Тема 4.7

Основи теорії електромагнітного поля

 

 

                          Зміст.                                                                                            стор.

         Тема 4.7. Основи теорії електромагнітного поля.

§11. З історії динамічної теорії електромагнітного поля.                              62

§12. Основні положення теорії Максвела.                                                         66

§13. Основні передбачення теорії Максвелла.                                                 70

§14. Про експериментальні докази того, що теорія

Максвелла є правильною.                                                                                     76

§15. Система радіозв’язку.                                                                                      80

 

Тема. 4.7    Основи теорії електромагнітного поля.

 

§11. З історії динамічної теорії електромагнітного поля.

 

Починаючи вивчення електродинаміки, ми говорили про те, що в основі цієї величної науки лежать чотири твердження, які сформульовані видатним англійським вченим Джеймсом Максвелом (1831-1879) і які називаються рівняннями Максвела. Говорили і про те, що бодай елементарне розуміння суті цих базових тверджень, не можливе без попереднього вивчення багатьох явищ, фізичних величин, законів та експериментальних фактів. І що тому, формулювання основних тверджень теорії Максвела ми будемо розглядати як певну кінцеву мету. Як завершальний етап вивчення електродинаміки.

І от настав той час, коли ми практично готові підкорити одну з найнеприступніших вершин сучасної науки, яка називається динамічною теорією електромагнітного поля або теорією Максвела. Втім, в даному випадку, слово “готові” навряд чи відображає реальний стан речей. Адже максвелівська електродинаміка представляє собою органічне поєднання фізики та вищої математики. Математики, вивчення якої виходить за межі програми не лише загально освітньої школи, а й більшості вищих навчальних закладів. Зважаючи на ці обставини, теорія Максвела в своєму повному обсязі вивчається лише в невеликій кількості спеціалізованих вузів. Однак, якщо говорити про фізичну суть цієї теорії, то вона може і має бути предметом вивчення загальноосвітнього курсу фізики. Власне з’ясуванню цієї суті і присвячена дана тема.

Говорячи про теорію Максвела, доречно згадати ті історичні події які передували появі цієї теорії. Це важливо бодай тому, що без розуміння історичних коренів теорії, важко розраховувати на глибоке розуміння тих визначальних ідей які лежать в основі відповідної теорії, в даному випадку –  теорії Максвела. А ці ідеї формувались в процесі наступних подій.

Приблизно з середини 17-го століття, в науці отримала широке розповсюдження так звана концепція дальнодії. Прихильники цієї концепції*) стверджували, що гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, відбуваються без будь якого матеріального посередника. Наприклад, гравітаційна дія від Землі до Місяця, від Сонця до Землі і навпаки, передається через пустий простір. При цьому мається на увазі, що в цьому просторі нема нічого такого що забезпечує передачу гравітаційної сили від одного тіла до іншого. Іншими словами, згідно з концепцією дальнодії, гравітаційна дія миттєво передається в усі точки простору і ця передача відбувається без будь якого матеріального посередника.

*) В науковій практиці терміном концепція (від лат. conceptio – розуміння, система) зазвичай позначають певну систему поглядів на ту чи іншу групу явищ; певний спосіб трактування (пояснення) цих явищ, тощо.

Становленню та поширенню концепції дальнодії сприяло те, що відкритий Ньютоном закон всесвітнього тяжіння, кількісно описував характер гравітаційних взаємодій і нічого не говорив про механізм передачі цих взаємодій.  При цьому не було жодних видимих ознак наявності такого механізму. Ситуація виглядала таким чином ніби гравітаційні взаємодії миттєво передаються через пустоту.

Факт того, що відкриття закону всесвітнього тяжіння сприяло поширенню концепції дальнодії, часто тлумачать таким чином, ніби Ньютон був автором та пропагандистом цієї концепції. Подібні твердження є абсолютно безпідставними. Ми можемо лише здогадуватись, скільки інтелектуальних зусиль витратив великий Ньютон, намагаючись зрозуміти та пояснити механізм гравітаційних взаємодій. Адже навряд чи можна назвати випадковим той факт, що своє найвидатніше відкриття – закон всесвітнього тяжіння, Ньютон не публікував майже двадцять років.

Розуміючи всю глибину та складність проблеми наукового пояснення механізму гравітаційних взаємодій, і керуючись своїм знаменитим принципом “гіпотез не вигадую”, геніальний Ньютон свідомо уникав публічних дискусій на предмет обговорення концепції дальнодії. Лише деякі факти з усією очевидністю вказують на те, що Ньютон не був безумовним прихильником цієї концепції. Ось один з цих фактів. У своєму листі до Річарда Бентлі  від 25.02.1693 року, Ньютон писав: “ Як на мене, стверджувати що тяжіння може передаватись від одного тіла до іншого без певного посередника – це абсурд. Передачу тяжіння має забезпечувати певний, постійно діючий агент, який діє за певними законами” .

Та як би там не було, а починаючи з середини 17-го століття, число прихильників теорії дальнодії неухильно зростало. І на початок 19-го століття в науці майже не залишилося тих хото б сумнівався в достовірності цієї “теорії”. Втім, знайшовся один сміливець, який не просто висловлював сумніви щодо наукової обгрунтованості концепції дальнодії, а був її свідомим та затятим противником. Цим сміливцем був видатний англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867).

Сьогодні важко повірити, що людина, офіційна освіта якої передбачала початкові навички читання, письма та арифметики, людина, яка з дванадцятирічного віку була змушеною заробляти на шматок хліба, – зуміла піднятись до вершин сучасної науки і стати одним з найвидатніших вчених всіх часів і народів. І тим не менше, факт залишається фактом, – Майкл Фарадей, син простого коваля і прибиральниці, офіційна освіта якого не виходила за межі початкової школи, став тим видатним вченим, який кардинально змінив хід історії науки.

Цілком ймовірно, що якби Фарадей отримав повноцінну середню та вищу освіту, то разом з нею засвоїв би й те, що гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії не можливо пояснити інакше, як тільки на основі концепції дальнодії. Однак Фарадей мав свій, особливий шлях в науці. І цей шлях базувався на абсолютній, непохитній вірі в те, що Природа, – це єдиний цілісний організм в якому все гармонійно взаємопов’язано та взаємообумовлено. Тому, не будучи обтяженим загально прийнятими догмами, великий Фарадей був абсолютно переконаним в тому, що між взаємодіючими на відстані тілами, має бути певний матеріальний посередник. Іншими словами, Фарадей був палким та переконаним прихильником концепції близькодії, тобто тих поглядів, згідно з якими між взаємодіючими на відстані тілами, має бути певний посередник, який і передає цю взаємодію.

Аналізуючи електричні та магнітні взаємодії, Фарадей все більше і більше переконувався в тому, що ці взаємодії можуть і мають бути поясненими на основі концепції близькодії. Реалізуючи це переконання, він вводить в наукову практику поняття силового поля, під яким розуміє певне силове збурення простору, яке створюється взаємодіючими тілами і яке має певні ознаки реально існуючого матеріального об’єкту. Не маючи можливості описати цей об’єкт мовою математичних формул (давався в знаки брак математичної освіти), Фарадей створює і вводить в наукову практику мову графічних пояснень. Пояснень, які базуються на застосуванні спеціальних умовних ліній, які сьогодні прийнято називати лініями напруженості електричного поля та лініями індукції магнітного поля.

