Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Чем меньше длина волны (следовательно, выше частота) тем меньше волны поглощаются средой.

Радиоволны впервые открыты Герцем в 1886 г.

Источником радиоволн, так же как и волн звуковых частот, является переменный ток.

Большая частота радиоволн по сравнению с волнами звуковых частот приводит к заметному излучению радиоволн в окружающую среду. Это позволяет использовать их для передачи информации на значительное расстояние (радиовещание, телевидение, радиолокация)

Сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, или микроволновое излучение – 109-3*1011Гц, λ = 1 мм – 0.3 м

Источник СВЧ-излучения – изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества.

Учитывая «прозрачность» атмосферы в этом диапазоне, СВЧ-излучение используют для космической связи. Используется в микроволновых печах.

Инфракрасное (ИК) излучение – 3*1011-3.85*1014Гц, λ = 780 нм – 1 мм

ИК-излучение было открыто в 1800 г. английским астрономом Уильямом Гершелем.

Он обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, назвали «инфракрасным»

Источником ИК-излучения являются колебание и вращение молекул вещества, поэтому ИК-волны излучают нагретые тела, молекулы которых движутся особенно интенсивно.

Часто ИК-излучение называют тепловым.

Видимый свет – λ = 380-780 нм, 3.85*1014-7.89*1014 Гц (достаточно узкий диапазон)

Источников видимого света являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся ускоренно.

Излучения разной длины волны (частоты) оказывают различное физиологическое воздействие на глаз, вызывая психологическое ощущение цвета.

Цвет – не свойство электромагнитной световой волны, а проявление ее электрохимического действия на физиологическую систему человека.

Видимый свет может влиять на протекание химических процессов в растениях (фотосинтез) и организмах животных и человека.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение – 8*1014-3*1016Гц, λ = 10-380 нм

УФ-излучение открыто в 1801 г. немецким ученым Иоганном Риттером.

Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, он обнаружил, что серебро чернеет сильнее в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение было названо ультрафиолетовым.

Источник ультрафиолетового излучения – валентные электроны атомов и молекул, а также ускоренно движущиеся свободные заряды.

В малых дозах УФ-излучение активизирует синтез в организме человека витамина D и вызывает загар.

Большие дозы могут вызвать ожоги и раковые заболевания, ослабляет иммунную систему, способствует развитию некоторых заболеваний.

УФ-излучение с λ < 300 нм деполимеризует нуклеиновые кислоты и разрушает протеины, нарушая жизненные процессы в организме. В малых дозах оно обладает бактерицидным действием.

Озоновый слой Земли сильно поглощает УФ-излучение с λ < 320 нм, а кислород воздуха – коротковолновое УФ-излучение с λ < 185 нм.

Оконное стекло, содержащее оксид железа, практически полностью поглощает УФ-излучение

Человек не видит УФ-излучение, так как роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают его.

Рентгеновское излучение – 3*1016-3*1020, λ = 10-12-10-8 м

Открыто в 1895 г. немецким физиком В.Рентгеном. Изучая ускоренное движение заряженных частиц в закрытой черным картоном трубке, Рентген обнаружил свечение экрана, покрытого солью бария, находящегося на некотором расстоянии от трубки.

Излучение высокой проникающей способности, испускаемое частицами в трубке, проходящее в отличие от ИК и УФ-излучения через картон, Рентген назвал X-лучами.

Источником рентгеновского излучения является изменение состояния электронов внутриатомных оболочек атомов и молекул, а также ускоренное движущиеся свободные электроны.

Благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение широко примеряется в диагностической технике.

Большая доза рентгеновского облучения приводит к ожогам и изменению структуры крови человека.

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

См.выше «Электромагнитные волны»

ДОПОЛНИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА

ОПЫТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТИ

В бегущей гармонической электромагнитной волне напряженность электрического поля и индукция магнитного поля изменяются по гармоническому закону:

E = E0 sin (wt)  B = B0 sin (wt)

Рассмотрим, как распространяется в пространстве вдоль оси Х напряженность электрического поля. Будем считать, что скорость распространения возмущения равна v.

