно гибкими и мощными средствами исследования и многими новыми идеями.

Для радиопередачи и радиоприёма нужно осуществить следующие основные операции.

• 1.    Создать высокочастотные электромагнитные колебания.
• 2.    С помощью этих колебаний послать в пространство сигнал (речь, музыку, изображение).
• 3.    Произвести приём сигнала.

Принципиальная схема односторонней радиосвязи изображена на рисунке 213. На этом рисунке передающая станция состоит из управляющего устройства М, передатчика Р и антенны . Приёмная радиостанция состоит из антенны , приёмника S и воспроизводящего устройства R.

Для понимания устройства и принципа действия передающей и приёмной радиостанций необходимо прежде всего ознакомиться с физическими процессами, лежащими в основе радиопередачи и радиоприёма.

Свойства электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн можно изучать с помощью установки, состоящей из передатчика — генератора сверхвысоких частот, дающего электромагнитные волны длиной в несколько сантиметров (f=10000 Мгц), и приёмника этих волн. С приёмника сигнал передаётся на усилитель, а после усиления — на динамик. Это позволяет принять сигнал на слух.

Если между передатчиком и приёмником на пути распространения электромагнитных волн поместить металлический лист, то приём радиосигналов исчезает.

Этот опыт показывает, что проводники не пропускают электромагнитные волны.

Диэлектрики же (например, стеклянный лист) пропускают электромагнитные волны и лишь только незначительно уменьшают их интенсивность.

Электромагнитные волны отражаются от проводников. При прохождении же через призму, изготовленную из какого-нибудь диэлектрика, они изменяют направление своего распространения, т. е. преломляются.

Пользуясь коротковолновыми передатчиком и приёмником, можно наблюдать явление интерференции и дифракции электромагнитных волн.

Таким образом, электромагнитные волны обладают свойствами, характерными для волн разной природы: звуковых, световых и др.

Свойствa электромагнитных волн отражаться, преломляться, интерферировать используются в различных радиотехнических устройствах. С этими свойствами связаны и особенности распространения различных электромагнитных волн. Так, длинные электромагнитные волны распространяются в основном вдоль земной поверхности и сильно ею поглощаются. Если же длинные волны направляют под углом к земной поверхности, то они уходят в мировое пространство и на землю не возвращаются. Короткие электромагнитные волны ещё сильнее поглощаются земной поверхностью, но зато они отражаются от имеющихся на больших высотах ионизированных слоёв атмосферы и возвращаются после этого на землю. Этим и объясняется возможность связи на коротких волнах на очень большие расстояния при малых мощностях радиостанций. Но связь на коротких волнах не столь устойчива, как на длинных волнах, так как условия отражения волн всё время меняются. Ультракороткие волны не огибают крупных препятствий, и связь на них может быть осуществлена лишь в том случае, когда между передатчиком и приёмником нет никаких препятствий, способных отразить волны и изменить направление их распространения.

Применение токов высокой частоты

Высокочастотные колебания в основном применяются для радиосвязи, причём эти применения расширяются.

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

Ток высокой частоты в отличие от постоянного тока течёт преимущественно по поверхности проводника. Это явление получило название «поверхностного эффекта».

Глубина проникновения тока в металл зависит от частоты тока, от удельного сопротивления металла и его магнитной проницаемости. Так, при частоте 50 гц проводящий слой в медном проводнике имеет толщину 10 мм, при частоте 500 000 гц (500 кгц) —0,1 мм, а при частоте 150 000 000 гц (150 Мгц) — только 0,006 мм.

Поверхностный эффект используется для термической обработки стальных изделий.

В различных двигателях и машинах требуются детали с очень твёрдой поверхностью (они хорошо противостоят поверхностному износу, стойко переносят толчки и удары). Однако создание деталей с подобными свойствами при обычных способах нагрева было делом чрезвычайно сложным, а часто и совершенно невозможным, так как деталь успевала прогреваться вся и после закалки становилась хрупкой.

При высокочастотной закалке деталь помещают внутрь витка с током высокой частоты. Переменное магнитное поле индуктирует в металлической детали высокочастотный ток. При достаточной мощности тока поверхность детали за чрезвычайно короткое время (секунды) разогревается до высокой температуры. Если после выключения тока деталь быстро охладить, то она закалится, но только по поверхности, внутренняя часть детали остаётся незакалённой, т. е. мягкой.

В промышленности для плавки стали применяют индукционные печи, нагрев в которых производят токами высокой частоты. В последнее время токами высокой частоты осуществляют сварку пластмасс.

Высокочастотные генераторы используют также для сушки керамических изделий, древесины и т. д. Нагрев деревянных и других изделий производится не в переменном магнитном поле индуктора, а в переменном электрическом поле конденсатора. Отдельные атомы, ионы и молекулы диэлектрика приходят в колебательное движение в такт с электрическим полем. Эти вынужденные колебания и вызывают нагревание диэлектрика. Электрическое поле свободно проникает во всю толщу диэлектрика и производит равномерный его нагрев. Вода, находящаяся в порах диэлектрика, быстро вскипает и в виде пара выходит наружу.

Высокочастотный нагрев находит применение и в медицине. При некоторых заболеваниях внутренних органов человека очень важно их сильно прогреть. Это и делается с помощью токов высокой частоты.

Превращение энергии в закрытом колебательном контуре. Частота собственных колебаний

Для получения электромагнитных колебаний нужно иметь цепь, в которой энергия электрического поля могла бы превращаться в энергию магнитного поля и обратно. Такую цепь называют колебательным контуром.

Поскольку магнитное поле получается в соленоиде, а электрическое поле — в конденсаторе, то простейший колебательный контур состоит из соленоида с индуктивностью L и А конденсатора с емкостью С. Активное сопротивление проводников, из которых делают колебательный контур, должно быть достаточно малым, иначе электромагнитные колебания в контуре не возникнут.  

Рассмотрим подробнее, как происходят электромагнитные колебания. Зарядим конденсатор емкостью С до некоторого напряжения U_M и соединим его с катушкой, индуктивность которой L (рис. 27.1). На рис. 27.1, а показан момент, когда разрядка конденсатора

Рис. 27.1.

только начинается. В этот момент в конденсаторе имеется электрическое поле, а магнитного поля в катушке еще нет, поэтому вся избыточная энергия контура является электрической и выражается формулой (§ 15.17).

Когда заряды устремляются из конденсатора в катушку, то в ней создается э. д. с. самоиндукции, которая тормозит нарастание тока, но прекратить его не может (§ 23.10). Ток нарастает до тех пор, пока конденсатор не разрядится полностью. В этот момент (рис. 27.1, б) ток в цепи достигает максимальной величины I_м, а вся избыточная энергия контура превращается в энергию магнитного поля катушки и выражается формулой (§ 23.11).

Если активное сопротивление R настолько мало, что потерей энергии на нагревание проводников можно пренебречь, то будет равно Таким образом, в предельном случае при R = 0, т. е. при собственных колебаниях в контуре, справедлива формула

    (27.1)

В следующий момент магнитное поле в катушке начинает ослабевать и в ней наводится э. д. с. самоиндукции, поддерживающая прежнее направление тока, вследствие чего происходит перезарядка конденсатора, т. е. превращение магнитной энергии в электрическую.

