2.2. Распространение электромагнитных полей. Радиоволны

Передача электрических сигналов без проводов основана на применении свободных электромагнитных волн (см. п. 2.1). Статическое электрическое поле неразрывно связано со своим источником – неподвижным электрическим зарядом. Если этот заряд исчезает, то исчезает вызванное им электрическое поле. Аналогично можно сказать и про статическое магнитное поле.

В отличие от статических электрических и магнитных полей электромагнитное поле Е движется в окружающем пространстве со скоростью света и порождает магнитное поле Н, которое, в свою очередь, двигаясь со скоростью света, порождает электрическое поле такой же интенсивности Е. Этот процесс продолжается непрерывно: в каждой точке пространства электромагнитное поле воспроизводит себя. Оно распространяется в свободном пространстве со скоростью м/с в виде волны, не связанной со своим источником. Таким образом, в отличие от статических электрических и магнитных полей, электромагнитное поле не зависит от своего источника. Если его источник исчезает, электромагнитное поле продолжает двигаться в пространстве, отдаляясь от точки, в которой находился источник.

При излучении от источника радиоволны уносят с собой некоторую энергию N. В свободном пространстве она распределяется внутри сферического слоя с радиусом D, равным расстоянию до источника колебаний.

а)	б)	в)

Рис. 2.3. Статические и динамические поля. Силовые линии: а) магнитного поля в присутствии и в отсутствие постоянного магнита М; б) электрического поля в присутствии и вотсутствие в точке А электрического заряда q; в) электромагнитного поля при включении и выключении радиолокационной станции (РЛС)

В процессе распространения волны поверхность сферического слоя увеличивается пропорционально квадрату расстояния D. На единичную поверхность сферического слоя приходится удельная энергия

.

Таким образом, удельная энергия электромагнитной волны обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения. Эта мощность пропорциональна квадрату напряженности поля Е. Поэтому величина Е в отличие от напряженности статического поля убывает пропорционально первой степени расстояния до источника излучения. Благодаря такому медленному убыванию в пространстве напряженности электромагнитного поля и стала возможна дальняя беспроводная связь с помощью радиоволн.

2.3. Использование высокочастотных колебаний

для передачи электрических сигналов без проводов

Дальность электросвязи с помощью электромагнитных колебаний будет тем больше, чем больше энергия этих колебаний, чем больше напряженность поля излучения. Величина этой напряженности зависит от частоты сигнала. Например, при движении проводника в магнитном поле наводимая э.д.с. пропорциональна скорости его перемещения. Если же неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем также будет наводиться и э.д.с., пропорциональная скорости изменения поля.

Аналогично напряженности электрической составляющей поля с увеличением скорости изменения растет его магнитная составляющая. Магнитная же составляющая пропорциональна току, создающему поле излучения. Таким образом, напряженность поля излучения пропорциональна не только величине тока в излучающем проводнике, но и скорости его изменения, т.е. в конечном счете – пропорциональна частоте этого тока (Т – период колебаний).

Пусть, например, для радиосвязи используется сигнал с частотой . На каком-то расстоянии D от передатчика этим сигналом создается напряженность электромагнитного поля, равная . Эта величина столь мала, что намного меньше напряженности помех от посторонних источников, например, от атмосферного электричества. При таких условиях связь будет работать очень плохо. Пусть теперь частота переменного тока, питающего провод передающей антенны, повысилась и стала равной . В результате напряженность электромагнитного поля на расстоянии D от этого провода повысилась и стала равной . Эта величина примерно в 100 раз превышает интенсивность помех, в результате чего связь становится устойчивой.

Превышение уровня передаваемого сигнала уровня помех не решает всех проблем, связанных с передачей необходимого сообщения. Дело в том, что человеческая речь содержит колебания с частотой, не превышающей . Поэтому сигнал с частотой вообще не будет услышан получателем информации.

На практике для передачи сигналов с частотой, воспринимаемой человеческим ухом, используют прием, называемый модуляцией высокочастотного колебания. Само излучаемое высокочастотное колебание играет роль переносчика полезного сигнала. Его называют несущим высокочастотным сигналом. В процессе модуляции по закону передаваемого сообщения меняют один из параметров несущего колебания, например, амплитуду или частоту. После приема модулированного высокочастотного колебания выполняют обратную операцию – демодуляцию или детектирование высокочастотного колебания.