Элементы радиотехники

Инж. А. Н. Попов.


Понятие электромагнитной волны.
В прошлой беседе мы выяснили понятие энергии и познакомились со способами ее передвижения. Мы знаем, что свободный перенос энергии происходит при помощи волн. В радиотехнике мы также имеем дело с волновым распространением энергии: передающая станция посылает энергию в пространство, часть ее улавливается приемной станцией и дает те явления, которые носят общее название приема. Здесь носителями энергии являются так называемые электро-магнитные волны, к распространению которых мы сейчас и обратимся.

Нам уже знакомо (см. "Р. В." за 1927 г. №15 и др.) понятие электрической и магнитной силовой линии. Силовые линии — это наглядное изображение действия электрических и магнитных сил, при этом направление силовой линии дает направление электрической или магнитной силы, а густота их — ее величину. Мы знаем также, что действие электрических и магнитных сил вполне определяется так называемым напряжением поля. Направление этой физической величины совпадает с направлением силовой линии, а величина ее характеризует густоту силовых линий, иными словами — величину силы в данном месте.

Элементы радиотехники


Изображение напряжения магнитного поля показано на рис. 1. Пусть контур ABba (мы взяли прямоугольник) пронизывается магнитными силовыми линиями, как показано на рис. 1. Направлены они во всех случаях кверху, а число их равно для a — 10, для b — 6, для с — 4. Зная эти цифры, легко начертить напряжение магнитного поля. Это напряжение (обычно его обозначают через Н) изображается отрезками, направленными кверху; относительно длины их условимся, что одна силовая линия, проходящая через контур ABba, будет соответствовать длине в 3 мм. Тогда длины Н в трех наших случаях будут 30, 18 и 12 мм. Электрическое поле и его напряжение изображаются точно так же.

Элементы радиотехники


Само собою понятно, что эти стрелки только символы, с которыми удобно оперировать. Спрашивается: как же мы практически можем обнаружить величину Н и его направление? Конечно, видеть его нельзя и приходится прибегать к косвенным методам. Схематически такой метод показан на рис. 2. Мы знаем (см. «Р. В.» №18), что переменное магнитное поле наводит в контуре эдс, когда силовые линии пересекают контур. Пусть ABba представляют собою проволочную рамку, в которую включен прибор. Тогда при положении рамки, показанном на рис. 2а, мы получим в ней эдс, которая будет служить мерой напряжения поля. Итак, величину его покажет отклонение прибора. В положении b отклонения прибора не будет; положение рамки укажет направление поля. Аналогичные способы существуют и для обнаружения электрического поля.

Нужно заметить, что здесь мы описали только принцип обнаружения поля. В действительности прибор, который должен показывать сравнительно слабые переменные токи («переменные» поля обычно очень незначительны), довольно сложен. Принцип же рамки сохраняется всегда.

Еще конкретнее мы можем определить напряжение магнитного или электрического поля таким образом, что (при совершенно одинаковых приемных устройствах) там, где поле больше, будет большая слышимость, и наоборот.

Элементы радиотехники


Теперь мы можем дать определение электромагнитной волны. Она представляет собою волны напряжения электрического и магнитного поля, распространяющйеся от передающей станции. На рис. 3 представлен кусочек волны в определенный момент времени. Как и всякая волна, электромагнитная движется в пространстве с определенной скоростью. Если мы ее остановим, так сказать, вдруг "заморозим", то получится картина — рис. 3. Проведем от предыдущей станции прямую линию, направление движения волны. Предположим, что мы идем по этой прямой и все время определяем Е и Н — напряжение электрического и магнитного полей по величине и направлению и чертим их на бумаге. Тогда, мы увидим, что Е все время лежит в вертикальной плоскости, Н — в горизонтальной. Их величина и направление (вверх и вниз, вправо и влево) меняются одновременно, причем величина меняется по волнообразной кривой, называемой синусоидой. Их амплитуда будет одинаково убывать с удалением от передатчика. Эта картина дает остановленную волну. Чтобы представить себе процесс полностью, нужно вообразить, что две «змеи» Е и Н движутся от передающей станции со скоростью света, т. е. 300 000 км в секунду. Тогда, очевидно, наблюдатель, стоящий неподвижно, увидит, как мимо него бежит волна, причем около него Е и Н будут меняться по синусоиде, но уже в зависимости от времени, т. е. сначала Е и Н будут равны нулю, потом начнут возрастать, достигнут амплитуды (постоянной для данного расстояния от передатчика), затем будут убывать, пройдут через нуль, переменят направление и т. д. На том же рисунке можно уяснить себе понятие длины волны (обозначение греческая буква λ — лямбда).