Когда магнитное поле в катушке исчезнет, то конденсатор опять начинает разряжаться (рис. 27.1, в) и в контуре возникает ток обпатного направления, пока вся электрическая энергия снова не перейдет в магнитную (рис. 27.1, г). После этого за счет действия э. д. с. самоиндукции конденсатор опять перезаряжается и достигается состояние, показанное на рис. 27.1, а. Итак, полное колебание в контуре закончено и далее весь описанный процесс повторяется снова в том же порядке.

Можно заметить большое сходство электромагнитных колебаний в контуре с механическими колебаниями: электрическую энергию конденсатора можно сравнить с потенциальной энергией маятника, а магнитную энергию тока в катушке — с кинетической энергией маятника (рис. 27.1, справа).

Время, затраченное на одно полное колебание, есть период электромагнитных колебаний а их число в единицу времени — частота колебаний

Как показывает теория, колебания в идеальном контуре (при R=0), т. е. собственные колебания, являются гармоническими. Период собственных колебаний определяется условием равенства реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, т. е. формулой

или     (27.2)

Частоту при которой выполняется это равенство, называют собственной частотой колебательного контура.

Из (27.2) следует, что

    (27.3)

Поскольку (§ 24.6), то для периода собственных колебаний в контуре получим

    (27.4)

Соотношение (27.4) называют формулой Томсона.

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

    (27.5)

Из (27.5) видно, что при достаточно малых L и С в контуре можно получить колебания высокой частоты, измеряемой миллионами герц и больше.

Затухающие электромагнитные колебания. Электрический резонанс

Поскольку контур, описанный в предыдущем параграфе, имеет некоторое активное сопротивление R, то, когда заряженный конденсатор, обладающий энергией W, соединяют с катушкой, при каждом колебании происходит уменьшение избыточной энергии контура W, так, как она расходуется на нагревание проводников контура. Это означает, что в реальных случаях свободные колебания в контуре являются затухающими. Очевидно, скорость затухания колебаний будет возрастать при увеличении активного сопротивления контура R, которое действует аналогично трению в механических колебаниях.
Чтобы получить незатухающие электромагнитные колебания, можно включить в колебательный контур источник внешней синусоидальной э. д. с. (рис. 27.2). Под действием этой э. д. с. в контуре установятся вынужденные колебания с частотой этого источника и (т. е. потечет переменный ток).

Рис. 27.2.

Если теперь изменять частоту внешнего источника то амплитуда вынужденных электромагнитных колебаний будет изменяться, как и в случае механических колебаний (§ 24.23).

Когда частота вынужденных колебаний о» приближается к собственной частоте контура, наступает электрический резонанс. При совпадении этих частот реактивные сопротивления конденсатора Х_C и катушки X_L взаимно компенсируют друг друга (см. (26.13) и (27.2)), и ток в контуре резко возрастает (рис. 27.3, резонансная кривая 1), так как его величина при этом ограничивается только активным сопротивлением контура R, которое обычно мало. Соответственно возрастают падения напряжения на реактивном сопротивлении конденсатора и катушки При резонансе амплитуды этих напряжений могут в десятки и сотни раз превышать амплитуду э. д. с.,  Заметим, что собственную частоту контура определяемую выражением (27.3), часто называют резонансной частотой контура.

Рис. 27.3.

При увеличении активного сопротивления контура R резонансные кривые идут ниже (2 и 3 на рис. 27.3). 

Электрический резонанс очень широко используется в радиотехнике. Изменяя резонансную частоту колебательного контура с помощью конденсатора переменной емкости, приемник настраивают на определенную частоту, выделяя из огромного множества радиоволн передачу нужной радиостанции.

Получение незатухающих колебаний с помощью лампового генератора

Для получения незатухающих электромагнитных колебаний на практике используют устройство, с помощью которого компенсируются потери энергии “в контуре на тепловое действие при каждом полном колебании, аналогичное механизму, пополняющему энергию маятника в часах. За счет расхода энергии внешнего источника питания избыточная энергия колебательного контура W остается постоянной, а колебания становятся незатухающими. Устройство, поддерживающее незатухающие электромагнитные колебания в реальном контуре, называют генератором электромагнитных колебаний.

Рассмотрим принцип действия лампового генератора. Упрощенная его схема изображена на рис. 27.4. Колебательный контур А с емкостью С и индуктивностью L, в котором должны поддерживаться незатухающие электромагнитные колебания, включается в анодную цепь триода, а в цепь сетки включается катушка L₁ индуктивно связанная с катушкой L. При замыкании анодной цепи конденсатор С заряжается и в контуре А возникают электромагнитные колебания.

Рис. 27.4.

Вследствие индуктивной связи между катушками L и L₁ в цепи сетки лампы появляются вынужденные колебания с той же частотой, что и в контуре А. В такт с ними происходит изменение силы тока в анодной цепи. Так как импульсы тока в анодной цепи лампы возникают в такт с электромагнитными колебаниями в контуре А, они автоматически поддерживают эти колебания за счет расхода энергии анодной батареи.

С помощью описанного устройства можно получить колебания высокой частоты, которые широко используются в технике. Частоту колебаний в контуре А можно регулировать нужным образом с помощью конденсатора переменной емкости, включаемого вместо конденсатора С, или с помощью изменения индуктивности катушки L.

Токи высокой частоты и их применение

Токи высокой частоты имеют свои особенности. Когда такой ток течет по проводнику, то внутри проводника возникают вихревые токи, обусловленные быстрыми изменениями магнитного поля.

Эти изменения магнитного поля внутри проводника таковы, что на оси проводника вихревой ток направлен навстречу основному току, а у периферии проводника вихревой ток идет в сторону основного тока. Таким образом, ток высокой частоты по поперечному сечению проводника распределен неравномерно. Плотность тока в центре поперечного сечения проводника близка к нулю и возрастает по направлению от центра к наружной поверхности проводника.

При очень высокой частоте ток практически идет только по тонкому наружному слою проводника. Это явление называют скин-эффектом (от английского «скин» — кожа). Для таких токов сплошные провода можно заменять тонкостенными трубками.

В настоящее время токи высокой частоты получили широкое применение. Приведем несколько примеров. Для быстрого прогрева и плавления металлических тел применяются высокочастотные плавильные печи. Например, при изготовлении металлических сплавов, в состав которых входят быстро испаряющиеся вещества, плавку производят в специальных закрытых тиглях, которые помещают внутрь катушки, питаемой током высокой частоты. Вихревые токи очень быстро нагревают и расплавляют вещества в тигле.

Аналогичным образом закаливают стальные детали. Деталь на короткое время помещают внутрь катушки, питаемой током высокой частоты. Поверхностный слой детали разогревается вихревыми токами, а внутри металл остается холодным. Когда деталь извлекают из катушки, внутренняя холодная часть детали быстро отнимает тепло у сильно разогретого поверхностного слоя, он резко охлаждается и закаливается. Глубину прогрева детали можно регулировать временем выдержки детали в катушке и частотой тока. После такой закалки поверхность детали становится твердой и прочной, а внутри металл сохраняет упругость и пластичность.

