Електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі та швидкість їх поширення. Шкала електромагнітних хвиль. Принципи радіозв'язку

Вивчення явища електромагнітної індукції показало, що зміна магнітного поля, в якому знаходиться провідний контур, викликає появу в цьому контурі індукційного (вихрового) електричного поля. Максвелл розвинув уявлення Фарадея про електромагнітну індукцію, довівши, що вихрове електричне поле з'являється в довільній частині простору, де існує змінне магнітне поле (незалежно від того, чи є там провідники, чи немає). А в середині 60-х років ХІХ ст. Максвелл дійшов висновку, що існує і зворотний процес: змінне електричне поле викликає появу змінного магнітного поля (вихрового). Отже, магнітне поле може створюватися не тільки електричним струмом (тобто рухомими електричними зарядами), але і змінним електричним полем (рис.5.2.15).

Сукупність нерозривно взаємопов'язаних змінних вихрових електричного і магнітного полів називають електромагнітним полем. У природі взагалі немає відокремлених одне від одного електричних і магнітних полів, а існують електромагнітні поля як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею. Максвелл показав, що швидкість поширення електромагнітної хвилі є величиною скінченною і у вакуумі дорівнює швидкості світла (тобто c 3·10⁸ м/с). Електромагнітні хвилі є поперечними, оскільки в кожній точці простору електрична напруженість , магнітна індукція і швидкість поширення цих хвиль взаємно перпендикулярні (рис.5.2.16). Із теорії Максвелла випливає, що швидкість поширення електромагнітної хвилі у речовині визначається за формулою

, (5.2.7)

де c - швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі; e - діелектрична проникність; m - магнітна проникність середовища. Із формули (5.2.7) видно, що швидкість поширення електромагнітної хвилі в середовищі залежить від електричних і магнітних властивостей цього середовища.

Відстань, на яку поширюється електромагнітна хвиля за один період, тобто найкоротша відстань між таким двома точками хвилі, в яких і коливаються в однакових фазах, називають довжиною електромагнітної хвилі і позначають через l. За аналогією з механічними хвилями: = ln = l / T, де T - період, n - частота електромагнітних коливань. Із теорії Максвелла випливає, що довільний заряд, що рухається із прискоренням або коливається, випромінює електромагнітні хвилі.

Електромагнітна хвиля поширюється в діелектрику, але ще краще у вакуумі. Наявність прискорення - головна умова випромінювання електромагнітної хвилі.

У вакуумі електромагнітні хвилі досягають найбільшої швидкості - швидкості світла (c = 3·10⁸ м/с). Властивості електромагнітних хвиль найлегше вивчати, використовуючи передавач і приймач, які працюють на сантиметровому діапазоні. Випромінювання і приймання таких хвиль можна зробити спрямованими. Досліди Герца і пізніше проведені експерименти показали, що електромагнітні хвилі мають такі властивості:

1) в однорідному середовищі поширюються рівномірно і прямолінійно;

2) відбиваються діелектриками, а ще краще провідниками, при цьому виконуються закони відбивання хвиль;

3) заломлюються;

4) фокусуються;

5) дають явища дифракції і інтерференції;

6) поляризуються.

Властивості електромагнітних хвиль виявились такими ж, як і властивості хвиль будь-якої іншої природи.

Для утворення інтенсивних електромагнітних хвиль необхідно створити електромагнітні коливання досить високої частоти. Коливання високої частоти, яка значно перевищує частоту промислового струму (50 Гц), можна отримати за допомогою коливального контуру, частота власних коливань якого буде тим більшою, чим менша індуктивність і ємність конденсатора:

.

Для отримання електромагнітних хвиль Г. Герц використав простий пристрій, який нині називають вібратором Герца. Цей пристрій є відкритим коливальним контуром.

До відкритого коливального контуру можна перейти від закритого, якщо поступово збільшувати відстань між пластинами конденсатора, одночасно зменшуючи їх площу і кількість витків у котушці. Це і є відкритий коливальний контур (рис.5.2.18). Значення ємності та індуктивності вібратора Герца малі. Тому частота коливань досить велика.

Такий пристрій, що здатний випромінювати електромагнітні хвилі, Герц назвав антеною, що в перекладі означає вуса. Електромагнітні хвилі, які випромінюються, переносять із собою енергію. Поверхню площею S, через яку електромагнітні хвилі переносять енергію, називають хвильовою поверхнею (рис.5.2.19).

Густиною потоку електромагнітного випромінювання J називають електромагнітну енергію DW, яка проходить за час Dt через перпендикулярну до променів поверхню площею S:

.

