Электродинамика (стр. 16 )

Радиолокаторы используют для обнаружения самолетов, кораблей, скопления облаков, локации планет, в космических исследованиях. С помощью радиолокации определяют скорости орбитального движения планет, а также скорости их вращения вокруг оси. Радиолокация Меркурия показала, что он не обращен к Солнцу все время одной стороной, а совершает три оборота вокруг своей оси за два меркурианских года. Детальная карта рельефа Венеры была получена с помощью радиолокатора межпланетной станции «Магеллан».

ВОПРОСЫ

1.  Какой вид передачи информации называют радиосвязью? Охарактеризуйте основные элементы радиосвязи.

2.  Какие существуют виды радиосвязи? Что их отличает друг от друга?

Излучение и прием электромагнитных волн

193

3.  Охарактеризуйте форму передаваемого сигнала при различных видах радиосвязи, а также частотный диапазон каждого вида радиосвязи.

4.  Охарактеризуйте особенности радиотелеграфной связи.

5.  Какой вид радиосвязи называют радиолокацией? На каком физическом явлении основана радиолокация и для каких целей она применяется?

§ 52. Радиотелефонная связь, радиовещание

Радиопередача. Модуляция сигнала. В настоящее время значительная доля информации передается в радиодиапазоне.

Радиовещание — передача в эфир речи, музыки, звуковых эффектов с помощью электромагнитных волн.

Радиотелефонная связь предполагает передачу подобной информации только для приема конкретным абонентом.

Рассмотрим подробнее, как реализуется такой вид радиосвязи.

Колебания давления воздуха в звуковой волне сначала превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Однако, как отмечалось ранее, колебания звуковой частоты излучаться практически не будут. Поэтому для передачи звука используется излучение высокочастотных колебаний, один из параметров которых изменяется (модулируется) по закону изменения звуковых колебаний.

Модуляция передаваемого сигнала — кодированное изменение одного из его параметров.

Простейшим видом модуляции высокочастотного сигнала является амплитудная модуляция.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала.

Для амплитудной модуляции высокочастотного сигнала в цепь эмиттера генератора на транзисторе (см. рис. 151) последовательно с колебательным контуром включается вторичная обмотка 2 трансформатора модулирующего устройства. Кроме того, дополнительным элементом в передатчике (по сравнению с генератором на транзисторе) является антен-а' индуктивно связанная с катушкой индуктивности L колебательного Контура (рис. 162).

7-в.

• А - Касьянов, 11 кл.

194

Электромагнитное излучение

А 162

Принципиальная схема передатчика амплитуд но-модулированных колебаний

Если звуковой сигнал микрофона отсутствует, сила тока в колебательном контуре изменяется по гармоническому закону с несущей часто-

той юл

i = I0cos(o0t.

При появлении в цепи микрофона звукового сигнала частотой Q. (Q <S са0) на вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение звуковой частоты Q. Это напряжение приводит к изменению амплитуды силы тока по закону in = = /1cosQt (рис. 163, а). В результате амплитуда высокочастотных колебаний (рис. 163, б) начинает изменяться по гармоническому закону с частотой £2:

i = (/0 + i\cos Ш)сов (D0t.

Такой сигнал можно рассматривать как гармонические колебания с медленно изменяющейся амплитудой, так как (Q <5С со0) (рис. 163, в).

co0-Q

а)

'о + Л

в)

'о + Л

О

-Со + А)

-£,

-Vo + h)

1		-	к	-j	in			sЛ	1
-			---	*		IT		r____\			i

2

co0 co0 + fi ш

Боковые частоты

A 163

Амплитудно-модулированный сигнал:

а) звуковой сигнал передатчика; б) высокочастотный сигнал передатчика;

в) модулированный сигнал; г) спектрограмма

излучение и прием электромагнитных волн 195

Раскрывая скобки в этом выражении и учитывая, что cos Шсоэ со0£ = - [cos (Q - m0)t + cos (Q + a>0)t], получаем

/ = 70cos a0t + -£ cos (co0 - Q.)t + -£ cos (co0 + Q)t.

Последнее выражение показывает, что амплитудно-модулированный сигнал можно рассматривать как сумму трех гармонических колебаний с частотой ш0, <и0 - О и со0 + О.

Структуру амплитудно-модулированного колебания можно представить в виде спектрограммы, в которой по горизонтальной оси откладывается частота, а по вертикальной оси — амплитуда колебаний (рис. 163, г). Как видно из спектрограммы, для передачи данного звукового сигнала требуется полоса частот 2Q.