Для прогрева диэлектриков их помещают внутрь конденсатора колебательного контура, где быстро изменяющееся электрическое поле приводит в колебания диполи диэлектрика. Таким способом производят также сушку древесины, пищевых продуктов; в медицине этим пользуются для прогревания больных органов человеческого тела (электродиатермия), и т. д.

Электромагнитное поле как особый вид материи

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле (рис. 23.8). Линии этого поля замкнуты, оно существует независимо от электрических зарядов и только до тех пор, пока происходит изменение магнитного поля. На электрические заряды оно действует так же, как электростатическое поле, что следует из явления электромагнитной индукции.

Изучая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, Д. Максвелл создал теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов (утверждений)!

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

Когда конденсатор включен в цепь переменного тока, то между его обкладками имеется переменное электрическое поле, а это означает, что в том же пространстве должно быть магнитное поле. Таким образом, изменяющееся электрическое поле по его магнитному действию можно рассматривать как своеобразный электрический ток без зарядов. В отличие от тока проводимости Максвелл стал называть его током смещения. Итак, применяя термин «электрический ток» в широком смысле слова, т. е. включая в него и ток проводимости и ток смещения, можно утверждать, что магнитное поле создается только электрическим током и действует только на движущиеся заряды; электрическое оке поле создается электрическими зарядами и переменным магнитным полем и действует на любые электрические заряды.

Описанное выше изменение электрического поля в конденсаторе создает в близлежащих точках окружающего пространства изменяющееся магнитное поле, которое в свою очередь создает в соседних точках электрическое поле, и т. д. Таким образом, во всем пространстве, где происходят изменения полей, одновременно существуют вихревые электрическое и магнитное поля, взаимно порождающие и поддерживающие друг друга. Поскольку эти поля неразрывно связаны, их общее поле условились называть электромагнитным полем.

Из сказанного выше следует, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей точке несколько позже, чем в предыдущей. Иными словами, если создать электромагнитные колебания в какой-либо небольшой области, то от нее должны распространяться во все стороны электромагнитные волны с определенной скоростью. Итак, из постулатов Максвелла следует, что-в природе должны существовать электромагнитные волны.

С помощью созданной теории Максвелл доказал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света  (§ 28.6):

Поскольку электрическое и магнитное поля обладают энергией, то в пространстве, где распространяются волны, имеется определенное количество электрической и магнитной энергии, которое переносится волнами от точки к точке в сторону их распространения.

Опыты и дальнейшее развитие теории Максвелла подтвердили справедливость приведенных выше постулатов Максвелла.

Электромагнитные явления подчиняются своим закономерностям, характеризующим особую форму движения материи — электромагнитную, которая отлична от механической формы движения. Выясним теперь, как с помощью колебательного контура можно создавать электромагнитные волны.

Открытый колебательный контур. Излучение

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

В колебательном контуре, изображенном на рис. 27.1, происходит лишь обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а потери энергии на создание электромагнитных волн в окружающем пространстве очень малы. Поэтому такой колебательный контур называют закрытым. Действительно, закрытый колебательный контур создает настолько слабые волны, что их можно обнаружить только с помощью специальных высокочувствительных устройств. Что же нужно сделать, чтобы увеличить интенсивность электромагнитных волн?    

Первые опыты в этой области были сделаны Г. Герцем (§ 27.8), но окончательное решение указанного вопроса было найдено только после paбот А. С. Попова.  

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

Электромагнитные волны, создаваемые колебательным контуром, называют электромагнитным излучением. Для увеличения излучения контура можно раздвинуть обкладки конденсатора (рис. 27.5, а). Такой колебательный контур называют открытым. Однако и в этом случае интенсивность излучения оказывается недостаточной для практических целей.

Рис. 27.5.

Попов нашел значительно более эффективный способ увеличения мощности излучения, создаваемого контуром. Он оставил контур неизменным, но один конец катушки заземлил, а к другому концу присоединил вертикальный провод со свободным верхним концом. Этот вертикальный провод А (рис. 27.5, б) теперь принято называть снижением. Все устройство, которое присоединяют к колебательному контуру для увеличения мощности электромагнитною излучения и для приема электромагнитных волн, называют антенной (изобретена А. С. Поповым в 1895 г.).

Электромагнитные волны. Скорость их распространения

При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения можно представить в виде колебаний векторов напряженностей H и E в каждой точке пространства.

Максвелл показал, что колебания этих векторов в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис. 27.6), которые в свою очередь перпендикулярны к вектору скорости распространения волны  Относительные расположения этих векторов в волне, распространяющейся от антенны А, показаны для примера в точке В. Взаимные расположения этих трех векторов в любой точке бегущей электромагнитной волны связаны правилом правого винта: если головку винта расположить в плоскости векторов Е и Н и поворачивать ее в направлении от Е к H (по кратчайшему пути), то поступательное движение винта укажет направление вектора т. е. направление распространения самой волны и переносимой ею энергии.

Рис. 27.6.

Итак, векторы E и H колеблются в плоскости, перпендикулярной к вектору  Это означает, что электромагнитные волны являются поперечными волнами. Расположение векторов E и H в различных точках волны для одного и того же момента времени показано на рис. 27.7.

Рис. 27.7.

Скорость распространения электромагнитных волн зависит от электрических и магнитных свойств среды, и, как вытекает из теории Максвелла, ее числовое значение выражается формулой

     (27.6)

Поскольку и то имеем

 (27.7)

Так как для вакуума значения и  равны единице, скорость распространения электромагнитных волн в вакууме

    (27.8)

(Покажите, что из (27.8) для c получается значение, близкое 3•10⁸ м/с.)

Из сравнения формул (27.8) и (27.7) получаем

или     (27.9)

Величину п, показывающую, во сколько раз скорость распространения электромагнитных волн в вакууме больше, чем в какой-либо среде, называют абсолютным показателем преломления этой среды:

    (27.10)

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

    (27.11)

Заметим, что диэлектрическая проницаемость среды  в формуле (27.11) не совпадает с диэлектрической проницаемостью той же среды рассмотренной в электростатике (§ 14.7), так как зависит от частоты колебаний. Поэтому при расчетах по формулам (27.6), (27.7), (27.9), (27.11) нельзя брать значения из таблиц, приводимых в электростатике. Однако всегда больше единицы, a для диэлектриков, в которых могут распространяться электромагнитные волны, практически можно считать равным единице. Следовательно, в любой среде скорость распространения электромагнитных волн меньше, чем в вакууме, т. е. n всегда больше единицы.

Для электромагнитных волн справедлива формула (24.23): Для вакуума эта формула принимает вид

 (27.12)

где  — длина волны в вакууме.

Напомним, что при переходе волн из одной среды в другую частота колебаний остается неизменной, а длина волны изменяется. Следует иметь в виду, что длину электромагнитной волны всегда указывают для вакуума, если нет специальных оговорок. На практике в основном используют волны с высокой частотой колебаний, так как энергия, переносимая волнами, пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, чем выше частота колебаний, тем легче осуществить направленное излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны имеют большое значение и при передаче электрической энергии по проводам, которые для волн являются как бы направляющими рельсами. Электрические сигналы вдоль проводов распространяются со скоростью 3•10⁸ м/с, т. е. при замыкании цепи ток возникает практически одновременно во всей цепи, в то время как скорость направленного движения электронов в проводе составляет десятые доли сантиметра в секунду.