Сучасники без особливого ентузіазму сприйняли фарадеєвську ідею поля. Скоріш навпаки, зустріч виявилась якщо не ворожою, то іронічно поблажливою. Навіть після того, як спираючись на ідею поля та його силових ліній, Фарадей відкрив, дослідив та пояснив явище електромагнітної індукції, прихильники концепції дальнодії вперто не бажали серйозно сприймати його наукові погляди на польовий механізм гравітаційних, електричних та магнітних взаємодій. Ось що писав про той період розвитку фарадеєвських ідей лауреат Нобелевської премії,  американський фізик Роберт Міллікен (1868-1953):  “Навіть після того як Фарадей підтвердив свої геніальні ідеї не менш геніальними відкриттями, ці ідеї не отримали бодай мінімального визнання. Формалісти школи Ампера – Вебера, з прихованим, а то і явним презирством дивились на грубі матеріальні силові лінії, що були породжені плебейською фантазією лабораторного сторожа Фарадея”.

Однак, геніальні ідеї Фарадея не відійшли та й не могли відійти у вічність. Вони просто чекали свого часу. Чекали на людину, яка б перетворила їх на математично струнку та логічно бездоганну наукову теорію. І через понад три десятиліття така людина з’явилась. Це був геніальний англійський фізик і математик Джеймс Клерк Максвел. На відміну від Фарадея, представник знатного та заможного шотландського роду Максвел, отримав блискучу освіту. Ще будучи студентом, він зацікавився вивченням електричних та магнітних явищ. При цьому, із всіх робіт на цю тему юного Максвела найбільш вразила книга “Експериментальні дослідження з електрики”. Автором цієї книги був Фарадей. Пізніше Максвел писав: “Я твердо вирішив не читати жодної роботи з цієї тематики допоки досконало не вивчу фарадеєвські “Експериментальні дослідження з електрики”.

Ознайомившись з роботами Фарадея, юний Максвел стає палким та переконаним послідовником його ідей. Прагнучи реалізувати ці ідеї, він ставить перед собою задачу неймовірної складності. Задача, яку напевно не зміг би розв’язати жоден з його сучасників. Максвел вирішує розкрити механізм електричних та магнітних взаємодій і довести, що в цьому механізмі роль посередника між взаємодіючими тілами виконує особливий матеріальний об’єкт який називається електромагнітним полем.

Вирішуючи це завдання, Максвел вводить в наукову практику цілу низку фізичних величин які певним чином характеризують електричні та магнітні поля. Записує відомі на той час закони електромагнетизму на мові цих фізичних величин. З’ясовує та усуває наявні в цих законах неточності та протиріччя. Доповнює систему відомих знань новими знаннями. І у підсумку створює цілісну, математично та фізично бездоганну теорію електромагнітного поля. Теорію, яка і на сьогоднішній день є взірцем практично ідеальної наукової теорії. Теорію, яка фантастично розширила обрії сучасної науки і стала основою сучасної електронно-інформаційної цивілізації.

 

Словник фізичних термінів.

         Концепція дальнодії – це така система поглядів на гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, у відповідності з якою, ці взаємодії відбуваються без будь якого матеріального посередника.

Концепція близькодії – це така система поглядів на гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, у відповідності з якою, ці взаємодії відбуваються через певний матеріальний посередник (через відповідне силове поле).

Контрольні запитання.

1. Чому закон всесвітнього тяжіння сприяв поширенню концепції дальнодії?

2. Як ви думаєте, чому Ньютон уникав публічних дискусій стосовно концепції дальнодії?

3. Як ви думаєте, чи сприяло поширенню концепції дальнодії відкриття законів Кулона та Ампера?

4. В чому особливість того шляху який пройшов в науці Фарадей?

5. Який внесок в розвиток сучасної науки зробив Фарадей?

6. Чому Фарадей не зміг реалізувати ідею силового поля у відповідну математично довершену теорію?

7. Який внесок в розбудову сучасної науки зробив Максвел?

 

§12. Основні положення теорії Максвела.

 

На середину 19-го століття, сукупність знань про електричні, магнітні та електромагнітні явища, фактично зводились до п’яти відносно незалежних, експериментально встановлених тверджень (законів):

1. При будь яких процесах що відбуваються в замкнутій системі, загальна кількість електричного заряду цієї системи залишається незмінною, тобто зберігається: ∑qi=const (закон збереження заряду).

2. Два точкових заряди q1 і q2 взаємодіють між собою (однойменні заряди відштовхуються, різнойменні – притягуються) з силою, величина якої визначається за формулою F=kq1q2/r2 (закон Кулона).

3. Електричні струми (заряди що рухаються) взаємодіють між собою (співнаправлені струми притягуються, протинаправлені – відштовхуються) з силою, величина якої визначається за формулою F=kI1I2∆ℓsinα/r (закон Ампера).

4. В Природі не існує обособлених магнітних зарядів.

5. При будь якій зміні того магнітного потоку що пронизує замкнутий струмопровідний контур, в цьому контурі виникає е.р.с. індукції, величина якої залежить від швидкості зміни магнітного потоку: ℰ= -N(d/dt) (закон електромагнітної індукції).

До створення теорії Максвела, ці твердження розглядались як певні не пов’язані експериментальні факти, кожен з яких описує певну групу явищ. Іншими словами, ці твердження не утворювали цілісну систему знань. Напевно першим хто усвідомив глибинний зв’язок між вище сформульованими законами був Джеймс Максвел. Максвел зрозумів, що на базі цих законів та фарадеєвські ідеї про силові поля, можна не лише пояснити механізм електромагнітних взаємодій, а й створити цілісну наукову теорію, яка з єдиних позицій пояснить все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ. Створюючи таку теорію, Максвел в 1860-1863 роках виконує наступний обсяг науково-теоретичних робіт:

1. Вводить в наукову практику систему фізичних величин, які певним чином характеризують електричні та магнітні поля.

2. Записує вище сформульовані закони електромагнетизму на мові введених ним фізичних величин.

3. На базі теоретичного аналізу нових формулювань законів електромагнетизму з’ясовує, що деякі положення цих законів є такими, що дублюють одне одного, а деякі – такими, що суперечать одне одному (такі суперечності були між тогочасним формулюванням закону Ампера та законом збереження заряду).

4. Гармонізує систему базових тверджень, та записує їх у вигляді системи рівнянь які прийнято називати рівняннями Максвела.

5. На основі аналізу рівнянь Максвела, пояснює механізм електромагнітних взаємодій та формулює велику кількість точних наукових передбачень.

В процесі вивчення електродинаміки, ми неодноразово говорили про те, що теоретичною основою цієї науки є чотири базових твердження, які називаються рівняннями Максвела. Говорили і про те, що математична складова цих тверджень є досить складною, і що тому у повному обсязі рівняння Максвела вивчають лише в спеціалізованих вищих навчальних закладах. Зважаючи на ці обставини, ми лише стисло сформулюємо та проаналізуємо фізичну суть рівнянь Максвела, а точніше, фізичну суть тих базових тверджень які є теоретичною основою теорії Максвела. При цьому математичні формулювання цих тверджень будуть гранично спрощеними та умовними.

Основні твердження теорії Максвела.

1. Електричні заряди створюють в навколишньому просторі потенціальні електричні (електростатичні) поля, параметри яких залежать від величини  того заряду що створює поле: E = ƒ(q)

2. Заряди що рухаються (електричні струми) створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких залежать як від величини відповідного             заряду так і від швидкості його руху: B = ƒ(q,v).

