что такое модулированные электромагнитные волны почему именно такие волны используют для радиосвязи

11 класс

§ 40. Принципы радиосвязи и телевидения

Изобретение радио.

Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Мысль о практическом использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих учёных. Однако из-за невысокой чувствительности приёмника Герца и неудобного способа наблюдения принимаемых сигналов осуществление приёма было возможно только на расстояниях 8—10 м от передатчика.

В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов (1859 — 1906).

Для того чтобы обеспечить автоматический приём электромагнитных волн, он использовал звонковое устройство для встряхивания когерера 1 после приёма сигнала.

1 Когерер представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами, в которой находятся мелкие металлические опилки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создаёт в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые «спекают» их. В результате сопротивление когерера резко падает.

Цепь электрического звонка замыкалась с помощью специального электромагнитного реле. Это реле было включено в цепь когерера и срабатывало в момент прихода электромагнитной волны. C окончанием приёма сигнала работа звонка сразу же прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашке, но и по когереру. C последним встряхиванием когерера электромагнитное реле отключало звонок, и аппарат был готов к приёму следующей волны. Схема приёмника Попова приведена на рисунке 6.50.

Для того чтобы увеличить чувствительность аппарата, Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав тем самым приёмную антенну. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приёма.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества Попов выступил с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» и продемонстрировал созданный им первый в мире радиоприёмник (рис. 6.51).

Этот день вошёл в историю мировой науки и техники как день рождения радио. 24 марта 1896 г. Попов с помощью сконструированных им передатчика и приёмника радиосигналов смог передать первую в мире радиограмму на расстояние в 250 м. Летом следующего года дальность беспроволочной связи была увеличена до 5 км.

Наряду с Поповым весьма схожее приёмное устройство в сочетании с искровым излучателем Герца применил итальянский изобретатель Гульельмо Маркони (1874—1937) в системе передачи на расстояние сигналов Морзе посредством электромагнитных волн. В устройствах, разработанных Маркони, были использованы антенны в виде высоко поднятого вертикального провода и заземления.

Особенно важным было включение длинной антенны в передатчик. 12 декабря 1901 г. Маркони осуществил одностороннюю радиосвязь через Атлантический океан, а в 1907 г. была открыта первая трансатлантическая служба беспроволочной связи.

Принципы радиосвязи.

Радиосвязь — это передача и приём информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот — от 3 ∙ 10 4 до 3 ∙ 10 11 Гц. Схема радиосвязи представлена на рисунке 6.52.

На передающей станции генератор высокочастотных колебаний возбуждает в антенне вынужденные колебания (рис. 6.52, а). Излучаемые передающей антенной электромагнитные волны распространяются во все стороны и достигают антенны приёмной станции (рис. 6.52, б). Под действием переменного электромагнитного поля волны электроны в приёмной антенне приходят в движение. В антенне возникает переменный ток высокой частоты. Приёмный контур выделяет из всех частот, возбуждённых в антенне, только колебания, частота которых равна собственной частоте контура.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, достаточно усилить эти колебания, подать в антенну, и передача на расстояние речи и музыки с помощью электромагнитных волн будет осуществлена. Однако в действительности такой простой способ передачи неосуществим.

2 Можно показать, что интенсивность излучения электромагнитной волны прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты. При увеличении частоты колебаний всего лишь в 2 раза излучаемая энергия возрастает в 16 раз. Поэтому при колебаниях низкой частоты излучения практически не происходит.

Колебания же низкой (звуковой) частоты (рис. 6.53, б) применяют лишь для изменения высокочастотных колебаний, или, как говорят, для их модуляции.

Модуляцией электромагнитной волны называют изменение её характеристик (амплитуды, частоты или фазы) при помощи колебаний с частотами, значительно меньшими частоты самой электромагнитной волны.

Соответственно различают амплитудную (рис. 6.53, в), частотную (рис. 6.53, г) и фазовую (рис. 6.53, д) модуляции колебаний. Частота исходной (немодулированной) волны называется несущей частотой, а частота изменения характеристик волны при модуляции — частотой модуляции. В радиоприёмнике из модулированных колебаний высокой частоты после их усиления получают низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования называется детектированием или демодуляцией. Полученный в результате детектирования низкочастотный сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты могут быть преобразованы в звуковые колебания или использованы для других целей. Блок-схема радиовещательного тракта приведена на рисунке 6.54.

Понятие о телевидении.

C помощью радиоволн можно осуществлять передачу не только звуковых сигналов, но и изображений.