Начальное возмущение (t = 0 , E = 0) через время τ распространяется со скоростью v на расстояние v τ.

Расстояние в пространстве между точками волны, колеблющимися в одинаковой фазе, оказывается равным vT и характеризует длину электромагнитной волны.

Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника.

При постоянной скорости распространения волны за период она проходит расстояние:

λ = vT =

В произвольной точке с координатой х напряженность электрического поля в момент t та же, что и в точке х0 в более ранний момент времени (t – x/v) Время x/v для распространения волны между этими точками.

Уравнение бегущей гармонической волны напряженности электрического поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v (учитывая, что E = E0 sin (wt), B = B0 sin (wt)):

E = E0 sin [ w(t - ) ]

Индукция магнитного поля в электромагнитной волне изменяется во времени и пространстве синхронно с напряженностью электрического поля.

Уравнение бегущей гармонической волны индукции магнитного поля поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v:

B = B0 sin [ w(t - ) ]

В общем случае скорость электромагнитной волны в произвольной среде вычисляется по формуле:

v = УТОЧНИТЬ ФОРМУЛУ

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВОЛН

См.выше «Электромагнитные волны»

Поляризация волны

Фронт волны

В поляризованной электромагнитной волне колебания вектора напряженности электрического поля упорядочены.

Плоскополяризованная (или линейно-поляризованная) электромагнитная волна – волна, в которой вектор , и  следовательно, колеблются 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.

Напряженность электрического поля и индукция магнитного принимают определенные значения в момент времени t в точках с координатой х, для которых фаза φ синуса в выражениях E = E0 sin [ w(t - ) ] и B = B0 sin [ w(t - ) ] постоянна:

φ = w(t - ) = const

Геометрическим местом точек, имеющих определенную координату х, является плоскость, проходящая через эту точку параллельно плоскости YZ.

В этой плоскости, называемой фронтом волны, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля принимают определенное значение, т.е. имеют одинаковую фазу.

 Фронт электромагнитной волны – поверхность постоянной фазы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Если фронтом волны является плоскость, то волна – плоская.

Направление распространения фронта волны характеризует луч.

Луч – линия, вектор касательной к которой, перпендикулярен фронту волны и направлен в сторону переноса энергии волны в данной точке.

На большом расстоянии от источника излучения фронт произвольной электромагнитной волны становится плоским.

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ

Перенос энергии электромагнитной волной

Поток энергии

Плотность потока энергии

Интенсивность волны

Зависимость энергии электромагнитной волны от расстояния до источника и его интенсивности

Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля.

Скорость переноса энергии через площадь S в момент времени t характеризует поток энергии электромагнитной волны.

Поток энергии электромагнитной волны – энергия электромагнитного излучения, проходящего в единицу времени сквозь поверхность площадью S:

ΦW = Pэм =

Плотность потока энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны:

= =

Объем параллелепипеда DV = ScDt.

Энергия электромагнитного поля внутри него равна произведению плотности энергии на объем:

DW = wэм DV = wэм ScDt

Тогда плотность потока излучения (учитывая, что wэм = ε0E2):

= wэм c = ε0E2c

Учитывая, что напряженность электрического поля в электромагнитной волне зависит от времени (например, по гармоническому закону) перенос мощности характеризует величина, усредненная по времени – интенсивность волны.

Интенсивность электромагнитной волны – среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны:

I = = wэм c = cε0

Единица измерения – Вт/м2

Для гармонических электромагнитных колебаний с амплитудой E0, так же как и для действующего значения переменного тока:  =

I = cε0 = cε0E02

Интенсивность гармонической электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля.

Найдем зависимость интенсивности излучения точечного источника от расстояния до него. Будем считать, что такой источник излучает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В вакууме мощность волны не поглощается.

С течением времени волна проходит через все большие концентрические сферические поверхности.