3. Змінні магнітні поля створюють в навколишньому просторі вихрові, непотенціальні електричні (електродинамічні) поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного магнітного поля: E = ƒ(dB/dt).

4. Змінні електричні поля створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного електричного поля: B = ƒ(dE/dt).

  

Е = ƒ(q)                           B = ƒ(q,v)                   B = ƒ(dE/dt)                 E = ƒ(dB/dt)

Мал. 30*. Фізична суть базових тверджень теорії Максвела.

Не важко бачити, що вище сформульовані твердження, представляють собою систему взаємопов’язаних та взаємодоповнюючих тверджень, які утворюють цілісну систему знань. Виходячи з цих тверджень, Максвел не лише пояснив все різноманіття відомих електричних, магнітних та електромагнітних явищ, а й зробив велику кількість наукових передбачень. Зокрема передбачив, що в Природі існують такі об’єкти як електромагнітні хвилі. Що швидкість розповсюдження цих хвиль 3·108м/с і що величина цієї швидкості є абсолютною, тобто такою, яка не залежить ні від швидкості руху джерела хвиль, ні від швидкості руху спостерігача. Що на межі двох різних середовищ електромагнітні хвилі можуть як відбиватись так і заломлюватись, і що закони їх відбивання та заломлення, аналогічні законам геометричної оптики. Що світло, це одна з різновидностей електромагнітних хвиль, тощо. Втім, про передбачувальні здібності теорії Максвела, ми поговоримо в наступному параграфі.

Наразі ж, зробимо декілька зауважень стосовно самих базових тверджень теорії Максвела. Перш за все наголосимо, що ці твердження не є вточності еквівалентними тим математичним формулам, які називаються рівняннями Максвела. Ці твердження лише відображають загальну фізичну суть системи цих рівнянь.

Зауважимо також, що перші три із вище сформульованих базових тверджень, по суті є певними формулюваннями відомих до Максвела базових законів: закону Кулона, закону Ампера та закону електромагнітної індукції (закону Фарадея). Просто Максвел сформулював та записав ці закони по новому, а точніше – на мові параметрів електричних та магнітних полів. При цьому стало очевидним, що система наявних базових тверджень (законів) є логічно незавершеною. Дійсно. Якщо змінні магнітні поля створюють в навколишньому просторі відповідні електричні поля, то логічно передбачити, що в Природі має існувати і зворотній процес. Процес, при якому змінні електричні поля створюють відповідні магнітні поля. Обгрунтованість такого твердження випливала не лише з логіки взаємопов’язаності природних явищ, а й з математичного аналізу закону Ампера та факту того, що в Природі не існує обособлених магнітних зарядів (полюсів).

Зважаючи на ці обставини, Максвел доповнив систему раніше відомих законів (закону Кулона, закону Ампера та закону електромагнітної індукції), твердженням про те, що змінні електричні поля створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного електричного поля. Це твердження можна було б назвати законом Максвела. Однак, така назва не є офіційно прийнятою.

Таким чином, записавши відомі базові закони електромагнетизму на мові параметрів електричних та магнітних полів, і доповнивши ці закони науково обгрунтованим твердженням про те, що змінні електричні поля створюють відповідні магнітні поля, Максвел отримав систему взаємопов’язаних та взаємодоповнюючих тверджень, які і складають теоретичну основу динамічної теорії електромагнітного поля, а простіше кажучи – теорії Максвела.

На завершення додамо, що в деяких наукових джерелах, систему вище сформульованих базових тверджень, доповнюють ще одним: при будь яких процесах, що відбуваються в замкнутій системі, загальна кількість електричного заряду цієї системи залишається незмінною, тобто зберігається. Іншими словами: ∑qi = const (закон збереження електричного заряду). Загалом, таке доповнення має право на існуванні, і в багатьох випадках не є зайвим. Однак, можна довести, що в системі рівнянь Максвела, закон збереження заряду є похідним, тобто таким, який випливає з чотирьох попередніх тверджень. А це означає, що в системі базових тверджень теорії Максвела, закон збереження заряду, строго кажучи є зайвим, а отже таким, окреме формулювання якого є недоречним.

 

Контрольні запитання.

1. Які базові твердження складали основу наукових знань про електромагнітні явища до створення теорії Максвела?

2. Чому ці твердження не утворювали цілісну систему знань?

3. Який обсяг наукової роботи виконав Максвел в процесі створення теорії електромагнітного поля?

4. Сформулюйте базові твердження теорії Максвела.

5. Похідними від яких законів є ці твердження?

6. Чому Максвел вирішив, що система відомих до нього базових законів електромагнетизму є не повною.

 

§13. Основні передбачення теорії Максвела.

 

Нагадаємо,  теорія (наукова теорія) – це система достовірних знань, яка на основі певних базових тверджень, кількісно описує і пояснює певну групу споріднених явищ, та дозволяє робити точні кількісні передбачення. Із визначення ясно, що наукова теорія має не лише системно пояснювати відомі явища та минулі події, а й робити точні кількісні передбачення.

Важливість передбачувальних здібностей теорії важко переоцінити. Ці передбачення не лише розширюють наші уявлення про навколишній світ, а й фактично є єдиним способом з’ясування факту того, правильна дана теорія чи не правильна. Адже достовірність теорії визначається не авторитетністю її автора і навіть не тим, наскільки якісно вона пояснює відомі явища та минулі події. Достовірність чи недостовірність теорії, визначається лише фактом того, збуваються її передбачення чи не збуваються. А це означає, що та теорія яка не вміє робити точних кількісних передбачень, не має жодного шансу стати тим, що називають науковою теорією. І в цьому сенсі, максвелівська електродинаміка є неперевершеним взірцем блискучої наукової теорії. Теорії, передбачення якої кардинально змінили обличчя сучасної науки та життя цивілізованого людства.

На разі ми розглянемо лише ті передбачення теорії Максвела які не виходять за межі програми загальноосвітньої школи і які є визначальними з точки зору розширення наших знань про навколишній світ. Перше з таких передбачень можна сформулювати наступним чином. В Природі не існує окремих електричних і окремих магнітних полів. В Природі існує єдине електромагнітне поле. Дійсно. Вже факт того, що будь який рухомий заряд, з одного боку є джерелом електричного поля, а з іншого – джерелом магнітного поля, безумовно вказує на те, що електричні та магнітні поля є нерозривно пов’язаними. Або, наприклад, постійний магніт. Яке поле він створює. З одного боку, відносно нерухомий спостерігач скаже, що магніт створює магнітне поле і не створює електричне. Не створює тому, що магніт є тілом електрично не зарядженим. З іншого ж боку, будь який рухомий спостерігач неодмінно з’ясує, що навколо магніту існує не лише магнітне поле, а й поле електричне (мал.170). Адже по відношенню до рухомого спостерігача, те магнітне поле яке створюється постійним магнітом, є таким що змінюється. А це означає, що згідно з базовими твердженнями теорії Максвела, змінне магнітне поле створює відповідне електричне поле, що і зафіксує будь який рухомий спостерігач.

  

Мал.31. Магніт створює не лише магнітне поле, а й поле електричне.

Таким чином, коли ми стверджуємо, що постійний магніт створює магнітне поле і не створює електричне, то маємо на увазі лише факт того, що будучи нерухомими відносно магніту, ми просто не помічаємо електричної складової того електромагнітного поля яке створює цей магніт. Адже будь який інший рухомий відносно магніту спостерігач, неминуче зафіксує що магніт створює не лише магнітне а й електричне поле. Аналогічне можна сказати і про ті поля які створюють електричні заряди, електричні струми, тощо.