Общая схема телевизионного вещания подобна схеме обычного радиовещания (см. рис. 6.54). Однако в телевизионном передатчике наряду с сигналом звукового сопровождения создаётся ещё видеосигнал (сигнал изображения) со своей несущей частотой. Колебания с этой несущей частотой модулируются сигналом изображения, поступающим от особых передающих электронно-лучевых трубок (иконоскопов, видиконов или суперотиконов). В модулированный видеосигнал входят также сигналы для синхронизации развёртки электронного луча в приёмной электроннолучевой трубке (кинескопе), на экране которой возникает изображение.

Телевизионная схема включает в себя следующие устройства:

1) Телевизионная передающая камера (предназначена для преобразования изображения, получаемого при помощи объектива на мишени передающей трубки или полупроводниковой матрице, в телевизионный видеосигнал).

2) Телекинопроектор (преобразует изображение и звук на киноплёнке в телевизионный сигнал и позволяет демонстрировать кинофильмы по телевидению).

3) Видеомагнитофон (записывает и в нужный момент воспроизводит видеосигнал, сформированный передающей камерой или телекинопроектором).

4) Видеомикшер (позволяет переключаться между несколькими источниками изображения: камерами, видеомагнитофонами и др.).

5) Передатчик (несущий сигнал высокой частоты модулируется телевизионным сигналом и передаётся по радио или проводам).

6) Приёмник — телевизор (с помощью синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале, телевизионное изображение воспроизводится на экран приёмника — кинескоп, ЖК-дисплей, плазменную панель).

В цветном телевидении применяют три видеосигнала, соответствующие трём основным цветам — красному, зелёному и синему. Для передачи изменяющихся изображений используют покадровый способ. Кадры представляют собой изображения, сменяющие друг друга с частотой 1/25 с. Физиологическая особенность нашего зрения состоит в том, что такая смена кадров воспринимается человеческим глазом как непрерывное движение.

Существуют различные системы передачи телевидения.

Спутниковое телевидение — система передачи телевизионного сигнала от передающего центра к потребителю, использующая в качестве ретранслятора искусственные спутники Земли, расположенные в космосе на геостационарной околоземной орбите над экватором и оснащённые приёмопередающим оборудованием. Спутниковое телевидение обеспечивает покрытие качественным телевизионным сигналом больших территорий, труднодоступных для ретрансляции обычным способом.

Аналоговое телевидение — телевизионная система, использующая для получения, вывода и передачи изображения и звука аналоговый электрический сигнал.

Цифровое телевидение — технология передачи телевизионного изображения и звука при помощи цифрового кодирования видеосигнала и звукового сигнала.

Вопросы:

1. Опишите схему приемника Попова, представленную на рисунке 6.50.

2. Какой вклад в развитие радиосвязи внесли Попов и Маркони?

3. Какие устройства входят в систему радиосвязи?

4. В чём заключается процесс:

б) детектирования электромагнитных волн?

5. Как осуществляется передача изображений с помощью радиоволн?

Вопросы для обсуждения:

1. Опишите схему радиовещательного тракта, показанную на рисунке 6.54.

2. Почему, когда автомобиль проезжает под эстакадой или мостом, радиоприёмник в нём плохо работает?

Упражнения:

1. Радиолокатор работает на волне длиной 15 см и испускает 4000 импульсов в 1 с. Длительность каждого импульса составляет 2 мкс. Сколько электромагнитных колебаний содержится в каждом импульсе? Определите глубину разведки локатора.

3. Колебательный контур радиоприёмника настроен на частоту 12 МГц. Во сколько раз нужно изменить ёмкость конденсатора контура, чтобы настроиться на частоту, соответствующую длине волны 50 м?

Источник

Электромагнитные волны. Радиосвязь

Блок 13. Электромагнитные волны. Радиосвязь

1. Электромагнитные волны

1. Между изменяющимися во времени электрическим и магнитным полем существует взаимосвязь: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (электромагнитная индукция), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате возникает единое электромагнитное поле.

2. Источником электромагнитного поля является переменный ток (ускоренно движущаяся зараженная частица). Так же, как упавший на воду камень, возбуждает волны на поверхности воды, так и при изменении скорости заряженной частицы возникают электромагнитные волны в окружающем пространстве.

3. Электромагнитная волна – возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн в 1864 г.

