Скачать + смотреть онлайн

видео 2022

бесплатно в хорошем качестве HD

Строго запрещено смотреть анал видео. Крутые - все самые шикарные мамки видео. Мега лучший пердос video.

PhysBook
PhysBook
Представиться системе

Kvant. Радио

Материал из PhysBook

Блиох П. Зачем и как 100 лет назад было изобретено радио //Квант. — 1996. — № 3. — С. 12-17.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

К середине XIX века электрический телеграф стал привычным средством связи. Провода протянулись между большими и малыми городами, а в 1866 году специальный кабель был проложен по дну Атлантического океана — телеграф связал два континента. Стало возможным быстро и надежно передавать сообщения на огромные (по земным масштабам) расстояния, но при одном непременном условии: прежде чем послать сигнал из одного места в другое, надо было заранее пройти по всему пути и протянуть за собой электрические провода. Не всегда просто это сделать, и совсем уж невозможно соединять проводами движущиеся объекты, например корабли.

Легко представить себе, какое пристальное внимание ученых и изобретателей привлекла к себе в конце XIX века проблема передачи сигналов на большие расстояния без проводов. Может показаться, что задачу было легко решить, используя физические законы, открытые очень давно — свыше 100 лет назад. С этих самых простых способов передачи сигналов мы и начнем наш рассказ.

«Электростатический» беспроволочный телеграф

Его можно было изобрести еще в конце XVIII века.

Известно, что вокруг любого электрически заряженного тела возникает электрическое поле, напряженность которого равна

\(~E = \frac{k_e Q}{r^2}, \qquad (1)\)

если тело считать «точечным», т.е. имеющим очень малые размеры по сравнению с расстоянием r до него. Здесь Q — электрический заряд, а ke — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерений. Очень важно, что электрическое поле возникает вокруг заряда без всяких проводов, даже в вакууме. Его можно обнаружить по силовому воздействию, равному

\(~F = qE = k_e \frac{Qq}{r^2}, \qquad (2)\)

на другой, пробный, заряд q, который либо притягивается к источнику поля, когда Q и q имеют разные знаки, либо отталкивается от него, когда знаки Q и q совпадают.

Самая простая схема беспроволочного телеграфа, в которой используется сила F, показана на рисунке 1. «Передатчик» представляет собой электрически заряженное тело, заряд которого Q(t) меняется в соответствии с передаваемым сигналом U(t). «Приемник» состоит из двух противоположных зарядов ±q, укрепленных на небольшом стержне, который подвешен на упругой нити. В принципе в «приемнике» достаточно иметь всего лишь один заряд, но при этом чувствительность всего устройства будет ниже. За счет силы F возникает крутящий момент, поворачивающий стержень на некоторый угол φ(t), пропорциональный величине заряда Q(t). Фиксируя поворот стержня на ленте самописца, мы воспроизведем исходный сигнал U(t) — беспроволочный телеграф заработал!

Заметим, что описанное приемное устройство — оно называется крутильными весами — было реально использовано свыше 200 лет назад французским физиком Ш.Кулоном. Он измерил с помощью крутильных весов силу взаимодействия F между двумя зарядами Q и q, установив таким образом основной закон электростатики (2), который теперь носит его имя.

Поскольку описанная схема как будто бы вполне работоспособна, возникает вопрос, почему же она не годится для передачи сигналов на большие расстояния. Прежде всего, обратим внимание, что напряженность поля E падает с расстоянием пропорционально \(~\frac{1}{r^2}\). Забегая вперед, скажем, что в радиоволне (мы рассматриваем передачу сигналов в свободном пространстве) поле спадает намного медленнее, а именно \(~\sim \frac{1}{r}\). Разница очень существенная, но на самом деле она еще более усугубляется по следующей причине.

