Электромагнитные волны

Л(L)+

Московская Государственная Академия Химического Машиностроения

МГАХМ

14.05.1995

Автор: Котяхов Игорь

2ДОМАШНЯЯ РАБОТА

тема

_ 3Шкала электромагнитных волн

_ 3Условия излучения и поглощения волн

Источником электромагнитных волн в действительности может быть

любой электрический колебательный контур или проводник, по которому

течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электро-

магнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электри-

ческое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное по-

ле. Однако излучающая способность источника определяется его формой,

размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль,

необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электро-

магнитное поле создается Поэтому для получения электромагнитных волн

непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое

поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное -- внут-

ри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь

пластин конденсатора, а также раздвигая их (рис.2 а,б), совершил пере-

ход от закрытого колебательного контура к открытому колебательному

контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стержня, разде-

ленных искровым промежутком (рис. 2, в). Если в закрытом колебательном

контуре переменное электрическое тюле сосредоточено внутри конденсато-

ра (рис. 2, с), то в открытом оно заполняет окружающее контур прост-

ранство (рис.2,а), что существенно повышает интенсивность электромаг-

нитного излучения. Колебания в такой системе поддерживаются за счет

источника э. д. с , подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой

промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов,

до которой первоначально заряжаются обкладки.

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца 8 подключал-

ся к индуктору И (рис. 3). Когда напряжение на искровом промежутке

достигало пробивного значении, возникала искра, закорачивающая обе по-

ловины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания.

При исчезновении искры контур размыкался и колебания прекращались. За-

тем индуктор снова заряжал конденсатор, возникала искра и в контуре

опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных

волн Герц пользовался вторым вибратором, называемым резонатором Р,

имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий виб-

- 2 -

ратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором Когда электромагнит-

ные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электри-

ческая искра.

С помощью описанного вибратора Герц достиг частот порядка 100 МГц

и получил волны, длина 7l 0 которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебе-

дев, применяя миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков,

получил миллиметровые электромагнитные волны с 7l 0 =6-4мм.

Электромагнитные волны, электромагнитное поле, распространяющееся

в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В ва-

кууме скорость распространения электромагнитной волны c 7 ~ 0 300 000 км/c

(скорость света). В однородных изотропных средах направления напряжён-

ностей электрических (Е) и магнитных (Н) полей электромагнитных волн

перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, т. е.

электромагнитные волны являются поперечной. В каждой точке пространс-

тва колебания 2Е 0 и 2Н 0 происходят в одной фазе. С увеличением расстояния

R от источника Е и Н убывают как 1/R; такое медленное убывание полей

осуществить посредством электромагнитных волн связь на больших рассто-

яниях (радиосвязь, оптич. связь).

Р а д и о в о л н ы -- это электромагнитные волны, служащие для

передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. Радиоволны

создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

В радиоволнах переменные электрическое и магнитное поля тесно

взаимосвязаны, образуя электромагнитное поле.