4. Экспериментально их обнаружил Герц в 1887 г. Источником электромагнитных волн стал прямолинейный проводник с промежутком посередине, обладающий свойствами колебательного контура (вибратор Герца). Высокое напряжение, подаваемое к промежутку, вызывало искровой разряд. Такой же разряд возникал в другом вибраторе, концы которого были замкнуты, находящемся на некотором расстоянии от первого. Электромагнитное излучение первого вибратора дошло до второго.

5. Электромагнитные волны существуют и обладают следующими свойствами:

· электромагнитное излучение возникает при ускоренном движении электрических зарядов; электромагнитные волны являются гармоническими: вектора напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля будут изменяться гармонически.

· энергия излучения пропорциональна квадрату ускорения излучающей заряженной частицы;

· скорость распространения равна скорости света;

· волна поперечная: вектора напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

6. Характеристики электромагнитных волн

· Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебания её источника λ = υТ

· Плоскополяризованная волна – это волна, в которой колебаниям вектора напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля соответствует только одна пара взаимно перпендикулярных плоскостей. Плоскость поляризации определяется плоскостью, в которой происходит изменение вектора напряжённости электрического поля.

· Точечный источник электромагнитного излучения источник, размерами которого по сравнению с расстоянием до него можно пренебречь.

· Фронт волны – это поверхность постоянной фазы напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля. Луч показывает направление распространения поля. Луч перпендикулярен фронту волны.

· Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмной плотности электрического и магнитных полей равных друг другу в любой момент времени.

· Поток энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения. P =W/∆t

· Интенсивность – среднее значение плотности потока электромагнитной волны – среднее значение энергии, падающей на единицу поверхности в единицу времени.

Зависимость интенсивности от расстояния до источника и от частоты излучения:

a. Интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника I

1/r2, т. к. площадь сферы, внутри которой распространяется поле S = 4πr2.

b. Интенсивность прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты I

· Электромагнитная волна переносит не только энергию, но и импульс p =W/c.

· Давление волны на поверхность P = 2I/c. Сила радиационного давления Солнца на земной шар около 600000 кН.

2. Спектр электромагнитного излучения

1. Спектр электромагнитных волн имеет широкий диапазон частот от 0 до 3·1022 Гц

· Волны звуковых частот возникают в линиях электропередач.

· Инфракрасные волны, видимый свет, ультрафиолетовые лучи излучаются атомами при изменении энергетических состояний валентных электронов

· рентгеновские лучи излучаются атомами при изменении энергетических состояний электронов внутренних оболочек атомов

· γ-излучение возникает при изменении энергетического состояния атомного ядра.

1. Основные характеристики: частота, длина, скорость, энергия.

2. Основные свойства: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.

3. Основные отличия: а)способы получения; б)характерные свойства; в)области применения.

1. Радиосвязь – передача и приём информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов. Длинные и средние волны огибают поверхность Земли и отражаются от ионосферы и от поверхности Земли. Короткие волны отражаются от ионосферы и от Земли. УКВ распространяются прямолинейно (телевидение и радиолокация)

· радиотелеграфная (передача сигналов в виде точек и тире, кодирующих буквы и цифры в азбуку Морзе;

· радиолокация (обнаружение объектов и их координат с помощью отражения радиоволн, расстояние до объекта находится по формуле S = ct/2, где t – время прохождения импульса до объекта и обратно);

· радиовещание и радиотелефонная связь (передача в эфир речи, музыки, звуковых эффектов с помощью электромагнитных волн);

· телевидение (передача в эфир звука и видеоизображения с помощью электромагнитных волн).

3. Радиопередатчик излучает радиоволны, а радиоприёмник улавливает и декодирует излучаемый сигнал. Передатчик состоит из генератора высокочастотных колебаний, источника звуковых колебаний и антенны. Антенна – открытый колебательный контур, индуктивно связанный с катушкой колебательного контура. Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний состоит из колебательного контура C-L, транзистора, выполняющего роль клапана, открывающего доступ энергии в колебательный контур. Транзистор связан с контуром при помощи индуктивной катушки Lсв. Колебания звуковой частоты, возникающие в микрофоне, практически не излучаются, а высокочастотные, вырабатываемые генератором, не несут информации. Модулирующее устройство (микрофон) изменяет высокочастотные колебания, и антенна излучает высокочастотные колебания, несущие информацию, которая содержится в колебаниях звуковой частоты.

