Излучение радиоволн становится практически возможным лишь в том случае, если частота колебаний не ниже нескольких десятков тысяч Гц. Вот почему для излучения радиоволн нужен не просто переменный ток, а переменный ток высокой частоты.

При помощи колебательного контура можно получить электрические колебания практически любой частоты - от долей Гц до многих сотен и тысяч МГц. Для этого нужно только подобрать соответствующие ёмкости и индуктивности колебательного контура.

Открытый колебательный контур

Не следует думать, что достаточно создать в колебательном контуре высокочастотные колебания, для того чтобы он стал излучать в окружающее пространство радиоволны. Вот тут-то и приходится вспомнить «некоторые условия», о которых мы в своё время лишь упомянули.

Эффект излучения радиоволн тем ощутимее, чем большее пространство охватывается электрическим и магнитным полями контура. Конденсатор же по размерам очень невелик и поле его, хотя и сильное, очень собрано, сжато. Оно занимает небольшой объём пространства. То же следует сказать и о магнитном поле: оно собрано, сжато вокруг витков катушки.

Такой колебательный контур, у которого ёмкость и индуктивность сосредоточены, вследствие чего поля ограничены небольшим объёмом, называется замкнутым колебательным контуром. Применяя его в качестве излучателя радиоволн, можно ожидать не большего успеха, чем от попытки нагреть большую комнату раскалённым добела гвоздем.

Итак, чтобы усилить эффект излучения радиоволн, надо увеличить размеры электромагнитного поля.

Сразу же напрашивается решение раздвигать пластины конденсатора, и тогда в электрическое поле будут включаться все новые и новые части пространства. Но при раздвижении пластин уменьшается ёмкость конденсатора. Контур начнёт создавать колебания иной частоты. Есть выход: одновременно с раздвижением пластин увеличивать их размеры, и тогда емкость конденсатора остается неизменной.

На рис. 13 показано, как постепенное раздвижение пластин приводит к созданию открытого колебательного контура. Ёмкость у него образована двумя большими пластинами, удалёнными одна от другой на значительное расстояние. Опыт показал, что вместо сплошной пластины лучше применять две длинные проволоки, так как они создают конденсатор вполне достаточной ёмкости.

Рис. 13 - Получение открытого колебательного контура раздвиганием пластин

Для большего охвата пространства электрическим полем одну проволоку на мачтах поднимают высоко вверх, а другую располагают у самой земли. Если по такому открытому колебательному контуру начнёт протекать ток высокой частоты, излучение радиоволн обеспечено.

Когда А.С. Попов начал применять радиоволны для целей связи без проводов, он нашёл необходимым увеличить размеры открытого колебательного контура. Одну проволоку он поднял на высокой мачте вверх, а другую зарыл в землю. Земля - достаточно хороший проводник и по своему действию вполне заменяет одну из пластин конденсатора. Емкость открытого колебательного контура была образована поднятой вверх проволокой и землей, разделёнными слоем воздуха. Провод, поднятый кверху, получил название «антенна». В переводе на русский язык с греческого это слово означает усики (насекомого).

Это название дано было по внешнему сходству.

Честь изобретения первой в мире антенны принадлежит также А.С. Попову.

Мы уже знаем, что не могут раздельно существовать переменные магнитное и электрическое поля. Поэтому при циркулировании в открытом колебательном контуре токов высокой частоты в окружающем пространстве будет возникать электромагнитное поле.

Сила или, лучше сказать, напряжённость этого поля будет тем большей, чем сильнее вызвавший её ток, чем больше амплитуда колебаний тока в контуре. Колебательный ток с небольшой амплитудой создаст вокруг антенны электромагнитное поле небольшой напряженности. Наоборот, ток с большой амплитудой создаст сильное электромагнитное поле. Чем больше напряжённость поля, тем на более далёком расстоянии оно способно действовать.

Излучение радиоволн

Мы вплотную подошли едва ли не к самому сложному явлению, с которым имеет дело радиотехника, - к возникновению излучения радиоволн. Нам нужно «заставить» перемещаться переменное электромагнитное поле антенны. Опираясь на формулировку, приведённую в начале статьи, мы можем поставить знак равенства между перемещающимися электромагнитными полями и радиоволнами. Останется пояснить, в силу каких причин электромагнитное поле «покидает» антенну и «отправляется» в самостоятельное путешествие.

