Реферат: Электромагнитные волны
Реферат по физике натему:
Электромагнитные
Волны. />[Ќ©1] [Ќ©2]
/> <td/>Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
План:
1) Джеймс Клерк Максвелл.
а)Понятие волны.
б)Гипотеза Максвелла. Процесс образования электромагнитной волны.
2) Опыт Герца.
а) почемуобычный колебательный контур нельзя использовать для излучения электромагнитныхволн.
б) ВибраторГерца.
в) Скоростьволны.
3) Изобретение радио поповым.
а) Устройство радиоприёмника.
б) Историяизобретения.
4) Принципы радиосвязи.
5) Модуляция. Устройство простейшего детекторного приёмника. Детектирование.
6) Простейший радиоприёмник с УВЧ и УНЧ.
/> <td/>Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Джеймс Клерк (1831-1879), английский физик, создательклассической электродинамики, один из основоположников статической физики,организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеиМ. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввёлпонятия о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн,выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическоераспределение, назвав его именем. Исследовал вязкость, диффузию итеплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел.Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффектМаксвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла –Кремоны), термодинамике, истории, физике и др.
Перед тем как перейти к гипотезе Максвелла надоознакомиться с понятием волны. Волной называют колебания, распространяющиеся впространстве с течением времени. Важнейшей характеристикой волны является еёскорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно.
Волны бывают двух видов: поперечные и продольные.Поперечными называют волны, распространяющиеся в перпендикулярном направлениираспространению волны. Продольными волнами называют волны, распространяющиесявдоль направлению распространению волны.
Основное свойство всех волн независимо от их природысостоит в перемещении энергии без переноса вещества
Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Длинной волны называется расстояние между ближайшимиточками, колеблющихся в одинаковых фазах. Волны разной длинны, используются вразных отраслях человеческой деятельности. ДВ – длинные волны (их длинна можетдостигать километра); СВ – средние волны; КВ – короткие волны; УКВ – ультракороткие волны.Различные виды механических волн, как поперечные, так ипродольные могут распространяться только в непрерывной среде, в твёрдых телах,жидкостях и газах.
В вакууме механические волны распространятся, не могут.
Максвелл на основании изучения экспериментальных работФарадея по электричеству и магнетизму в 1864г. Высказал гипотезу осуществовании в природе особых волн, способных распространятся в вакууме. Этиволны Максвелл назвал электромагнитными волнами.
Для выдвижения гипотезы о возможности возникновенияэлектромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. Открытие индукционноготока Фарадеем. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновениемвихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее онпредложил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любомизменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле.
Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далеенепрерывно продолжатся и захватывать всё новые и новые области в окружающемпространстве.
/> Процесс распространения переменных магнитного иэлектрического полей и есть электромагнитная волна.
Электромагнитные волны могут существовать ираспространятся в вакууме.
Условие возникновения электромагнитных волн.
Для образования интенсивных электромагнитных волннеобходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.
Изменения электромагнитного поля происходят при изменениисилы тока в проводнике, а сила тока в проводнике изменяется при изменениискорости движения электрических зарядов в нём, т.е. при движении зарядов сускорением.
/> <td/>Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Следовательно, электромагнитные волны должны возникать приускоренном движении электромагнитных зарядов.
Генрих Рудольф Герц (1857 – 1894), немецкий физик.Экспериментально доказал (1886 – 1889) существование электромагнитных волн(используя вибратор Герца). Придал уравнениям Максвелла симметричную форму.Экспериментально подтвердил тождественность основных свойств электромагнитных исветовых волн. Открыл внешний фотоэффект (1887).
+
/>
I
/> /> />
/>
-
Электромагнитные волны были впервые экспериментальнополучены Герцем в 1887г. В его опытах ускоренное движение электрических зарядоввозбуждались в двух металлических стержнях с шарами на концах (вибраторГерца). Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитнуюволну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, аогромное число электронов, движущихся согласовано. В электромагнитной волневекторы Е и В перпендикулярны друг другу.Вектор Е лежит в плоскости,проходящей через вибратор, а вектор Вперпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит смаксимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора.Вдоль оси излучения не происходят.
/>В обычном колебательном контуре (его можно назвать закрытым), почти всёмагнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое внутриконденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такойконтур очень слабо излучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Герц использовалпростое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройствопредставляет собой открытый колебательный контур.
/> <td/>Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
/> К открытому колебательному контуру можно перейти от закрытого, еслипостепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременноуменьшая число витков в катушке. В конце концов, получится прямой провод. Это иесть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герцамалы. Поэтому частота колебаний весьма велика.
В опытах Герца длинна волны составляла несколькодесятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебанийвибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле u=ln. Она оказалась приближенно равнаскорости света: с»300000 км/с. Опыт Герца блестящеподтвердили предсказания Максвелла.
В России одним из первых занялся изучением электромагнитныхволн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.
Попов Александр Степанович (1859-1905), русский физик иэлектротехник, изобретатель электрической связи без проводов (радиосвязи).В1895 году продемонстрировал изобретённый им первый в мире радиоприёмник.Весной 1897 года достиг дальности радиосвязи 600м, летом 1897 – 5 километров, в1901 – около 150 километров. Создал (1895) прибор для регистрации грозовыхразрядов(«грозоотметчик»). Получил золотую медаль на Всемирной выставке 1900года в Париже.
