Электроника:Переменный ток/Основы теории переменного тока/Принципы радио

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Принципы радио[1]

Одно из самых захватывающих применений электричества – это генерация невидимых волн энергии, называемых радиоволнами. Ограничения по объёму данного урока не позволяют изучить эту интереснейшую тему в полной мере, но кое-что мы всё-таки рассмотрим.

После того, как Эрстед случайного обнаружил электромагнетизм, стало понятно, что электричество и магнетизм тесно взаимосвязаны.

Когда электрический ток проходит по проводнику, перпендикулярно оси потока возникает магнитное поле. Точно так же, если проводник подвергается воздействию перпендикулярного магнитного потока, по длине проводника возникает напряжение.

Ученые уже давно знали, что электричество и магнетизм влияют друг на друга всегда под прямым углом. Однако самое главное долгое время было скрыто прямо под этой, казалось бы, простейшей концепцией взаимосвязанной перпендикулярности. И когда самое основное открытие было совершено, это стало одним из поворотных моментов в современной науке.

Связь электрического и магнитного полей

Этот прорыв в физике трудно переоценить. Человек, которому мы обязаны за эту концептуальную революцию – это шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), который «объединил» изучение электричества и магнетизма в четырёх изящных уравнениях (которые так и называются – «уравнения Максвелла»).

По сути, он обнаружил, что электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом, независимо от наличия или отсутствия проводящего пути для протекания тока. Говоря более формально, открытие Максвелла было следующим:

Переменное электрическое поле создаёт перпендикулярное магнитное поле, и

Переменное магнитное поле создаёт перпендикулярное электрическое поле.

Все это может происходить хоть в вакууме открытого космоса, когда переменные электрические и магнитные поля поддерживают друг друга, пока они движутся в пространстве со скоростью света. Эта динамическая структура электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве, более известна как электромагнитная волна.

Есть много видов естественной радиационной энергии, являющихся электромагнитными волнами. Даже свет по своей природе является электромагнитным. То же можно сказать и про рентгеновские лучи и гамма-излучение. Единственное различие между этими видами электромагнитного излучения – это частота их колебаний (чередование вперёд-назад электрического и магнитного полей и их полярностей). Используя источник переменного напряжения и специальное устройство, называемое антенной, можно с лёгкостью генерировать электромагнитные волны (с гораздо более низкой частотой, чем у света).

Типы антенн

Антенна – это не что иное, как устройство, созданное для создания рассеивающего электрического или магнитного поля. Два принципиальных типа антенн – это диполь и петлевая (контурная) рамочная антенна:

Рис. 1. Дипольная и рамочная антенны.

Хотя диполь выглядит как разомкнутая цепь, а петля – короткозамкнутая цепь, эти отрезки проволоки являются эффективными излучателями электромагнитных полей при подключении к источникам переменного тока соответствующей частоты. Два открытых провода диполя действуют как своего рода конденсатор (два проводника, разделённые диэлектриком), при этом электрическое поле может рассеиваться, а не концентрироваться между двумя близко расположенными пластинами.

Замкнутый контур рамочной антенны действует как индуктивный элемент с большим воздушным сердечником, обеспечивая при этом широкие возможности для рассеивания магнитного поля от антенны вместо того, чтобы концентрировать и удерживаться это поле, как это происходит в обычной катушке индуктивности.

Когда активный (т.е. подсоединённый к источнику переменного напряжения) диполь излучает свое переменное электрическое поле в окружающее пространство, под прямым углом создаётся переменное магнитное поле, которое в свою очередь создаёт распространяющееся далее электрическое поле, которое в свою очередь генерирует магнитное поле, которое… Ну и так далее, в итоге электромагнитная волна распространяется со скоростью света. Поскольку питаемая рамочная антенна излучает своё переменное магнитное поле в пространство, переменное электрическое поле создаётся под прямым углом по отношению к магнитному, и конечный результат будет тот же: непрерывная электромагнитная волна направлена в сторону от антенны. Обе антенны решают одну и ту же основную задачу: происходит контролируемое создание электромагнитного поля.

Функции антенны

При подключении к источнику высокочастотного переменного тока антенна действует как передающее устройство, преобразуя переменное напряжение и переменный ток в энергию электромагнитной волны. Антенны также способны и улавливать электромагнитные волны и преобразовывать их энергию в переменное напряжение и переменный ток. В таком режиме антенна действует как приёмное устройство:

Рис. 2. Базовые схемы радиопередатчика/радиоприёмника на основе диполя или рамочного контура.

Хотя про антенные технологии я могу говорить очень долго, на первый раз пока что хватит. У вас теперь есть общее представление об этом (и, между прочим, даже этой базовой информации вполне достаточно для простейших экспериментов).

Итог

  • Джеймс Максвелл обнаружил, что переменные электрические поля создают перпендикулярные магнитные поля и наоборот – и это будет происходить даже в абсолютно пустом пространстве.
  • Удвоенный набор электрических и магнитных полей, колеблющихся под прямым углом друг к другу и движущихся со скоростью света, составляет электромагнитную волну.
  • Антенна представляет собой устройство из проволоки, предназначенное для излучения переменного электрического поля или переменного магнитного поля. Питание антенны возможно как от источника переменного высокочастотного тока, так и в результате перехвата электромагнитного поля (и преобразования его в переменное напряжение или переменный ток).
  • Дипольная антенна состоит из двух кусков проволоки (разнесённых в разные стороны), которые генерируют первичное электрическое поле при подаче напряжения, что приводит к возникновению вторичного магнитного поля.
  • Рамочная антенна состоит из проволочного замкнутого контура, который при подаче напряжения генерирует первичное магнитное поле, что приводит к возникновению вторичного электрического поля.

См.также

Внешние ссылки