Какое устройство излучает модулированные электромагнитные волны

Инфофиз

Урок 47. Электромагнитные волны. Понятие о радиосвязи.

В окружающем нас мире существуют объекты, которые человек не воспринимает с помощью органов чувств. Для измерения характеристик этих объектов человек может воспользоваться только специальными техническими устройствами. Такими объектами являются электрическое и магнитное поля, электромагнитные волны.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Джеймсом Максвеллом в 1864 году.

Изучив явление электромагнитной индукции, Фарадей пришел к выводу, что вихревое электрическое поле возникает при изменении во времени магнитного поля. Изменяющееся во времени магнитное поле можно создать в данной точке пространства, если придвигать к ней магнит или менять силу тока в проводе, который расположен рядом с этой точкой.

В 1864 году Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (линии напряженности охватывают линии магнитной индукции. Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. При возрастании магнитной индукции направление напряженности образует левый винт с направлением вектора магнитной индукции .

Также Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса. Он допустил, что переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле.

Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля. Но только при возрастании напряженности электрического поля направление вектора индукции возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора напряженности.

Итак, изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, то есть систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного. Переменные электрическое и магнитное поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле – это особая форма материи – совокупность электрического и магнитного полей — с помощью которой осуществляется электромагнитное взаимодействие.

Материальность электромагнитного поля :

1. Его можно зарегистрировать.
2. Существует независимо от нашей воли и желания.
3. Имеет большую, но конечную скорость.

Разрабатывая теорию электромагнитного поля Д.Максвелл в 60-х годах IXX века теоретически обосновал возможность существования электромагнитных волн и даже вычислил скорость их распространения. Она совпала со скоростью света v =с=3·10 8 м/с. Это дало Максвеллу основание сделать заключение: свет – это один из видов электромагнитных волн.

Вокруг неподвижного заряда существует только электрическое поле. Вокруг заряда, движущегося с постоянной скоростью, возникает электромагнитное поле. При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитная волна — это изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Электромагнитная волна поперечна – векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w_э = w_м.

Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью. Скорость электромагнитных волн в вакууме v =с=2,99792458·10 8 м/с=3·10 8 м/с

Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.

Выводы Максвелла были признаны далеко не всеми физиками – современниками Максвелла. Требовалось экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн. Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти (примерно через 15 лет после создания его теории) электромагнитные волны были экспериментально получены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем.

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура.

Частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость C контура

В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур. Обычный колебательный контур, какой изображен на рисунке (его называют закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что его переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость. Уменьшение емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура.

Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод.

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.

Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Свойства волны

1. Отражение.
2. Преломление.
3. Интерференция.
4. Дифракция.
5. Поляризация.
6. Давление на вещество Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.
7. Поглощение средой.
8. Конечная скорость распространения в вакууме с.
9. Вызывает явление фотоэффекта.
10. Скорость в среде убывает .

Энергия электромагнитных волн

Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Но немецкий физик не видел перспективы их применения. После своего открытия Герц написал: «К сожалению, это явление никогда не будет использовано на практике». Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Только через семь лет после опытов Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи.

В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. Дальность — 250 м. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.

День 7 мая стал днем рождения радио.

В 1899 г. Дальность уже составляла 20 км; 1901 г. — 150 км.

Была осуществлена безпроволочная связь с помощью электромагнитных волн.

Земля XXI в., окутанная сетью телекоммуникационных устройств, выглядит так благодаря открытию электромагнитных волн.

Радиосвязь — это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны.

Принципы радиосвязи далеко не новы. За это время радиосредства прошли путь от первых передатчиков сигналов азбуки Морзе до систем спутниковой связи. Радиоэфир наполнился музыкой радиостанций, сигналами далеких галактик и нашими разговорами. Однако с тех пор не изменилось главное — радиоволны.

Принцип радиотелефонной связи.