Электромагнитное поле антенны «дышит» с частотой вызвавшего его тока. Следуя за всеми изменениями тока в антенне, поле как бы втягивается в антенну, когда ток в ней уменьшается до нуля, и как бы разбухает, когда ток достигает максимального значения.

Ток в антенне не ждёт. Счёт идет на микросекунды. Электромагнитное поле должно поспевать вслед за током «втягиваться» и «разбухать». Тем участкам электромагнитного поля, которые находятся у самой поверхности провода антенны, не потребуется много времени на то, чтобы быстро «всосаться» обратно в антенну при втягивании», т.е. в моменты прекращения в ней тока. Но участкам, находящимся на периферии огромного электромагнитного поля, придётся поспешить. Может получиться, в действительности так и получается, что периферийные участки поля ещё не успевают «втянуться» в антенну, как навстречу им начнёт двигаться, «разбухая», новое поле. Оно не пропустит к антенне остатки уже «втянутого» поля (рис. 14, слева).

Рис. 14 - Излучение радиоволн

«Запоздавшее» поле будет отброшено антенной. С каждым «вздохом» электромагнитного поля антенна будет толчками отбрасывать в пространство «опоздавшую» его часть. Оттесняя друг друга в стороны, отброшенные части электромагнитного поля будут вынуждены отходить всё дальше от антенны, перемещаясь в пространстве.

Так происходит излучение радиоволн.

Будь электромагнитное поле более «аккуратным», успевай оно своевременно «втянуться» в антенну, никакого излучения не получилось бы. У замкнутого колебательного контура поле очень небольшое. Почти всё оно успевает аккуратно следовать за всеми изменениями тока. Не происходит почти никаких запозданий! Но зато практически не получается излучения радиоволн.

радиоволны колебание маятник излучение

Длина волны

Скорость, с какой волны увеличивают расстояние между собой и антенной, нам уже известна: 300 000 км в секунду. Такую огромную скорость как нельзя лучше характеризует слово «излучение». Неслучайно все отрасли техники, использующие «перемещающиеся электромагнитные поля», получили приставку «радио»: радиосвязь, радиолокация и пр. Слово «радио» происходит от латинского слова «радиус», означающего «луч».

С каждым новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн. Но сколько бы волн ни излучало, скорость их распространения строго постоянна. Через секунду после начала излучения «голова» первой волны окажется на расстоянии 300 000 км от антенны. Все остальные волны займут промежуточное положение между «головной» волной и антенной радиостанции. На долю каждой волны придётся тем меньшее расстояние, чем больше волн излучает за секунду антенна, т. е. чем выше частота колебаний тока в антенне. Если частота тока равна 1 МГц, то это значит, что за секунду антенна излучает 1 000 000 волн. Все они занимают в пространстве, считая по прямой линии в сторону от излучающей антенны, 300 000 км. На долю каждой волны придётся 300 000 : 1 000 000 = 0,3 км = 300 м.

Это расстояние есть путь, который успеет пройти волна, излучаемая радиостанцией за время одного колебания тока в антенне, т.е. за один период колебаний (рис. 14, справа). Оно называется длиной волны, которая обозначается греческой буквой л (лямбда).

При понижении частоты колебаний каждая волна займёт больше места в пространстве. Если, к примеру, частота колебаний тока в антенне равна 100 кГц и, следовательно, антенна излучает в секунду 100 000 волн, то каждая волна «растянется» в пространстве на 300 000 : 100 000 = 3 км = 3 000 м.

Наоборот, при повышении частоты колебаний тока в антенне волны должны будут «сжаться». При частоте 100 МГц длина волны составит лишь

300 000 : 100 000 000 = 0,003 км = 3 м.

Таким образом, чем меньше частота, тем больше длина волны (л2 на рис. 14, справа).

Длина волны л и частота f обратно пропорциональны друг другу. Поэтому длину электромагнитной волны л всегда можно вычислить, если разделить скорость распространения этой волны, равную 300 000 км в секунду, на частоту f. Для того чтобы длина волны получилась в метрах, как её обычно принято выражать, скорость распространения также следует брать в метрах (300 000 000 м). Следовательно, можно написать:

л (м)=300 000 000 / f (Гц),

или

f (Гц)=300 000 000 / л (м).

