Используемые в радиотехнике частоты электромагнитных

Колебаний

В соответствии с рекомендацией Международного консультативного комитета по радио (МККР) при построении радиосистем передачи используется спектр радиочастот, разделенный на девять диапазонов:

 

 

Диа- пазон	Диапазоны волн	Диапазоны частот
Наименование волн	Длина волны	Наименование частот	частоты
	Мириаметровые	100…10км	ОНЧ(ОДВ)	3…30 кГц
	Километровые	10…1 км	НЧ (ДВ)	30…300 кГц
	Гектометровые	1000…100 м	СЧ (СВ)	300.3000 кГц
	Декаметровые	100…10 м	ВЧ (КВ)	3…30 мГц
	Метровые	10…1 м	ОВЧ (УКВ)	30…300 мГц
	Дециметровые	100…10 см	УВЧ (ДМВ)	300.3000мГц
	Сантиметровые	10…1 см	СВЧ	3…30 гГц
	Миллиметровые	10…1 мм	КВЧ	30…300 гГц
	Децимиллиметровые	1…0,1 мм	ГВЧ	300.3000гГц
Опти- ческий	Инфракрасные, видимые ультрафиолетовые	100…0,01 мкм	-	3…30.000 тГц

Современные радиосистемы работают на всех диапазонах, но более активно используются диапазоны от НЧ (30 кГц) до КВЧ (300 гГц).

Мириаметровые волны – волны в этом диапазоне распространяются в пространстве между поверхностью Земли и ионосферой, внутри которого радиоволна может даже обогнуть Землю. Волны ОНЧ проникают в толщу воды и могут использоваться для радиосвязи с погруженными в океан объектами.

Километровые волны – затухание поверхностной воны в этом диапазоне с повышением частоты увеличивается из-за влияния поверхности Земли, в связи с чем дальность распространения ее по сравнению ОНЧ уменьшается, достигая 3000…5000 км.

Гектаметровые волны – в этом диапазоне радиосвязь также осуществляется только поверхностной волной, но ее затухание из-за влияния поверхности Земли еще более возрастает. Даже при повышенной мощности радиопередатчика дальность радиоприема в диапазоне средних волн не превышает 200 км.

Декаметровые волны – в данном случае определяющее влияние на дальность радиоприема оказывает ионосфера. Причем, за счет многократного отражения радиоволны даже при мощности радиопередатчика в пределах 1 кВт дальность радиоприема может достигать 10000 км и более.

Ультракороткие волны – в этом диапазоне возможна только радиосвязь прямым лучом. Однако в нижней части метрового диапазона за счет явления дифракции и рефракции, приводящих к искривлению луча и распространению поверхностной волны, огибающей Землю, возможна радиосвязь и за пределами прямой видимости. За счет дальнего тропосферного распространения радиоволн удается удлинить трассу радиоприема до 3000…4000 км.

Диапазон сверхвысоких частот, объединяющий все диапазоны выше 300 МГц – здесь радиосвязь возможна только прямым лучом. Ионосфера практически не оказывает заметного влияния на радиоволны в этом диапазоне. Все космические линии радиосвязи за пределами атмосферы Земли используют только диапазон СВЧ.

 

 

Большинство радиотехнических систем основано на непосредственном использовании электромагнитного поля для передачи информации или ее извлечения.

Воздействие электрического тока на магнитную стрелку открыл Х. Эрстед во время опытов по изучению теплового действия тока. (Эрстед ХансКристиан –1777-1851- датский физик). Точнее, отклонение магнитной стрелки случайно лежащего на столе компаса при протекании тока в проводнике заметил во время лекции студент.

Опыты Эрстеда повторил Ампер и с помощью «вольтова столба» нашел законы взаимодействия двух проводников с токами, катушек с токами между собой и с магнитами. Оказалось, что взаимодействие катушек, с током не отличается от взаимодействия магнитов.