Принцип радиосвязи основан на передачи сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путем перемещения радиоволн в открытом пространстве,приемному устройству, содержащему приемную антенну и радиоприемник.

Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты. Этот сигнал поступает в усилитель низкой частоты (УНЧ). С УНЧ сигнал поступает в модулятор. Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает незатухающие колебания высокой частоты (ВЧ), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями низкой частоты и поступают в антенну. Антенна излучает в окружающее пространство электромагнитные волны, амплитуда которых также модулирована по низкой частоте. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал, а модулированные электромагнитные волны представляют собой радиоволну.

Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. В антенне приёмника радиоволны (реально ведь передатчиков много) возбуждают переменные ЭДС индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся осень слабым и его усиливает усилитель высокой частоты (УВЧ) приёмника. Принятый радиосигнал после усиления демодулируется. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала, фильтр сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал. УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания. Выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания в радиопередатчике. Сигнал преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному.

Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника.

1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) вырабатывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несущая частота более 100 тыс. Гц).

2. Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.

3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с помощью электрических колебаний низкой частоты НЧ.

4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усиливают по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.

5. Передающая антенна излучает модулированные электромагнитные волны.

6. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

8. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.

10. Динамик преобразует электромагнитные колебания в механические звуковые колебания.

Амплитудная модуляция

Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитудной модуляцией.

Для получения амплитудно-модулированных электромагнитных колебаний в цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторичной обмотке трансформатора индуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным напряжением источника тока. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды колебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генератора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изменением напряжения низкочастотного сигнала на транзисторе. При изменении амплитуды сигнала НЧ меняется глубина модуляций.

Детектирование (демодуляция)

Выделение колебаний низкой звуковой частоты из промодулированных колебаний высокой частоты называют детектированием (демодуляцией).

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью: вакуумный или полупроводниковый диод — детектор.

Вольтамперная характеристика диода показывает, что ток в цепи течет преимущественно в одном направлении, являясь пульсирующим током.

Этот ток сглаживается с помощью фильтра.

Когда диод пропускает ток, то часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется на конденсатор.

Если диод заперт, то конденсатор частично разряжается через нагрузку. Уменьшается пульсация тока.

Через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний воспроизводит форму низкочастотного сигнала.

Физические основы радиосвязи

Цели обучения: изучение физических основ и принципов радиосвязи.

Цели развития: формирование умений построения математических моделей, анализа математических соотношений, умений анализа простейших радиосхем.

Цели воспитания: формирование убеждения, что любое физическое открытие может быть использовано на практике; воспитание уважения к творцам науки и техники, обеспечивающим ведущую роль физики в создании современного мира техники.

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
3. Гельфгат И.М., Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А. 1001 задача по физике с ответами, указаниями, решениями. – М.: Илекса, 2007.
4. Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
5. Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»), регулятор напряжения школьный типа РНШ.

8.1. Введение

Учитель. Наша сегодняшняя задача – узнать, как труды Фарадея, Максвелла и Герца по классической электродинамике вызвали создание устройств, обеспечивающих радиосвязь, т.е. беспроводную передачу информации на расстояние. Первые устройства радиосвязи построены русским физиком А.С.Поповым и, чуть позже, итальянским инженером Г.Маркони в самом начале ХХ в. Эти устройства, непрерывно совершенствуясь в течение целого столетия, полностью преобразили человеческую цивилизацию. Конечно, нас интересуют только физические основы передачи информации с помощью электромагнитного излучения.

8.2. Амплитудная модуляция сигнала

Учитель. Чтобы осуществить проводную или беспроводную связь на большие расстояния, вначале нужно исходный сигнал преобразовать в электрический. Например, речь человека относится к звуковым сигналам. Микрофон преобразует звуковые колебания в переменное напряжение – электрический сигнал. Если по одному каналу связи передавать электрические сигналы в одном и том же диапазоне частот, то возникнет неразбериха. Что вы услышите, если одновременно по телефонной линии с вами будут говорить несколько человек? Как выйти из этого положения?