На перший погляд, твердження про те, що електричні та магнітні поля, це різні прояви одного й того ж електромагнітного поля, не має суттєвого практичного значення. Однак, з точки зору розуміння суті тих подій що відбуваються в Природі, дане твердження є надзвичайно важливим. Адже воно фактично вказує на те, що все різноманіття відомих електричних, магнітних та електромагнітних явищ, це різні прояви одного і того ж багатогранного явища, яке відбувається у відповідності з одними і тими ж законами та пояснюється однією і тією ж науковою теорією.

Наступним важливим передбаченням теорії Максвела є твердження про те, що будь які коливання (будь які зміни швидкості руху) електричних зарядів, струмів чи магнітів, створюють певне енергетичне збурення електромагнітного поля, яке розповсюджується в просторі у вигляді відповідної електромагнітної хвилі. Дійсно. Згідно з теорією Максвела, будь яке коливання електричного заряду (електричного струму, магніту, тощо) неминуче спричиняє відповідне коливання електричної складової наявного електромагнітного поля, яке в свою чергу спричиняє коливання магнітної складової цього поля, а те – спричиняє коливання електричної складової поля і т.д. А це означає, що будь яка зміна швидкості руху електричного заряду магніту чи електричного струму, неминуче породжує певне збурення електромагнітного поля, яке з певною швидкістю розповсюджується цим полем у вигляді хвильового процесу, який прийнято називати електромагнітною хвилею.

Представити електромагнітну хвилю у вигляді відповідної наочної моделі практично не можливо. По суті, коли говорять про електромагнітну хвилю, то мають на увазі наступне. Електромагнітне поле, це особливий стан збуреного простору, який характеризується здатністю цього поля певним чином діяти на рухомі та нерухомі електричні заряди. Характеризуючи цю здатність говорять про дві взаємно перпендикулярні векторні величини: вектор напруженості електричного поля Е та вектор індукції магнітного поля В. Ці вектори взаємопов’язані таким чином, що будь яка зміна вектора Е автоматично призводить до відповідної зміни вектора В і навпаки. В такій  ситуації, будь яке збурення електромагнітного поля, спричиняє взаємопов’язані коливання векторів Е і В, які розповсюджуються у вигляді певного хвильового процесу.

Електромагнітна хвиля, це таке енергетичне збурення електромагнітного поля, яке з певною швидкістю розповсюджується цим полем і яке характеризується періодичними коливаннями взаємопов’язаних векторів електричної напруженості Е та магнітної індукції В цього поля. Зазвичай, електромагнітну хвилю представляють у вигляді системи двох взаємно перпендикулярних синусоїд, одна з яких описує зміну вектора Е, а інша – зміну вектора В.

Мал.32. Умовне зображення електромагнітної хвилі.

Аналізуючи свої знамениті рівняння, Максвел теоретично довів: швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль визначається за формулою  v=1/(εε0μμ0)1/2, де ε, μ – відповідно, електрична та магнітна проникливості того середовища в якому розповсюджується електромагнітна хвиля; ε0, μ0 – відповідно електрична та магнітна сталі  (ε0 = 8,85·10-12Кл2/Н·м2;  μ0 = 12,56·10-7Н/А2).

Із аналізу формули v=1/(εε0μμ0)1/2 з усією очевидністю випливає: у вакуумі, електромагнітні хвилі розповсюджуються з швидкістю 3·108м/с і величина цієї швидкості за будь яких обставин залишається незмінною. Дійсно, для вакууму ε=1; μ=1, тому v=1/(ε0μ0)1/2=3·108м/с=const=c.

Даний, на перший погляд не надто суттєвий висновок, фактично призвів до створення теорії відносності. Теорії, яка перевернула наші уявлення про навколишній світ. Втім, про теорію відносності та її зв’язок з твердженням про абсолютність швидкості електромагнітних хвиль, ми поговоримо дещо пізніше. Наразі ж сформулюємо ще декілька важливих передбачень теорії Максвела.

На межі двох різних середовищ, електромагнітні хвилі можуть як відбиватись так і заломлюватись. При цьому, якщо напрям розповсюдження електромагнітної хвилі охарактеризувати відповідним променем, то можна стверджувати.

Закон відбивання електромагнітних хвиль: на межі двох різних середовищ електромагнітні хвилі відбиваються, при цьому: 1) проміннь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині; 2) кут відбивання променя (β) дорівнює куту його подіння (α): ˂β = ˂α.

Закон заломлення електромагнітних хвиль: на межі двох різних середовищ, електромагнітні хвилі заломлюються, тобто проникаючи в нове середовище змінюють напрям свого розповсюдження. При цьому: 1) промінь падаючий, промінь заломлений та перпиндикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині; 2) відношення синуса кута падіння променя (sinα) до синусу кута його заломлення (sinγ) для даної пари середовищ є постійною величиною, значення якої визначається відношенням швидкостей хвиль у відповідних середовищах:  sinα/sinγ = v1/v2.

 

Мал.33. На межі двох різних середовищ електромагнітні хвилі можуть як відбиватись так і заломлюватись.

Теорія Максвела передбачала і те, що електромагнітні хвилі створюють певний силовий тиск на перешкоди. Дійсно. Електромагнітна хвиля представляє собою взаємопов’язані коливання векторів напруженості електричного Е та індукції магнітного В полів (мал.34). В такій ситуації, збоку електричної складової хвилі, на кожну заряджену частинку перешкоди діє певна електрична сила (Fел=q0E) яка змушує цю частинку рухатись вздовж напрямку вектора Е. При цьому, вже на рухому частинку, збоку магнітної складової хвилі діятиме магнітна сила Лоренца (Fл=Bq0vsinα) напрям якої співпадає з напрямком розповсюдження хвилі. А це означає, що при взаємодії з перешкодою, електромагнітна хвиля створює певний силовий тиск на цю перешкоду.

Мал.34.  Електромагнітна хвиля створює певний тиск на перешкоду.

Розуміючи суть того що називають електромагнітною хвилею, не важко зробити ще одне передбачення: електромагнітні хвилі, це хвилі поперечні. Дійсно. Електромагнітна хвиля представляє собою коливання взаємопов’язаних векторів Е і В. При цьому, ці вектори розташовані в площині яка перпендикулярна (поперечна) напрямку розповсюдження хвилі. А це і означає, що електромагнітна хвиля є поперечною.

Факти того, що швидкості розповсюдження світлових та електромагнітних хвиль є однаковими, що закони відбивання та заломлення світлових і електромагнітних хвиль є тотожними, що світлові та електромагнітні хвилі є хвилями поперечними і що ці хвилі спричиняють аналогічні тиски на перешкоди, безумовно вказували на те, що світло є однією з різновидностей електромагнітних хвиль. А це означає, що після створення теорії Максвела, оптика – наука про світло, фактично стала частиною електродинаміки – науки про електричні та магнітні явища.

Потрібно зауважимо, що до створення теорії Максвела, ніхто навіть не підозрював, що світло має бодай якесь відношення до електрики чи магнетизму. Коли ж теорія була створена, то з’ясувалося, що світло є результатом тих електромагнітних процесів які відбуваються на Сонці, в спіралі лампочки розжарювання, в полум’ї свічки, тощо.