Огромный вклад в науку об электромагнетизме внес М. Фарадей. Он родился в 1791 г. в Лондоне, в семье кузнеца. В 1820 году повторил опыт Эрстеда. Фарадей показал, что проводник, по которому течет ток, движется в магнитном поле (явление, лежащее в основе работы электродвигателя). В 1831 г. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции – появление ЭДС в проводах под действием переменного магнитного поля. Следует заметить, что Ампер был близок к этому открытию, однако не обнаружил эффекта, так как не обратил внимания на то, что важно не само присутствие магнитного поля, а его изменение. Затем Фарадей создает модель электромагнитного генератора. Интересно отметить, что он мало пользовался математикой и вместо формул привлекал графики полей и ныне широко применяемые «силовые линии». М. Фарадей умер в 1865г.

В год (1831) и почти в день открытия закона электромагнитной индукции Фарадеем, в богатой семье английского адвоката родился Джеймс Клерк Максвелл. В двадцатилетнем возрасте Максвелл впервые прочел книгу Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству», которая произвела на него неизгладимое впечатление. За свою не очень долгую жизнь (он умер в 1879г.) Максвелл плодотворно работал в различных областях науки: от исследования устойчивости колец Сатурна до цветной фотографии и бытовой химии. Он успешно читал лекции студентам и опубликовал сатирические стихотворения. Однако его величайшим вкладом в науку является создание математической теории поля, из которой были выделены четыре ныне известных уравнения Максвелла. В сочинениях самого Максвелла этих уравнений двенадцать и они разбросаны по нескольким разделам. Позднее выдающиеся ученые Г. Герц и О. Хевисайд упорядочили изложение Максвелла, изъяли уравнения, которые были следствием других, и представили основные в почти современной форме. В уравнениях Максвелла сконцентрированы фундаментальные физические закономерности, обобщающие все известное в электромагнетизме до сих пор. Величайшим следствием уравнений Максвелла было предсказание существования электромагнитного поля излучения. Из уравнений вытекает, что вокруг переменного во времени тока создается переменное магнитное поле, способное возбудить в соседнем элементе пространства электрическое поле, которое за счет особого тока смещения создает магнитное поле и т.д.

Необходимо отметить и важнейшую особенность электромагнитного поля излучения – убывание обратно пропорционально лишь первой степени расстояния от источника излучения (напомним, что электростатические поля убывают пропорционально второй степени расстояния). Именно эта зависимость делает передачу сообщений на большие расстояния с помощью электромагнитных волн практически выполнимой при реально достижимых мощностях излучения.

Великая миссия непосредственного экспериментального обнаружения электромагнитного поля излучения принадлежит немецкому физику Г.Герцу. Герц родился за несколько лет до появления теории Максвелла, в обеспеченной семье сенатора.

Исследования по электромагнитному полю Герц начал около 1886 г. и обнаружил, что создание искры между двумя шарами, замкнутыми контуром приводило к появлению искры в другом аналогичном контуре, расположенном на значительном расстоянии (Сначала около 1,5 м). Перенос второго контура в соседнюю комнату не изменял результата, только искра становилась слабее. Герц повел ряд сложных и трудоемких экспериментов. Оказалось, что волны преломляются призмой, скорость их распространения близка к скорости света, они отражаются от металлических поверхностей, обладают свойством поляризации. Таким образом, обнаруженные Герцем волны полностью совпали с предсказанными Максвеллом электромагнитными волнами.

Герц умер в возрасте 37 лет.

Выдающийся ученый своего времени, английский физик Хевисайд независимо от Герца пришел к тем же выводам в отношении уравнений Максвелла.

Опубликованные Герцем результаты опытов породили предложения о с создании системы передачи информации без проводов. В 1895 году Попов построил первый в мире радиоприемник, работу которого он продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества. Однако технические предпосылки для развития радиотелефонной связи и радиовещания мировая наука создала только в 1916 г. К этому времени были разработаны кристаллический детектор, трехэлектродная лампа, регенеративный ламповый приемник, ламповый автогенератор и анодная схема амплитудной модуляции.

Зародилось радиовещание в США, и первая радиопередача для широкой аудитории состоялась уже в ноябре 1916 г.