Средняя энергия, переносимая в перпендикулярном направлении сквозь единицу площади в единицу времени (интенсивность волны) уменьшается по мере удаления от источника.

Средняя мощность электромагнитного излучения со сферической поверхности источника радиусом rи:

Pи = Iи 4π rи2

где Iи – интенсивность излучения с поверхности источника площадью S0 = 4π rи2

В результате распространения излучения источника в пространстве сквозь сферическую поверхность радиуса r проходит та же средняя мощность электромагнитной волны:

Pэм = I 4π rи2

где I – интенсивность излучения источника на расстоянии r от него

Поскольку мощности равны:

I = Iи или I ~

Интенсивность излучения точечного источник убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

I = cε0 = cε0E02 ; I ~ Þ E0 ~

В отличие от напряженности электрического поля точечного заряда, резко убывающей с расстоянием по закону обратных квадратов, напряженность электрического поля в электромагнитной волне, созданной точечным зарядом, убывает с расстоянием более медленно (обратно пропорционально) Благодаря этому электромагнитные волны передаются в вакууме на большие расстояния, обеспечивая возможность радиосвязи.

Выясним, как интенсивность гармонической электромагнитной волны зависит от частоты.

Излучение электромагнитной волны возникает при ускоренном движении электрических зарядов. Средняя энергия излучаемой электромагнитной волны (и соответственно ее интенсивность) прямо пропорциональна среднему квадрату ускорения излучающей заряженной частицы:

I ~

Гармоническая электромагнитная волна частотой υ возникает при гармонических колебаниях заряженной частицы с этой частотой. Координата заряженной частицы по сои Y при таких колебаниях изменяется по гармоническому закону:

y = A cos( 2πυt )

По гармоническому закону изменяется и ускорение частицы:

a = y’’(производная второго порядка) = - A(2πυ)2 cos( 2πυt )

Соответственно: ~ υ4

I ~ ~ υ4

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени ее частоты.

Резкая зависимость интенсивности излучения от частоты означает, что для получения интенсивных электромагнитных волн частота электромагнитных колебаний источника должна быть достаточно высокой.

ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ

Принципы радиосвязи.

Общее устройство передатчика и приемник

Виды радиосвязи

Амплитудная модуляция

Частотная модуляция

Фазовая модуляция

Широтно-импульсная модуляция

Радиоприемник. Демодуляция

Антенна ДОПОЛНИТЬ

Принцип радиосвязи

Гармонический сигнал радиочастоты, излучаемый в пространство, не содержит полезной информации, кроме факта своего существования. Поэтому передаваемая информация кодируется в радиосигнале.

Для радиосвязи требуется радиопередатчик, излучающий радиоволны, переносящие необходимую кодированную информацию, и радиоприемник, улавливающий и декодирующий излучаемый передатчиком сигнал.

Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электрическое поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Обнаружить радиоволны и извлечь из них передаваемую информацию можно с помощью радиоприемника.

Достигая антенны приемника, радиоволны пересекают ее провод и возбуждают (индуцируют) в ней очень слабые радиочастоты. В приемной антенне одновременно находятся высокочастотные колебания от многих радиопередатчиков. Поэтому один из важнейших элементов радиоприемника – селективное (избирательное) устройство, которое из всех принятых сигналов может отобрать нужные.

Таким устройством является колебательный контур, позволяющий настраивать приемник на радиоволны определенной длины.

Колебания тока в контуре будут наиболее сильными в результате явления резонанса, если частота колебаний подведенного сигнала совпадает с собственной частотой колебаний контура.

Назначение других элементов радиоприемника заключается в том, что бы усилить принятые или отраженные колебательным контуром высокочастотные модулированные колебания, выделить из них колебания звуковой частоты, уменьшить их и преобразовать в сигналы информации.

Виды радиосвязи

 Различают четыре вида радиосвязи, отличающиеся типом кодирования передаваемого сигнала, или модуляцией:

- радиотелеграфная

- радиотелефонная или радиовещание

- телевидение

- радиолокация

Радиотелеграфная связь осуществляется путем передачи сочетания электромагнитных импульсов, кодирующих информацию, например в азбуке Морзе.

