Тема 9. Электромагнитные колебания и волны

1. Получение электромагнитных колебаний в закрытом колебательном контуре.

2. Вынужденные колебания. Электрический резонанс.

3. Получение незатухающих электромагнитных колебаний с помощью лампового генератора.

4. Токи высокой частоты и их применение.

1. Получение электромагнитных колебаний в закрытом колебательном контуре.

Процесс перехода энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот называется электромагнитными колебаниями.

Для получения колебаний используется колебательный контур, это цепь состоящая из последовательного соединения конденс. и катушки индуктивности.

Т=2 формула расчета периода свободных колебаний

в колебательном контуре.

Ключ (к) переведен в положение I, при этом конденсатор заряжается и между его обкладками появляется электромагнитное поле, обладающее энергией.

Переведем ключ (к) в положение II, при этом конденсатор начинает разряжаться на катушку, ток разряженного конденсатора будет увеличиваться постепенно, препятствуя быстрому нарастанию тока ЭДС самоиндукции, которая наводится в катушку.

К моменту времени t=конденсатор полностью разрядится, ток достигнет максимальной величины, при этом энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию магнитного поля катушки.

Вывод: в течение энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию магнитного поля.

Начиная с этого момента времени в течении второй четверти периода, ток в контуре начинает убывать. Убывающий ток свои магнитным полем в катушке наводит ЭДС самоиндукции которая поддерживает убывающий ток. В результате конденсатор перезаряжается к одной второй периода конденсатор полностью перезарядится и энергия магнитного поля катушки перейдет в энергию электрического поля конденсатора. Во второй половине периода процессы в контуре полностью повторяется, только в обратном порядке.

Таким образом, в течение всего периода в контуре наблюдается переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот.
То есть проходит электромагнитные колебания. Ток в контуре при этом будет переменным. То есть со временем будет изменяться, по закону синуса или косинуса, с частотой

2. Вынужденные колебания. Электрический резонанс.

Свободные колебания в контуре будут затухающими, так как идущий ток по контуру при колебаниях в контуре совершает работу, в результате которой электромагнитная энергия контура переходит во внутреннюю энергию.

Для того чтобы колебания были не затухающими необходимо энергию контура пополнять. С этой целью контур подсоединяют к генератору переменного тока, то при этом колебания в контуре становятся вынужденными.

Выясним, при каких условиях передача энергии от генератора к контуру будет наиболее благоприятной.

Из графика зависимости амплитудных значений тока в колебательном контуре от частот видно, что чем ближе по значениям частота генератора и собственная частота колебательного контура, тем больше амплитудное значение тока в колебательном контуре.

Наибольшее значение ток достигает при равенстве частот. Это явление называют электрическим резонансом. При электрическом резонансе условия передачи энергии в колебательном контуре наиболее благоприятные.

3. Получение незатухающих электромагнитных колебаний с помощью лампового генератора.

Для того чтобы колебания в контуре были незатухающими необходимо периодически подключать к источнику тока и пополнять его энергию. Таким переключающим устройством может быть триод или транзистор. Такое устройство называют электронным генератором.

Рассмотрим принцип работы электронного генератора.

Схема лампового генератора незатухающих колебаний.

Подадим напряжение в схему генератора при этом конденсатор «С» колебательного контура заряжается, после этого момента времени конденсатор разряжается на катушку L.

При этом нарастающий ток разрядки конденсатора своим магнитным полем в катушке L1 наводит ЭДС индукции, так что на сетке лампы будет «+» на катоде «-». Лампа открыта. Через нее идет ток и энергия контура пополняется.

К концу первой половины периода конденсатор полностью перезарядится.

Вывод: в течении энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию электромагнитного поля катушки, при этом лампа открыта. Во второй четверти периода конденсатор перезаряжается, лампа остается открытой. Во второй половине периода направление тока в контуре меняется на противоположное.

Этот ток своим магнитным полем в катушке L1 наводит ЭДС индукции так, что на сетке лампы будет «-» на катоде «+» и лампа закрывается.

Колебания будут продолжаться в контуре за счет энергии контура.
С начала нового периода лампа вновь открывается и энергия контура пополняется. В результате электромагнитные колебания в контуре будут незатухающими.

Рассмотренный генератор на практике используют для получения переменного тока любой заданной частоты.

частота генер.колеб.движ.

4. Токи высокой частоты и их применение.