Опыты Герца

Если на пути распространения электромагнитных волн расположен колебательный контур, то электромагнитное поле волны индуцирует в контуре переменную э. д. с. и в нем возникают вынужденные электромагнитные колебания (§ 27.2) с частотой электромагнитных волн. Когда эта частота далека от частоты собственных колебаний контура, амплитуда вынужденных колебаний ничтожно мала. Заметные электромагнитные колебания возбуждаются в контуре лишь при совпадении собственной частоты контура с частотой вынужденных колебаний, т. е. при настройке контура в резонанс с источником излучения волн (вибратором).

Впервые электромагнитные волны с помощью резонанса на опыте обнаружил Г. Герц. В качестве колебательных контуров он использовал так называемые диполи (рис. 27.8). Диполь Д₁ состоит из двух проводов, заканчивающихся шариками. На противоположных концах проводов надеты колпачки C₁ и С₂, перемещая которые можно изменять емкость контура. Таким образом, диполь представляет собой открытый контур (рис. 27.5, а), в котором катушка заменена линейным проводом, разделенным посредине воздушным промежутком. Индуктивность и емкость такого контура малы, поэтому в соответствии с (27.5) Частота колебаний очень велика (до 10^₈ Гц).

Рис. 27.8.

Источником питания вибратора служит индукционная катушка К. При подаче на диполь Д₁, высокого напряжения в промежутке А проскакивает искра, в контуре Д₁ возникают электромагнитные колебания, и вибратор излучает волны. При возникновении искры цепь катушки К замыкается, в результате чего напряжение на ее зажимах падает; искра прерывается, а колебания в контуре затухают. Напряжение снова возрастает, снова проскакивает искра и возобновляется излучение, и т. д.

Электромагнитные волны, излучаемые вибратором Д₁ принимаются вторым диполем Д₂ (резонатором), который устроен аналогично и располагается параллельно Д₁. Настройка контура Д₂ в резонанс с Д₁ производится перемещением его колпачков  и . При резонансе в промежутке В появляется слабая искра.

Опыты Герца доказали существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Максвелла. Герц экспериментально исследовал их свойства, наблюдал их отражение и интерференцию. С помощью интерференции Герц определил длину волн и, зная частоту, вычислил по формуле (24.23) скорость их распространения. Она действительно оказалась равной скорости света . Таким образом, в опытах Герца теория электромагнитного поля Максвелла получила блестящее подтверждение.

Изобретение радио А. С. Поповым. Радиотелеграфная связь

Опыты Г. Герца впервые продемонстрировали возможность передачи электромагнитных сигналов, но это делалось на очень малом расстоянии, в пределах стола лаборатории. А. С. Попов с помощью антенн во много раз увеличил мощность излучения вибратора и чувствительность резонатора. Таким способом он осуществил дальнюю связь с помощью электромагнитных волн.

Усовершенствовав передатчик и приемник электромагнитных волн, он стал передавать и принимать слова с помощью телеграфной азбуки Морзе. Очень скоро он установил, что эти сигналы можно принимать на слух с помощью телефона. Такой способ связи получил название радиотелеграфирования. Первоначально Попову удалось осуществить радиосвязь лишь на несколько десятков метров, а затем он передавал сообщения уже на десятки километров. Значение открытий Попова очень велико. Каждый из нас хорошо знает, какую роль в современной жизни играет радиосвязь, телевидение, радиолокация и т. д.

Принципиальная схема простейшей радиотелеграфной связи изображена на рис. 27.9. Передатчиком является генератор незатухающих колебаний высокой частоты ГВЧ, который через ключ К соединяется с антенной A₁. При замыкании ключа К передатчик начинает излучать электромагнитные волны. На большом расстоянии от него устанавливается приемник с антенной A₂, связанной о резонансным контуром РК, где конденсатор переменной емкости C₁ служит для настройки приемника в резонанс с передатчиком. Как известно, на практике одновременно работает много передатчиков. Чтобы они не мешали друг другу, каждый из них должен работать на своей частоте, отличной от частот других передатчиков. Конденсатор C₁ позволяет настроиться в резонанс с определенным передатчиком, т. е. с нужной радиостанцией.

Рис. 27.9.

Колебания в резонансном контуре передаются через детектор Д в телеграфный аппарат (или в телефон) Т или в записывающее устройство. Детектор (выпрямитель) превращает переменный ток высокой частоты в постоянный по направлению ток, т. е. выпрямляет переменный ток (§ 21.5). Чтобы сгладить пульсации выпрямленного тока в телеграфном аппарате, параллельно ему присоединяют конденсатор С₂, который заряжается при прохождении импульса тока и частично разряжается в промежутке между импульсами.

Передача сигналов осуществляется следующим образом. Если нужно передать точку и тире, то один раз ключ замыкают на короткое время, а второй раз — на более длительное время. При этом от передатчика распространяются друг за другом два импульса волн: короткий и длинный (они показаны на рис. 27.10, а). Пройдя детектор приемника, импульсы тока принимают вид, изображенный на рис. 27.10, б и попадают в телеграфный аппарат. Импульсы тока сглаживаются конденсатором С₂, и в аппарате получается ток, график которого показан на рис. 27.10, в. Кривую этого графика называют огибающей, так как ее можно получить, проведя линию, касательную ко всем вершинам импульсов на рис. 27.10, б.

Рис. 27.10.

Выпрямлять ток в приемнике нужно обязательно, так как записывающее устройство телеграфного аппарата не может совершать колебания, соответствующие току высокой частоты. Телеграфные сигналы можно принимать на слух с помощью телефона. Для этого колебания высокой частоты нужно преобразовать в колебания низкой частоты.

Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция

Звуковые радиопередачи стали возможными после изобретения электронных усилительных ламп.

Трудность звуковой передачи состоит в том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, а колебания звукового диапазона являются колебаниями низкой частоты, для излучения которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие расстояния.

Управление колебаниями высокой частоты в соответствии с колебаниями низкой частоты называется модуляцией колебаний высокой частоты. Модулирование представляет собой изменение с низкой (звуковой) частотой одного из параметров высокочастотных колебаний. Колебания высокой частоты называют несущими колебаниями, поскольку они выполняют служебную роль — переносчика колебаний звуковой частоты. Несущая частота должна быть строго постоянной, т. е. стабилизированной.

При амплитудной модуляции изменяют со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Амплитудную модуляцию можно осуществить следующим образом. В цепь сетки лампового генератора незатухающих колебаний высокой частоты включают источник электрических колебаний звуковой частоты. Звуковые колебания возбуждают в цепи микрофона М (рис. 27.11) электрические колебания, которые через трансформатор Тр передаются в цепь сетки электронной лампы.

Рис. 27.11.

Поскольку вторичная обмотка этого трансформатора не пропускает колебания высокой частоты, то параллельно к ней подключается конденсатор С_с, через который они легко проходят. В то же время колебания низкой частоты не замыкаются через него, поскольку для них он представляет большое сопротивление. В цепь сетки включена еще батарея смещения Б_с, чтобы потенциал сетки всегда оставался отрицательным по отношению к катоду.