Введем сейчас понятие, которое понадобится в дальнейшем. Из сказанного видно, что в электромагнитной волне колебания происходят поперек направления движения. Такие волны называются поперечными. Кроме того, колебания Е и Н происходят каждое в своей плоскости. Волны, в которых колебания происходят в одной определенной плоскости, называются поляризованными. Плоскость, перпендикулярная к плоскости колебаний и проходящая через направление движения, называется плоскостью поляризации. Таким образом, Е имеет горизонтальную плоскость поляризации, Н — вертикальную. Итак, радиоволна есть поляризованная поперечная волна напряжения электрического и магнитного поля.

Заметим здесь же, что такая простая волна является идеальным случаем. Недостаточная проводимость почвы, с одной стороны, и наличие проводимости в воздухе — с другой, могут изменить вид волны и привести к более сложным формам: электрические силовые линии могут наклониться (значит, наклонится и Е), и плоскость поляризации может также повернуться.

Теперь рассмотрим энергию нашей волны. Заряженный конденсатор (см. "Р. В." №17) обладает запасом энергии. В нем диэлектрик находится в напряженном состоянии. Это явление похоже на то, что происходит при сжимании пружины: тратя силу на ее сжимание, мы сдвигаем частички стали и приводим их в напряженное состояние. Энергию, которую мы затратили на сжимание, пружина держит в себе и готова отдать ее при первом случае. Энергия, запасенная единицей объема диэлектрика, зависит от напряжения электрического поля, которое на него действует, и диэлектрической постоянной: она возрастает с их увеличением.

Из сказанного видно, что электромагнитная волна несет с собою энергию; другими словами, вместе с нашей волной идет волна энергии. Величину энергии, проходящую через 1 см2 поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению волны, можно подсчитать: она оказывается равной произведению из Е на Н с некоторым постоянным множителем.

Направление движения энергии, совпадающее с направлением движения волны, называется лучом. Вот почему часто радиоволны называются электромагнитными лучами.

Теперь возникает вопрос: что же является носителем энергии в этом случае? Какая среда приходит в колебательное состояние и передает наши волны? Обычно электромагнитные волны распространяются в воздухе. Но теория и опыт показывают, что они могут итти и в любом другом диэлектрике и в пустоте. Поэтому нужно предположить, что есть какое-то вещество, заполняющее все известные нам тела и даже «пустоту» и обладающее свойствами, которые необходимы для распространения электромагнитной волны. Понятие о таком веществе введено в науку для удобства представлений и названо оно эфиром. Мы можем себе легко представить, что электрическое и магнитное поле приводит в колебательное движение эфир и он-то и несет и распространяет энергию. Для полноты картины рассмотрим течение энергии в двухпроводной линии постоянного тока (см. рис. 4). На рисунке показаны направления полей. Подсчитав поток энергии S, мы найдем, что она движется по направлению от генератора к потребителю в пространстве около проводов. Такая же картина получается и в случае переменного тока. Энергия, идущая в самом проводе, как раз равна выделяемому в нем теплу, и можно проследить, что энергия входит из пространства, в провод.

Элементы радиотехники


Таким образом и здесь носителем энергии является эфир, а провода служат только желобами, направляющими поток энергии. Разницу между свободной электромагнитной волной и переменным током в проводах можно грубо изобразить такой аналогией: в первом случае мы возмущаем, приводим в колебания из некоторого центра всю окружающую воду (напр. в пруду); во втором — мы наполняем этой водой трубы и передаем энергию с одного конца трубы к другому, двигая взад и вперед поршень на одном конце.

Всестороннее распространение энергии, очевидно, не годится там, где нужно передавать именно энергию: направить ее по желобам куда экономнее. Однако там, где нужно посредством этой энергии передавать мысли, ее всестороннее распространение незаменимо: только так можно осуществить радиовещание.

Заметим еще, что радиоволны распространяются от передатчика во все стороны с одинаковой скоростью. В пространстве над землей мы получаем полусферу, где имеет место электромагнитное возмущение. Плотность энергии в такой волне (т. е. количество энергии на единицу поверхности) быстро убывает с увеличением радиуса сферы.

Следующий раз мы поговорим о тех приспособлениях, которыми возбуждаются радиоволны в пространстве.

Совещание

Имя:*
E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Вопрос:
Введите домен сайта
Ответ:*