9

Лекция № 19 Применение электромагнитных волн для целей связи

Принцип радиосвязи. Шкала электромагнитных волн

Одним из самых замечательных технических применений электромагнитных волн является их использование для целей связи. Изобретению радио мы обязаны русскому ученому А.С.Попову, который в 1895 году продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества прием и передачу сигналов с помощью электромагнитных волн.

Начатые примерно в то же время опыты итальянского инженера Маркони, поставленные в широком промышленном масштабе, положили начало внедрению радио в практику. В настоящее время радиотехника трудами многих выдающихся ученых и инженеров превращена в чрезвычайно широкую и распространенную область техники.

Как мы уже знаем, для излучения мощных электромагнитных волн необходимо создать быстро изменяющееся электрическое поле. Поэтому в радиотехнике применяют электрические колебания высокой частоты.

Частоты колебаний, используемые в радиовещании, лежат в пределах от до , что соответствует длинам волн от до . В радиолокации, где необходимо однонаправленное излучение, применяют дециметровые и сантиметровые волны, что соответствует частоте порядка .

В зависимости от частоты электромагнитные волны делятся на несколько видов. Шкала электромагнитных волн приведена в таблице:

Радиосвязью называется передача какой-либо информации с помощью радиоволн. В радиовещании осуществляется передача речи, музыки и телеграфных сигналов, в телевидении – изображений. Схема радиосвязи представлена ниже.

Г енератор электрических колебаний возбуждает в антенне интенсивные вынужденные колебания. Для усиления этих колебаний используют явление ре-зонанса и делают частоту генератора равной соб-ственной частоте антенны.

Так как антенна представляет собой открытый вибратор, то она излучает электромагнитные волны, которые достигают приемной антенны.

Эти волны, достигая приемной антенны, создают в ней переменное электрическое поле, заставляющее электроны, содержащиеся в приемной антенне, совершать колебательное движение. Это значит, что в приемной антенне появляется электрический ток высокой частоты. Для усиления этих колебаний приемная антенна настраивается с ними в резонанс.

Таким образом, принцип радиосвязи заключается в том, что токи проводимости передатчика сначала превращаются в токи смещения, не требующие для своего распространения проводов, а затем токи смещения преобразуются в токи проводимости в приемнике.

Возбуждение электрических колебаний

Знакомый уже нам колебательный контур является основой современной радиотехники. Колебания тока в контуре создают вокруг него периодически колеблющееся магнитное поле, порождающее электромагнитное излучение, которое распространяется во все стороны.

Рассмотрим основные способы возбуждения колебательного контура.

Простейшей схемой возбуждения колебательного контура является вибратор Герца. Используя его, Герц получил электромагнитные волны с частой порядка .

Несколько позже Н.П. Лебедев усовершенствовал вибратор Герца, применив в качестве стержней платиновые проволочки. Это позволило получить электромагнитные волны с частотой до .

Более высокая частота (порядка ) была получена в 1922 году в опытах Глаголевой – Аркадьевой. Схема ее установки изображена ниже.

В сосуд наливается масло со взвешенными металлическими опилками, которые непрерывно перемешиваются мешалкой. Вращающееся колесо, захватывая тонкий слой масла с опилками, образует на своей поверхности своеобразную шину. К этой шине подводятся концы проводов от индуктора, возбуждающего в опилках электрические колебания. Получается вибратор, аналогичный вибратору Герца. Таких индукторов на ободе колеса устанавливается большое количество, поэтому этот прибор получил название массового излучателя.

Н еоднородность размеров и формы отдельных вибраторов вызывает в массовом излучателе одновременные электрические ко-лебания в интервале .

Иной способ возбуждения электрических колебаний в контуре использован в транс-форматоре Тесла.

В первичной обмотке этого транс-форматора с помощью индуктора возбуж-даются колебания высокой частоты

.

П ри этом часть энергии контура излучалась в пространство в виде элект-ромагнитных волн. Чтобы уменшить эти потери и, тем самым, увеличить часть энергии, передаваемой во вторичную обмотку трансформатора, частота собственных колебаний контура, образованного вторичной обмоткой транс-форматора и емкостью нагрузки, должна совпадать с частотой вынуждающей силы, т.е.

,

где - частота собственных колебаний вторичного контура.

Т.е. или .

Для получения во вторичной обмотке трансформатора высоких напряжений ее делают как можно большей, и для выполнения условия резонанса уменьшают емкость , т.е. делают контур открытым.

С помощью трансформатора Тесла удается получать токи с частотой порядка при напряжении до миллиона вольт.

Во всех рассмотренных ранее системах возбуждения электрических колебаний частота подвода энергии от индуктора много менше частоты собственных колебаний контура. Вследствии потерь энергии на джоулево тепло и на излучение амплитуды колебаний заряда и тока в контуре быстро убывают.

Особый интерес для техники представляет схема, в которой при потере энергии вынуждающей силы поддерживаются незатухающие колебания. Создать такое устройство оказалось возможным благодаря изобретению триода.

Схема такого генератора на триоде представлена на рисунке.

О сновная идея схемы заключается в том, чтобы, включая и выключая источник постоянного напряжения в соответствующие моменты времени, управлять током в контуре. Источ-ником постоянного напряжения в схе-ме является батарея, питающая анод-ную цепь.

Катушка , включенная между сеткой и анодом, индуктивно связана с катушкой колебательного контура. Таким образом, в колебательный кон-тур как-бы включена сторонняя ЭДС, имеющая частоту колебаний, равную частоте контура.

Отвод энергии осуществляется с помощью катушки , индуктивно связанной с . Частоту колебаний катушки подбирают близкой к частоте колебаний контура.

Такой способ получения незатухающих электромагнитных колебаний используется в современной радиотехнике в области частот . Для получения более высоких частот используются специальные радиотехнические устройства клистроны и магнетроны, подробно останавливаться на изучении которых мы не будем.