Если нет звуковых колебаний, установка работает как генератор незатухающих высокочастотных колебаний (§ 27.3) постоянной амплитуды. Когда в цепи микрофона возникают электрические колебания (рис. 27.12, а), напряжение на сетке, продолжая изменяться с высокой частотой в такт с колебаниями в контуре L_aC, начинает изменяться еще и со звуковой частотой. Вследствие этого анодный ток лампы и амплитуда колебаний тока в контуре непрерывно изменяются в соответствии с колебаниями звуковой частоты (рис. 27.12, б), т. е. происходит модуляция колебаний высокой частоты.

Рис. 27.12.

Модулированные высокочастотные колебания улавливаются антенной радиоприемника, усиливаются и детектируются (рис. 27.12, в). В телефоне возникают колебания звуковой частоты (рис. 27.12, г), и мембрана телефона или громкоговорителя воспроизводит переданные звуковые колебания.

На принципиальных схемах радиотелефонной связи для звуковых передач, изображенных на рис. 27.13, показаны основные блоки, из которых состоят передатчик и приемник. Первый блок передатчика — генератор незатухающих колебаний Г, второй — модулятор М, в котором происходит модуляция колебаний с помощью микрофона МК, третий — усилитель высокочастотных колебаний УВЧ и четвертый — передающая антенна A₁.

Рис. 27.13.

Первый блок приемника — антенна А₂, второй блок — резонансный контур РС, третий блок — усилитель колебаний высокой частоты УВЧ, четвертый — детектор Д, в котором происходит выпрямление колебаний, пятый — усилитель колебаний низкой (звуковой) частоты УНЧ и, наконец, громкоговоритель Гв.

Заметим, что современные ламповые и полупроводниковые усилители позволяют многократно усиливать принятые колебания почти без искажений, что дает возможность слушать передачи очень удаленных радиостанций.

Устройство простейшего лампового радиоприемника с усилителем низкой частоты

Схема простейшего лампового радиоприемника изображена на рис. 27.14. Выясним, как он работает.

Рис. 27.14.

Когда мимо антенны проходят электромагнитные волны, то в антенне возникают вынужденные колебания. Вследствие индуктивной связи между катушками L₁ и L₂ эти колебания повторяются в контуре В, который настраивают в резонанс с помощью конденсатора C₁. Колебания в контуре В после выпрямления попадают в цепь сетки триода и вызывают значительные изменения силы тока в его анодной цепи, которые происходят в такт с колебаниями в цепи сетки. Усиленные колебания тока приводят в действие мембрану телефона Тф, где происходит превращение электрических колебаний в механические, т. е. возникает звук. Если звук в телефоне получается слишком слабый, то можно повторить усиление колебаний еще раз. Для этого анодную цепь схемы вместо телефона подключают к сетке и катоду второго триода, а телефон включают уже в его анодную цепь. В многоламповых приемниках колебания высокой частоты перед детектированием усиливаются (рис. 27.13), что увеличивает чувствительность радиоприемника к дальним передачам.

Понятие о радиолокации

Было рассказано об ультразвуковом локаторе. Аналогичное устройство имеется и для электромагнитных волн.

Отражение электромагнитных волн от корабля обнаружил в 1897 г. во время опытов по радиосвязи А. С. Попов. Это явление и лежит в основе радиолокации — обнаружения и определения местоположения в пространстве тел, отражающих электромагнитные волны.

Действие радиолокационной установки основано на получении «электромагнитного эха», поэтому такая установка должна излучать электромагнитные волны и улавливать их после отражения. Ее излучение должно быть строго направленным. В установке должен быть прибор для точного измерения времени между отправлением импульса излучения и его возвращением после отражения.

Поскольку направленное излучение осуществить тем легче, чем короче волны, для радиолокации пользуются короткими волнами, например сантиметровой длины. Радиолокационную установку снабжают специальной антенной, по форме напоминающей прожектор, в центре которой помещают излучатель коротких волн (рис. 27.15). Эта же антенна служит и для приема импульса излучения, отраженного от препятствия.

Рис. 27.15.

В радиолокаторе имеется электронно-лучевая трубка, на которую передаются сигналы при отправлении и приеме импульсов излучения. Изображение, получаемое при этом на экране, показано на рис. 27.16. Время между отправлением и приемом импульса можно узнать по известному времени прохождения электронным лучом диаметра экрана трубки. Расстояние до препятствия можно получить, умножив скорость распространения волн 3•10⁸ м/с на половину времени между отправлением и приемом импульсов (почему на половину?). Обычно на экране трубки в определенных единицах масштаба указывают прямо расстояние до препятствия, которое определяется положением отраженного импульса на экране.

Рис. 27.16.

Радиолокация широко используется на практике: применяется на самолетах для определения высоты полета и для осуществления посадки при плохой видимости, на кораблях для обнаружения препятствий, в астрономии для измерения расстояний до небесных тел.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно – кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Природа света
64. Распространение света
65. Отражение и преломление света
66. Оптические приборы и зрение
67. Волновые свойства света
68. Действия света
69. Линзы и получение изображений с помощью линз
70. Оптические приборы и глаз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.

Как появляются и распространяются электромагнитные волны

Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.

Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой. Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.

Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется от колеблющегося заряда во все стороны.

Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности →E и магнитной индукции →B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.

В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов →E и →B в любой точке совпадают по фазе.

Определение

Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.

Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).

Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.

Условия возникновения электромагнитных волн

Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.

Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Это интересно!

Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.

Плотность потока электромагнитного излучения

Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.

На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.

Определение

Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.

Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м² (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.

Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:

I=ΔWSΔt

Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).

Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = wcΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:

I=wcΔtSSΔt=wc

Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Определение

Плотность электромагнитной энергии — энергия электромагнитного излучения в единице объема. Обозначается как w. Единица измерения — Дж/м³.

Пример №1. Плотность потока излучения равна 6 мВт/м². Найти плотность энергии электромагнитной волны.

I=wc

Отсюда:

w=Ic=6·10−33·108=2·10−11 (Джм3)

Точечный источник излучения

Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.

Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.

Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.

Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR². Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, получим:

I=ΔWSΔt=ΔW4πΔt·1R2

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Пример №2. Плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 5 метров от точечного источника составляет 20 мВт/м². Найти плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 10 метров от этого источника.

Расстояние по условию задачи увеличилось вдвое. Так как плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника, при увеличении расстояния вдвое интенсивность излучения уменьшится в 4 раза. То есть, она станет равной 5 мВт/м².

Зависимость плотности потока излучения от частоты

Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

E~a~ω2, B~a~ω2

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:

I~w
~(E2+B2)

Вспомним, что:

E~ω2, B~ω2

Тогда:

I~ω4

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.

Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.

Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения корня из числа 4 дважды:

4√4=√√4=√2≈1,4

Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.

Свойства электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.

Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн
	Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким.
Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн
	Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его.
Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн
	Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.
Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн
	Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку.

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:

• радиоволны;
• оптическое излучение;
• ионизирующее излучение.

Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.