 

Вище згадані передбачення, це далеко не повний перелік тих відкриттів які зробила і продовжує робити теорія Максвела. Говорячи про передбачувальні здібності цієї теорії, німецький фізик Генріх Герц (1857-1894) писав: “Вивчаючи цю дивовижну теорію, з часом починаєш розуміти, що її математичні формули наділені власним розумом та живуть власним життям. Здається, що ці формули розумніші за нас з вами, розумніші навіть за самого автора. Здається ніби ці формули дають нам більше, а ніж в свій час було в них закладено”.

І потрібно сказати, що в словах Герца нема жодного перебільшення. Починаючи роботу над створенням своєї теорії, Максвел навіть не здогадувався, що вона стане основою всієї сучасної науки, починаючи від механіки та молекулярної фізики і закінчуючи оптикою та теорією відносності. Адже все до чого прагнув великий Максвел, так це пояснити механізм електричних і магнітних взаємодій. Однак, після того як визначальні ідеї теорії поля були записані у формі відповідних математичних рівнянь, з’ясувалося що аналіз цих рівнянь дозволяє пояснити не лише відомі та невідомі електромагнітні явища, а й широкий спектр оптичних, теплових, хімічних, механічних та інших явищ, які до того ніколи не вважались електромагнітними.

До речі. Стосовно механізму передачі електромагнітних взаємодій. Нагадаємо. Прихильники концепції дальнодії виходили з того, що для передачі гравітаційних, електричних та магнітних взаємодій не потрібний будь який матеріальний посередник. Не потрібний тому, що ці взаємодії відбуваються прямо через пустоту і миттєво передаються від одного тіла до іншого. Тому якщо наприклад, заряд зсунути з місця, то інші навіть найвіддаленіші заряди миттєво відчують цей зсув та прореагують на нього.

Фарадей, а за ним і Максвел були переконаними противниками подібних пояснень. Вони вважали, що між взаємодіючими тілами має існувати певний матеріальний посередник, який і забезпечує їх взаємодію. Керуючись ідеєю Фарадея про існування електричних та магнітних полів, Максвел створив цілісну теорію, в якій механізм електромагнітних взаємодії виглядає наступним чином. Будь яке зміщення електричного заряду, створює певне хвильове збурення електромагнітного поля, яке породжує відповідні взаємопов’язані коливання параметрів цього поля. Ці коливання з певною швидкістю розповсюджуються в просторі і переносять силову інформацію про зсув відповідного електричного заряду. Коли ж це хвильове збурення досягає інших зарядів, то діюча на них сила певним чином змінюється. Змінюється пропорційно відносному переміщенню взаємодіючих зарядів.

І потрібно зауважити, що зсув зарядженого тіла фактично збурює те єдине електромагнітне поле, яке створюється всією сукупністю наявних зарядів. А це означає, що силову інформацію про цей зсув отримують як навколишні заряди, так і саме зсунуте тіло.

 

Словник фізичних термінів.

Електромагнітна хвиля, це таке енергетичне збурення електромагнітного поля, яке з певною швидкістю розповсюджується цим полем і яке характеризується періодичними коливаннями взаємопов’язаних векторів електричної напруженості Е та магнітної індукції В цього поля.

Контрольні запитання.

1. Сформулюйте основні передбачення теорії Максвела.

2. Чому ми стверджуємо, що навколо постійного магніту існує не лише магнітне, а й електричне поле?

3. Поясніть, яким чином переміщення магніту створює електромагнітну хвилю?

4. Доведіть, що швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль в вакуумі становить 3·108м/с.

5. Які факти вказують на те, що світло є однією з різновидностей електромагнітних хвиль?

6. Поясніть яким чином електромагнітна хвиля тисне на перешкоду.

7. Які хвилі є поперечними, які поздовжніми, а які поздовжньо-поперечними? Наведіть приклади.

 

§14. Про експериментальні докази того, що теорія

                   Максвела є правильною.

 

Сьогодні достовірність теорії Максвела не викликає жодних сумнівів. Адже вся сучасна електронно-інформаційна цивілізація по суті базується на практичному застосуванні цієї теорії. Однак в свій час, теорія Максвела пройшла складний та тернистий шлях становлення. Вирішальні кроки на цьому шляху зробив німецький фізик Генріх Герц. В 1885-1889 роках, Герц здійснив ряд теоретичних та експериментальних досліджень, які підтвердили базові передбачення теорії Максвела і безумовно довели, що ця теорія є правильною.

Потрібно зауважити, що Герц був видатним спеціалістом в області максвелівської електродинаміки. Достатньо сказати, що саме Герц надав рівнянням Максвела сучасного вигляду. Аналізуючи ці рівняння та відомі експериментальні факти, Герц з’ясував, що енергія електромагнітної хвилі пропорційна її частоті: Е=ƒ(ν). А це означало, що для створення достатньо потужних електромагнітних хвиль, потрібне джерело високочастотних струмів. В часи Герца сучасних генераторів високочастотних струмів не існувало. Тому вчений розробив свій, оригінальний метод створення подібних струмів та відповідних електромагнітних хвиль. Цей метод базувався на розумінні того, що система яка складається з послідовно з’єднаних конденсатора та котушки індуктивності (коливальний контур) є джерелом вільних електромагнітних коливань, частота яких визначається за формулою ν=1/2π(LC)1/2.

Виходячи з того, що енергія електромагнітної хвилі пропорційна її частоті Е=ƒ(ν) і що частотні параметри коливального контура визначаються його індуктивністю та електричною ємністю ν=1/2π(LC)1/2, Герц розмірковував приблизно так. Якщо в колі коливального контура зробити невеликий розрив, а сам контур включити в коло достатньо високої електричної напруги, то при певній величині цієї напруги, в місці розриву виникне іскровий розряд (мал.35а). При цьому в контурі, а відповідно і в розряді відбуватимуться певні високочастотні, швидкозгасаючі  електромагнітні коливання. А це означає, що в місці іскрового розряду протікатиме високочастотний струм, який створюватиме відповідну електромагнітну хвилю.

 

Мал.35. Схема принципового устрою та загальний вигляд іскрового генератора високочастотних коливань (вібратора Герца).

Оскільки частота тих електромагнітних коливань які виникають в коливальному контурі визначається за формулою ν=1/2π(LC)1/2, то ясно, що для збільшення цієї частоти, а отже і енергії електромагнітної хвилі, необхідно максимально зменшити індуктивність котушки та ємність конденсатора (якщо L→min, C→min  то ν→max, E→max).

Зважаючи на ці обставини та прагнучи отримати максимально високочастотні коливання, Герц розвертає систему обкладинок конденсатора на 180°, що фактично еквівалентно зменшенню електричної ємності системи практично до нуля (С→0). Далі, Герц замінює котушку індуктивності прямолінійними стержнями, що еквівалентно зменшенню індуктивності системи практично до нуля (L→0). При цьому, коливальний контур перетворюється на систему двох співосних металевих стержнів, розділених невеликим повітряним проміжком (мал.35б).

Таким чином, прагнучи максимально збільшити частоту, а відповідно енергію генерованих електромагнітних хвиль, Герц створює гранично простий та ефективний прилад, який прийнято називати іскровим генератором Герца або вібратором Герца. Цей генератор (мал.35в) представляє собою систему двох, розділених невеликим проміжком, металевих (мідних) стержнів, з’єднаних з джерелом високої напруги. В якості такого джерела Герц використав так звану котушку Румкорфа – прилад, який перетворює енергію постійного джерела струму в імпульси високої напруги.