Іноді величину називають інтенсивністю хвилі. У СІ [J] = Вт/м².

Густина потоку електромагнітних хвиль дорівнює добутку густини електромагнітної енергії w_м на швидкість її поширення.

J = w_мc.

Електромагнітні хвилі переносять енергію. Густина потоку випромінювання пропорційна значенню частоти в четвертому ступені:

J w⁴.

У зв'язку з цим на антенах радіостанцій виникають коливання великих частот. Принципи радіозв'язку такі. Змінний електричний струм високої частоти, який створюють в антені передавача, викликає в просторі навколо антени електромагнітні хвилі високої частоти. Коли хвилі досягають антени приймача, вони індукують в ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач. Важливим етапом у розвитку радіозв'язку було створення 1913 року генератора незагасальних електромагнітних коливань, за допомогою якого можна здійснювати надійний і високочастотний радіотелефонний зв'язок - передачу розмови чи музики за допомогою електромагнітних хвиль.

Для передачі звуку високочастотні коливання змінюють чи модулюють за допомогою електричних коливань низької частоти (звукової частоти). Цей метод називають амплітудною модуляцією (рис.5.2.20).

	- коливання високої частоти
	- коливання звукової частоти
- коливання модульовані за амплітудою

Модуляція - повільний процес змін у високочастотній системі, за якого система встигає здійснити багато високочастотних коливань до того, як амплітуда значно зміниться.

У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяють низькочастотні коливання. Такий процес перетворення сигналу називають детектуванням. Отриманий в результаті детектування сигнал відповідає тому звуковому сигналу, який діяв на мікрофонному передавачі.

Основні принципи радіозв'язку показано на рис.5.2.21.

Промодульована електромагнітна хвиля відходить від антени передавача і, досягнувши антени приймача, викликає в ній модульовані високочастотні коливання електричного струму. Приймач виділяє з них звукову частоту, і гучномовець передає звук.

Завдання будь-якого приймача - приймання потрібної промодульованої електромагнітної хвилі, виділення із множини частот тільки частоти тієї радіостанції, яку хочуть чути, виділення із цих коливань звукової частоти і відтворення її.

Електромагнітні хвилі, що випромінюються антеною радіопередавача, збуджують вимушені коливання вільних електронів у довільному провіднику. Для приймання електромагнітних хвиль у найпростішому детекторному радіоприймачі застосовують довгий провід - приймальну антену 1 (рис.5.2.22), в якій енергія електромагнітної хвилі перетворюється у змінний високочастотний струм. Вимушені коливання в антені збуджуються електромагнітними хвилями всіх радіостанцій. Коливання напруги подаються на коливальний контур 2 із змінною власною частотою коливань. Власна частота коливань у контурі приймача змінюється внаслідок зміни електроємності змінного конденсатора. За умови збігу частоти вимушених коливань в антені з власною частотою коливань контуру наступає резонанс, при цьому амплітуда вимушених коливань напруги на пластинах конденсатора контуру досягає максимального значення. Таким чином, із великої кількості електромагнітних коливань, збуджених в антені, виділяються коливання потрібної частоти, на якій і працює радіостанція.

З коливального контуру приймача модульовані коливання високої частоти поступають на детектор 3. Як детектор можна використати напівпровідниковий діод, що пропускає змінний струм високої частоти тільки в одному напрямі. Високочастотний модульований струм після проходження через діод стає пульсуючим струмом. На ділянці паралельно з'єднаних конденсатора С і телефону 4 високочастотні пульсації струму закорочуються через конденсатор. Для струму звукової (низької) частоти конденсатор є великим опором, і тому такий струм проходить через телефон. Для високочастотних пульсацій струму обмотка електромагніта телефону є досить великим індуктивним опором. Телефон перетворює коливання струму у звукові коливання. Таким чином, високочастотні модульовані електромагнітні коливання в приймачі знову перетворяться у звук.

За допомогою передавача і приймача Герца здійснювати радіозв'язок на великі відстані неможливо через дуже низьку чутливість приймача Герца. Це пояснюється тим, що приймач Герца працює лише за рахунок енергії електромагнітної хвилі, яку він сприймає. Російський вчений О. С. Попов 1885 року продемонстрував радіоприймач, який працював за рахунок енергії вмонтованої в нього батареї. Електромагнітні хвилі, які надходять до антени, лише керують роботою приймача. Спочатку дальність зв'язку становила 250 м, з часом її вдалось збільшити до 150 км, а через декілька років зв'язок було здійснено через Атлантичний океан. Удосконаленням радіоприймачів займалась фірма, організована італійським інженером Г. Марконі.