Наименование диапазона волн	Длины волн (м)	Частоты (Гц)
Радиоволны
Инфразвук, звук	>105	<3∙103
Сверхдлинные волны (СДВ)	104–105	3∙103–3∙104
Длинные волны (ДВ)	103–104	3∙104–3∙105
Средние волны (СВ)	102–103	3∙105–3∙106
Короткие волны (КВ)	10–100	3∙106–3∙107
Ультракороткие (УКВ): Метровые (МВ) Дециметровые (ДМВ) Сантиметровые (СМВ) Миллиметровые (ММВ) Субмиллиметровые	1–10 0,1–1 10–2–0,1 10–3–10–2 10–4–10–3	3∙107–3∙108 3∙109–3∙1010 3∙1010–3∙1011 3∙1011–3∙1012 3∙1012–3∙1013
Оптические волны
Инфракрасное излучение	0,78∙10–6–10–4	3∙1011–4∙1014
Видимый свет	0,38∙10–6–0,78∙10–6	4∙1014–7,5∙1014
Ультрафиолетовое излучение	10–7–0,38∙10–6	7,5∙1011–3∙1015
Ионизирующее излучение
Рентгеновское излучение	5∙10–12–10–8	3∙1016–6∙1019
Гамма-излучение	<5∙10–12	>6∙1019

Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.

Алиса Никитина | Просмотров: 8.7k

    Период колебаний электромагнитного излучения во много раз меньше периода тепловых колебаний атомов в кристалле, т. е. атомы кристалла в момент взаимодействия с цугом волн практически неподвижны. [c.100]

    Оптические свойства соединений элементов, возникающие при воздействии электромагнитного излучения, также находятся в прямой зависимости от строения электронной оболочки атома. Энергия переноса электронов с одной оболочки на другую или отрыва их от атома количественно определяется потенциалом ионизации. Потенциалы ионизации убывают в группах сверху вниз и возрастают в периодах слева направо. Легче всего ионизируются щелочные и щелочно-земельные металлы. Этим объясняется яркое окрашивание пламени при внесении в него солей указанных элементов. [c.33]

    В радиационной химии изучаются реакции, протекающие под действием излучений большой энергии. Под излучением здесь понимаются либо потоки элементарных частиц большой энергии нейтронов, электронов, протонов или ионов, либо электромагнитное излучение с короткой длиной волны — рентгеновские лучи, у — излучение. Подобные излучения получаются в настоящее время как результат распада радиоактивных элементов, либо непосредственно в атомном котле (если элементы короткоживущие), либо вне его (если период полураспада радиоактивного элемента достаточно велик). Рентгеновское излучение получают, как обычно, с помощью рентгеновских трубок. [c.308]

    Абсорбционная спектроскопия исследует поглощательную способность веществ. Абсорбционный спектр (спектр поглощения) получают следующим образом вещество (пробу) помещают между спектрометром и источником электромагнитного излучения с определенным диапазоном частот. Спектрометр измеряет интенсивность света, прошедшего через пробу, по сравнению с интенсивностью первоначального излучения при данной длине волны. В этом случае состояние с высокой энергией также имеет короткий период жизни. В инфракрасной области поглощенная энергия обычно переходит в тепло, т. е. температура образца (или раствора) растет в процессе снятия спектра. В ультрафиолетовой же области поглощенная энергия обычно вновь переходит в свет в некоторых случаях она может индуцировать фотохимические реакции. [c.9]

    Электромагнитное излучение можно рассматривать как волновое движе- ие с регулярным периодом, или частотой аналогично решетку кристалла можно представить как совокупность точек в пространстве, расположенных с [c.20]

    Как всякий периодический процесс, электромагнитное излучение характеризуется частотой V или периодом колебания Т, причем [c.5]

    Частота определяет количество колебаний, совершающихся в единицу времени, а период — длительность одного колебания. Таким образом, частота или период колебания характеризуют периодичность электромагнитного излучения во времени [1]. [c.5]

    Излучение суспензии клеток, зараженных чувствительным к ним вирусом, имеет ярко выраженный характер в течение первых 40—60 мип контактирования клеток с вирусом интенсивность излучения на 100—400% выше, чем у незараженных клеток в начале этого периода наблюдается возрастание интенсивности, а в конце — резкий спад до уровня фона затем следует темповой период 1,5—3 ч интенсивность имеет минимальное значение, близкое к уровню фона затем интенсивность вновь возрастает, как правило, превышая первоначальное значение в 2—3 раза и в течение следуюш их 2—6 ч регистрируется электромагнитное излучение значительной интенсивности. [c.79]

    Всякое спектральное излучение сопровождается электромагнитными колебаниями среды. Эти колебания характеризуются следующими основными величинами длиной волны периодом Т или частотой V, измеряемой в герцах (сек ), [c.13]

    Электромагнитные колебания явились одним из решающих факторов, определивших направленность эволюции не только организмов в биологический период, но и вещества в предбиологический период истории Земли, В самом деле, под влиянием жесткого ультрафиолета и ионизирующих излучений в восстановительной атмосфере Земли могло происходить образование из СН4,НзО, КНз, НзЗ, НСМ, Нз простейших органических соединений (органических кислот, аминокислот и углеводов) и из них — полимеров типа полипептидов и полисахаридов. Решающую роль в это время играли реакции свободных радикалов, об- [c.14]

    Блок-схема электрических соединений показана на рис. 1.18. Закрепленное на капилляре зеркало отражает излучение от светодиода к фотодиоду, образуя фотоэлектрический датчик положения. Усиленный предварительным усилителем и далее усилителем мощности сигнал подается иа электромагнитную катушку, притягивающую сердечник, закрепленный на капилляре. Таким образом, фотоэлектрический датчик с усилителями и катушкой возбуждения образует автогенератор с механическим звеном в цепи обратной связи. Амплитуда колебаний капилляра (примерно 0,1 мм) устанавливается перемещением электромагнита относительно сердечника или регулировкой тока через катушку возбуждения. Период колебаний вибратора измеряется частотомером 43-54. [c.41]

    Можно сделать некоторые замечания о сравнительных характеристиках абсорбционной и люминесцентной спектроскопии, а также спектроскопии КР. Хотя люминесцентные исследования обычно более чувствительны, чем абсорбционные, они ограничены кругом веществ, которые имеют возбужденное состояние, достаточно долгоживущее для спонтанного испускания с Л-фак-тором не более 10 с и способное эффективно конкурировать с предиссоциацией или другими безызлучательными процессами релаксации, которые экспериментатор не волен контролировать (но см. разд. 7.6). Более того, время жизни люминесценции накладывает ограничение на самую длинную временную шкалу в экспериментах с временным разрешением (около 10 с). Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом при поглощении или комбинационном рассеянии происходит примерно в течение одного периода волны, или около с в УФ-области. Поэтому промежуточные соединения реакции могут исследоваться с фемтосекундным временным [c.197]

    Электромагнитные волны отличаются от звуковых волн тем, чтО они являются поперечными, а не продольными. Поэтому любое излучение следует рассматривать как суперпозицию двух волн одного периода и фазы, каждая из которых поляризована в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей. [c.409]

    Другой волновой характеристикой излучения является длина волны X. Она определяет расстояние, на которое распространяется электромагнитное колебание (т. е. фронт монохроматической волны) в течение одного периода. Частота V и длина волны X связаны друг с другом следующим образом  [c.5]