Ширина канала связи — полоса частот, необходимая для передачи данного звукового сигнала.

Максимальная частота звукового сигнала 20 кГц определяет ширину канала связи 40 кГц. Тогда в диапазоне средних волн 3 • 105—3 • 106Гц может находиться N1 независимых и не мешающих друг другу радиостанций:

м _fi7 -

N* = ГТо^ 67'5-

В то же время в УКВ-диапазоне 3 • 107—3 • 108Гц таких станций может быть

^2= 8'1°8"8;107 =6750.
2 4-Ю4

Чем больше несущая частота, тем большее число независимых радиостанций (сигналы, которых не накладываются друг на друга) можно разместить в заданном диапазоне частот. Переход к вещанию на более высоких частотах позволяет резко увеличить число каналов и соответственно объем передаваемой информации.

Радиоприем. Демодуляция сигнала. Радиоволны, излучаемые передатчиком, вызывают вынужденные колебания электронов в антенне при-емника. Принципиально такие высокочастотные колебания возникают в приемной антенне от всех радиостанций Земли. Для выделения сигнала Дной радиостанции, работающей на фиксированной несущей частоте со0, лУжит колебательный контур, содержащий конденсатор переменной

7*

196

Электромагнитное излучение

емкости. Индуктивность контура является вторичной обмоткой трансформатора, у которого роль первичной обмотки выполняет индуктивность антенны (см. рис. 140). Изменением электроемкости контура можно добиться совпадения собственной частоты контура с несущей частотой интересующей радиостанции: со0 = 1/ JbC.

При этом вследствие резонанса амплитуда вынужденных колебаний напряжения данной несущей частоты резко возрастает по сравнению с напряжениями других несущих частот, приходящих от других радиостанций. Таким образом сигнал требуемой станции выделяется среди всех остальных.

Однако выделенный амплитудно-модулированный высокочастотный сигнал не воспринимается ухом человека и не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Из амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала требуется выделить колебания звуковой частоты, содержащие передаваемую информацию. Высокочастотные колебания несущей частоты, как отмечалось выше, лишь переносят требуемую информацию, но не содержат ее.

Детектирование (или демодуляция) — процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты.

В простейшем приемнике демодуляция осуществляется в два этапа: сначала высокочастотные колебания выпрямляются, а затем выделяется низкочастотная огибающая высокочастотных импульсов. Схема простейшего приемника представлена на рисунке 164. Выпрямление амплитудно-модулированного сигнала несущей частоты, выделенного колебательным контуром во входной цепи, осуществляется полупроводниковым диодом.

Высокочастотные импульсы напряжения подаются на параллельно соединенные конденсатор С2 и резистор R. В период действия отдельного импульса, когда диод открыт, конденсатор заряжается. При закрытом диоде импульсный сигнал не подается на конденсатор, который в этот период разряжается через сопротивление R. Напряжение на конденсаторе при действии импульса и последующей паузе изменяется со временем так, как показано на рисунке 129, б. При прохождении через ДС2-фильтр высокочастотных импульсов, модулированных звуковой частотой, напряжение на сопротивлении R изменяется со временем практически подобно низкочастотному сигналу на передающей радиостанции. Для полного совпадения этих сигналов положительный сигнал звуковой частоты, выделяемый на сопротивлении, на-

Излучение и прием электромагнитных волн

197

19

до сделать знакопеременным. Это совпадение сигналов осуществляется с помощью конденсатора СЗ, не пропускающего постоянную составляющую положительного тока. В результате демодуляции в приемнике электрический сигнал звуковой частоты, идентичный сигналу, передаваемому радиостанцией, преобразуется мембраной телефона в звуковые колебания. В реальных схемах детекторных приемников роль R играет телефон (наушники), а конденсатор СЗ не используется, так как постоянная составляющая сигнала не влияет на работу телефона.

Частотная модуляция. Постоянство несущей частоты сигнала, излучаемого радиостанцией, приводит к его низкой защищенности от помех. Даже слабые сигналы от калькулятора на Данной частоте вызывают шумы, мешающие восприятию основного принимаемого радиосигнала. Для увеличения помехозащищенности передаваемого радиосигнала его несущая частота изменяется пропорционально амплитуде звукового информационного сигнала. Чем сильнее вуковой сигнал, тем больше несущая частота.