/> <td/>
Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
/> Возможность практического применения электромагнитных волн дляустановления связи без проводов была впервые продемонстрирована 7 мая 1895 года. Этот день считается днём рождения радио.
Приёмник Попова состоял из
1 – антенны, 2 – когерера, 3 – электромагнитного реле, 4 –электрического звонка, 5 – источника постоянного тока. Электромагнитные волнывызывали вынужденные колебания тока и напряжения в антенне. Переменноенапряжение с антенны подавалось на два электрода, которые были расположены встеклянной трубке, заполненной металлическими опилками. Эта трубка и естькогерер. Последовательно с когерером включались реле и источник постоянноготока.
Из — за плохих контактов между опилками сопротивлениекогерера обычно велико, поэтому электрический ток в цепи мал и реле звонка незамыкает. Под действием переменного напряжения высокой частоты в когереревозникают электрические разряды между отдельными опилками, частицы опилокспекаются и его сопротивление уменьшается в 100 – 200 раз. Сила тока в катушкеэлектромагнитного реле возрастает, и реле включает электрический звонок. Такрегистрируется приём электромагнитной волны антенной.
Удар молоточка звонка встряхивает опилки и возвращаетего в исходное состояние, приёмник снова готов к регистрации электромагнитнойволны антенной.
/> <td/>Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Современные радиоприёмники совсем непохожи на своегопрародителя, но принцип действия остался тот же, что и в приёмники Попова.Современный приёмник так — же имеет антенну, в которой приходящая волнавызывает очень слабые магнитные колебания. Как и в приёмнике Попова, энергияэтих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишьуправляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такоеуправление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.
В1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов спомощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована вовремя спасательных работ в Финском заливе. При участии Попова началосьвнедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
За границей усовершенствованием подобных приборовзанималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты,поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфнуюпередачу через атлантический океан.
Важнейшим этапом развития радиосвязи было создание в1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний.
Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих изкоротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, сталавозможной надёжная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи имузыки с помощью электромагнитных волн.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха взвуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания тойже формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можнобудет передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн.Однако в действительности такой способ передачи неосуществим.
/> <td/>Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Дело в том что, колебания звуковой частоты представляютсобой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой
( звуковой) частоты почти совсем не излучаются.
Для передачи этих волн на большие расстояния ихнеобходимо преобразовать в колебания высокой частоты, но так чтобы не испортитьинформацию которую они несут. Процесс преобразования электромагнитных колебанийнизкой частоты в колебания высокой частоты называется модуляцией. Дляпреобразования звуковых волн используется амплитудная модуляция.
/> В процессе модуляции происходит наложение амплитуды низкочастотныхсигналов на высокочастотный сигнал.
Модуляция – медленный процесс. Это такие изменения ввысокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить оченьмного высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда измениться заметнымобразом.
Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, нителевизионной передачи.
/> Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебанийвысокой частоты в электрическую цепь транзисторного генератора последовательнос колебательным контуром включают катушку трансформатора. На вторую катушкутрансформатора подаётся переменное напряжение звуковой частоты, например, свыхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во второй катушкетрансформатора вызывает появление напряжения на концах первой катушкетрансформатора.
Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Переменное напряжение звуковой частоты складывается спостоянным напряжением источника тока; изменения напряжения между эмиттером иколлектором транзистора приводят к изменениям со звуковой частотой амплитудыколебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора. Такие колебаниявысокой частоты называются амплитудно-модулированными.
С колебательным контуром генератора индуктивно связанаантенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой частоты,происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.
Электромагнитные волны, излучённые антеннойрадиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любомпроводнике. Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитнаяволна возбуждает вынужденные колебания электрического тока, пропорциональнодлине проводника. Поэтому для приёма электромагнитных волн в простейшемдетекторном радиоприёмнике применяется длинный провод – приёмная антенна (1).Для того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения ненаправляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательныйконтур (2) с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственнойчастоты колебаний в контуре приёмника производится обычно изменениемэлектроёмкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденныхколебаний в антенне с собственной частотой контура наступает резонанс, при этомамплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контурадостигает максимального значения. Таким образом, из большого числаэлектромагнитных колебаний, возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужнойчастоты.
С колебательного контура приёмника модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор (3). В качестве детектора можноиспользовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокойчастоты только в одном направлени. В течении каждого полупериода высокойчастоты импульсы тока заряжают конденсатор (4), вместе с тем конденсатормедленно разряжается через резистор (5). Если значения электроёмкостиконденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, точерез резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковойчастотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике. Дляпреобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжениезвуковой частоты подаётся на телефон (6).
Детекторный радиоприёмник весьма несовершенен. Онобладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно приниматьрадиопередачи только от мощных радиостанций или от близкорасположенныхрадиопередатчиков.
Для повышения чувствительности в современныхрадиоприёмниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителявысокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрическиеколебания поступают на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала навыходе радиоприёмника электрические колебания звуковой частоты с выходадетектор поступают на вход усилителя низкой частоты.
Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧподаётся на динамик.
Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частотмогут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.Использованная литература:
1) Советский энциклопедический словарь
(издание второе)
2)Физика справочные материалы О.Ф. Кабардин
3)Физика 11 Г.Я. Мякишев Б.Б. Буховцев
/> <td/>
Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
Рецензия N
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Выполнил Николай Кинжибаев.
2000г.
N