Звичайно детекторний радіоприймач недосконалий, але дозволяє збагнути загальні принципи радіозв'язку.

У сучасних радіоприймачах є підсилювач високої та звукової частот, і підсилені низькочастотні коливання відповідно подаються на гучномовець, який перетворює електричні коливання у звукові. Однак схеми найпростіших сучасних радіоприймачів значно складніші від зображеної на рис.5.2.22, тому їх можна вивчати лише факультативно.

Радіозв'язок здійснюється на довгих (10 000 - 1 000 м), середніх (1 000 - 100 м), коротких (100 - 10 м) та ультракоротких (менше 10 м) хвилях. Радіохвилі з різними довжинами хвиль по-різному поширюються біля поверхні Землі.

Довгі хвилі завдяки дифракції поширюються далеко за межі видимого горизонту. Тому радіопередачі на довгих хвилях можна приймати на великих відстанях за межами прямої видимості антени.

Середні хвилі зазнають меншої дифракції біля поверхні Землі і поширюються внаслідок дифракції на менші відстані за межі прямої видимості.

Короткі хвилі ще менш здатні до дифракції біля поверхні Землі, але їх можна прийняти в будь-якій точці на поверхні Землі. Поширення коротких радіохвиль на великі відстані від передавальної радіостанції пояснюється їх здатністю відбиватися від іоносфери, як від металевої пластинки.

Ультракороткі хвилі не відбиваються іоносферою і не огинають поверхню Землі внаслідок дифракції. Тому зв'язок на ультракоротких хвилях здійснюється тільки в межах прямої видимості антени передавача.

Ультракороткі хвилі (l < 10 м) використовують в радіолокації. Радіолокація - це виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль. В основу радіолокації покладено властивість електромагнітних хвиль відбиватися від металевих предметів або будь-яких тіл, що проводять електричний струм.

Відстань l до предмета, що відбив радіохвилі, дорівнює:

,

де c - швидкість поширення радіосигналу (3·10⁸ м/с); t - час проходження електромагнітних хвиль в прямому і зворотному напрямах.

За допомогою радіохвиль передаються на відстань не тільки звукові сигнали, але і зображення предмета. Телевізійні передачі ведуться в діапазоні 50 - 230 МГц. У цьому діапазоні електромагнітні хвилі поширюються майже в межах прямої видимості. Тому будують високі антени, використовують ретранслятори у вигляді антен та штучних супутників Землі.

Значний внесок у розвиток телебачення вніс український винахідник Борис Грабовський (1901 - 1966 рр.). Уперше в світі 1928 року йому вдалося створити повністю електронізовану систему передачі на віддаль рухомого зображення.

Запитання для самоперевірки

1. Що зумовлює змінне електричне поле?

2. Як пов'язаний напрям вектора напруженості вихрового електричного поля, зумовленого змінним магнітним полем, з урахуванням його зміни? Відповідь проілюструйте рисунками.

3. Як пов'язаний напрям вектора індукції магнітного поля, зумовленого змінним електричним полем, з характером його зміни? Відповідь проілюструйте рисунками.

4. Що називають електромагнітним полем? Чи можуть електричні і магнітні поля існувати відокремлено одне від одного?

5. Чому твердження, що в деякій точці простору існує тільки електричне чи тільки магнітне поле, не є цілком визначеним?

6. Що називають електромагнітною хвилею?

7. Що є джерелом електромагнітних хвиль?

8. Як орієнтовані вектори , , один відносно одного в електромагнітній хвилі?

9. Проілюструйте рисунками і опишіть процес передачі електромагнітних впливів на відстань.

10. Яка швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі?

11. Запишіть формулу, що виражає зв'язок швидкості поширення хвилі з довжиною хвилі і частотою.

12. Що дозволяє об'єднати всі види електромагнітного випромінювання в одну шкалу електромагнітних хвиль?

13. На які види випромінювань прийнято поділяти шкалу електромагнітних хвиль?

14. Називаючи види електромагнітних випромінювань, укажіть їх діапазони довжин хвиль і діапазони частот.

15. Які основні властивості електромагнітних хвиль?

16. Що є джерелом електромагнітних хвиль?

17. Як має рухатися частинка, щоб вона випромінювала під час коливань заряду електромагнітні хвилі?

18. Як залежить середня потужність випромінювання від частоти коливань заряду?

19. Побудуйте схему і поясніть принцип дії відкритого коливального контуру.

20. Що є випромінювачем електромагнітних хвиль?

21. Як побудовано вібратор Герца, який принцип його дії?