Рис. 1. Упрощенная схема «электростатического» беспроволочного телеграфа

Фактически в схеме рисунка 1 допущена принципиальная ошибка. Дело в том, что электрический заряд сам по себе не может ни возрастать, ни убывать (закон сохранения заряда). Для того чтобы изменить заряд Q, к телу надо подключить источник электрического напряжения, который всегда имеет два полюса, т.е. одновременно создаются заряды разных знаков. Поэтому физически осуществимая схема «электростатического» беспроволочного телеграфа должна выглядеть так, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Реальная схема «электростатического» беспроволочного телеграфа

Легко сообразить, что действие «передатчика», состоящего из двух пульсирующих зарядов ±Q(t), будет менее сильным, так как создаваемые ими электрические поля \(~\vec E_+\) и \(~\vec E_-\) ослабляют друг друга (результирующее поле \(~\vec E\) определяется суммой \(~\vec E_+ + \vec E_-\)). Мы упростим расчет, ограничившись частным случаем, когда «приемник» расположен вдоль прямой, соединяющей заряды ±Q. Тогда \(~E_+ = \frac{k_e Q}{r^2_+}\) и \(~E_- = - \frac{k_e Q}{r^2_-}\), где \(~r_+ = r - \frac d2\), \(~r_- = r + \frac d2\), а d — расстояние между зарядами. В данном случае векторное сложение заменяется простым алгебраическим суммированием:

\(~E = k_e Q \left( \frac{1}{r^2_+} - \frac{1}{r^2_-} \right) = \frac{2k_eQrd}{\left( r^2 - \frac{d^2}{4} \right)^2}.\)

Естественно считать, что размеры «передатчика» d очень малы по сравнению с расстоянием r (\(~d \ll r\)). Поэтому слагаемым \(~\frac{d^2}{4}\) в знаменателе можно пренебречь и записать формулу для Е в таком виде:

\(~E \approx 2k_e \frac{p_e}{r^3}, \qquad (3)\)

где величина \(~p_e = Qd\) называется электрическим дипольным моментом источника электрического поля. Таким образом, электрические поля, которые можно реально создать с помощью «передатчика»-диполя, убывают с расстоянием очень быстро (\(~\sim \frac{1}{r^3}\)), что делает их непригодными для передачи сообщений на большие дистанции.

Мы рассчитали электрическое поле на оси диполя. В любом другом направлении величина Е зависит еще и от угловых координат, однако дистанционная зависимость \(~\frac{1}{r^3}\) остается прежней. Кроме того, может возникнуть вопрос, нельзя ли придумать более сложный «передатчик», состоящий не из двух, а из большего числа зарядов, расположив их как-нибудь так, чтобы поле убывало с расстоянием по иному закону. Это действительно можно сделать (такие поля называются не дипольными, а мультипольными) и реализовать зависимость \(~\frac{1}{r^n}\). Но всегда окажется, что n ≥ 3, т.е. мультипольные поля еще менее пригодны для наших целей.

«Магнитостатический» беспроволочный телеграф

Он мог бы появиться в начале XIX века.

Попытка использовать электрическое поле оказалась неудачной, но может быть более пригодным для нашей цели окажется магнитное поле? Основой для такого эксперимента служит закон Био-Савара, открытый французскими физиками Ж.Био и Ф.Саваромв 1820 году. Согласно этому закону, вокруг прямолинейного провода длиной l, по которому протекает электрический ток I, создается магнитное поле, индукция которого равна

\(~B = \frac{k_m Il}{r^2}, \qquad (4)\)

где r — расстояние до проводника, а km — коэффициент пропорциональности. Предполагается, что точка наблюдения находится достаточно далеко (\(~r \gg l\)) в плоскости, перпендикулярной проводнику и проходящей через его середину. Для всех остальных направлений формула (4) несколько усложняется, независимость \(~B \sim \frac{1}{r^2}\) сохраняется.

Линии магнитной индукции в указанной плоскости имеют вид окружностей (рис. 3), а присутствие магнитного поля в пространстве можно обнаружить с помощью магнитной стрелки, которая стремится расположиться вдоль магнитной линии. Вся схема очень напоминает наш первый электростатический вариант (см. рис. 1).

Рис. 3. Упрощенная схема «магнитостатического» беспроволочного телеграфа

Для передачи сигнала U(t) будем изменять должным образом ток I(t). Соответственно изменится магнитное поле В и создаваемый им вращающий момент, действующий на стрелку. Отклонения стрелки, подвешенной на упругой нити, фиксируются на ленте самописца, где и воспроизводится передаваемый сигнал.

Как будто бы все правильно, и спад магнитной индукции (\(~B \sim \frac{1}{r^2}\)) происходит значительно медленнее, чем у напряженности дипольного поля (\(~E \sim \frac{1}{r^3}\)), но, к сожалению, здесь повторяется та же ошибка, которая заставила нас перейти от рисунка 1 к рисунку 2. Дело в том, что ток по проводу потечет только в том случае, если существует замкнутая цепь, соединяющая два полюса источника. Поэтому правильная схема будет выглядеть так, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Реальная схема «магнитостатического» беспроволочного телеграфа

Но в замкнутой цепи каждому элементу тока можно сопоставить другой элемент с током противоположного направления — на рисунке 4 такими элементами являются провода I и II. То обстоятельство, что мы рассматриваем электрическую цепь в виде прямоугольной рамки, не имеет принципиального значения. Суть наших рассуждений остается той же для цепи любой конфигурации.