Учащиеся. Можно каждой паре абонентов предоставить свой канал связи, тогда никто никому не будет мешать.

Учитель. Это нерационально. Поступают так. Берут один канал связи и одновременно посылают по нему несущие информацию сигналы высокой частоты, полосы частот которых не накладываются друг на друга.

Учащиеся. Непонятно, как на практике получаются такие сигналы, например, из обычной речи?

Учитель. Пусть сигнал высокой частоты ω описывается формулой

Тем или иным способом воздействуем на амплитуду u_m этого сигнала сигналом низкой частоты Ω так, чтобы изменение амплитуды составило Δu_mcosΩt. Тогда вместо формулы (8.1) получим

Такой сигнал высокой частоты, амплитуда которого меняется с низкой частотой, называется амплитудно-модулированным. Последнюю формулу можно переписать в виде

Коэффициент m = Δu_m/u_m принято называть глубиной модуляции. Нарисуйте графики амплитудно-модулированного сигнала для глубины модуляции m₁ = 0,5 и m₂ = 1,0.

Учащиеся. Для этого нужно сначала нарисовать высокочастотный сигнал (рис. 8.1, а), а затем изобразить модулирующий низкочастотный сигнал (рис. 8.1, б). После этого нетрудно нарисовать графики амплитудно-модулированных сигналов с глубиной модуляции m₁ = 0,5 (рис. 8.1, в) и m₂ =1,0 (рис. 8.1, г).

8.3. Спектр амплитудно-модулированного сигнала

Учитель. Зависимость амплитуды сигнала от его частоты называется спектром. В формуле (8.2) выражение

можно считать медленно меняющейся амплитудой высокочастотного сигнала cosωt. Чтобы получить спектр амплитудно-модулированного сигнала, формулу (8.2) нужно переписать так, чтобы она состояла только из компонентов с постоянными амплитудами. Сделайте это, воспользовавшись тригонометрической формулой

Таким образом, амплитудно-модулированное колебание можно считать не только высокочастотным колебанием с медленно меняющейся амплитудой, но и суммой трёх высокочастотных колебаний разных частот с постоянными амплитудами.

Учитель. Спектр рассматриваемого нами амплитудно-модулированного сигнала представлен на рис. 8.2. Это линейчатый спектр, который состоит из трёх линий с частотами ω – Ω, Ω и ω + Ω. Вы видите, что ширина спектра равна удвоенному значению частоты w модулирующего сигнала. Обратите внимание также на спектр низкочастотного модулирующего сигнала, который состоит из одной линии частотой Ω.

8.4. Канал радиосвязи

Учитель. Теперь нетрудно сообразить, что для передачи информации посредством электромагнитных волн канал радиосвязи должен включать в себя передатчик и приёмник, настроенный на частоту передатчика. Причём в передатчике должны быть генератор высокой частоты, модулятор и колебательный контур, а в приёмнике – перестраиваемый колебательный контур и демодулятор. Во многих случаях для увеличения дальности радиосвязи с колебательными контурами передатчика и приёмника соединяют антенны и заземления.

Учащиеся. Для чего нужен модулятор, понятно, а зачем используют демодулятор? Ведь амплитудно-модулированный сигнал содержит низкочастотную информацию?

Учитель. Конечно, но самого сигнала низкой частоты в нём нет, – посмотрите ещё раз на его спектр (рис. 8.2). Поэтому из принятого амплитудно-модулированного сигнала высокой частоты нужно извлечь или, лучше сказать, «изготовить» низкочастотный модулирующий сигнал. Проще всего выпрямить переменное напряжение высокой частоты и сгладить его пульсации так, чтобы в итоге остался сигнал низкой частоты, содержащий передаваемую информацию. На рис. 8.3 изображён простейший канал радиосвязи. Попробуйте разобраться, как он функционирует.