Если по проводнику идет ток высокой частоты, то он создает переменное магнитное поле этой же частоты. Это поле, в этом же проводнике наводит индукционные высокочастотные токи самоиндукции. Высокочастотный ток самоиндукции на поверхности проводника по направлению совпадает с высокочастотным током и усиливает его внутри проводника направлен на встречу высокочастотному току и ослабляет его, в результате высокочастотные токи в основном идут по поверхности проводника, разогревая ее.

Это свойство высокочастотных токов в промышленности используют для поверхностной закалки металлических изделий.

Поверхность изделия разогревают токами высокой частоты, при этом внутренний объем деталей остается холодным при резком охлаждении меняется структура поверхностного слоя, поверхность затвердевает, а внутренний объем деталей остается без изменений.

Толщину закаливаемого слоя можно регулировать, меняя частоту тока. Чем выше частота тем меньше толщина поверхностного слоя, по которому идет ток.

Тема 9.1Электромагнитные волны. Принципы радиосвязи

1. Электромагнитное поле, как особый вид материи.

2. Открытый колебательный контур – антенна.

3. Электромагнитные волны, скорость их распространения в различных средах.

4. Изобретение радио Поповым. Радиотелеграфная связь.

5. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция.

1. Электромагнитное поле, как особый вид материи.

Для того чтобы объяснить явление электромагнитной индукции открытой Фарадеем опытным путем в середине IXX века Максвелл разрабатывает теорию электромагнитного поля, электромагнитных волн исходя из 2-х постулатов.

1-й постулат – переменные магнитные поля создают вихревые электрические поля.

2-й постулат – вихревые электрические поля создают вихревые магнитные поля.

Из постулатов Максвелла следует, что вихревые электрические и магнитные поля в природе взаимосвязаны и как вид материи представляют собою единое электромагнитное поле.

Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты и в отличие от электрического поля создаваемого неподвижными зарядами эти линии не имеют ни начала, ни конца. В электромагнитном поле энергия вихревого электрического поля переходит в энергию магнитного поля и наоборот, то есть происходят электромагнитные колебания. Эти колебания, распространяясь в пространстве, образуют электромагнитные волны.

Следовательно, электромагнитная волна – это процесс распространения электрических магнитных колебаний в пространстве, так как электрические и магнитные поля обладают энергией, то вместе с волной распространяется и энергия электромагнитного поля.

Так как электромагнитное поле особый вид материи, то для распространения электромагнитных волн среда необязательна, в отличие от механических волн.

Самая большая скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

300 000 000м/с

300 000км/с

3х108 м/с

2. Открытый колебательный контур – антенна.

Для того чтобы получить электромагнитные волны необходимо в ограниченном объеме пространства получить электромагнитные колебания.

С этой целью на практике можно использовать закрытый колебательный контур.

В закрытом колебательном контуре энергия электрического поля в основном сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитное поле связано с катушкой. По проводам контура идут токи противоположенных направлений, магнитные поля которых, складываясь, друг друга компенсируют, поэтому мощность излучения электромагнитных волн будет не значительной. По этой причине его называют закрытым колебательным контуром. Эффективность излучения электромагнитных волн возрастает, если одну обкладку конденсатора поднять над землей, а вторую заземлить. Такой контур называется открытым или антенной.

Впервые такая антенна была использована Поповым в опытах по радиотелеграфной связи.

Антенный передатчик преобразует энергию переменного тока в энергию электромагнитных волн и излучают.

Антенна приемника принимают электромагнитные волны и преобразуют их в токи той же частоты.

3. Электромагнитные волны, скорость их распространения в различных средах.

Так как электромагнитная волна это процесс распространения электромагнитных колебаний, то в электромагнитной волне электрические и магнитные поля совершают колебания, плоскость колебания вектора напряженности электрического поля совпадает с плоскостью антенны. Плоскость колебания вектора напряженности магнитного поля, перпендикулярно плоскости антенны.

Таким образом, электрические и магнитные поля совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Направление распространения волны можно определить по правилу правого винта. Если винт вращать от вектора Е к вектору В в сторону меньшего угла, то поступ движения винта будет указывать на направление распространения волны.

Скорость распространения волны – это длина волны умноженная на частоту.

ν=λv формула расчета скорости распространения волн

λ – длина волны

ν – частота

Вывод: при переходе электромагнитных волн из одной среды в другую меняется их скорость, длина волны. Частота не меняется вследствие того, что меняется скорость волны, испытывают преломления.