Противоположно направленные токи ослабляют друг друга, и результирующее магнитное поле теперь определяется по формуле, очень похожей на формулу (3):

\(~B \approx 2k_m \frac{p_m}{r^3}, \qquad (5)\)

где \(~p_m = IS\) — магнитный момент замкнутого токового витка, охватывающего площадь S. В нашем случае \(~S = ld\) и \(~p_m = Ild\). Формула (5) справедлива для точки наблюдения, находящейся достаточно далеко (\(~r \gg l, r \gg d\)) на оси рамки. Во всех других направлениях В зависит от угловых координат, но закон \(~B \sim \frac{1}{r^3}\) не меняется.

Мы снова обнаруживаем в реальной схеме крайне неприятную дистанционную зависимость \(~\sim \frac{1}{r^3}\), которая является по сути роковой для реализации нашей идеи.

Можно, конечно, попытаться «обмануть» формулу (5), отодвинув второй провод на такое большое расстояние d, чтобы его магнитное поле не ослабляло существенно поле первого провода. Но для этого нам потребуется «передатчик» (виток провода) такой же примерно длины, что и расстояние до «приемника». Кому нужен такой «беспроволочный» телеграф!

Единое электромагнитное поле

В середине XIX века было установлено, что переменные поля E(t) и B(t) образуют единое электромагнитное поле. Оно и позволило решить проблему беспроволочного телеграфа.

Рассматривая два способа передачи информации, мы воспользовались формулами электростатики (закон Кулона) и магнитостатики (закон Био-Савара). Молчаливо предполагалось, что те же самые законы будут действовать и при изменениях заряда или тока, что необходимо для передачи сигнала. То, что здесь не все так просто, можно сообразить, если подумать, с какой скоростью передается информация от «передатчика» к «приемнику» в рассмотренных выше схемах.

Поскольку поля E(t) и B(t) повторяют законы изменения Q(t) и I(t) на любом расстоянии (с расстоянием меняются только величины E и B, но не их зависимость от времени), мы приходим к выводу, что сигнал передается мгновенно, или, что то же, с бесконечно большой скоростью. Но такой вывод противоречит очень важному утверждению теории относительности, согласно которому никакой сигнал не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, в наших рассуждениях мы чего-то не учли, а именно того, что нельзя просто так применить формулы электростатики и магнитостатики к переменным зарядам и токам (недаром мы поставили кавычки в заголовках первого и второго разделов).

Когда речь идет о переменных полях \(~\vec E\) и \(~\vec B\), их нельзя рассматривать изолированно друг от друга. Связь между ними столь тесная, что они образуют единое электромагнитное поле. Основные положения современной теории электромагнитного поля были сформулированы в 1860 - 1865 годах английским физиком Дж. Максвеллом, который опирался на воззрения своего предшественника М. Фарадея. С именем Фарадея связано явление электромагнитной индукции, а знаменитые уравнения Максвелла играют в электродинамике такую же основополагающую роль, как уравнения Ньютона в механике.

Поясним суть уравнений Максвелла с помощью двух мысленных экспериментов (без особого труда их можно реально воспроизвести в лаборатории). На рисунке 5 слева показан конденсатор, к пластинам которого подключен источник переменного напряжения (7(0. Заряд конденсатора все время меняется, а вместе с ним меняется и электрическое поле между пластинами. Согласно первому уравнению Максвелла, одновременно с переменным электрическим полем \(~\vec E(t)\) возникает магнитное поле \(~\vec B(\vec r,t)\). Два аргумента \(~\vec r\) и t показывают, что магнитное поле является переменным во времени и пространстве. Линии магнитной индукции имеют вид окружностей, охватывающих силовые линии электрического поля.

Рис. 5. Схема опытов, иллюстрирующих первое и второе уравнения Максвелла

Обратите внимание: в «пустом» пространстве между пластинами конденсатора никаких проводов с током нет, но магнитное поле все же появилось. Это означает, что переменное электрическое поле является таким же источником магнитного поля, как и обычный ток. Чтобы все-таки их отличать, говорят о токе проводимости (движение электрических зарядов в проводниках) и о токе смешения (переменное электрическое поле в «пустоте» или в диэлектрике). Представление о токе смещения было впервые введено Максвеллом.

