О том что такое радиоволны, как работает колебательный контур

Скупка радиодеталей - radiogold.pro

В. Лавр

Если бросить камень на гладкую водяную поверхность, возникнут волны, расходящиеся по кругу. Эти водяные волны создаются в воде и распространяются в ней.

Существуют и звуковые волны, которые возникают в воздухе и распространяются исключительно в этой среде: без воздуха звуки попросту исчезнут. А радиоволны, в свою очередь, представляют собой переменные электромагнитные поля, которые распространяются в пространстве.

Согласно школьным урокам физики, вокруг проводника, по которому течет электрический ток, формируется магнитное поле, а вокруг заряженного тела — электрическое. Вероятно, вы замечали, что гребенка или расческа, после того как вы привели в порядок волосы, может притягивать легкие предметы, например, кусочки бумаги. Это происходит потому, что трение о волосы наделяет гребенку электрическим зарядом, создавая вокруг неё электрическое поле, которое и действует на предметы.

Полем принято считать определённую форму материи, в которой проявляются действия сил. Например, в поле гравитации проявляется притяжение к Земле. Электрическое поле, в свою очередь, создается в результате наличия электрического заряда: чем сильнее заряд, тем мощнее поле.

Когда в наших руках находится медный провод с током, а рядом лежит компас, мы можем провести эксперимент. Если поднести провод к компасу, стрелка отклонится, показывая влияние магнитного поля, созданного током. Увеличение тока приводит к большему отклонению стрелки, а прекращение тока возвращает её в исходное положение. Таким образом, мы видим, что ток, проходящий по проводу, создает магнитное поле, которое воздействует на стрелку компаса.     

Форма материи, окружающая магнит или проводник с электрическим током, называется магнитным полем. Сила тока прямо пропорциональна величине магнитного поля: чем выше ток, тем сильнее поле. При отсутствии тока магнитное поле не существует.

Когда ток периодически изменяет как величину, так и направление, он называется переменным. Переменный ток генерирует соответствующее переменное магнитное поле.

Аналогично, переменное электрическое поле возникает, если заряд изменяет не только свою величину, но и полярность. Эти два поля — электрическое и магнитное — неразрывно связаны: появление одного всегда вызывает образование другого.

Электромагнитные волны, представляющие собой взаимосвязанные переменные электрические и магнитные поля, распространяются в пространстве со скоростью света — 300 000 км/с.

Электрическая искра, возникающая при замыкании проводов, порождает радиоволны. Искрение в электрических устройствах, например, в электродвигателях или автомобилях, создает радиошумы в окружающем пространстве, которые могут мешать приемам на радио.

Для улучшения качества радиосигнала приемные станции располагаются вдали от городских помех, но даже в уединенных местах полностью избежать помех невозможно. Молния, как мощный источник радиоволн, вызывает заметные помехи во время грозы.

Русский ученый Александр Степанович Попов стал первым, кто смог фиксировать радиосигналы молний, используя свой прибор для предсказания приближающихся гроз. Таким образом, природа предоставила основы для создания радиоволн.

Первые радиопередатчики использовали искровые разряды для передачи сообщений без проводов, и они получили название «станции искрового телеграфа». Современная радиотехника, хотя и модернизировалась, сохранила в своей символике пучок искр.

Как радиоволны создаются ныне? Основной принцип заключается в том, что проводник с переменным током высокой частоты, при определенных условиях, способен излучать радиоволны. Следует углубиться в понимание каждого аспекта этого процесса, чтобы осознать, как именно создаются радиоволны.

Изучая электромагнитное поле, мы узнали, что переменный ток — это ток, который периодически меняет как величину, так и направление. Важно подчеркнуть, что основной акцент следует делать на изменении направления. Если ток меняет только свою величину, он не считается переменным.

Переменный ток движется поочередно в обе стороны, напоминая колебания маятника или качелей. Это явление получило название «электрические колебания».

Пример с маятником хорошо иллюстрирует данную концепцию. Прикрепив к маятнику легкое перышко или волосок, который смазан краской, и толкнув его, мы можем наблюдать, как перышко оставляет след на бумаге. Этот след, представляющий собой прямую линию, становится волнообразным графиком, когда лист бумаги перемещается перпендикулярно колебаниям.

График осциллограммы демонстрирует затухание колебаний: со временем размах снижается из-за трения и сопротивления. В отличие от этого, в другом случае сила тяжести обеспечивает постоянные колебания без затухания, позволяя получить устойчивую волнообразную кривую.

Важно отметить, что в специализированных терминах электротехники используются разные слова для обозначения размаха и амплитуды колебаний. Таким образом, у затухающих колебаний амплитуда уменьшается, а у незатухающих остается постоянной.