4. Амплитудная модуляция – изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения звукового сигнала. Амплитуда тока модулированного сигнала I = I0cosω0t + 0,5I1cos(ω0 – Ω)t + 0,5I1cos(ω0 + Ω) t. Антенна излучает высокочастотные модулированные колебания

5. Из формулы видно, что для передачи звукового сигнала (частота до20000Гц) потребуется ширина канала связи – полоса частот, необходимая для передачи данного звукового сигнала, в 40кГц. Если радиочастоту разделить на диапазоны (длинные, средние, короткие и ультракороткие волны), в каждом диапазоне может работать несколько радиостанций. Например, в диапазоне средних волн 3·105 – 3·106Гц может работать более 60 радиостанций, а в УКВ-диапазоне от 3·107 до 3·108Гц может работать более 6000 радиостанций. (3·106 – 3·105 )/40000=62;

( 3·108 – 3·107)/40000 = 6250

6. Детекторный радиоприёмник состоит из приёмной антенны, индуктивно связанного с ней колебательного контура, детектора (высокочастотный полупроводниковый диод) конденсатора, исполняющего роль фильтра и наушников. В антенне возбуждаются модулированные высокочастотные колебания. При резонансе такие же колебания возникают в колебательном контуре. Детектор осуществляет детектирование – выделение низкочастотных звуковых колебаний из модулированных колебаний высокой частоты. Сначала происходит выпрямление, а затем выделение низкочастотной огибающей высокочастотных импульсов.

Задача 1. Радиостанция работает на частоте 100 МГц. Считая, что скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере равна скорости света в вакууме, найдите соответствующую длину волны. (3м).

Задача 2. Колебательный контур состоит из катушки с индуктивностью 1 мкГн и конденсатора, электроёмкость которого может изменяться в пределах от 100 до 400 мкФ. На каком диапазоне волн может быть настроен этот контур? (188,5 – 377м).

Решение. λ = c/ ν, ν =1/Т, T=2π√LC, λ1 = c2π√LC1 = 188,5 м. При увеличении электроёмкости конденсатора в 4 раза, длина волны увеличивается в 2 раза, следовательно λ2 = 377 м.

Задача 3. Каким может быть максимальное число импульсов, испускаемых радиолокатором в 1 с, при разведывании цели, находящейся в 30 км от него? (5000).

Задача 4. Радиолокатор работает на волне 15 см и даёт 400 импульсов в секунду. Длительность каждого импульса 2 мкс. Сколько колебаний содержится в каждом импульсе и какова наибольшая глубина разведки локатора? (4000; 375 км).

Задача 5. При гармонических электрических колебаниях в колебательном контуре максимальное значение энергии электрического поля конденсатора равно 50 Дж, максимальное значение энергии магнитного поля катушки равно 50 Дж. Как будет изменяться во времени полная энергия электромагнитного поля контура? Как будет изменяться во времени максимальная магнитная энергия катушки? Как буде изменяться энергия катушки в течение периода колебаний?

Решение. Полная энергия электромагнитного поля контура остается постоянной.

Максимальная магнитная энергия катушки остается постоянной.

Энергия катушки, как и энергия конденсатора в течение периода колебаний изменяется от 0 до 50 Дж.

Задача 6. Контур радиоприёмника настроен на длину волны 50 м. Как нужно изменить индуктивность катушки колебательного контура приёмника, чтобы он был настроен на волну длиной 25 м?

Решение. λ = c2π√LC . При уменьшении длины волны в 2 раза, индуктивность должна уменьшиться в 4 раза.

Задача 7. Рассмотрим четыре случая движения электрона: 1) электрон движется равномерно прямолинейно; 2) электрон движется равномерно по окружности; 3) электрон движется равноускоренно; 4) электрон совершает гармонические колебания. В каких случаях происходит излучение электромагнитных волн?

Решение. Во всех случаях, когда ускорение не равно 0, т. е. случаи 2, 3, 4.

Задача 8. Определите отношение плотностей потока излучения электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний электрического тока в вибраторе, если частоты колебаний 1 МГц и 10 МГц.

Решение. Интенсивность – среднее значение плотности потока электромагнитной волны. Интенсивность прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты I

ω4. Следовательно, при увеличении частоты колебаний в 10 раз, интенсивность, а, значит, и плотность потока излучения увеличится в 10000 раз.

Формулы по теме «Электромагнитные волны»

· p =W/c – импульс волны

· Объёмная плотность электромагнитной волны

Источник

Что такое модулированные электромагнитные волны почему именно такие волны используют для радиосвязи

Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.

а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;

б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;

в) график модулированных по амплитуде колебаний.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Источник