Конспект / Электромагнитное поле / история развития радиоволн

История освоения радиоволн

Радиоволны открыты в историческом масштабе времени совсем недавно, немногим более ста лет назад.

В первой половине XIX в. английский исследователь Майкл Фарадей, открывший и описавший многие законы электричества и магнетизма, высказал теорию, что электромагнитные взаимодействия распространяются на расстояние не мгновенно, а с некоторой, пусть и очень большой, ско­ростью. Отсюда следовал вывод, что эти взаимодействия, или поля, могут существовать независимо от источника, их породившего. Так было положено начало открытию электромагнитных волн.

Через 100 лет другой английский ученый Максвелл составил систему уравнений, которые обобщают известные опытные за­коны электричества. Эти уравнения до сих пор служат основой. Из уравнений Максвелла следовало, что могут существовать не­зависимые от источников быстропеременные электромагнитные поля, переносящие энергию и распространяющиеся в вакууме со скоростью с =3×10⁸ м/с. Эта скорость удиви­тельно точно совпала со скоростью света, что позволило предполо­жить, что свет - это тоже электромагнитные волны, хотя и очень малой длины.

Практически электромагнитные волны удалось получить_ талько через 20 лет, в 1886 г., немецкому ученому и экспериментатору Генриху Герцу. Он осуществил их передачу и прием, а также исследовал отражение и преломление.

Исторически первым излучателем электромагаитных волн был диполь Герца. Он состоит из двух стержней с шарами или дисками на концах, обладающих не­которой емкостью. В то же время стерж­ни, как и любой проводник, обладают индуктивностью. Диполь представляет собой последовательный колебательный контур и имел некоторую резонансную частоту.

Диполь Герца

Знаменитый изобретатель в области электротехники Никола Тесла сконструировал в 1891 г. резонансный трансформатор, позволяющий получать очень высокие напряжения высокой частоты, и высказал мысль о возможности передачи электромагнитной энергии вдоль поверхности земли без проводов. Построенная им в 1893 г. уста­новка для передачи высокочастотной энергии без проводов содержа­ла передающий и приемный резонансные трансформаторы, оснащен­ные высоко поднятыми антеннами. Практического применения с целью передачи энергии эта установ­ка не получила, вероятно, из-за очень низкого КПД. Но идея пере­дачи сигналов с помощью электромагнитных колебаний уже носи­лась в воздухе.

Ряд исследователей стремились укоротить длину волны генери­руемых колебаний, уменьшая размеры разрядника и совершенствовали приемник, ведь сначала электромаг­нитные волны регистрировались наблюдением микроскопических искр в зазоре приемного вибратора, а для их возникновения нужна была очень большая напряженность поля.

Француз Бранли изобрел когерер, прототип современного детектора. Название «когерер» принадлежит Лоджу, построившему на его основе приемник с батареей и гальванометром, включенным в цепь когерера. К 1894 году приемник обнаруживал электромагнитное излучение искрового вибратора Герца на расстоянии около 40 метров.

Позже Попову удалось создать значительно более чувствительный приемник электромагнитных колебаний на основе когерера. Несколько позже аналогичный приемник был изготовлен молодым итальянцем Маркони.

Благодаря работе многих изобретателей дальность радиосвязи возросла с сотен метров до сотен километров.

Свойства и диапазоны радиоволн

Радиоволна содержит два переменных во времени и в пространстве поля: электрическое Е и магнитное Н. Оба они перпендикулярны друг другу и направле­но распространения. Поля не могут существовать независимо: колебания электрического порождают магнитное, а колебания магнитного - электрическое, только так, поддерживая друг друга, они и распространяются в пространстве, «оторвавшись» от источника.

Волна распространяется вдоль оси X и путь, проходимый волной за один период колебаний Т, называется длиной волны λ - сТ. Пе­риод обратно пропорционален частоте колебанийƒ: Т = 1/ƒ. Отсюда следует формула, связывающая частоту колебаний и дли­ну волны: λ = с / ƒ.

Кроме частоты колебаний радиоволна характеризуется поляриза­цией - направлением вектора электрического поля Е в пространстве. Радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно.

Амплитуда колебаний характеризует напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н. напряженности полей могут быть любыми – они зависят от мощности источника. Поток мощности, переносимый волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения, называется вектором Пойтинга: П=ЕН

Поскольку электрическое поле порождает магнитное и наоборот, между амплитудами полей существует прямо пропорциональная зависимость. Уравнения Максвелла дают простую связь: Е=WH, где W – волновое сопротивление пространства. Это соотношение полностью эквивалентно закону Ома в электротехнике. С учетом этого плотность потока мощности можно связать с напряженностью электрического поля: П=Е²/120π. Напряженностью магнитного поля пользуются редко.