Принцип дії іскрового генератора Герца полягає в наступному. Котушка Румкорфа створює періодичні імпульси високої напруги. Ця напруга створює між стержнями генератора іскровий розряд, який представляє собою імпульс високочастотного струму. А цей струм створює відповідну високочастотну електромагнітну хвилю. При цьому розрахунки показували, що в залежності від довжини стержнів, частотні параметри тих хвиль які створював іскровий генератор Герца були близькими до 108Гц.

Проблему реєстрації тих електромагнітних хвиль які створює іскровий генератор, Герц вирішив просто та ефективно. Він розумів, що при співпадінні частоти електромагнітних хвиль з власною частотою реєструючої системи, в цій системі, в результаті електромагнітного резонансу, має виникнути відповідний високочастотний струм. По суті це означало, що в якості реєстратора електромагнітних хвиль, потрібно застосовувати коливальну систему аналогічну тій яка створює ці хвилі. Виходячи з цього, в якості того приладу що реєструє електромагнітні хвилі, Герц застосував все туж систему двох металевих стержнів розділених тонким повітряним проміжком. Цю систему називають резонатором Герца.

Мал.36. Іскровий генератор та резонатор Герца – перша, людиною створена система радіозв’язку.

Принцип дії резонатора Герца полягає в наступному. В потоці тих електромагнітних хвиль частота яких співпадає з власною частотою резонатора, в ньому виникають відповідні резонансні високочастотні коливання вільних електронів (високочастотний струм). При цьому, в міжстержневому зазорі проскакує певний іскровий розряд. Розряд, наявність якого можна зафіксувати візуально. Потрібно зауважити, що резонатор сприймає лише незначну частину тієї енергії яку випромінює іскровий генератор. Тому потужність виникаючого в ньому вторинного іскрового розряду є відносно малою. Зважаючи на ці обставини, відстань між стержнями резонатора має бути не більшою за 1мм.

Таким чином, розуміючи фізичну суть тих процесів які відбуваються при генерації та реєстрації електромагнітних хвиль, Герц створив гранично просту систему, яка дозволяла генерувати достатньо потужні електромагнітні хвилі та реєструвати їх на певній відстані від генератора. Застосовуючи цю систему, він експериментально встановив, що той іскровий розряд який створює генератор, неминуче призводить до того, що в системі резонатора виникає аналогічний за частотою вторинний іскровий розряд.

Звичайно, для необізнаного спостерігача, подібні прості експерименти навряд чи були б такими, що безумовно доводять факт існування електромагнітних хвиль. Однак Герц, був одним з найкращих фахівців в області максвелівської електродинаміки. Тому всі його експериментальні дослідження супроводжувались детальними, математично та фізично бездоганними поясненнями. І ці пояснення та результати експериментів безумовно доводили, що електромагнітні хвилі дійсно існують і що їх властивості в точності співпадають з передбаченнями теорії Максвела.

Зокрема Герц з’ясував, що електромагнітні хвилі відбиваються, заломлюються, інтерферують та поляризуються. При цьому відбиваються, заломлюються, інтерферують та поляризуються у повній відповідності з передбаченнями теорії Максвела. Фактично це означало, що експериментальні дослідження Герца безумовно довели: теорія Максвела є правильною та експериментально підтвердженою.

Узагальнюючи вище сказане, можна констатувати факт того, що в 1888 році, тобто через 25 років після створення теорії Максвела, ця теорія набула статусу експериментально доведеної наукової теорії. Власне  з цього ж року починається й історія практичного застосування штучно створених електромагнітних хвиль. Адже по суті Генріх Герц створив перший радіопередавач (іскровий генератор Герца) і перший радіоприймач (резонатор Герца) та застосував цю систему для передачі інформації за допомогою електромагнітних хвиль. Інша справа, що дану систему Герц застосував не для передачі побутової інформації, а для наукових досліджень.

Генріх Герц прожив яскраве, плідне але надто коротке життя. Життя яке було присвячено вирішенню глобальних наукових проблем. І як це часто буває, вирішуючи наукові проблеми, великий вчений не звернув увагу на практично – побутову значимість своїх технічних винаходів. Ця значимість стала очевидною лише в 1895 році, коли російський винахідник Олександр Попов (1859-1906) та італійський винахідник Гульєльмо Марконі (1874-1937) незалежно один від одного дещо модернізували створену Герцом систему радіозв’язку та застосували її для передачі побутово важливої інформації.

 

Контрольні запитання.

1.Чому Герц вирішив, що для створення електромагнітних хвиль високої енергії потрібне джерело високочастотного струму?

2. Чому створюючи джерело високочастотного струму, Герц замінив коливальний контур системою двох стержнів?

3. Поясніть загальний устрій та принцип дії іскрового генератора Герца.

4. Поясніть загальний устрій та принцип дії резонатора Герца.

5. Поясніть принцип дії системи іскровий генератор – резонатор.

 

§15. Система радіозв’язку.

 

Системою радіозв’язку називають сукупність взаємопов’язаних радіопередавальних та радіоприймальних приладів, які забезпечують передачу інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

Існує багато різновидностей сучасних систем радіозв’язку. Такі системи забезпечують не лише радіо, телевізійний, мобільний та інтернет зв’язок, а й різноманітні види  радіолокації, радіонавігації, радіоуправління, тощо. Різні системи радіозв’язку мають певні особливості. Однак загальна структура, та загальний принцип дії будь якої з цих систем є однаковими. Цю структуру та цей принцип дії ми розглянемо на прикладі тієї системи радіозв’язку, яка забезпечує передачу звукової інформації. Головними складовими такої системи є радіопередавач та радіоприймач.

Радіопередавач, це прилад, який генерує певний високочастотний струм, зашифровує в цьому струмі корисну інформацію та перетворює його в потік відповідних електромагнітних хвиль.

Ви можете запитати: а чому радіопередавач не генерує такі електромагнітні хвилі які напряму несуть звукову інформацію, тобто хвилі частотні параметри яких знаходяться в межах від 20Гц до 20кГц? Відповідаючи на це запитання можна сказати наступне. По перше, якби радіопередавач генерував хвилі аналогічні звуковим і те ж саме робили інші радіопередавачі, то будь який радіоприймач чув би всі звуки, всі слова, всі мелодії одночасно. По друге, енергія електромагнітної хвилі пропорційна частоті її коливань. Тому, умовно кажучи, до того радіоприймача який знаходиться за 5км від радіостанції, звуки скрипки долітали б, а звуки контрабасу – не долітали б. По третє, радіоприймачу для сприйняття тих електромагнітних хвиль які відповідають частотним параметрам усередненого голосу людини (ν≈400Гц) знадобилась би антена довжиною понад 200км. Крім цього, енергетичні параметри низькочастотних електромагнітних хвиль (ν<20кГц) є такими, що вже на відстані декількох кілометрів  ці хвилі є практично не відчутними.

Зважаючи на вище сказане, в реальних системах радіозв’язку використовують хвилі високої частоти (ν>200 000Гц). При цьому,      радіопередавач виконує три базові функції: 1 – створює струм певної високої частоти (цю функцію виконує генератор високочастотних коливань); 2 – “зашифровує” в цьому струмі корисну інформацію (цю функцію виконує модулятор); 3 – перетворює зашифрований високочастотний струм у відповідні електромагнітні хвилі (цю функцію виконує радіопередавальна антена).