^164

а)

б)

Схема простейшего радиоприемника

в)

▲ 165

Частотная модуляция:

а) смодулированный
высокочастотный не
сущий сигнал;

б) передаваемый звуко
вой сигнал;

в)радиосигнал

198

Электромагнитное излучение

Частотная модуляция — изменение частоты высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала:

ш = con + Acocos Ш.

Частотная модуляция используется при передаче звуковых сигналов телевидения и УКВ-радиостанций (рис. 165).

ВОПРОСЫ

1.  В чем отличие радиовещания от радиотелефонной связи?

2.  Какое изменение передаваемого сигнала называют амплитудной модуляцией? В чем отличие электрической схемы передатчика амплитудно-модулированных колебаний от схемы генератора на транзисторе?

3.  Объясните последовательность формирования амплитудно-модулированного сигнала. Почему переход к вещанию на более высоких частотах позволяет увеличить число каналов передачи информации?

4.  На примере схемы простейшего радиоприемника объясните последовательность радиоприема и детектирования высокочастотного модулированного радиосигнала.

5.  Какое изменение передаваемого сигнала называют частотной модуляцией? В чем преимущество частотной модуляции перед амплитудной?

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

■ Электромагнитная волна — воз
мущение электромагнитного поля,
распространяющееся в простран
стве со скоростью света.
Электромагнитная волна является
поперечной: направления векто
ров напряженности электрическо
го поля и индукции магнитного по
ля перпендикулярны друг другу
и направлению распространения
волны.

Излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов.

■ Плотность энергии электромаг
нитного поля в вакууме пропор-

циональна квадрату напряженности электрического поля:

"V = ео£2> где е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума.

■ Уравнение бегущей гармониче
ской волны для напряженности
электрического поля, распростра
няющегося в положительном на
правлении оси X со скоростью V.

E = E0sinv)(t - - J.

■ Длина волны — расстояние, на ко
торое распространяется волна за
период колебаний ее источника:

X = vT.

Излучение и прием электромагнитных волн

199

Плоскополяризованная (или ли-нейнополяризованная) электромагнитная волна — волна, в которой вектор Е колеблется только в одном направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Плоскость поляризации электромагнитной волны — плоскость, проходящая через направление колебаний вектора напряженности электрического поля и направление распространения волны. фронт электромагнитной волны — поверхность постоянной фазы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Плотность потока энергии электромагнитной волны — мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Интенсивность электромагнитной волны — среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны.

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля:

1~Е%.

Интенсивность излучения точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:

гармонической волны прямо четвертой сте-

Интенсивность электромагнитной пропорциональна пени ее частоты:

Спектр электромагнитных волн условно делят на восемь диапазонов частот (длин волн) (табл. 7):

•  волны звуковых частот;

•  радиоволны;

•  СВЧ (микроволновое)излучение;

•  инфракрасное (ИК) излучение;

•  видимый свет;

•  ультрафиолетовое (УФ) излучение;

•  рентгеновское излучение;

•  у-излучение.

Таблица 7

Источники электромагнитного излучения различных диапазонов частот

Диапазон частот

Источник излучения

Волны звуковых частот Радиоволны

СВЧ (микроволновое) излучение ИК-

-излучение

Переменный ток

Изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества

Колебание и вращение молекул вещества

Видимый свет УФ-излучение ентгеновское излучение

7-Излучение

Изменение состояния электронов в атомах или молекулах, ускорение свободных электронов

Изменение состояния атомных ядер, ускорение свободных заряженных частиц

200

Электромагнитное излучение

■ Радиосвязь— передача и прием
информации с помощью радио
волн, распространяющихся в про
странстве без проводов.
Различают четыре вида радиосвя
зи, отличающиеся типом кодиро
вания передаваемого сигнала (см.
табл. 6):

•  радиотелеграфная связь;

•  радиотелефонная связь и радиовещание;

• телевидение;

• радиолокация.

■ Модуляция передаваемого сиг
нала — кодированное изменение
одного из его параметров.

■  Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала.

■  Ширина канала связи — полоса частот, необходимая для передачи данного звукового сигнала.

■  Детектирование (или демодуляция) — процесс выделения низкочастотных звуковых колебаний из модулированных колебаний высокой частоты.

■  Частотная модуляция — изменение частоты высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала.