Если же частоту выражать в килогерцах, то в этих формулах для получения длины волны в метрах скорость распространения надо брать в километрах (300 000 км), т.е.

л (м) = 300 000 / f (кГц)

или

f (кГц) = 300 000 / л (м).

Шкала электромагнитных излучений

Если рассмотреть в общем шкалу электромагнитных волн, то сразу станет ясно, что она вмещает достаточно небольшой интервал с диапазоном частот от 1 кГц до 300 ГГц, который называется радиоволнами. Вся же шкала ЭМ, а точнее известные науке пределы показывают, что она простирается выше световых волн и космических высокочастотных излучений. Различие между радиоволнами и световыми волнами заключается только в длине волны, поэтому радиоволны подчиняются законам, аналогичным со световыми волнами...

Длина волны л - минимальное расстояние между двумя точками, находящимися в одинаковом волновом состоянии, т. е. в этом случае - это расстояние между соседними волновыми гребнями или впадинами.

Частота f - число волновых движений (длин волн), образующихся в одну секунду. Скорость распространения с - скорость распространения волнового процесса от источника энергии.

Эти три характеристики связаны между собой формулой:

л (м) = с / f(Гц),

где с=3х₁₀⁸ м/с - постоянная величина.

Применение радиоволн

Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары (радиолокация - навигация - воздушное сообщение, судоходство, контроль за воздушным транспортом и т.д.), радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчает нам жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине - от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике - дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приёма сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приёма областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определённой частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает её изнутри.

Радиоволны большой длины от длинноволновых радиопередающих центров (РПЦ) «накрывают» соответственно и бьльшее пространство. Электрическую составляющую волны экранируют стены зданий, но магнитную они ослабляют мало. В свое время в штате Мэн (США) была развёрнута система радиосвязи с подводными лодками, находящимися на глубине в океане. Морская вода сильно поглощает радиоволны, но всё-таки, чем больше длина волны, тем поглощение меньше. Поэтому связь вели на частоте 15 Гц, то есть на длине волны 20 тысяч километров. А так как излучаемая антенной мощность пропорциональна кубу отношения её размеров к длине волны, то антенны протянулись почти через весь штат.

В 1920-30 г. в московских домах, расположенных вокруг радиостанции имени Коминтерна, которая вещала на длине волны 2 км, можно было провести такой опыт. Намотать на рамку около сотни витков, присоединить к концам лампочку от карманного фонарика - и она загоралась. Для этого напряжённость магнитного поля должна была составлять никак не меньше нескольких А/м. Сейчас во многих странах это предельно допустимый уровень для 8-часового рабочего дня.

Радиолокация - обнаружение, точное определение местонахождения и скорости объектов с помощью радиоволн.

Применение радиолокации

* Сельское и лесное хозяйство: определение вида почв, температуры, обнаружение пожаров.

* Военное дело и космические исследования: обеспечение полётов, обнаружение военных целей.

* Геофизика и география: структура землепользования, распределение транспорта, поиски минеральных местонахождений.

* Океанография: определение рельефа поверхностей дна морей и океанов.

Заключение

С момента открытия радиоволн, изобретения радио и по сегодняшний день основным применением его является передача информации из одного пункта в другой - радиосвязь. Возможность использования радиоволн для передачи сообщений на расстояния впервые продемонстрировал в 1896 г. изобретатель радио А.С. Попов. И хотя первая в мире радиограмма состояла всего из двух слов («Генрих Герц») и преодолела расстояние всего 250 м, начало было положено... А 2 мая 1945 г. долгожданная весть о взятии Берлина и победе Советского народа над фашистской Германией была передана в Москву коротковолновиком Величкиным. Радиосвязь быстро завоевала права гражданства. Радиостанции появились на наземных объектах и судах, на самолетах и космических аппаратах. Радио проникло в военное дело и прочно вошло в повседневную жизнь.

Список использованной литературы

1. Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. - Москва - Ленинград: Государственное энергетическое издательство, 1963. - с.

2. К. Ротхаммель. Антены. (перевод с немецкого С.Ф. Захарченко). - Санкт-Петербург 1998. - .

3. Семёнов Б.Ю., Шелестов И.П. Путеводитель в мир электроники. Кн. 2. - М., 2004.

4. Казанский И.В., Поляков В.Т. Азбука коротких волн. - Москва. 1978.

5. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - Москва, 1990.

Размещено на Allbest.ru