§ 15. генерация электромагнитных волн. принципы радиотелефонной связи

Колебательный контур, образованный их плоского конденсатора и катушки практически не излучает электромагнитных волн, так как электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки преимущественно сосредоточено внутри них. Поэтому такой контур называют закрытым.

Немецкий физик Г. Герц, впервые экспериментально доказавший существование электромагнитных волн, создал их с помощью вибратора, который состоял из двух половин - проволочных стержней (см. П на рис. 15а), к концам которых были присоединены большие и малые металлические шары. Воздушный зазор (З) между половинками вибратора был очень мал (рис. 15а). Вибратор представлял собой открытый колебательный контур, обкладками конденсатора которого были шары, а роль катушки играли прикреплённые к ним стержни.  При замыкании ключа (К) с помощью повышающего трансформатора (Т) заряжались шары вибратора зарядами противоположных знаков, и в определенный момент в зазоре вибратора возникала электрическая искра. При искре в вибраторе возникали высокочастотные затухающие  собственные колебания, а так как контур был открытым, то происходило излучение электромагнитных волн. Для регистрации электромагнитных волн Герц использовал незамкнутый контур (см. 2 на рис.15а), не соединённый с вибратором. Оказалось, что вслед за искрой между шариками контура вибратора 1 всегда следовала искра в контуре 2. Это доказывало существование электромагнитных волн.

Передачу информации с помощью электромагнитных волн без проводов (радиосвязь) впервые осуществил в 1895 г. русский физик А. С. Попов. При радиотелефонной связи речь или музыка с помощью микрофона преобразуются радиопередатчиком в последовательность электромагнитных колебаний открытого колебательного контура – передающей антенны, излучающей электромагнитные волны (радиоволны) определенного диапазона частот. В месте приёма радиоволны возбуждают колебания в приёмной антенне радиоприёмника, которая является частью его открытого колебательного контура. Если частота собственных колебаний приёмной антенны близка к диапазону частот радиоволн, то амплитуда её вынужденных колебаний растёт, и радиоприёмник после соответствующих преобразований этих колебаний и их усиления помогает восстановить переданное сообщение и услышать его с помощью динамика.

Установлено, что энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени их частоты. Поэтому для радиотелефонной связи используются электромагнитные волны с частотой от 100 кГц до 10 ГГц, которые называют несущими частотами или волнами, а их амплитуду изменяют с частотой, соответствующей звуковым колебаниям (от 20 Гц до 20 кГц). Процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией (рис. 15б). Радиоприёмник, настроенный на нужную несущую частоту, сначала усиливает колебания этой частоты, а потом выделяет из них колебания, соответствующие звуковым частотам. Этот процесс называют демодуляцией (рис. 15в), и он состоит из нескольких этапов: (1) – выпрямление электромагнитных колебаний несущей частоты и (2) – сглаживание пульсирующего сигнала.

 На высоте 50 – 300 км над поверхностью Земли находится ионосфера – слой атмосферы, содержащий высокую концентрацию заряженных частиц. Радиоволны с длиной волны l > 10 м отражаются от ионосферы и поэтому могут огибать земной шар, что делает возможным радиосвязь на больших расстояниях. Радиоволны с l < 10 м не могут огибать поверхность Земли и поэтому используются для связи в пределах прямой видимости.

Вопросы для повторения:

·        Как происходит излучение и приём радиоволн?

·        Что такое модуляция и демодуляция колебаний?

·        Почему и какие радиоволны могут огибать Землю?

 

 

Рис. 15. (а) - схема опыта Герца по обнаружению электромагнитных волн; (б) – электромагнитные колебания несущей частоты (верх) и модулированные сигналом более низкой частоты (амплитудная модуляция); (в) -  выпрямленные колебания (верх) и колебания низкой частоты после сглаживания высокочастотных пульсаций (низ).