    Основным элементом синхротрона является накопительное кольцо, которое представляет собой ускоритель электронов (позитронов). Электроны перемещаются по замкнутой траектории со скоростью, близкой к скорости света, испуская при этом интенсивные потоки фотонов с различными энергиями. Энергия, теряемая в виде синхротронного излучения (СИ), за каждый период обращения частиц пополняется специальной электромагнитной системой — радиочастотным резонатором. Накопительное кольцо предназначено для поддержания стационарного режима движения электронов, а не для их ускорения. На рис. 2.20 показана схема накопительного кольца — источника СИ. [c.63]

    Излучение света происходит, например, при быстром периодическом изменении расстояния между разноименными зарядами (рис. 8). Далее распростране ние света, рассматриваемое обычно как прохождение электромагнитных волн, можно представить себе следующим образом. Вблизи от зарядов с периодом, равным периоду колебаний зарядов, изменяется электрическое поле Е. Поле Е создает периодически меняющееся магнитное поле Н, последнее порождает, уже на большем расстоянии от зарядов, переменное электрическое поле и т. д. Возникновение электрического поля при изменении магнитного поля — знакомое явление электромаг-нитной индукции, благодаря которому турбины электростанций вырабатывают электрический ток. При этом явлении вихреобразное поле Е образует с полем Н левый винт (рис. 13, а). При родственном явлении — порождении вихреобразного поля Н при нарастании поля Е — векторы Е и Н образуют правый винт (рис. 13, б). [c.23]

    Локальные магнитные поля могут создаваться парамагнитными частицами, окружающими резонирующую молекулу пли свободный радикал. Однако в этом случае ориентация парамагнитных частнц относительно резонирующей частицы не имеет дискретного характера. Следовательно, поглощение может наблюдаться в некотором диапазоне значений В, близких к величине hv/g , что будет проявляться в уширении линии магнитного резонанса. Это уширение называют диполь-дипольным уширенпем, так как оно связано с взаимодействием резонирующего магнитного диполя с окружающими диполями. При этом локальные иоля проявляют себя лип1Ь в случае, если время пребывания резонирующей частицы в каждом локальном поле соизмеримо или больше 1/у. Рхли же это время существенно меньше из-за быстрого движения, например вращения, резонирующей частицы, то за время одного периода колебания падающего электромагнитного излучения локальные поля усреднятся и не будут искажать внешнее магнитное поле В. Таким образом, диполь-дипольное уширение характерно для относительно малоподвижных частиц, например для частиц твердого тела, для [c.43]

    Первая часть этого определения отделяет люминес-ценщтю от теплового равновесного излучения. Действительно, любое вещество, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны. Это излучение является температурным, несмотря на то, что температура вещества может быть существенно ниже температуры окружающей среды. Вторая часть определения люминесценции, касающаяся длительности свечения, позволяет отделить люминесценцию от других видов свечения — отражения и рассеяния света, тормозного излучения заряженных частиц и т. д. Так как период световых волн составляет величину порядка 10 с, то длительностью, достаточной для того, чтобы отнести какой-либо вид свечения к люминесценции, считается величина 10 с и выше. [c.498]

    Фотовозбуждение изомерных уровней. При облучении у-квантами некоторые стабильные ядра по реакции Л (у, у ) А переходят в метастабильное состояние, имеющее достаточно большой период полураспада. В большинстве случаев метастабильпые или изомерные уровни имеют энергию в области 0,1—1 ТИэв. Однако известно, что прямое возбуждение изомерных уровней электромагнитным излучением невозможно. Метастабильное состояние может быть получено при возбуждении ядра до некоторого уровня активации, превышающего изомерный уровень. При последующем распаде возбужденного ядра возможен частичный или полный переход на изомерный уровень. Распад изомера происходит путем испускания у-излучения соответствующей энергии. Некоторой особенностью распада изомеров является то, что их у-излучение обычно сильно конвертировано, в результате чего возникают монохроматические электроны конверсии. При этом необходимо отметить, что процесс восстановления электронной оболочки атома сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения. [c.85]

    Фотолюминесценция — это 1Вторичное излучение, испускаемое в результате поглощения первичного электромагнитного излучения (гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение). Фотолюминесценция охватывает флуоресценцию и фосфоресценцию. Оба последних явления имеют одну и ту же природу I(см. ниже) ранее их нестрого различали в зависимости от длительности свечения, продолжавшегося после окончания облучения первичным излучением. Флуоресценция продолжается 10 —10 с, а послесвечение (период затухания) фосфоресценции может длиться от 10- с до нескольких суток. [c.91]

    Прежде чем исследовать взаимодействие световых и упругих волн в кристалле, посмотрим сначала, как описывается электромагнитное излучение в пустоте в ограниченном объеме V куба с ребром L. Такое поле можно всегда рассматривать как суперпозицию плоских волн. При квантовании, однако, удобно сначала охарактеризовать ее действительными переменными, рассматривая, как и в случае фононов (гл. 3, 5,6), бегущую волну Б виде суперпозиции двух стоячих волн, сдвинутых по фазе на четверть периода. Если наложить на эти волны такие граничные условия, при которых А и его производнь1е имеют одни и те же значения на противоположных гранях куба [что эквивалентно условиям цикличности (гл. 3, 4, в)], то векторный потенциал можно представить в виде [c.193]

    Первым этапом химических превращений под действиел излучения высокой энергии является взаимодействие между электромагнитным полем у-лучей или электронов больших энергий и электронами полимерной молекулы. Такое взаимодействие приводит к ионизации молекулы или к возбуждению электронов. Плотность связанных электронов для большинства полимерных молекул близка к плотности воды. Первичное действие излучения осуществляется за период времени намного меньше периода колебаний молекул. [c.389]

    Под воздействием достаточно жестких фотонов некоторые ядра по реакции А у, у ) А переходят в метастабильное состояние с достаточно большим периодом полураспа,да. Большинство изомерных уровней имеют энергию в интервале 0,1ч– 1 Мэв. Однако известно, что прямое возбу.ждение изомерных уровней электромагнитным излучением не происходит. Поэтому ядро должно быть возбуждено до более высокого энергетического уровня, при высвечивании которого уже возможен частичный или полный переход на изомерный уровень. Распад изомера совершается путем уперехода, который часто сильно конвертирован. Всего имеется около 40 стабильных изотопов, принадлежащих 30 элементам, у которых период полураспада изомерных состояний превышает 0,5 сек [131]. [c.126]

    В наиболее тяжелых элементах, таких, как трансурановые, эта избыточная энергия в тех случаях, когда не происходит деления, обычно рассеивается путем испускания У учей (электромагнитного излучения, обладающего высокой энергией) и испарения нейтронов из возбужденных ядер. (Могут, конечно, происходить также и другие реакции). Ядра нового элемента являются радиоактивными, и они будут стремиться достигнуть более высокой устойчивости изменением своего внутреннего строения через радиоактивный р-или а-распад или же спонтанное деление. Радиоактивный распад каждого вида атомов протекает со скоростью, характерной для данного нуклида. Он характеризуется периодом полураспада который определяется как продолжительность времени, необходимого для того, чтобы распалась половина исходного числа атомов. [c.10]