Геометрическая оптика

§ 53. Принцип Гюйгенса

Волна на поверхности воды от точечного источника. Для изучения распространения электромагнитных волн в пространстве рассмотрим в качестве аналогии возникновение волны на воде, вызванной точечным источником. Если в воду в точке О быстро опускать (за промежуток времени х) и сразу поднимать карандаш, то на поверхности воды возникает волна. Ее появление связано с изменением расстояний между молекулами воды при воздействии на них карандаша (рис. 166). В невозмущенном состоянии межмолекулярные промежутки примерно одинаковы. Уменьшение расстояния между молекулами 1—2 и Г—2' (сжатие) приводит к увеличению сил отталкивания между ними, которое по цепочке передается через промежуток времени t молекулам 5—6 и 5'—6'. Таким образом, через промежуток времени t передний фронт волны сжатия, распространяющейся в воде со скоростью v, будет находиться от точки О на расстоянии vt.

В каждой точке фронта волны возникает сжатие. Это эквивалентно тому, что в каждой точке фронта волны опускается и вынимается карандаш. В любой точке фронта есть как бы вторичный точечный источник.

6'5' 4'3'2Т01 2 34 -ер—00 О0|00 00

-ер-

а)

б)

^166

Волна на поверхности жидкости от точечного источника:

а) в момент времени т;

б) в момент времени t

202

Электромагнитное излучение

а)

В В'

б)

А 167

Фронт волны как огибающая вторичных волн:

а) сферическая волна;

б) плоская волна

Передний фронт волны — совокупность наиболее отдаленных от источника точек, до которых дошел процесс распространения волны.

Фронт механической волны — совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

В 1678 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс сформулировал этот результат следующим образом.

Принцип Гюйгенса

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Фронтом волны точечного источника в однородном пространстве является сфера. Зная положение фронта волны АВ в момент времени t, с помощью принципа Гюйгенса можно найти фронт волны А'В' через промежуток времени At (рис. 167, а). Вторичные волны, распространяющиеся от каждой точки волнового фронта АВ, через время At удаляются от него на расстояние vAt. Сферическая поверхность радиуса v(t + At), огибающая все вторичные волны в момент времени t + At, определяет положение фронта волны в этот момент времени.

Амплитуда возмущения во всех точках сферического фронта волны, распространяющейся от точечного источника, одинакова.

Принцип Гюйгенса удобен для описания распространения как механических, так и электромагнитных волн.

Направление распространения фронта волны. Вторичные механические волны — результат передачи возмущения соседним частицам среды. Вторичные электромагнитные

Геометрическая оптика

203

полны — результат электромагнитной и магнитоэлектрической индукции.

Стрелки на рисунке 167, а показывают направление распространения фронта волны в каждой точке. Их направления (лучи) перпендикулярны фронту.

Луч — вектор, перпендикулярный фронту волны, показывающий направление переноса энергии волны в данной точке.

Положение фронта сферической волны в определенный момент времени однозначно определяется двумя лучами, выходящими из точечного источника.

На значительном расстоянии от точечного источника сферический фронт можно считать плоским.

Амплитуда возмущения во всех точках плоского фронта волны одинакова. Положение фронта плоской волны в определенный момент времени определяется одним лучом, перпендикулярным плоскости фронта (рис. 167, б).

В однородной среде направление распространения волны не изменяется.

В однородной среде волна распространяется во всех направлениях прямолинейно.

Для описания распространения электромагнитных волн в неограниченных средах геометрическая (лучевая) оптика рассматривает ход независимых световых лучей, подчиняющихся законам отражения и преломления.

ВОПРОСЫ

1 • Объясните механизм распространения передового фронта волны на воде.

2.  Дайте определение фронта механической волны.

3.  Сформулируйте принцип Гюйгенса. Какие волны называют вторичными?

4.  Поясните механизм образования сферического и плоского фронта волны. Что можно сказать об амплитуде возмущения на фронте этих волн?

5« Как можно определить положение фронта плоской и сферической волны?

§54 . Отражение волн

«акон отражения волн. Изменение направления распространения волны может происходить при отражении ее от границы раздела двух сред. *1айти количественно это изменение позволяет принцип Гюйгенса.

204

Электромагнитное излучение

Рассмотрим процесс возникновения отраженной волны при падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред. Пусть фронт волны ограничен лучами, перпендикулярными фронту, направленными в точки А я В' границы раздела (рис. 168, а), и плоскость волны образует с поверхностью раздела угол а. Угол между лучом и перпендикуляром 02В' к границе раздела также равен а (углы с соответственно перпендикулярными сторонами).