 

 

Электричество и магнетизм

 

Начальная задача электродинамики состоит в выводе законов электрических и магнитных явлений из законов взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов.

Сила взаимодействия неподвижных точечных заряженных тел, расположенных в пространстве на расстоянии r, в соответствии с законом Кулона равна

F= ,

 

Где = 8,85· 10 Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

 

Электрическое поле проявляется в виде силового воздействия на пробный электрический заряд q , помещенный в пространство с другими зарядами q ,q …. Для описания электрического поля указывают величину и направление вектора силы, которая может действовать на помещенную в пространстве частицу, обладающую единичным зарядом.

 

Напряженность и потенциал электрического поля (x,y,z) служит основной величиной, характеризующей электрическое поле в каждой точке пространства с координатами x, y, z. Напряженность E (В/м) численно равна силе, действующей на единичный пробный положительный заряд q = 1Кл, помещенный в рассматриваемую точку пространства:

 

Е =

 

Электрическое поле изображается силовыми линиями. Условились эти линии располагать так, чтобы касательные к ним указывали направление вектора напряженности, а плотность линий была прямо пропорциональна величине напряженности поля.

Если поле однородное, т.е. во всех его точках напряженность одинакова как по величине E, так и по направлению, то произведение E на поверхность S, перпендикулярную силовым линиям, называется потоком вектора напряженности поля

 

Ф = ES.

 

Для определения полного потока неоднородного электрического поля нужно вычислить поток для всех элементарных участков поверхности отдельно, а затем просуммировать (проинтегрировать) полученные данные.

 

 

Ф = Е d S

Между потоком напряженности электрического поля в среде с диэлектрической проницаемостью ε и зарядом Q вызывающим этот поток, существует зависимость

 

Ф = .

Эта формула выражает теорему Гаусса-Остроградского, согласно которой поток напряженности электрического поля через любую замкнутую поверхность прямо пропорционален заряду, находящемуся внутри данной поверхности. Из каждого положительного точечного заряда Q исходит Q ∕ ε силовых линий, а при равном отрицательном заряде такое же число силовых линий входит внутрь заряда. В интегральном виде теорему Гаусса-Остроградского можно записать

 

Ф = Е d S = .

 

 

Отличительной чертой электростатического поля является его потенциальный характер. Потенциал поля в какой-либо точке пространства равен работе, затраченной на перемещение единичного заряда из бесконечности в данную точку поля. Потенциал характеризует запас энергии в соответствующей точке. Разность потенциалов двух точек поля, т.е. работа, необходимая для перемещения единичного заряда из одной точки поля в другую, называется напряжением. Если электрическое поле однородно и имеет напряженность Е, то напряжение между концами отрезка l силовой линии равно

U = El

Для электростатического поля характерно, что на перемещение в нем заряда по замкнутой траектории энергия не затрачивается, так как начальная и конечная точки этой траектории совпадают и разность потенциалов между ними равна нулю.

 

Токи проводимости и смещения. Свободные электроны в металлических проводниках совершают беспорядочное тепловое движение.

Если проводник поместить в электрическое поле, то в движении электронов появится составляющая, направленная навстречу электрическому полю. Это ток проводимости. Выделим в проводнике элементарный участок длиной dlпри поперечном сечении S. К этому участку приложим напряжение du.

 

 

Рис. 1. Цепь с токами проводимости и смещения.

 

 

Тогда согласно закону Ома ток проводимости на элементарном участке

 

i = ,

 

где dR – сопротивление данного участка, которое можно выразить через удельную проводимость :

 

dR = .

 

Если напряженность поля на исследуемом участке цепи равна Е , то падение напряжения

 

du = E dl,

 

аток

i = = = Е S.

 

Отсюда находим плотность тока проводимости , равную току, приходящемуся на единицу пощади поперечного сечения проводника:

 

= = Е .