    Бетатрон можно рассматривать, как обыкновенный витковый трансформатор, вторичной обмоткой которого служит поток электронов. Первичная обмотка имеет кольцевой сердечник, на который навита проволока. Он помещен в эвакуированной коробке, в которую впускают электроны, предварительно ускоренные до нескольких десятков киловольт. Если первичная обмотка питается переменным током, то электроны описывают вокруг нее спиральную траекторию, обвивающую кольцо. При этом они постепенно ускоряются. Принцип бетатрона был предложен в 1928 г. Видероэ, но лишь в 1941 г. этот прибор был построен Керстом. Бетатрон, как и фазотрон или синхрофазотрон, работает ритмическими толчками, так как ускорение электронов происходит лишь на протяжении /4 периода тока, питающего магнит. Ускорение электронов в бетатроне не ограничено осложнениями, связанными с релятивистским изменением массы, но получение очень быстрых электронов в этом приборе все же недостижимо из-за радиационных потерь. Ускоряясь в поле магнита, электрон теряет часть энергии в виде электромагнитного излучения. Компенсация этих потерь требует увеличения [c.187]

    В 30-е годы сотрудниками А. Г. Гурвича Г. М. Франком и С. Ф. Родионовым и одновременно В. Раевским [Ilaiewsky, 1931] в Германии предприняты первые попытки физической регистрации излучения биологических объектов с помощью видоизмененного счетника Гейгера —- Мюллера. В. Раевский оценивал интенсивность излучения корешков лука в области 265 нм приблизительно в 100—200 квантов [Гурвич А. Г., Гурвич А. Д., 1945 Fisher, 1979]. Г. М. Франк и С. Ф. Родионов на аналогичном приборе регистрировали до 10 УФ-квантов электромагнитного излучения работающей мышцы. Эти результаты подтверждены и позднее в период бурного развития физических методов измерения [Троицкий и др., 1961 Владимиров и др., 1964 Конев, 1965]. [c.10]

    Другое отличие дефектов жидких кристаллов от дефектов твердого тела — в их размерах. Размеры, на которых проявляется возмущение директора, связанное с наличием дефекта, оказываются гораздо больше соответствующих размеров в твердом теле, где они простираются лишь на расстояния в десятки или сотни межатомных расстояний (периодов решетки). Поэтому, если в твердом теле из-за малости размеров дефектов их трудно визуализировать и для их выявления требуется использовать коротковолновое электромагнитное излучение, т. е. рентгеновские лучи, то в случае жидких кристаллов дефекты легко визуализируются в оптическолч диапазоне длин волн. Это означает, что они видны глазом, правда, глаз при этом, как правило, должен бь ть вооружен микроскопом. [c.111]

    В нашей стране и во всем мире осуществляется массовое строительство и эксплуатация атомных электростанций (АЭС). Подготовка обогащенного урана для АЭС, работа самих атомных реакторов и парообразователей, переработка отходов АЭС сопряжены с неизбежным радиоактивным загрязнением воды и образованием сточных вод с повышенной радиоактивностью. При научных исследованиях, в промышленности, медицине широко применяются радиоактивные изотопы, которые могут попадать в сточные воды, поэтому вопрос дезактивации воды является весьма актуальным. Радиоактивные вещества могут быть источниками а-, р- или уизлуче-ния. а-Излучение представляет собой поток полол<ительно заряженных частиц. р-Излучение — поток электронов, у-излучение имеет электромагнитную природу, которое по действию близко к рентгеновскому и обладает наибольшей проникающей способностью. Одной из характеристик радиоактивных изотопов является период полураспада. Некоторые изотопы теряют активность очень быстро. Например, период полураспада изотопов — 6 сут, Р — [c.196]

    В полуавтоматических машинах зажим листа и извлечение отформованных листов осуществляются вручную. Все остальные операции предварительно настраиваются и осуществляются автоматически. Система контроля и регулирования состоит из микровыключателей, терморегулятора нагревателя излучения, электромагнитных клапанов, смонтированных вместе с четырьмя реле времени, управляющими продолжительностью всего рабочего цикла периода нагревания листа, периода формования и ох-ланедения. Цепи системы управления взаимно сблокированы так, что каждая последующая операция не может быть начата до окончания предшествующей. [c.519]

    Система уравнений Максвелла вместе с указанными дополнительными условиями является полной в том смысле, что с ее помощью можно однозначно определить все характеристики электромагнитного поля в любой момент времени и в любой точке заданной области, конечной или бесконечной, если заданы значения векторов электрического и магнитного полей во всех этих точках в начальный момент времени. Для конечной области должны быть дополнительно заданы только тангенциальные компоненты электрического или магнитного полей на поверхности, ограничивающей рассматриваемый объем, для всего рассматриваемого периода времени от начального момента – этим учитывается влияние изменений поля, порождаемых процессами, происходящими вне данной конечной области. Однозначность решения системы уравнений Максвелла сохраняется и при переходе к бесконечному (неограниченному) пространству, если обеспечено достаточно быстрое убывание векторов поля в бесконечности. Последнее условие формулируется математически в виде так называемого условия излучения. Учитывая тот факт, что возмущения электромагнитного поля распространяются в пространстве с конечной скоростью (скоростью света), можно показа1Ь, что условия однозначности решения системы уравнений Максвелла выполняются во всех случаях, представляющих практический интерес. [c.151]

    Гелиогеофизические факторы как биотропные агенты могут существенно зависеть от уровня солнечной активности. Из них следует прежде всего выделить воздействие на организмы солнечного ветра, создающего близ орбиты Земли так называемое секторное межпланетное магнитное поле, на границах которого скачкообразно меняются полярность поля и параметры ветра. Биосфера надежно изолирована от солнечного ветра и космической вредоносной среды геомагнитным полем и атмосферой Земли. Ее поверхности достигают только малые по интенсивности (сантиметровое и метровое) излучения, а также колебания электромагнитного поля космического происхождения сверхнизких частот (5 Гц), или короткопериодические колебания (КПК). Почти все они имеют четко выраженную тенденцию к 27-дневной повторяемости, обнаруживаются в период повышения солнцедеятельности и развития магнитной бури или прохождения секторной границы межпланетного магнитного поля. [c.61]

    Электромагнитное йзлучение, частота которого находится в инфракрасной области спектра, в состоянии точно так же, как видимое и ультрафиолетовое излучения, при прохождении через пространство, заполненное веществом, вступать с ним во взаимодействие, что и приводит к поглощению излучения. Предпосылкой для поглощения является наличие частот собственных колебаний молекУл, расположенных в инфракрасной области спектра, для того чтобы мог наступить резонанс. Чтобы осуществлялись периодические явления с периодом, приходящимся на инфракрасную область спектра, существует две возможности, а именно вращение молекул и периодическое движение одного по отношению к другому атомных ядер, т. е. колебание ядер. Согласно этому имеются два рода инфракрасного спектра — вращательный и колебательный. Последний, правда, никогда не наблюдается самостоятельно, так как молекулы, в которых происходят колебания ядер, при этом также вращаются таким образом, имеется, собственно говоря, вращательно-колебательный спектр. [c.119]

---