Учащиеся. Слева изображён генератор высокой частоты на транзисторе, который мы уже изучили. Последовательно с источником питания включена вторичная обмотка трансформатора, с первичной обмоткой которого соединён микрофон. Когда в микрофон говорят, меняется напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Оно складывается с постоянным напряжением питания. В результате генератор питается пульсирующим напряжением, и амплитуда вырабатываемого им напряжения высокой частоты меняется в соответствии с низкочастотным сигналом. Амплитудно-модулированное напряжение приложено между антенной и заземлением. Поэтому антенна излучает амплитудно-модулированную электромагнитную волну.

Учитель. Радиоприёмник (рис. 8.3, справа) состоит из подключённого к антенне и заземлению колебательного контура, детектора (диода), фильтра низкой частоты, усилителя и динамика. Колебательный контур можно перестраивать по частоте, например, конденсатором переменной ёмкости. В приёмной антенне возбуждается переменный ток одновременно от огромного количества работающих в данный момент радиостанций. Для получения нужной информации следует выделить одну радиостанцию. Эту функцию осуществляет колебательный контур. Объясните, как работает приёмник.

Учащиеся. При настройке контура на частоту радиостанции возникает резонанс, и напряжение на контуре значительно возрастает. Принятый амплитудно-модулированный сигнал детектируется полупроводниковым диодом, из него посредством низкочастотного фильтра выделяется содержащий информацию модулирующий сигнал, который усиливается и преобразуется в звуковой.

Учитель. Уточните, каким требованиям должен удовлетворять колебательный контур.

Учащиеся. Понятно, что колебательный контур приёмника, с одной стороны, должен иметь узкую полосу пропускания, чтобы ненужные станции не мешали. С другой стороны, эта полоса пропускания должна быть достаточно широкой, чтобы контур пропускал весь спектр принятого сигнала.

8.5. Физические принципы радиосвязи

Учитель. В основе радиосвязи лежит несколько простых принципов: 1) использование электромагнитной волны высокой частоты в качестве несущей низкочастотную информацию; 2) применение в передатчике и приёмнике колебательных контуров, настроенных на одну и ту же резонансную частоту, равную частоте несущей; 3) модуляция в передатчике высокочастотного колебания содержащим информацию низкочастотным и демодуляция выделенного в приёмнике высокочастотного модулированного колебания. Попробуйте объяснить, почему используются перечисленные принципы. Начнём с первого.

Учащиеся. Низкочастотные электромагнитные волны плохо излучаются, и следовательно, для передачи на большие расстояния необходима значительная мощность. Интенсивность электромагнитного излучения растёт пропорционально четвёртой степени частоты, поэтому для радиосвязи предпочтительнее высокочастотные колебания.

Учитель. Правильно. Но это только одна причина. Чтобы вам проще было сформулировать другую, представьте, что вы находитесь в толпе одинаково громко говорящих людей и что вам нужно услышать и понять вполне определённого человека.

Учащиеся. Подобную ситуацию мы уже рассматривали: мы не можем услышать нужного нам человека потому, что все говорят в одном и том же диапазоне частот. В результате разные звуковые сигналы низкой частоты смешиваются и не удаётся выделить нужную информацию. Поэтому для радиосвязи используют электромагнитные волны высокой частоты, чтобы каждая радиостанция занимала свою полосу частот и не мешала другим.

Учитель. Хорошо. А почему в передатчике и приёмнике используют колебательные контуры, настроенные на одну и ту же частоту?

Учащиеся. Меняя параметры контура приёмника, можно добиться того, чтобы его резонансная частота совпала с частотой интересующей нас радиостанции. Тогда будет приниматься сигнал только этой радиостанции.

Учитель. В качестве передатчика я использую генератор УВЧ, а информацию буду передавать, включая и выключая передатчик: кратковременное включение – «точка», длительное – «тире». Буквы алфавита можно закодировать различными комбинациями точек и тире. Такой код действительно в своё время был создан и получил название азбуки Морзе. Пользуясь этой азбукой, в принципе можно передать любую информацию.

