Передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль

План

ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ХВИЛІ. ГУСТИНА ПОТОКУ ВИПРОМІНЮВАННЯ. ВИНАЙДЕННЯ РАДІО О.С. ПОПОВИМ. ПРИНЦИП РАДІОТЕЛЕФОННОГО ЗВ’ЯЗКУ

1.ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ХВИЛІ

2.ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

1.ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ХВИЛІ

Електромагнітне поле, що взаємодіє з речовиною, виконує роботу і викликає в ній певні зміни. Установлено, що роботу виконує електричне поле конденсатора, воно переміщує заряджене тіло, що знаходиться між пластинами конденсатора. Внаслідок виконання роботи магнітним полем переміщується провідник зі струмом у магнітному полі котушки, витками якої проходить електричний струм. Врешті-решт, у замкнутому провіднику, вміщеному в змінне магнітне поле, з'являється змінний електричний струм.

Наведені вище приклади можна доповнити прикладами поляризації діелектриків, намагнічення феромагнетиків як свідчення того, що електромагнітне поле може виконувати роботу. А робота характеризує зміну енергії системи; отже, електромагнітне поле
має енергію, в разі її зміни виконується робота.

Енергію має і змінне електромагнітне поле. Цю енергію воно одержує від коливального контура, який створює коливання у вібраторі, що випромінює електромагнітну хвилю. Якщо виміряти енергію, спожиту генератором незатухаючих коливань після підключення вібратора, то вона виявиться значно більшою, ніж до цього. Це відбувається внаслідок того, що її частину, відповідно до закону збереження енергії, одержує випромінювана вібратором електромагнітна хвиля.

Те, що електромагнітна хвиля має енергію, засвідчили ще досліди Герца. Іскра в приймальному диполі могла виникнути лише за наявності енергії в хвилі, яка надійшла до нього. Ви вже знаєте, що в електромагнітній хвилі змінюються одночасно дві найважливіші характеристики, які описуються векторами напруженості електричного поля і магнітної індукції . Вони і визначають енергію електромагнітного поля.

Змінне електромагнітне поле одержує енергію від коливального контура. Електромагнітна хвиля має енергію. Енергію електромагнітної хвилі визначають вектори .

Вважатимемо, що енергія електричної складової електромагнітної хвилі дорівнює енергії конденсатора коливального контура. Енергію зарядженого конденсатора можна обчислити за різницею потенціалів на його обкладках:

Якщо врахувати, що , а для однорідного поля конденсатора (де Е— напруженість електричного поля), то одержимо:

Добуток площі пластин на відстань між ними дорівнює об'ємові простору між обкладками конденсатора:V= Sd. Отже,

Проте однією з особливостей електромагнітного поля є те, що неможливо визначити його межі, а з ними й об'єм усього поля. Тому остання формула справедлива лише для конденсатора, де поле зосереджене між обкладками. У багатьох випадках доцільно користуватися поняттям густини енергії поля, розуміючи при цьому, що це енергія поля в одиниці об'єму:

Тоді густину енергії електричного поля в електромагнітній хвилі можна виразити формулою:

Напруженість електричного поля змінюється за законом

Енергія електричного поля

Тому в формулі для густини енергії поля потрібно брати середнє значення напруженості:

.

Густина енергії електричного поля , де E_c — середнє значення напруженості електричного поля.

Оскільки змінне електричне поле є джерелом змінного магнітного поля, то відповідно до закону збереження і перетворення енергії можна вважати, що або

Вектори змінюються синфазно. Тому енергія електричної складової електромагнітної хвилі дорівнює енергії магнітної складової. Інакше кажучи, енергія електромагнітної хвилі дорівнює подвоєному значенню енергії електричної складової:

Для густини енергії: звідки

Подібний розрахунок можна провести і для магнітної складової, для якої

Енергія електромагнітної хвилі залежить від частоти її коливань. Амплітудні значення кожного з векторів пропорційні квадрату частоти хвилі:

А енергія, як доведено вище, пропорційна квадрату амплітудних значень кожного з векторів. Звідси

Енергія електромагнітної хвилі

Густина енергії електромагнітної хвилі .