┌─────────┬──────────────┬──────────────── 5┬ 0──────────────────────────┐

│Название │ Длина волны │ 5│ 0 5 0 │

│диапазона│ в свободном │ Частота, Мгц 5│ 0 Область применения │

│ │пространстве │ 5│ 0 │

│ │ м │ 5│ 0 │

├─────────┼──────────────┼──────────────── 5┼ 0──────────────────────────┤

│Сверхдли-│ │ 5 0 5│ 0 Радионавигация, радиоте- │

│нные │ 100 000- │ 3*10 5-3 0-3*10 5-2 │ 0 леграфная связь, переда- │

│ волны │ 10 000 │ 5 0│ ча метеосводок │

├─────────┼──────────────┼────────────────┼──────────────────────────┤

│Длинные │ 10 000- │ │ Радиотелеграфная и радио-│

│волны │ 1 000 │ 3*10 5-2 0 -3*10 5-1 0 │ телефонная связь, радио- │

│ │ │ │ вещание, радионавигация │

- 3 -

│Средние │ 1000-100 │ 3*10 5-1 0-3 │ Радиотелеграфия и радиот-│

│волны │ │ │ елефонная связь, радиове-│

│ │ │ │ щание, радионавигация │

│Короткие │ 100-10 │ 3-3*10 │ Радиовещание; радиотелег-│

│волны │ │ │ рафия; радиотелефония и │

│ │ │ │ радиолюбительская связь; │

│ │ │ │ космическая радиосвязь...│

│Ультра- │ │ │ │

│короткие │ │ │ │

│волны │ │ │ │

│ (УКВ) │ │ │ │

│Метровые │ 10-1 │ 3*10-3*10 52 0 │ Радиовещание, телевидение│

│ │ │ │ радиолокация, космическая│

│ │ │ │ радио связь и пр. │

│ │ │ │ │

│Децимет- │ │ │ │

│ровые │ 1-0.1 │ 3*10 52 0-3*10 53 0 │ Телевидение, радиолокация│

│ │ │ │ радиорелейная связь, │

│ │ │ │ космическая радиосвязь, │

│ │ │ │ сотовая телефонная связь │

│ │ │ │ │

│Сантиме- │ 0,1-0,01 │ 3*10 53 0-3*10 54 0 │ Радиолокация, радиорелей-│

│тровые │ │ │ ная связь, астрорадиона- │

│ │ │ │ вигация, спутниковое TV │

│ │ │ │ │

│миллимет-│ 0.01-0.001 │ 3*10 54 0-3*10 55 0 │ Радиолокация │

│ровые │ │ │ │

│Радиовол-│ │ │ │

│ны оптич-│ │ │ │

│еского │ │ │ │

│диапазона│ └┐ │ │

│Инфракра-│1*10 5-3 0-7.5*10 5-7 0│ 3*10 55 0 -4*10 58 0 │ Квантовая радиоэлектро- │

│сные │ │ │ ника. │

│ │ │ │ │

- 4 -

│Видимый │7.5*10 5-7 0-4*10 5-7 0│ 4*10 58 0-7.5*10 58 0 │ │

│свет │ │ │ │

│ │ │ │ │

│Ультра- │ │ └┐ │

│фиолето- │4*10 5-7 0-20*10 5-10 0│7.5*10 58 0 -15*10 510 0│ │

│вые │ │ │ │

└─────────┴───────────────┴────────────────┴─────────────────────────┘

Радиоволны различной длины распространяются по разному.

Для того, чтобы понять это, рассмотрим рис. 1, где показан земной

шар и передающая антенна в увеличенном виде. На высоте от 40 до 500 км

над Землей находится 1 ионосфера 0. Она состоит из очень разреженных воз-

душных частиц, 1которые над действием солнечной радиации ионизированы.

Степень этой ионизации зависит от многих факторов: день, ночь, лето,

зима и т. д., которые влияют на прохождение радиоволн. Например, днем

концентрация ионов больше и в ионосфере формируется несколько слоев, а

ночью концентрация уменьшается, и эти слои выражены слабее. Главное

свойство ионосферы - это возможность, благодаря наличию заряженных

частиц, 1 отражать 0 радиоволны определенной длины волны.

Длинные волны сильно поглощаются ионосферой и поэтому основное

значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая зем-

лю. Поскольку они распространяются в низких и плотных слоях атмосферы,

их интенсивность уменьшается сравнительно быстро по мере удаления от

передатчика. Поэтому длинноволновые передатчики должны иметь большую

мощность.

Средние волны днем сильно поглощаются ионосферным слоем D и район

действия определяется только приземной волной. Вечером однако они хо-

рошо отражаются ионосферой и район действия определяется отраженной

волной (рис:. 1). Поэтому средневолновые передатчики принимаются вече-

ром лучше и дальше, чем днем.

Короткие волны распространяются исключительно посредством отраже-

ния ионосферой, поэтому около передатчика существует т. н. зона молча-

ния (рис. 1). Короткие волны могут распространяться на большие рассто-

яния при малой мощности передатчика. Например, в подходящее время су-

ток с помощью любительского коротковолнового передатчика мощностью 50

Вт по телеграфному коду можно установить прочную связь меж Болгарией и

Австралией. Добавим еще, что днем лучшее прохождение имеют "наиболее

- 5 -

короткие" короткие волны (напр. 21 и 28 Гц), а ночью лучше распростра-

няются "более длинные" короткие волны (напр. 3,5 и 7 МГц). По этой

причине любительское КВ передатчики, как правило, работают на несколь-

ких диапазонах, т. е. в зависимости от обстоятельств могут работать на

различных частотах, определяемых международной конвенцией для радиолю-

бительской деятельности.

Ультракороткие волны распространяются только по прямой (как свет)

и, как правило, не отражаются ионосферой. Поэтому передающие антенны

для УКВ монтируются на специальных башнях, построенных на соответству-

ющих высотах. На УКВ диапазоне работают телевидение, радиотелефоны,

пункты скорой помощи, машины такси и пр., имеющие район действия 10+50

км.