Таким чином, основними елементами радіопередавача є генератор високочастотних коливань (ГВЧ), модулятор та радіопередавальна антена. Про призначення, будову та принцип дії генератора високочастотних електромагнітних коливань (ГВЧ), ми говорили в §9. Тому просто зауважимо, що кожний радіопередавач працює на своїй наперед визначеній частоті і що тому, його ГВЧ генерує струм певної частоти та певної незмінної амплітуди коливань.

Сам по собі такий струм не несе корисної інформації. Але таку інформацію в цьому струмі можна зашифрувати. Найпростіший спосіб шифрування полягає в тому, що за допомогою механічного вимикача (ключа) неперервний високочастотний струм, перетворюють в певний набір коротких (“крапка”) та довгих (“тире”) сигналів. Власне такий спосіб шифрування і був реалізований в перших системах радіозв’язку. Ясно, що подібне шифрування не дозволяє передавати живу мову, музику, візуальне зображення, тощо. Тому в сучасній радіотехніці застосовують більш досконалі методи шифрування, зокрема так званий метод амплітудної модуляції. Суть цього методу полягає в тому, що амплітуда коливань високочастотного струму змінюється у відповідності з параметрами корисної інформації (параметрами звуку, зображення, тощо)

Зазвичай, ту частину радіопередавача яка забезпечує “шифрування” корисної інформації називають модулятором. Основним елементом звукового модулятора є мікрофон – прилад, який перетворює механічні звукові коливання повітря або іншого середовища у відповідні коливання того чи іншого електричного параметру (електричного опору, сили струму, напруги, електричної ємності, тощо). Мікрофони бувають різними: порошковими, електродинамічними, конденсаторними, п’єзоелектричними та іншими. Вони можуть мати різну будову та різні принципи дії. Однак загальне призначення будь якого мікрофона залишається незмінним і полягає в тому, щоб перетворити звукові коливання середовища у відповідні коливання певного електричного параметру.

Будучи включеним в систему радіопередавача, мікрофон сприяє тому, що коливання амплітуди високочастотного струму вточності повторюють коливання тієї звукової хвилі яку сприймає мікрофон.

Мал.37. При амплітудній модуляції, амплітуда високочастотних коливань змінюється у відповідності з параметрами корисної інформації.

Зважаючи на вище сказане, принцип дії радіопередавача можна представити у вигляді наступної послідовності подій. Генератор високочастотних електромагнітних коливань (ГВЧ), створює високочастотний струм постійної амплітуди коливань. В модуляторі, амплітуда коливань цього струму стає такою, що вточності повторює ті звукові коливання які надходять в мікрофон модулятора. Цей модульований високочастотний струм надходить в антену радіопередавача де перетворюється на відповідні електромагнітні хвилі. Іншими словами, принциповий устрій радіопередавача можна представити у вигляді наступної структурної схеми.

 

ГВЧ                                Модулятор                    Антена

Мал.38. Структурна схема радіопередавача.

Радіоприймач – це прилад, який із всього різноманіття електромагнітних хвиль, обирає хвилі потрібної частоти (потрібної радіостанції), перетворює енергію цих хвиль у відповідний високочастотний струм, виділяє зашифровану в цьому струмі інформаційну складову та перетворює її у відповідну інформацію. Реалізацію зазначених у визначенні функцій, забезпечує наступна принципова схема радіоприймача.

Мал.39.  Принципова схема радіоприймача.

Пояснюючи будову та принцип дії радіо приймального приладу можна сказати наступне. Антена радіоприймача сприймає хвилі багатьох одночасно працюючих радіостанцій. Для того щоб із всього різноманіття цих хвиль вибрати хвилі потрібної радіостанції (потрібної частоти) в коло антени включають коливальний контур, частотні параметри якого можна змінювати (ν=2π(LC)1/2). Змінюючи електричну ємність (С) або індуктивність (L) цього контура, досягають того, щоб частота системи антена-коливальний контур співпадала з частотою хвиль потрібної радіостанції. При цьому, в результаті електромагнітного резонансу, хвилі потрібної радіостанції індуцирують в антені відповідний модульований високочастотний струм. Струм, в якому міститься звукова інформації.

Оскільки модульований високочастотний струм є поздовжньо симетричним, а отже таким результуюча інформаційна дія якого є нульовою, то в першу чергу потрібно позбутися симетричної складової цього струму. З цією метою, на шляху високочастотного модульованого струму ставлять напівпровідниковий діод (детектор), який маючи односторонню провідність, відтинає поздовжньо симетричну частину струму.

В подальшому, радіоприймач має відділити високочастотну складову струму від його інформаційної, низькочастотної складової та перетворити останню у відповідний звуковий сигнал. Це завдання вирішується наступним чином. За детектором знаходиться електричне розгалуження, в одній частині якого міститься так званий фільтруючий конденсатор, в іншій – котушка індуктивності, яка є струмопровідною частиною динаміка (динамічного гучномовця). Принцип дії такого розгалуження очевидно простий. Конденсатор має певний ємнісний опір, величина якого обернено пропорційна частоті струму: RC=1/2πνC. А це означає, що для високочастотної складової струму, опір конденсатора є гранично малим, а для низькочастотної – гранично великим. Опір же котушки індуктивності, навпаки – прямо пропорційний частоті струму (RL=2πνL) і тому для високочастотної складової струму, цей опір є гранично великим, а для його низькочастотної складової – гранично малим. Ясно, що в такій ситуації, високочастотна складова струму буде проходити через коло конденсатора, а низькочастотна, інформаційна складова – через коло динаміка, де і перетворюється на відповідний звуковий сигнал.

Не важко бачити, що в вище описаному радіоприймальному приладі відсутнє джерело енергії. А це означає що ті процеси які відбуваються в цьому приладі, відбуваються лише за рахунок енергії тієї радіохвилі яку сприймає його антена. А оскільки величина цієї енергії є мізерно малою, то ясно, що відповідний прилад не може забезпечити якісного та достатньо гучного мовлення. Тому будова реального радіоприймача є дещо складнішою. Складнішою головним чином за рахунок того, що до його складу входять підсилювачі високої та низької частоти. (мал.40). До речі, подібна ситуація є характерною і для радіо передавального пристрою в реальній схемі якого присутні підсилювачі як низької так і високої частот.

 

Мал.40. Структурна схема реального радіоприймача.

Модульовані радіохвилі дозволяють передавати не лише звукову інформацію, а й інформацію візуальну. Таку інформацію передають за допомогою тієї різновидності радіозв’язку яку називають телевізійним зв’язком. В загальних рисах механізм телевізійного зв’язку мало чим відрізняється від механізму того радіозв’язку який забезпечує передачу звукової інформації. Щоправда, технічна та технологічна складові системи телевізійного зв’язку значно складніші за відповідні складові звукового радіозв’язку. Ми не будемо заглиблюватись в деталі того, яким чином візуальне зображення перетворюється на відповідний набір електромагнітних сигналів і навпаки. Зауважимо тільки, що передачу та відтворення кольорового зображення здійснюють шляхом накладання трьох взаємопов’язаних кольорових картинок: червоної, зеленої та синьої. А це означає, що для передачі кольорового зображення потрібна система трьох взаємопов’язаних модульованих електромагнітних хвиль. Крім цього, телевізійна картинка супроводжується відповідним звуковим сигналом, для передачі якого потрібна ще одна модульована електромагнітна хвиля. Додайте до цього факт того, що телевізійний сигнал є таким, в якому за кожну секунду передається інформація про 25 нерухомих взаємопов’язаних світлин (кадрів) і ви зрозумієте наскільки технічно та технологічно складною є система телевізійного зв’язку.