Угол падения волны — угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения.

Падающая под углом волна достигает точек А и В' границы раздела в разные моменты времени. В тот момент, когда фронт волны достигает точки А, эта точка становится источником вторичных волн. По мере того как волна попадает в точки 1,2,3, В' (рис. 168, б—д), все они становятся источником вторичных волн. Фронт отраженной волны является плоской поверхностью, касательной к сферическим фронтам вторичных волн.

------- -•----

А 1 2 3

^168

Возникновение отраженной волны:

а) в точке А;

б) в точке 1;

в) в точке 2;

г) в точке 3;

д) в точке В'

Геометрическая оптика

205

Когда в момент времени т (рис. 168, д) фронт волны достигает точки В', вторичное излучение от точки А распространяется на расстояние дА' = их. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени определяется плоскостью, проходящей через точки А' и В'.

Из равенства прямоугольных треугольников АА'В' (рис. 168, д) и АВ'В (рис. 168, а) (равные катеты АА' и ВВ' и общая гипотенуза АВ') следует, что /LAB'А' = /LВАВ', или а = у.

Отраженные лучи из точек А и В' составляют с перпендикулярами к границе раздела ОхА и 02В' угол а.

Угол отражения волны — угол между отраженным лучом и перпен дикуляром к отражающей поверхности.

Сформулируем закон отражения волн, полученный с помощью принципа Гюйгенса. ________________ Закон отражения волн ____________________

Угол отражения равен углу падения.

Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения к отражающей поверхности, лежат в одной плоскости.

Важным свойством лучей, в частности лучей света, является их обратимость. Если пустить падающий луч в направлении отраженного, то он отразится в направлении падающего (рис. 169).

Закон зеркального отражения справедлив Для идеальной плоской поверхности. При зеркальном отражении изменяется направление распространения плоского фронта волны, но не изменяется его форма. В случае неровной поверхности возникает диффузное отражение, при котором параллельный пучок падающих лучей не преобразуется в параллельный пучок отраженных лучей (рис. 170). При этом в каждой точке поверхности выполняется закон отражения волн.

Изображение предмета в плоском зеркале. Построение изображения в плоском зеркале основано на использовании закона отражения волн. Рассмотрим точечный источник видимого

Падающий Отраженный

луч \ i / луч

~

Отраженный Падающий

луч\ ' / луч

А 169

Обратимость световых лучей

206

Электромагнитное излучение

А 170

Отражение света:

а) зеркальное;

б) диффузное

к 171

Отражение сфериче-

кого волнового фрон-

ia от плоской поверх-

ости:

) в точке О;

) в точках В и А'

света S, освещающий плоское зеркало. Волновым фронтом точечного источника является сфера (рис. 171).

Положение волнового фронта в произвольный момент времени характеризуют два луча SO и SA. В момент времени t = х волновой фронт достигает точки О (рис. 171, а). Еще через время At фронт волны (рис. 171, б) касается точки А' (АА' = vAt). За этот промежуток времени отражения волна из точки О достигает точки О' (ОО' = vAt).

Огибающей поверхностью сферических вторичных волн является сфера. Фронт отраженной от плоского зеркала волны является сферическим, так же как и фронт падающей волны.

Центр отраженной сферической волны лежит за зеркалом, образуя пучок расходящихся лучей. Человеческому глазу, находящемуся в пространстве над зеркалом, кажется, что лучи S'O и S'A' выходят из одной точки, расположенной за зеркалом. Эта точка S' воспринимается глазом как мнимое изображение источника S.

Мнимое изображение — изображение предмета, возникающее при пересечении продолжений расходящегося пучка лучей.

Для построения изображения точечного источника, создающего сферический фронт волны, достаточно использовать два луча (рис. 172). Угол падения луча 1, направленного перпендикулярно зеркалу, равен нулю, поэтому равен нулю и угол отражения. Луч 2, падающий в точке А' под углом а, отражается под тем же углом. Продолжения расходящихся лучей Г и 2' пересекаются в точке S', являющейся мнимым изображением точки - S. Найдем расстояние S'O. Как видно из построения, Z. OSA' = а как накрест лежащие углы при параллельных прямых, a /.OS'А' = а как соответственные. Следовательно, AOS'A' = AOSA (по катету ОА' и острому углу). Это означает, что OS' = OS.