Густина енергії електромагнітної хвилі пропорційна четвертому ступеню частоти.

Отже, густина енергії електромагнітної хвилі пропорційна четвертому ступеню частоти коливань. Збільшення, наприклад, частоти вдвічі приводить до збільшення густини енергії хвилі в 16 разів.

Завдяки вивченню властивостей електромагнітних хвиль для них знайдено численні застосування. Найціннішою для задоволення практичних потреб людства виявилася властивість електромагнітних хвиль поширюватися на великі відстані як у повітрі, так і у вакуумі. Це стало однією з передумов створення сучасних засобів зв'язку, за якими закріпилася назва «засоби передачі інформації».

Основною функцією будь-якої системи зв'язку є передача інформації на відстані. Проте електромагнітна хвиля зі сталими параметрами, поширюючись у просторі, може нести інформацію лише про свою наявність.

Для передачі різноманітної інформації за допомогою електромагнітних хвиль застосовують різні способи модуляції коливань. Під модуляцією розуміють зміну параметрів електромагнітної хвилі за певним законом, у якому закодована інформація.

Як відомо, електромагнітна хвиля характеризується такими параметрами, як частота, довжина хвилі, амплітуда і фаза. Кожну з цих величин використовують для кодування інформації (модуляції). Найпоширенішою є амплітудна модуляція, за якої амплітуда хвилі змінюється протягом інтервалу часу значно більшого, ніж період хвилі.

Пристрій, призначений для передачі інформації за допомогою електромагнітної хвилі, називають радіопередавачем. Він не тільки генерує електромагнітні коливання, а й здійснює їх модуляцію. Розглянемо його будову. Основною частиною радіопередавача є генератор незатухаючих коливань високої частоти. Скорочено його позначають абревіатурою ГВЧ (мал. 4.12).

У реальних радіопередавачах коливання високої частоти перш, ніж потрапити в антену, проходять через підсилювач високої частоти (ПВЧ), в якому збільшується їхня енергія. За рахунок зв'язку з генератором в антені збуджуються електромагнітні коливання, які породжують електромагнітну хвилю (радіохвилю) певних довжини та амплітуди. Щоб радіохвиля несла інформацію, з генератором з'єднують модулятор, який може змінювати деякі параметри генератора, що зумовлює відповідну зміну амплітуди коливань. Частота коливань при цьому не змінюється.

Найпростішим модулятором є телеграфний ключ. Маніпулюючи ним, можна керувати процесом випромінювання хвиль у просторі. Відповідно до цього антена випромінюватиме радіохвилі протягом певних інтервалів часу, тривалість яких дорівнює часу замикання ключа. Для передачі інформації за допомогою телеграфного ключа користуються азбукою Морзе, в якій кожній літері і цифрі відповідає певна послідовність коротких і довгих сигналів (крапки і тире). Подібний принцип застосовують також для передачі інформації в цифровій формі.

При модуляції змінюються параметри електромагнітної хвилі. Амплітудну модуляцію використовують і для передачі так званих тональних сигналів — мови, музики тощо. Для амплітудної модуляції при тональних передачах передавач доповнюють підсилювачем низької частоти (ПНЧ) з мікрофоном чи іншим перетворювачем (див. мал. 4.12). У цьому разі модулятор змінює амплітуду коливань, які надходять в антену, відповідно до коливань звукової частоти. У простір випромінюється електромагнітна хвиля, амплітуда якої змінюється в такт зі звуком. Невід'ємною частиною радіопередавача є блок живлення, який забезпечує енергією інші його блоки.