Однак, якщо говорити про принциповий устрій цієї системи, то він практично не відрізняється від устрою звукового радіозв’язку:

1.Телевізійний передавач, генерує високочастотний струм, зашифровує в ньому відео інформацію та перетворює цей модульований високочастотний струм у відповідні електромагнітні хвилі.

2. Телевізійний радіоприймач (телевізор), сприймає ці хвилі, перетворює їх у відповідний високочастотний струм, виділяє з цього струму інформаційну складову та перетворює її на відповідне зображення.

Різноманіття систем радіозв’язку не обмежується тими системами що забезпечують передачу звукової та візуальної інформації (радіозв’язок, телевізійний зв’язок, мобільний зв’язок, інтернет зв’язок, тощо). Важливими різновидностями систем радіозв’язку є ті системи які забезпечують дистанційне управління різноманітними технічними приладами та технологічними процесами. Скажімо, коли за допомогою дистанційного пульту управління ви включаєте та виключаєте телевізор, обираєте потрібний телевізійний канал, регулюєте звук, тощо – то застосовуєте відповідну систему радіозв’язку.

До числа систем радіозв’язку, цілком обгрунтовано можна віднести і ті системи які на основі випромінювання та реєстрації певних імпульсів електромагнітних хвиль дозволяють отримувати певну інформацію про навколишній світ. Прикладом таких інформаційних радіосистем є різноманітні радіолокаційні та радіонавігаційні системи.

Системою радіолокації (від лат. radio – випромінювати та location – розташування) називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати розташування та параметри руху стороннього, віддаленого об’єкту, шляхом його опромінювання імпульсами високочастотних електромагнітних хвиль. Принцип дії радіолокаційної системи (радіолокатори, радари, тощо) полягає в наступному. Радіопередавальна частина радіолокатора з певною періодичністю випромінює короткотривалі імпульси високочастотних електромагнітних хвиль. Ці хвильові імпульси відбиваються від об’єкту спостережень та повертаються до антени радіолокатора. Аналізуючи ті проміжки часу які відділяють момент випромінювання електромагнітного імпульсу та момент його повернення, визначають відстань до об’єкту спостережень та інші його характеристики, зокрема швидкість руху.

Мал.40* Загальний устрій системи радіолокації.

Дійсно. Визначивши величину того проміжку часу (∆t) що відділяє момент вильоту та момент повернення електромагнітного імпульсу, не важко визначити відстань до відповідного об’єкту: ℓ=s/2=c∆t/2, де  s – пройдений імпульсом шлях; с=3·108м/с – швидкість руху імпульсу. Якщо ж проаналізувати ту інформацію яка надходить від багатьох послідовних імпульсів, то можна визначити не лише відстань до об’єкту, а й напрям його руху, траєкторію руху, швидкість руху, тощо.

Системою радіонавігації (від лат radio – випромінювати та  navigation –  керувати човном) називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати координати та параметри руху даного тіла (приладу) на основі обміну електромагнітними імпульсами з іншими тілами. Принцип дії сучасної радіонавігаційної системи (системи глобального позиціювання GPS), полягає в наступному. Певна, достатньо велика кількість (зазвичай 24) штучних супутників Землі, з певною періодичністю та певними орбітами обертаються навколо Землі. При цьому кожний супутник, постійно випромінює імпульси високочастотних електромагнітних хвиль, які містять інформацію про номер супутника, про його координати та час надсилання імпульсу. Ці інформаційні імпульси фіксує спеціальний радіоприймач (GPS – навігатор) який на основі аналізу отриманої інформації визначає координати тіла, параметри його руху тощо.

Мал.40*. Загальний устрій сучасної системи радіонавігації.

Говорячи про сучасні системи радіозв’язку, потрібно мати на увазі, що ці системи динамічно розвиваються і що тому їх окремі конструктивні та технологічні деталі можуть так чи інакше змінюватись. Скажімо, в сучасних системах радіозв’язку на ряду з амплітудною модуляцією сигналів, широко застосовують й інші методи кодування сигналів, зокрема метод частотної модуляції, імпульсної модуляції, фазової модуляції, кутової модуляції, тощо.

Загалом же розрізняють два базові види модуляції: аналогова та цифрова. При аналоговій модуляції, інформаційний сигнал накладається на високочастотні (несучі) коливання таким чином, що певні параметри цих коливань (амплітуда, фаза, частота, тощо) змінюються у повній відповідності (аналогічно) з інформаційним сигналом. Наприклад, представлена на мал.37 амплітудна модуляція є аналоговою. При цифровій модуляції, інформаційний сигнал представляється у вигляді певного набору двох цифр 0 і 1. При цьому, в процесі модуляції параметри високочастотних коливань (їх амплітуда, частота, фаза, тощо), через певні однакові проміжки часу, дискретно змінюються у відповідності з інформаційним набором цифр 0; 1. Наприклад, на мал.41 представлені три різновидності цифрової модуляції: амплітудна, частотна та фазова.

Мал.41. Приклади цифрової модуляції інформаційного сигналу.

Та як би там не було і які б технологічні новації не запроваджувались, а принциповий устрій систем радіозв’язку залишається незмінним:

– радіопередавач, генерує високочастотний струм, зашифровує в ньому корисну інформацію та перетворює цей зашифрований високочастотний струм у відповідні електромагнітні хвилі;

–  радіоприймач, сприймає ці хвилі, перетворює їх на відповідний високочастотний струм, виділяє з цього струму інформаційну складову та перетворює її на відповідну інформацію.

 

Словник фізичних термінів.

Системою радіозв’язку називають сукупність взаємопов’язаних радіопередавальних та радіоприймальних приладів, які забезпечують передачу інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

Радіопередавач, це прилад, який генерує певний високочастотний струм, зашифровує в цьому струмі корисну інформацію та перетворює його в потік відповідних електромагнітних хвиль.

Радіоприймач – це прилад, який із всього різноманіття електромагнітних хвиль, обирає хвилі потрібної частоти (потрібної радіостанції), перетворює енергію цих хвиль у відповідний високочастотний струм, виділяє зашифровану в цьому струмі інформаційну складову та перетворює її у відповідну інформацію.

Системою радіолокації  називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати розташування та параметри руху стороннього, віддаленого об’єкту, шляхом його опромінювання імпульсами високочастотних електромагнітних хвиль.

Системою радіонавігації називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати координати та параметри руху даного тіла (приладу) на основі обміну електромагнітними імпульсами з іншими тілами.

Контрольні запитання.

1.Назвіть основні складові будь якої системи радіозв’язку.

2. Які базові функції виконує радіопередавач?

3. Поясніть суть методу амплітудної модуляції.

4. Які базові функції виконує радіоприймач?

5. Поясніть, яким чином із всього різноманіття електромагнітних хвиль, радіоприймач обирає хвилі потрібної радіостанції.

6. Поясніть суть того, що називають резонансом.

7. Поясніть, яким чином в радіоприймачі високочастотну складову струму відділяють від низькочастотної, інформаційної складової.

8. Поясніть принцип дії системи радіолокації.

9. Поясніть принцип дії GPS навігації.

Подобається