4. Изобретение радио Поповым.

В 1895 г. русский ученый Попов впервые предложил идею использования электромагнитных волн для передачи информации на расстоянии и сам ее осуществил. Первая радиосвязь была телеграфной с использованием азбуки Морзе в этой азбуке каждой букве и цифре соответствует определенный набор и последовательность точек и тире (сигналы, разной длительности).

В передатчике генератор высокой частоты.

Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает токи высокой частоты которые через телеграфный ключ (ТК) поступают на антенну А₁, которая энергию тока преобразует в энергию волн той же частоты и длительности. Телеграфная модуляция осуществляется с помощью ключа ТК. Телеграфные модулированные волны выпрямляются антенной А₂ приемника и преобразуются в токи той же частоты и длительности. Антенна А² принимает любые электромагнитные волны и преобразует их в токи для того чтобы выделить токи интересующей станции параллельно катушки L приемной антенны подключают конденсатор переменной емкостью C. Эта часть схемы называется РК. Меняя электроемкость конденсатора, добиваемся равенства собственной частоты контура f₀ с частотой передатчика f. При таком условии внутрь приемника пройдут токи на частоте f. Дальше в приемнике эти токи детектируются (выпрямляются) с помощью детектора d.

Детектор – прибор, обладающий односторонней проводимостью. Это может быть полупроводниковый диод или радиолампа. После детектора ток становиться пульсирующим и одного направления. Дальше пульсация тока поступают на электрофильтр С_f представляющий собой конденсатор, подключенный параллельно исполнительному механизму ТА (телеграфный аппарат). Часть импульса тока поступает на конденсатор и заряжает его. Остальная часть уходит на исполнительный механизм. В промежутках между импульсами конденсатор разряжается на исполнительный механизм. По этому все время пока длится сигнал через исполнительный механизм идет ток, которому соответствует точка или тире.

5. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция.

Электромагнитные волны на звуковых частотах от 16 до 20 000 Герц имеют слишком большую длину волны. Волны такой длины практически с помощью антенн эффективно излучать и принимать не возможно. Поэтому для радиосвязи используются волны высокой частоты, которые имеют не большую длину волны. Они называются несущие волны. На радиостанции, на волны высокой частоты накладывают колебания звуков частоты. Такой процесс называют амплитудной модуляцией.

Рассмотрим принцип амплитудной модуляции.

Если включить генератор на передающей станции, то он будет вырабатывать токи высокой частоты, которые с помощью антенны А₁ преобразуются в волны и излучаются.

Такие волны не содержат информации и называются несущими волнами. Подключим в цепь генератора модулятор, который состоит из трансформатора Т_R и микрофона М_К. Если перед микрофоном создать колебания высокой частоты, то микрофон энергию механических волн преобразует в энергию тока, той же частоты. Ток звуковой частоты проходя по первичной обмотке трансформатора Т_R своим магнитным полем во вторичной обмотке наводит ЭДС индукции той же частоты. Так как вторичная обмотка трансформатора подключена к сетке лампы, то потенциал сетки относительно катода начнет изменяться в соответствии со звуковой частотой. Любые изменения потенциала сетки вызывают изменение анодного тока, по этому амплитуда начнет изменяться в соответствии со звуковой частотой. Такие токи называются амплитудно-модулированные. Эти токи с помощью антенны А₁ преобразовываются в высокочастотные амплитудно-модулированные электромагнитные волны и излучаются.

Антенна А₂ принимает амплитудно-модулированные волны и преобразовывает их в амплитудно-модулированные токи. С помощью разного контура R_к настраиваем приемник в резонанс на несущую частоту. При таком условии в контур проходят токи резонансной частоты. Детектором d эти токи выпрямляются. После выпрямления высокочастотные токи становятся пульсирующими. Слаживание пульсации тока происходит в электрофильтре С_ф отдельной пульсации тока поступает на конденсатор С_ф и его заряжают. А частично уходят на звуковоспроизводящее устройство Т_А. В промежутках между пульсациями конденсатор разряжается на звуковоспроизводящее устройство и в результате через звуковоспроизводящее устройство идет ток звуковой частоты. Это устройство преобразует колебания тока в механические волны, той же частоты и мы слышим звук, произведенный перед микрофоном передающей станции.

Дата добавления: 2014-01-04