Учащиеся. Сейчас вообще стараются всю информацию передавать цифровым кодом.

Учащиеся. Лампа приёмного диполя зажигается и гаснет в такт с включениями и выключениями генератора.

Учитель. Теперь я включаю генератор УВЧ в сеть через регулятор напряжения и параллельно излучающей антенне располагаю приёмную антенну, длина которой может изменяться (рис. 8.4). Посмотрите, я поворачиваю рукоятку регулятора, и напряжение питания генератора плавно изменяется от максимума до минимума, а в соответствии с этими изменениями меняется свечение лампы приёмного диполя. Проанализируйте опыт и сделайте выводы.

Учащиеся. В опыте мы наблюдаем получение амплитудно-модулированного сигнала, передачу его посредством электромагнитного излучения и приём этого сигнала диполем с лампой. Можно сказать, что продемонстрирован канал радиосвязи.

Учитель. Что находится в корпусе генератора, мы не знаем, но уверены, что он создаёт колебания ультравысокой частоты, которые поступают на дипольную антенну и излучаются в пространство. Приёмный диполь, с одной стороны, является антенной, принимающей сигнал передатчика, а с другой, представляет собой колебательный контур, который можно настроить на частоту передатчика изменением его длины. Лампа, включённая в разрыв приёмной антенны, является своеобразным демодулятором. Действительно, через неё проходит амплитудно-модулированный переменный ток высокой частоты. Но нить лампы светится независимо от направления тока, так что специального детектирования не нужно. Кроме того, нить инерционна и не успевает за колебаниями тока, поэтому сглаживает пульсации подобно тому, как это делает низкочастотный фильтр. В результате мы наблюдаем колебания свечения лампы, содержащие передаваемую информацию.

8.6. Заключение

Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?

Учащиеся. Мы узнали, что такое амплитудная модуляция сигнала, что собой представляет спектр амплитудно-модулированного сигнала, познакомились с физическими принципами радиосвязи и научились анализировать канал радиосвязи. На уроке был только один опыт, из которого мы поняли, как осуществляется амплитудная модуляция электромагнитной волны.

Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет узнать новое, повторить пройденное, углубить свои знания и умения.

1. В чём суть изобретения А.С.Попова? Как работает приёмник А.С.Попова? [Г.Я.Мякишев, § 51, 53; В.А.Касьянов, § 52.]
2. Изложите принципы радиосвязи. Для чего нужна модуляция? Какие виды модуляции существуют? Как осуществляются модуляция и детектирование? [Г.Я.Мякишев, § 52, 53; В.А.Касьянов, § 52, 53.]
3. Что представляет собой канал радиосвязи? Как распространяются радиоволны в атмосфере? [Г.Я.Мякишев, § 55–58; В.А.Касьянов, § 52.]
4. Какова физическая сущность радиолокации? Как осуществляется телевидение? [Г.Я.Мякишев, § 55–58; В.А.Касьянов, § 52.]
5. Колебательный контур радиопередатчика настроен на частоту 1 МГц. Как и во сколько раз нужно изменить индуктивность катушки контура, чтобы передатчик давал радиоволну длиной 150 м?
6. Передатчик излучает электромагнитную волну длиной 30 м, которая модулирована частотой 1 кГц. Сколько электромагнитных колебаний высокой частоты происходит в течение пяти периодов колебаний низкой частоты?
7. Антенна радиолокатора находится на высоте 50 м над уровнем моря. На каком максимальном расстоянии может быть обнаружен катер противника? С какой максимальной частотой при этом должны испускаться импульсы?

Принцип радиосвязи

Цель: показать практическое применение электромагнитных волн.

I. Организационный момент

— Опишите устройство и принцип действия вибратора Герца.

