МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
Направление “Физики”
Студент группы 20.14(р)
Эрматова Умида
Дисциплина : “Основы радиоэлектроники”
На тему: “Электромагнитные волны. Свойство электромагнитных волн. ”
Руководитель
Курсовой работы : Ш.С.Дехканов
Фергана 2022
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………….3
ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ «ВОЛНА»
1.1 Понятие и характеристика о волне……………………………………5
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ СВОЙСТВА
2.1 Электромагнитные волны……………………………………………..7
2.2 Свойства электромагнитных волн…………………………………....14
2.3. Открытие электромагнитных волн………………………………......19
2.4. Шкала электромагнитных волн………………………………………20
2.5. Модуляция и детектирования………………………………………...
2.6. Виды радиоволн и их распространение……………………………...
Заключение…………………………………………………………………22
Список используемой литературы………………………………………..24
Введение
«Сегодня в сфере образования и воспитания, в жизни наших детей наступает новое время. Наполнение его новым, еще более глубоким смыслом и содержанием, достижение национального прогресса зависит только от нас самих, от единство и сплоченности нашего народа, от нашего неустанного, упорного труда »
ШАВКАТ МИРЗИЁЕВ
Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. В природе существует два вида волн: механические и электромагнитные. Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения, к которым, в частности, относятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может существовать в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем атомов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при своем распространении ведут себя подобно механическим. Но подобно колебаниям все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. В своей работе я постараюсь рассмотреть причины возникновения электромагнитных волн, их свойства и применение в нашей жизни.
Вокруг нас существует сложный мир электромагнитных полей: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, СВЧ-печей, телевизоров, других электробытовых приборов... Все эти изобретения стали возможными благодаря предсказаниям Максвелла, который смог увидеть связь между электромагнетизмом, открытым Фарадеем, и светом. В 1873 году вышла двухтомная работа Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». В трактате подведен итог развитию учения об электрических и магнитных явлениях, создана единая теория электромагнитного излучения и учение о свете как электромагнитных волнах.
Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет — это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.
Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия.
На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электро слабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и объединяющая теория — квантовая хромо динамика — которая охватывает электро слабое и сильное взаимодействия.
Все вышеизложенное подтверждает актуальность данной темы.
Цели и задачи курсовой работы: дать общую информацию о электромагнитных волнах. Свойствах электромагнитных волн.
Описание структуры курсовой работы: данная курсовая работа состоит введение, двух глав, заключения, заключения и списка используемой литературы.
В первой главе дается общее понятие о волне. Вторая глава включает в себя электромагнитные волны и их свойства.
ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ «ВОЛНА»
1.1. Понятие и характеристика о волне.
Для того, что лучше понять сущность и свойства электромагнитных волн, кратко ознакомимся с понятием «волна».
Волна - изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».
Перенос энергии — принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии (рис.1.1).
Рисунок 1.1 - Отличие колебания от волны
Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»). В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.
Важнейшей характеристикой волны является ее скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. При распространении механической волны движение передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии.
Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания, например начала шнура, струны и т.д., и распространяется вместе с волной. Так, волны расходятся от камня, брошенного в пруд, и представляют собой колебания уровня воды, расходящиеся от места падения концентрическими кругами.
Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук тоже является волной – колебаниями давления воздуха, распространяющимися во все стороны от источника звука, например, свистка. То есть большинство волн — это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).
Однако, имеются волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. Колебательные перемещения электрического заряда тоже вызывают волны изменений электрического и магнитного полей.
Действительно, эти колебания заряда сначала приведут к периодическим изменениям электрического поля вокруг, которые в свою очередь, согласно гипотезе Максвелла, вызовут появление переменного магнитного поля той же частоты. При этом возникшее магнитное поле будет выходить за пределы породивших его колебаний электрического заряда. Потом, изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызовет электрическое ещё на большем расстоянии от колеблющегося заряда и т.д.
Таким образом, колебательные перемещения электрического заряда приводят к возникновению распространяющихся в пространстве волн колебаний электрического и магнитного полей. Такие волны называют электромагнитными, понятие и свойства которых раскроем в следующей главе.
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ СВОЙСТВА
2.1. Электромагнитные волны
Электромагнитные волны представляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.
Как уже было отмечено выше, существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Он проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.: всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.
Высказал гипотезу о существовании и обратного процесса: изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Максвелл впервые описывал динамику новой формы материи – электромагнитного поля, и вывел систему уравнений (уравнений Максвелла), связывающую характеристики электромагнитного поля с его источниками - электрическими зарядами и токами. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Рис. 2.1 а, б иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.
волннитн
Рисунок 2.1 - Взаимное превращение электрического и магнитного полей:
а) Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла;
б) Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле.
Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчета. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчета, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчета и порождать в этой системе отсчета, кроме электрического, еще и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.
Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы  и  расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис.2.2. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.
Рисунок 2.2 - Процесс распространения электромагнитного поля
Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля.
Итак, из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов - основных свойств электромагнитных волн.
Существуют электромагнитные волны, т.е. распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.
В природе электрические и магнитные явления выступают как две стороны единого процесса.
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. Наличие ускорения - главное условие излучения электромагнитных волн, т.е.
- всякое изменение магнитного поля создает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис.2.1а).
- всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряженности переменного электрического поля, и охватывают их (рис.2.1б).
Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором  «правый винт».
Электромагнитные волны поперечны – векторы  и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.3).
Рисунок 2.3 - Поперечные электромагнитные волны
Периодические изменения электрического поля (вектора напряженности Е) порождают изменяющееся магнитное поле (вектор индукции В), которое в свою очередь порождает изменяющееся электрическое поле. Колебания векторов Е и В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны ( вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми.
Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, и это ещё раз подтвердило справедливость теории близкодействия.
Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.
Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях и твердых средах, но и в вакууме.
Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.
Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет собой непрерывное поглощение и пере излучение электромагнитной энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости волны.
Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная
ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt. (2.1)
При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.
Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено резонансным поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.
Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).
Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и другие явления.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа.
Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены выдающимся физиком Московского университета П.Н. Лебедевым в 1900 г. Обнаружение столь малого эффекта потребовало от него незаурядной изобретательности и мастерства в постановке и проведении эксперимента. В 1900 г. ему удалось измерить световое давление на твердые тела, а в 1910 г. – на газы. Основную часть прибора П.И. Лебедева для измерения давления света составляли лёгкие диски диаметром 5 мм, подвешиваемые на упругой нити (рис. 2.4) внутри откачанного сосуда.
Рисунок 2.4 – Эксперимент П.И. Лебедева
Диски изготавливались из различных металлов, и их можно было заменять при проведении экспериментов. На диски направлялся свет от сильной электрической дуги. В результате воздействия света на диски нить закручивалась, и диски отклонялись. Результаты опытов П.И. Лебедева полностью согласовывались с электромагнитной теорией Максвелла и имели огромное значение для ее утверждения.
Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс  Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения. Так как давление световой волны очень мало, то оно не играет существенной роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Но в противоположных по масштабам космических и микроскопических системах роль этого эффекта резко возрастает. Так, гравитационное притяжение внешних слоев вещества каждой звезды к центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу. В микромире давление света проявляется, например, в явлении световой отдачи атома. Ее испытывает возбужденный атом при излучении им света.
Световое давление играет значительную роль в астрофизических явлениях, в частности, в образовании кометных хвостов, звезд и т.д. Световое давление достигает значительной величины в местах фокусировки излучения мощных квантовых генераторов света (лазеров). Так, давление сфокусированного лазерного излучения на поверхность тонкой металлической пластинки может привести к её пробою, то есть к появлению отверстия в пластинке. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.
2.2. Свойства электромагнитных волн
Современные радиотехнические устройства позволяют провести наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ).
Гармонические колебания генератора изменяют (модулируют) в такт с колебаниями звуковой частоты. Принятый сигнал после преобразования (детектирования) подаётся на громкоговоритель.
Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора.
Приёмная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке 2.5.
Рис. 2.5 – Общий вид установки (1) с рупорными антеннами
Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.
Отражение электромагнитных волн
Если вместо диэлектрика между рупорами поместить металлический лист, то звук перестанет быть слышимым. Электромагнитные волны не достигают приемника вследствие отражения.
Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к металлическому листу (рис. 2.6). Звук исчезает, если убрать лист или повернуть его.
Рис. 2.6 – Вариант (2) установки
Преломление электромагнитных волн
Электромагнитные волны изменяют своё направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина или другого диэлектрика. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой (рис. 2.7). Убирая призму или поворачивая её, наблюдают исчезновение звука.
Рис. 2.7 – Вариант (3) установки Поперечность электромагнитных волн
Электромагнитные волны – это поперечные волны. Векторы E⃗ и B⃗ электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению её распространения.
Колебания напряжённости электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определённой плоскости, а колебания вектора магнитной индукции – в плоскости, ей перпендикулярной. Волны с определённым направлением колебаний называются поляризованными.
Приёмный рупор принимает только поляризованную в определённом направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приёмный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.
Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приёмником решётку из параллельных металлических проволочек (рис. 2.8). Решётку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными.
При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решётка отражает волны подобно сплошному металлическому листу.
Рис. 2.8 – Вариант (4) установки
Когда же вектор Ē перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.
Интерференция электромагнитных волн
На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приёмник располагают друг против друга (рис. 2.9). Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.
Рис. 2.9 – Установка для наблюдения интерференции волн
Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приёмный рупор. Другая же её часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отражённой волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечётному числу полуволн. Можно наблюдать также дифракцию электромагнитных волн.
