Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования

План ответа 1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирова-ние.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существо-вании в природе особых волн, способных распростра-няться в вакууме.

Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Макс-велла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и элек-трического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окру-жающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопо-рождения электрических и магнитных полей проис-ходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порож-дает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут суще-ствовать не только в веществе, но и в вакууме. По-этому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происхо-дит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость рас-пространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.Впервые опытным путем получил электромаг-нитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также ско-рость электромагнитных волн. Она совпала с теоре-тическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны -- это волны, в которых электрическое и магнитное поля совер-шают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн. Они подчиняются закону отражения волн:

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

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

При распространении электромагнитной вол-ны векторы напряженности Е и магнитной индук-ции В перпендикулярны направлению распростра-нения волны и взаимно перпендикулярны между со-бойВозможность практического применения элек-тромагнитных волн для установления связи без про-водов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский фи-зик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнит-ных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле -- сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур на-зывается закрытым (рис. 33, а). Закрытый колеба-тельный контур практически не излучает электро-магнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом разверну-ты эти пластины, тем более свободно выходит элек-тромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колеба-тельного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода -- антенны.

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

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды мо-дуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высоко-частотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и за-ключается один из принципов радиопередачи. Дру-гим принципом является обратный процесс -- детек-тирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно от-фильтровать звуковые низкочастотные колебания.

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