 

Эта формула, выражающая закон Ома в дифференциальной форме, подтверждает, что плотность тока проводимости в данной точке прямо пропорциональна напряженности электрического поля в этой точке. Если в проводнике напряженность поля равна нулю, то и тока проводимости в нем нет, так как тогда нет сил, вынуждающих электроны двигаться упорядоченно по проводнику. Только в идеальном проводнике, в котором удельная проводимость равна бесконечности, может протекать ток в отсутствие электрического поля; в этом случае электрическое поле требуется лишь для первоначального возбуждения тока. Во всех остальных случаях наличие тока является признаком существования электрического поля.

На каждом участке цепи ток проводимости переносит заряд с того конца, где его избыток, к тому концу, где этих зарядов недостаточно. Тем самым выравнивается количество зарядов и устраняется электрическое поле на данном участке. Для восстановления первоначального электрического поля необходим внешний источник э.д.с., который поддерживал бы разность потенциалов на данном участке.

Электрический ток обладает свойством непрерывности, которое заключается в том что сумма токов, подходящих к любой точке схемы, равна

Сумме токов, выходящих из этой точки.

Рассмотрим, что происходит с током проводимости, когда он достигает обкладок конденсатора, разделенных воздухом или диэлектриком? Рассмотрим среду с диэлектрической проницаемостью , разделяющую обкладки конденсатора. Выделим на обкладке элементарный участок площадью dS, к которому за время dt подводится количество электричества dQ. Этот заряд, создаваемый током проводимости i = , вызывает электрическое поле с потоком вектора напряженности, равным

 

dФ = ЕdS,

 

где Е - напряженность электрического поля между обкладками конденсатора в данный момент времени t.

По теореме Гаусса – Остроградского тот же поток равен

 

dФ =

 

Отсюда следует, что Е dS =

или = Е .

 

Возьмем производную по времени от обеих частей равенства, имея в виду, что

= = , = .

 

Приравнивая производные

 

= .

 

Левая часть равенства выражает поверхностную плотность тока проводимости = . Значит, и правая часть равенства имеет размерность плотности тока. Это плотность тока смещения:

 

= .

Итак, получаем

= .

 

Это равенство выражает свойства непрерывности электрического тока для данной схемы: ток проводимости, проходящий через обкладку конденсатора, переходит в равный по плотности ток смещения между его обкладками.

Необходимо обратить внимание на то, что ток проводимости прямо пропорционален напряженности электрического поля, а ток смещения прямо пропорционален скорости изменения электрического поля.

 

Магнитное поле. Магнитные взаимодействия – притяжение и отталкивание полюсов постоянных магнитов, взаимодействие проводников с током друг с другом, ориентация магнитной стрелки и др. – осуществляются посредством силового поля, называемого магнитным полем.

Силовой характеристикой магнитного поля служит индукция магнитного поля В. Часто используется количественная характеристика магнитного поля – напряженность магнитного поля Н. Между ними существует соотношение:

В = µ Н

- магнитная проницаемость вещества. – магнитная постоянная, характеризующая магнитное поле в вакууме.

Андре Мари Ампер (1775-1836), французский физик, математик и химик, свел все многообразие магнитных взаимодействий к взаимодействию токов.

Отдельно от электрического поля можно рассматривать лишь постоянное магнитное поле, при этом:

1) источниками постоянного МП являются стационарные электрические токи;

2) проводник с током в целом электрически нейтрален и электрическое поле вне провода равно нулю;

3) магнитное поле постоянного тока не меняется со временем, т.к. поток заряженных частиц в каждом участке проводника не меняется со временем.

Поле постоянных магнитов также создается токами – микроскопическими замкнутыми токами (молекулярными токами), а также собственными магнитными моментами микрочастиц.

Переменное магнитное поле структурно связано с переменным электрическим полем, образуя электромагнитное поле.

Магнитное поле оказывает силовое действие на токи. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна силе тока в проводнике I, магнитной индукции В, длине проводника Lи синусу угла между направлением тока в проводнике и направлением вектора магнитной индукции (Закон Ампера):

F = BLI

Поскольку на проводник с током в магнитном поле действует сила, а ток есть направленное движение заряженных частиц, можно сделать вывод, что на каждый электрон действует сила (Сила Лоренца):

F =evB

где e – заряд электрона, v- его скорость, В – магнитная индукция, - угол между векторами vи В.