— С помощью чего Герц регистрировал электромагнитные волны?

— Чему равна скорость электромагнитных волн в вакууме? Зависит ли она от системы отсчета?

— Чем отличаются электромагнитные волны от упругих?

— Под каким углом друг к другу направлены в электромагнитной волне векторы и ?

— Что такое интенсивность волны?

— Какая из характеристик волны не меняется при ее переходе из одной среды в другую?

III. Изучение нового материала

Дж. Максвелл теоретически показал возможность существования электромагнитных волн.

Г. Герц в 1888 г. экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

7 мая 1859 г. А.С. Попов продемонстрировал прибор на заседании Русского физико-химического общества. Дальность — 250 м.

1899 г. — 20 км; 1901 г. — 150 км.

Принцип радиотелефонной связи

Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника:

1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) вырабатывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несущая частота более 100 тыс. Гц).

2. Микрофон преобразовывает механические звуковые колебания в электрические той же частоты.

3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с помощью электрических колебаний низкой частоты НЧ.

4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усиливают по мощности высокочастотные и низкочастотные электрические колебания.

5. Передающая антенна излучает модулированные электромагнитные волны.

6. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигая приемной антенны, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

8. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.

10. Динамик преобразует электромагнитные колебания в механические звуковые колебания.

Детекторный радиоприемник состоит из колебательного контура, антенны, детектора (диода), конденсатора постоянной емкости, телефона.

В контуре принятая волна возбуждает модулированные колебания. Конденсатор переменной емкости настраивает контур на резонанс с принятой радиоволной. Модулированные колебания ВЧ поступают на детекторный каскад. После прохождения детектора составляющая тока ВЧ идет через конденсатор постоянной емкости, а составляющая тока НЧ идет на обмотки катушек телефона, вызывающий колебания мембраны с той же звуковой частотой.

IV. Закрепление материала

— Что называют радиосвязью?

— Начертите блок-схему радиопередатчика и объясните назначение каждого блока.

— Начертите блок-схему радиоприемника и объясните назначение каждого блока.

— Что называют модуляцией? Какие виды модуляции вы знаете?

— Что называют детектированием?

— Начертите схему детекторного приемника, опишите его устройство и принцип работы.

V. Проведение практической работы

Сборка простейшего радиоприемника

Задание: соберите радиоприемник из блоков колебательного контура, детектора, усилителя низкой частоты и телефона. По известным значениям индуктивности катушки и электроемкости конденсатора колебательного контура определите частоту, на которой работает передающая радиостанция.

Оборудование: набор блоков для сборки транзисторного радиоприемника.

1. Соберите действующую модель по схеме.

Подключите к колебательному контуру антенну. К усилителю низкой частоты подключите источник питания.

2. Вращением ручки изменяйте емкость переменного конденсатора до настройки в резонанс с частотой передающей радиостанции. Определите электроемкость конденсатора С. По найденному значению электроемкости и известному значению индуктивности катушки определите частоту, на которой работает передающая радиостанция.

3. Подключая УВЧ используйте его влияние на качество ротора приемника.

VI. Подведение итогов урока

Радио

Радиосвязь – передача информации с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

Радиовещание – передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

Телевидение – передача изображения, речи и музыки с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

А. С. Попов повторил опыты Герца и в апреле 1895 г. создал первый приемник (грозоотметчик). «Генрих Герц» — первая в мире радиограмма. (Передавалась азбукой Морзе).

7 мая 1895 г. демонстрация прибора на заседании Русского физико-химического общества. Дальность — 250м; 1899 г. -— 20 км; 1901 г.—150 км. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.

Одновременно с Поповым над той же проблемой работал итальянский изобретатель Гульермо Маркони. Он усовершенствовал приемник, создал первую фирму, занявшуюся производством и продажей радиооборудования (Нобелевская премия по физике).