Перейдем к правой части рисунка 5. Здесь изображен электромагнит с «пустым» зазором. Через обмотку пропускается переменный ток, поэтому между полюсами возникает переменное магнитное поле. Его линии располагаются так же, как силовые линии электрического поля на рисунке слева. Согласно второму уравнению Максвелла, переменное магнитное поле \(~\vec B(t)\) порождает электрическое поле \(~\vec E(\vec r,t)\), которое можно обнаружить с помощью витка проволоки и вольтметра. Симметрия взаимосвязи \(~\vec E \leftrightarrow \vec B\) хорошо видна на рисунке.

Наше описание мысленных экспериментов является чисто качественным. Мы не касались количественных соотношений, потому что они достаточно сложны, но именно они и содержатся в уравнениях Максвелла.

Электромагнитные волны и рождение радиосвязи

На рисунке 6 показаны радиопередатчик и антенна. В передатчике имеется генератор колебаний высокой частоты, на который с помощью управляющего устройства воздействует передаваемый сигнал. Антенна состоит из двух проводов, присоединенных к выходу передатчика.

Рис. 6. Радиопередатчик с антенной

Рассмотрим, как работает антенна. Стрелками на рисунке 6 показан ток, и, вообще говоря, не очень понятно, как он может протекать в разорванной цепи. Однако все станет ясно, если мы представим два плеча антенны как «пластины» некоторого конденсатора. Постепенный переход от обычного конденсатора к антенне показан в левой части рисунка 7. Переменный ток, который возбуждается передатчиком, это ток заряда и разряда антенного конденсатора, который изображен на рисунке 6 пунктиром. Условный характер схемы состоит в том, что на самом деле конденсатор подключен не к каким-то определенным точкам провода, но множество «конденсаторов» распределены по всей его длине. Поэтому говорят, что антенна имеет распределенную емкость.

Рис. 7. Переход от конденсатора к антенне и излучение радиоволн

Заряд-разряд током I(t) антенного «конденсатора» сопровождается появлением на плечах антенны зарядов противоположных знаков ±Q(t). Токи порождают переменное магнитное поле \(~\vec B(t)\) вокруг провода, а заряды — переменное электрическое поле \(~\vec E(t)\).

Но, как мы уже знаем, поля \(~\vec E(t)\) и \(~\vec B(t)\) взаимно связаны, и их нельзя рассматривать изолированно. Обратим внимание, например, на точку 1 (см. рис. 7). Изменения \(~\vec E(t)\) вызовут появление \(~\vec B(t)\) не только в той же точке 1, но и в соседней с нею точке 2 (сравните с рис. 5 слева). Переменное магнитное поле в точке 2 создает электрическое поле в точке 3 (сравните с рис. 5 справа) и т.д. Следовательно, электрическое и магнитное поля не возникают одновременно во всем пространстве вокруг антенны, но распространяются от одной точки к другой с конечной скоростью. Эта совокупность взаимно связанных полей \(~\vec E\) и \(~\vec B\), уходящих от антенны, называется электромагнитной волной, или радиоволной.

Скорость распространения волны можно рассчитать с помощью уравнений Максвелла. Результат расчета показывает, что эта скорость совпадает со скоростью света c = 300000 км/с. Оказалось, что радиоволна и свет имеют одну и ту же физическую природу, представляя собой электромагнитные волны с разной частотой колебаний. По современной терминологии, к диапазону радиоволн относятся частоты от нескольких герц до нескольких гигагерц (1 ГГц = 109 Гц). Если же иметь в виду бытовую радиосвязь (радиоприемники, телевизоры), то здесь используются в основном высокочастотные колебания в диапазоне 105 - 109 Гц.

В этом, собственно говоря, и заключается отличие между «электростатическим» передатчиком и радиопередатчиком. Тот факт, что заряды на рисунке 2 сосредоточены на концах проводов, а на рисунке 6 распределены по всей их длине, не играет существенной роли. Важно то, что в первом случае заряды меняются по тому же закону, что и передаваемый сигнал U(t), во втором же случае заряды и токи в антенне осциллируют с очень высокой частотой, намного превышающей частоту колебаний передаваемого сигнала. Передаваемое сообщение только управляет теми колебаниями, которые генерируются в передатчике.