См.ниже Изобретение радио Поповым в 1895 г.

За счет большой амплитуды передаваемых импульсов менее всего подвержена помехам и действует на очень большие расстояния, но не позволяет достичь высокой скорости передачи информации.

Радиолокация – обнаружение объектов и определение их координат с помощью отражения радиоволн. Промежуток между посылкой импульса, распространяющегося со скоростью света, и приемом его отражения от объекта равен двойному расстоянию до объекта.

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

Радиотелефонная связь предполагает передачу подобной информации для приема конкретным абонентам.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможна надежная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне с помощью микрофона превращаются в электрические колебания той же формы. Колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются.

ДОБАВИТЬ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Модуляция

Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор высокой частоты, например генератор на транзисторе. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют (модулируют), с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты.

Модуляция – кодированное изменение одного или нескольких параметров передаваемого сигнала для передачи информации.

Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.

Можно, например, изменять пропорционально звуковой частоте частоту высокочастотных колебаний. Этот способ называют частотной модуляцией.

Различают следующие виды модуляции:

- амплитудная

- частотная

- фазовая

- широтно-импульсная

Возможно одновременное использование нескольких видом модуляции сигнала.

Амплитудная модуляция – изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала (более низкой частоты)

Для амплитудной модуляции высокочастотного сигнала в цепь эмиттера генератора на транзисторе включают трансформатор модулирующего устройства. Напряжение на этом трансформаторе меняется в зависимости от модулирующего сигнала, например от микрофона.

Дополнительным элементом передатчика является антенна, индуктивно связанная с катушкой индуктивности колебательного контура, и излучающая в пространство электромагнитные волны в зависимости от колебаний в контуре.

При отсутствии модулирующего сигнала ток в колебательном контуре меняется по гармоническому закону с несущей частотой w0:

i = I0 cos(w0t)

При появлении модулирующего сигнала от микрофона, на вторичной обмотке модулирующего трансформатора возникает напряжение звуковой частоты W << w0.

Это напряжение, складываясь с напряжением в генераторе, приводит к изменению силы тока по закону:

iW = I1 cos(Wt)

В результате амплитуда высокочастотных колебаний начнет изменяться по гармоническому закону с частотой W:

i = (I0 + I1 cos(Wt)) cos(w0t)

Такой сигнал можно рассматривать, как гармонические колебания с медленно изменяющейся амплитудой, так как W << w0.

Учитывая, что cos(Wt) cos(w0t) = [ cos(w0 - W)t + cos(w0 + W)t] :

i = (I0 + I1 cos(Wt)) cos(w0t) = I0 cos(w0t) + cos(w0 - W)t + cos(W + w0)t

Амплитудно-модулированный сигнал можно рассматривать как сумму трех гармонических колебаний с частотами : w0 - W, w0, w0 +W

Для передачи амплитудно-модулированного сигнала требуется полоса частот 2W.

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

Чем больше несущая частота, тем большее число независимых радиостанций, сигналы которых не накладываются друг на друга, можно разместить в заданном диапазоне частот.

Структуру амплитудно-модулированных колебаний можно представить в виде спектрограммы, в которой по горизонтальной оси откладывается частота, в а по вертикальной оси – амплитуда колебаний.

Частотная модуляция

Постоянство несущей частоты сигнала приводит к его незащищенности от помех.

Для увеличения помехозащищенности передаваемого сигнала его несущая частота изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сигнала. Чем больше амплитуда, тем больше несущая частота.

Частотная модуляция – изменение частоты высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала.

w = w0 + Dw cos(Wt)

Частотная модуляция используется при передаче сигналов телевидения и УКВ-радиостанций.

ДОБАВИТЬ ФАЗОВУЮ МОДУЛЯЦИЮ

ДОБАВИТЬ ШИМ (Широтно Импульсная Модуляция)

добавить графики видов модуляции

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49