У радіопередавачах застосовують ГВЧ різних конструкцій і принципу дії. Перші в історії радіопередавачі були іскровими і навіть електромеханічними. Змінний струм високої частоти в них вироблявся спеціальними генераторами, подібними до генераторів сучасних електростанцій. Розвиток електроніки, зокрема винайдення вакуумних електронних ламп, а згодом і напівпровідникових приладів, дав змогу створити зручні й економічні радіопередавачі. Принципові схеми передавачів з іншими видами модуляції не відрізняються від розглянутої. Проте модулятор змінює не амплітуду коливань і хвилі, а частоту або фазу електромагнітної хвилі. Частотну модуляцію застосовують для високоякісної передачі інформації, наприклад, у діапазоні ультракоротких хвиль. її широке застосування зумовлене тим, що на якість передачі мало впливають атмосферні та техногенні електромагнітні перешкоди (блискавка, електрична дуга тощо).

Інформацію, яка передається, потрібно розшифрувати, адже самої електромагнітної хвилі (навіть модульованої) людина не сприймає. Щоб передану інформацію зробити доступною для сприймання, застосовують спеціальні прилади, які ми звикли називати радіоприймачами.

Основною частиною кожного радіоприймача є коливальний контур LC з антеною А (мал. 4.13).

За умов, коли одночасно працює багато радіостанцій, на антену діють хвилі різних довжин і частот. В антені і в зв'язаному з нею коливальному контурі LC збуджуються складні електромагнітні коливання. Якщо частота одного з них дорівнює частоті власних коливань контура, то їх амплітуда різко зростає внаслідок резонансу. Щоб контур настроїти на частоту потрібної станції, він обладнаний коденсатором змінної ємності або котушкою, індуктивність якої можна змінювати. У багатьох сучасних приймачах для настроювання коливального контура застосовують спеціальні електронні пристрої. Так виділяють сигнал радіостанції, яка випромінює хвилі певної довжини.

Для зчитування інформації з високочастотного сигналу, виділеного контуром, слугує пристрій, який називають демодулятором або детектором (D). Він реагує на високочастотні коливання і видає сигнал, аналогічний тому, яким були модульовані коливання передавача. За амплітудної модуляції це випрямляч змінного струму, що надходить від коливального контура безпосередньо, або через підсилювач високої частоти (ПВЧ). Основною частиною демодулятора в сучасних приймачах є напівпровідниковий діод. Однак це може бути будь-який інший пристрій, який має односторонню провідність і випрямляє змінний струм. У колі з детектором проходить пульсуючий струм, імпульси якого одного знака, але змінної амплітуди. Після проходження крізь спеціальний фільтр, основною частиною якого є конденсатор С, пульсуючий струм перетворюється на струм низької частоти, який можна відтворити як звук за допомогою підсилювача і гучномовця або зафіксувати за допомогою спеціального реєструвального пристрою (магнітофона, осцилографа, факсу тощо).

Для подачі електроенергії в різні блоки радіоприймача слугує блок живлення. У сучасних радіоприймачах, особливо в переносних, роль блока живлення виконують гальванічні батареї або акумулятори.

Сучасна радіотехніка має тривалу історію розвитку, що охоплює період понад сто років. Перші придатні для практичного застосування радіопередавачі і приймачі були побудовані майже одночасно російським інженером О. С. Поповим та італійським винахідником і промисловцем Г. Марконі (1895 p.). Хоча ці радіоприлади були мало схожими на сучасні, вони мали всі вузли, принципово необхідні для їх роботи.

ЗАПИТАННЯ

1. Наведіть приклади, що підтверджують наявність енергії в електричному полі?

2. Чому електромагнітна хвиля має енергію?

3. Чому доцільно використовувати поняття про густину енергії електромагнітної хвилі?

4. Від яких величин залежить густина енергії електромагнітної хвилі?

5. Як залежить густина енергії електромагнітної хвилі від частоти коливань?

6. З яких функціональних блоків складається радіопередавач?

7. Яке призначення основних функціональних блоків радіопередавача?

8. Для чого здійснюється модуляція радіохвиль?

9. Які є види модуляції?

10. З яких функціональних блоків складається радіоприймач?

11. Яка роль контура в радіоприймачі?

12. Яка роль демодулятора в радіоприймачі?

Дата добавления: 2014-01-06