Закон Био-Савара-Лапласа определяет магнитную индукцию поля В, созданного токомI, в точке, которая удалена от проводника с током на расстояние r:

B = .

Индукция магнитного поля проводника с током произвольной формы в каждой точке пространства определяется геометрической суммой магнитных полей, создаваемых отдельными участками этого проводника.Численно вектор магнитной индукции равен максимальной силе, действующей на единичный элемент тока в магнитном поле.

Известно, что проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Верно и обратное: магнитное поле вызывает появление электрических токов. Это явление получило название электромагнитной индукции, которое было открыто М. Фарадеем в 1831г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Ф через площадь S контура называют величину

Ф = BScos

Где В – модуль вектора магнитной индукции, - угол между вектором В и нормалью к плоскости контура.

Магнитный поток Ф через произвольную поверхность S связан с вектором В соотношением

Ф =

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции , равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

= - .

Эта формула носит название закона Фарадея.

Линии магнитного поля охватывают электрический ток в виде замкнутых кривых, которые не имеют ни начала, ни конца. Такое поле называется вихревым. Связь между напряженностью магнитного поля и током, вызывающем это поле, устанавливается законом полного тока.

Предположим, что имеется замкнутый контур, ограничивающий в магнитном поле некоторую поверхность, через которую проходит ток i. Выделим на контуре элементарный участок длиной dl. Умножим вектор напряженности магнитного поля Н на отрезок dl и повторим эту операцию для всех остальных элементарных участков контура. Затем алгебраически суммируем полученные произведения. Предел этой суммы при безграничном уменьшении dlи соответствующем увеличении слагаемых называется интегралом вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру. Обозначается этот интеграл

Закон полного тока гласит, что полученный интеграл равен полному току i, проходящему поверхность, ограниченную контуром:

= i.

Проанализировав электрические и магнитные явления Максвелл выдвинул следующие законы электродинамики:

1. Закон полного тока, который записывается в виде

= i.

Применим этот закон к замкнутому контуру, ограничивающему элементарную поверхность среды S. Сквозь эту поверхность проходит ток i, плотность которого равна т.е. i = S, а

= i = S.

Максвелл включил в понятие «полный ток» не только ток проводимости плотностью = Е , но и ток смещения плотностью

 

= .

В идеальном диэлектрике нет свободных зарядов, следовательно ток проводимости в нем равен нулю. Для такого диэлектрика = поэтому

 

= S.

Это первое уравнение Максвелла, которое означает, что всякое изменение электрического поля во времени сопровождается появлением в пространстве магнитного поля. Иначе говоря, ток смещения, как и ток проводимости,

возбуждает магнитное поле.

2. Закон электромагнитной индукции устанавливает связь между э.д.с. индуктируемой в проводящем контуре, и магнитным потоком Ф, пересекающим контур:

= - .

Известно, что разность потенциалов ( - ) в двух точках, между которыми расстояние l связана с напряженностью электрического поля E соотношением

- = El

Полная э.д.с. по замкнутому контуру, индуктируемая в этом контуре равна

=

Теперь закон электромагнитной индукции можно выразить через напряженность электрического поля:

= - .

Это уравнение, называемое вторым уравнением Максвелла:

Всякое изменение магнитного поля во времени сопровождается появлением электрического поля.

= - = - dS

 

3.Третье уравнение Максвелла является обобщением закона Гаусса-Остроградского, который связывает поток вектора электрического поля через произвольную замкнутую поверхность Sс зарядом Q, сосредоточенным внутри этой поверхности:

Е d S = .

4. Четвертое уравнение Максвелла в интегральной форме совпадает с законом Гаусса-Остроградского для магнитного поля, который можно сформулировать следующим образом. Поток вектора В через любую замкнутую поверхность Sравен нулю:

В d S= 0.

Это означает, что не существует линий вектора В, которые только входят в замкнутую поверхность S. Они всегда пронизывают ее. Это уравнение показывает, что в природе отсутствуют магнитные заряды и линии вектора В являются непрерывными.