2.3. Открытие электромагнитных волн
Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла.
Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, используя два металлических стержня с шарами на концах, разделенных искровым промежутком. Эти стержни обладают определенной индуктивностью и электроемкостью и представляют собой излучающий электрический колебательный контур-вибратор (вибратор Герца). При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно.
Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах - резонатор, Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).
В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну.
Вибратор Герца имел длину от 2,5 м до 1 м, что соответствовало волнам длиной от 5 до 2 м, то есть полученные Герцем волны в миллион раз превосходили по длине световые волны. В 1895 г. П.Н.Лебедев, пользуясь миниатюрными вибраторами, получил электромагнитные волны длиной около 2–6 мм.
Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц».
2.4. Шкала электромагнитных волн
Излучение электромагнитных волн происходит в широком диапазоне частот или длин волн (рис.2.10, 2.11).
Рисунок 2.10. - Диапазоны излучения всех видов электромагнитных волн
Радиоволны и некоторые рентгеновские лучи излучаются при ускорении или замедлении свободных электронов - например, при столкновениях.
Все остальные виды электромагнитных волн возникают при переходах электронов между электронными оболочкамивнутри атомов.
Поглощение электромагнитных волн вызывает увеличение температуры среды, что приводит к инфракрасному излучению.
Гамма-лучи излучаются радиоактивными веществами.
Рисунок 2.11. - Виды излучения электромагнитных волн
Во многих случаях электромагнитные волны излучаются не непрерывно, а как последовательность импульсов, называемых фотонами.
Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и др. областях науки и техники
2.5. Модуляция и детектирования
С момента изобретения радио Поповым прошло некоторое время, когда люди захотели вместо телеграфных сигналов, состоящих из коротких и длинных сигналов, передавать речь и музыку. Так была изобретена радиотелефонная связь. Рассмотрим основные принципы работы такой связи.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что колебания звук новой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются. Для преодоления этого препятствия была разработана модуляция и детектирование рассмотрим их подробно.
Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.
Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.
Рис. 2.12. а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;
б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;
в) график модулированных по амплитуде колебаний.
Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.
Амплитудная модуляция высокочастотных колебаний достигается специальным воздействием на генератор незатухающих колебаний. В частности, модуляцию можно осуществить, изменяя на колебательном контуре напряжение, создаваемое источником. Чем больше напряжение на контуре генератора, тем больше энергии поступает за период от источника в контур. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний в контуре. При уменьшении напряжения энергия, поступающая в контур, также уменьшается. Поэтому уменьшается и амплитуда колебаний в контуре.
В самом простом устройстве для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного напряжения дополнительный источник переменного напряжения низкой частоты. Этим источником может быть, например, вторичная обмотка трансформатора, если по его первичной обмотке протекает ток звуковой частоты. В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями напряжения на транзисторе. Это и означает, что высокочастотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом.
 Рис. 2.13.
Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют частотную модуляцию — изменение частоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Ее преимуществом является большая устойчивость по отношению к помехам.
Детектирование. В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют детектированием.
Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.
Принятый приемником модулированный высокочастотный сигнал даже после усиления не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вызвать только высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необходимо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выделить сигнал звуковой частоты.
Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью - детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуумный диод) или полупроводниковый диод.
Рассмотрим работу полупроводникового детектора. Пусть этот прибор включен в цепь последовательно с источником модулированных колебаний и нагрузкой. Ток в цепи будет течь преимущественно в одном направлении.
 рис. 2.14
В цепи будет течь пульсирующий ток. Этот пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединенный к нагрузке.
 рис.2.15.
Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его. Разветвление тока уменьшает пульсации тока, проходящего через нагрузку. Зато в промежутке между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку.
Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В результате этого через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.
2.6. Виды радиоволн и их распространение
Мы уже рассмотрели основные свойства электромагнитных волн, их применение в радио, образование радиоволн. Теперь познакомимся с видами радиоволн и их распространением.
Форма и физические свойства земной поверхности, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.
Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100—300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой.
Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемых им.
Проводящая электрический ток, ионосфера отражает радиоволны с длиной волны > 10 м, как обычная металлический пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.
Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность. Это огибание выражено тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможна лишь при длине волн, значительно превышающей 100 м (средние и длинные волны)
Короткие волны (диапазон длин волн от 10 до 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.
Ультракороткие радиоволны (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.
Теперь рассмотрим еще одно применение радиоволн. Это радиолокация.
Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией. Радиолокационная установка — радиолокатор (или радар) — состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты. Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну. Острая направленность излучения получается вследствие сложения волн. Антенна устроена так, что волны, посланные каждым из вибраторов, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направлениях при сложении волн происходит полное или частичное их взаимное гашение.
Отраженная волна улавливается той же излучающей антенной либо другой, тоже остронаправленной приемной антенной.
Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения. Передатчик излучает волны кратковременными импульсами. Длительность каждого импульса составляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами примерно в 1000 раз больше. Во время пауз принимаются отраженные волны.
Определение расстояния производится путем измерения общего времени прохождения радиоволн до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с=3*108 м/с в атмосфере практически постоянна, то R = ct/2.
Для фиксации посланного и отраженного сигналов используют электронно-лучевую трубку.
Радиоволны используются не только для передачи звука, но и для передачи изображения (телевидение).
Принцип передачи изображений на расстояние состоит в следующем. На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами модулируют затем колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение. Для передачи движения используют принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передают десятки раз в секунду (в нашем телевидении 50 раз).
Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки — иконоскопа в серию электрических сигналов. Кроме иконоскопа, существуют и другие передающие устройства. Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на который с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжается, причем ее заряд зависит от интенсивности падающего на ячейку света. Этот заряд меняется при попадании на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает, на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем другой строчки и т. д. (всего 625 строк). От того насколько сильно
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассмотрены такие вопросы как понятие волн, электромагнитных волн и их экспериментальное обнаружение, свойства электромагнитных волн, шкала электромагнитных волн.
Электромагнитными волнами называется процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж.К.Максвеллом. Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Максвелл создал теорию электромагнитных волн. На основе своих уравнений он пришел к выводу, что в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.
Таким образом, ускоренное движение электрических зарядов приводит к возникновению электромагнитных волн – взаимосвязанным изменениям электрического и магнитного полей. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.
По Максвелу:
- электромагнитная волна является поперечной, так как векторы напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию;
- электромагнитные волны, как и другие волны, переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся электрическом и магнитном полях;
- электромагнитная волна должна обладать импульсом, а поэтому оказывать давление на тела.
Впервые опыты с электромагнитными волнами были осуществлены в 1888 г. Г. Герцем. С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приемника он получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Дальнейшие исследования электромагнитных волн показали, что они обладают способностью испытывать отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и поляризацию.
Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А.С. Попову.
Значение теории Максвелла:
1. Максвелл показал, что электромагнитное поле – это совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных полей.
2. Предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся от точки к точке с конечной скоростью.
3. Показал, что световые волны являются электромагнитными волнами, и по своей физической природе ничем не отличается от других электромагнитных волн - радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.
4. Связал воедино электричество, магнетизм и оптику.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Аксенович Л.А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие / Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина, К.С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 434.
Ботаки А.А.. Физика: учебное пособие / А.А. Ботаки, В.В. Ларионов, Э.В. Поздеева. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 120 с.
Демкин В.П. Оптика. Учебно-методический комплекс / В.П. Демкин, В.Ф. Нявро. -Томск: ТМЦДО, 2007. – 88 с.
Физика. Учебник. 11 класс / Под ред. К.Ю. Богданова. – М.: Просвещение, 2010. – 256 с.
Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Колебания и волны: Учебник для углублённого изучения физики. – М.: Дрофа, 2002. – 288 с.
Физика: Учеб. пособие с углубл. изуч. Физики / А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.; под ред. А.А. Пинского. – М.: Просвещение, 1995. – 432 с.
РИнтернет-ресурс:
http://www.physbook.ru/index.php ен
http://www.Ziyo/uz/index ено о на
http:// alibest.ruно о на Allbest.ru
ОТЗЫВ
на курсовую работу студента 2-курса группы 20.14(р) физико-технического факультета, направление обучение “физика”, Эрматова Умида по дисциплине “Основы радиоэлектроники”, на тему “Электромагнитные волны. Свойство электромагнитных волн”.
Вокруг нас существует сложный мир электромагнитных полей: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, СВЧ-печей, телевизоров, других электробытовых приборов... Все эти изобретения стали возможными благодаря предсказаниям Максвелла, который смог увидеть связь между электромагнетизмом, открытым Фарадеем, и светом. В 1873 году вышла двухтомная работа Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». В трактате подведен итог развитию учения об электрических и магнитных явлениях, создана единая теория электромагнитного излучения и учение о свете как электромагнитных волнах.
Работа состоит из введения, двух глав, а также из списка использованной литературы. Общий объём работы состоит из 34 страниц.
В первой главе дается общее понятие о волне. Понятие и характеристика о волне.
Вторая глава включает в себя электромагнитные волны и их свойства.
Открытие электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн и Модуляцию и детектирования, виды радиоволн и их распространение.
В курсовой широко использованы рисунки и иллюстрации, формулы и графики помогающие к изучению поставленной курсовой задачи. Курсовая работа выполнена на хорошем уровне и отвечает всем требованиям налагаемых к курсовым работам. Считаю работу можно представить к защите.
Доцент каф. физики, к.ф.-м.н. Юсупова Д.
|
Скачать 5.8 Mb.