Если речь идет о передаче простых телеграфных сигналов по азбуке Морзе, то передатчик просто включается и выключается с помощью телеграфного ключа. При передаче речи, музыки, телевизионного изображения управление генерируемыми колебаниями будет более сложным, но все равно антенна излучает только радиоволны высокой частоты, а не те частоты, которые содержатся в сигнале U(t).

Теоретическое предсказание существования электромагнитных волн нуждалось в экспериментальном подтверждении. Это удалось сделать в 1888 году немецкому физику Г. Герцу. Путь к созданию беспроволочного радиотелеграфа был открыт, но для его реализации потребовалось еще несколько лет. Когда весной 1896 года на заседании Российского физико-химического общества профессор А.С.Попов наглядно продемонстрировал работу радиотелеграфа, первыми словами, переданными на расстояние 250м, были «Генрихъ Герцъ».

После опытов Герца изобретение радио, можно сказать, «висело в воздухе». Независимо от Попова и примерно в то же время аналогичный прибор был изготовлен итальянским физиком Г. Маркой и, работавшим в Англии. Дальность беспроволочной телеграфии быстро возрастала, и в 1901 году Маркони успешно передал радиосигналы через Атлантический океан — радио связало между собой континенты.

Нам остается объяснить, почему передача информации с помощью электромагнитных волн оказалась более эффективной, чем «электростатическая» и «магнитостатическая» схемы.

Рис. 8. Объем пространства, в котором сосредоточена электромагнитная энергия в моменты времени Δt (сфера) и t + Δt (сферический слой)

Пусть в точке О (рис. 8) расположен передатчик с антенной, который в момент t = 0 включается, а спустя некоторое время Δt выключается. За время работы передатчика радиоволна успеет отойти от антенны на расстояние \(~\Delta r = c \Delta t\), заполнив сферу (для простоты считается, что интенсивность излучения не зависит от направления) указанного радиуса электромагнитной энергией \(~W = P \Delta t\), где Р — излучаемая мощность. После выключения передатчика радиоволна продолжает распространяться, и спустя время t та же электромагнитная энергия заполнит сферический слой, ограниченный радиусами \(~r = ct\) и \(~r + \Delta r = c (t + \Delta t)\). Объем этого слоя при \(~t \gg \Delta t\) составляет \(~V \approx 4 \pi r^2 \Delta r\), поэтому на единицу объема на расстоянии r от антенны приходится энергия

\(~w = \frac WV = \frac{W}{4 \pi r^2 c \Delta t} = \frac{P}{4 \pi r^2 c}.\)

Получается, что объемная плотность энергии убывает с расстоянием пропорционально \(~\frac{1}{r^2}\).

Остается вспомнить, что объемная плотность энергии электрического поля равна \(~w_E = \frac{\varepsilon_0 E^2}{2} = \frac{E^2}{8 \pi k_e}\) (ее среднее по времени значение в 2 раза меньше), а энергия магнитного поля в электромагнитной волне равна энергии электрического поля. Значит,

\(~\frac{E^2}{8 \pi k_e} = \frac{P}{4 \pi r^2 c},\)

и амплитуда электрических колебаний равна

\(~E = \frac 1r \sqrt{\frac{2k_eP}{c}}.\)

Таким образом, напряженность электрического поля убывает пропорционально \(~\frac 1r\). То же самое можно сказать и про индукцию магнитного поля. Это объясняет, почему передача информации на большие расстояния с помощью радиоволн оказывается несравненно эффективней (на самом деле — единственно возможной) по сравнению с «электростатическим» и «магнитостатическим» способами. Действительно, допустим, например, что в 10 м от передатчика напряженности электростатического и высокочастотного полей равны друг другу: E0 = E~ = Е. Тогда на расстоянии, скажем, 100 км электростатическое поле будет равно 10-12Е, а высокочастотное 10-4Е, что в 108 раз больше! С увеличением расстояния (100 км — это очень небольшая дистанция для радиосвязи) превышение E~ над E0 еще больше возрастет.

Другим фактором, на котором мы здесь не останавливаемся, является способность электромагнитной волны распространяться в любой среде, если только ее проводимость не очень велика. Правда, в этом случае E~ испытывает некоторое дополнительное затухание, но постоянное поле E0 через такую среду вообще не сможет проникнуть.

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года