1 — антенна, 2 — когерер, 3 — электромагнитное реле, 4 — электрический звонок, 5 — источник тока.

Когерер — трубка с металлическими опилками (R очень большое). Когда волна улавливается антенной, напряжение увеличивается, между опилками проскакивают искорки, и они спаиваются. Сопротивление уменьшается, сила тока увеличивается. Включается реле, срабатывает звонок, молоточек звонка ударяет по когереру и происходит встряхивание опилок. Сопротивление когерера увеличивается, цепь звонка размыкается. Приемник вновь готов к работе.

Роль антенны и заземления:

увеличение чувствительности и дальности приема.

Диапазоны радиоволн

Диапазон частот, Гц

Диапазон длин волн

3 . 10 4 -3 . 10 5

3 . 10 5 — 3 . 10 6

Огибают земную поверхность.

3 . 10 6 — 3 . 10 7

Отражаются от ионосферы и поверхности

3 . 10 7 — 3 . 10 8

3 . 10 8 — 3 . 10 9

3 . 10 9 — 3 . 10 10

3 . 10 10 — 3 . 10 11

Проникают сквозь ионосферу

Принцип радиотелефонной связи

Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника.

1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) выра­батывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несу­щая частота более 100 тыс. Гц).
2. Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.
3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или ампли­туде высокочастотные колебания с помощью электрических ко­лебаний низкой частоты НЧ.
4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усилива­ют по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.

1. Передающая антенна излучает модулированные электро­магнитные волны.
2. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуци­рует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
3. УВЧ.
4. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.
5. УНЧ.
6. Динамик преобразует электромагнитные колебания в ме­ханические звуковые колебания.

Амплитудная модуляция

Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитуд­ной модуляцией. Для получения амплитудно-модулированных электромагнит­ных колебаний в цепь транзисторного генератора последователь­но с колебательным контуром включают катушку трансформато­ра.

На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторич­ной обмотке трансформатора ин­дуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным на­пряжением источника тока. Из­менение напряжения между эмиттером и коллектором транзи­стора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды ко­лебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генера­тора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изме­нением напряжения низкочастот­ного сигнала на транзисторе. При изменении амплитуды сигна­ла НЧ меняется глубина моду­ляций. Основной недостаток амплитудной модуляции в том, что амплитуда на разных участках волны разная, следовательно, разная энергия. Значит и качество воспроизведения в приемнике будет не очень высоким. Существуют другие виды модуляции (частотная, фазовая), в которой эти недостатки меньше. Частотная модуляция применяется на УКВ (FM).

Детектирование (демодуляция)

Детектирование осуществляется устройст­вом, содержащим элемент с односторонней проводимостью: вакуумный или полупроводни­ковый диод — детектор.

Вольтамперная характери­стика диода показывает, что ток в цепи течет преимущест­венно в одном направлении, являясь пульсирующим током. Этот ток сглаживается с по­мощью фильтра. Когда диод пропускает ток, то часть его проходит через на­грузку, а другая часть ответв­ляется на конденсатор. Если диод заперт, то кон­денсатор частично разряжает­ся через нагрузку. Уменьшает­ся пульсация тока. Через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма коле­баний воспроизводит форму низкочастотного сигнала.

Радиоприемник

Детекторный радиоприемник состоит из колебательного кон­тура, антенны, детектора (диода), конденсатора постоянной ем­кости, телефона. В контуре принятая радиоволна возбуждает модулирован­ные колебания. Конденсатор переменной емкости настраивает контур в резонанс с принятой радиоволной. Модулированные колебания ВЧ поступают на детекторный каскад. После про­хождения детектора составляющая тока ВЧ идет через конден­сатор постоянной емкости, а составляющая тока НЧ идет на об­мотки катушек телефона. Так как ,то для тока высокой частоты , а для тока низкой частоты . Таким образом, по катушкам телефона идет ток низкой час­тоты, вызывающий колебания мембраны с той же звуковой ча­стотой.