Кроме маятника и качелей, электрический ток также способен совершать как затухающие, так и незатухающие колебания. Для этого используется колебательный контур, который можно считать «электрическим маятником». Электрические колебания в этом контуре происходят с невероятной скоростью, и их количество за секунду велико.

Колебательный контур состоит из двух основных компонентов: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка состоит из витков медной проволоки, а конденсатор — из двух металлических пластин, разделенных изоляционным слоем.Чем больше площадь пластин конденсатора и чем ближе одна к другой, тем больше емкость.

Площадь пластин и расстояние между ними играют ключевую роль в определении электрической емкости конденсатора. При прочих равных условиях, чем больше площадь и ближе расположены пластины, тем выше емкость. Важным фактором также является выбор диэлектрика.

Например, конденсатор с бумажным диэлектриком способен накопить в два раза больше электричества по сравнению с аналогичным прибором, использующим воздух. В случае слюдяного диэлектрика, емкость возрастает значительно: такой конденсатор может «впитать» в шесть раз больше заряда, чем воздушный.

Подключив катушку к пластинам конденсатора, мы формируем колебательный контур. Однако, без дополнительных действий он не проявит активности. Необходимо «оживить» его, аналогично тому, как мы подаем толчок маятнику, чтобы инициировать его колебания.

Для этого требуется зарядить конденсатор от источника тока и затем соединить его с катушкой индуктивности. Электрическое напряжение на пластинах обеспечит электронам необходимый «толчок», запуская колебания в контуре. При разряде конденсатора ток начнет течь через катушку.

На возникновение тока окажет влияние индуктивность катушки, которая зависит от ее конструкции. Индуктивность можно рассматривать как электрическую инерцию, замедляющую изменения в процессе колебаний.Колебательный контур состоит из конденсатора С, катушки L и соединительных проводов.

В ранние годы радиотехники использовались затухающие колебания, но на данный момент применяются методы создания незатухающих колебаний, основанные на поддержании постоянной энергии в контуре. В таких системах необходимы устройства, которые подают новую энергию в колебательный контур, подобно гирям или пружинам в механических часах.

Период и частота колебаний определяют динамику маятника и электрических контуров. Например, длинный маятник в Исаакиевском соборе совершает одно колебание за 20 секунд, в то время как маятник часов может выполнять два колебания за секунду. Длина маятника влияет на его период: чем длиннее он, тем медленнее колебания.

Электрические колебания могут иметь широкий диапазон периодов, позволяя системе проявлять быстроту, недоступную механическим аналогам. Период колебаний определяется временем зарядки и разрядки конденсатора, а частота — количеством колебаний в секунду, измеряемым в герцах (Гц). Увеличение индуктивности катушки или емкости конденсатора замедляет колебания, снижая их частоту.

В радиотехнике используются колебания с частотой, достигающей миллионов герц. Для практического применения частоты радиоволн необходимы высокочастотные колебания. Колебательный контур может создавать электрические колебания различной частоты — от долей герца до сотен мегагерц, лишь требуется правильно подобрать индуктивности и емкости.

Тем не менее, создание высокочастотных колебаний в контуре не автоматически приводит к излучению радиоволн. Эффективность излучения зависит от охвата электрическими и магнитными полями большого пространства, а малые размеры конденсатора и катушки ограничивают этот эффект.

Получение переменного тока в контуре.  Раздвигая пластины конденсатора, получим открытый колебательный контур.

Замкнутый колебательный контур, обладающий сосредоточенными емкостью и индуктивностью, демонстрирует ограниченность электромагнитных полей в невеликом объеме. В качестве радиоволнового излучателя его эффективность сопоставима с попыткой нагреть просторное помещение раскаленным гвоздем.

Для улучшения излучения необходимо расширить размеры электрического поля. Раздвинув пластины конденсатора, можно включить новые области пространства, однако это приведет к уменьшению емкости и изменению частоты колебаний. Решение, состоящее в соответствии с увеличением размеров, поможет сохранить емкость конденсатора.

Иллюстрация 7 демонстрирует, как раздвижение пластин создает открытый колебательный контур с достаточной емкостью, сформированной длинными проволоками. Эта конструкция обеспечивает более широкий охват электрического поля.

А. С. Попов, применяя радиоволны для беспроводной связи, увеличил размеры открытого контура: одну проволоку он поднял, а другую закопал в землю, где земля играет роль одной из пластин конденсатора. Провод, поднятый вверх, получил название «антенна».

При циркуляции токов высокой частоты вокруг открытого контура возникает электромагнитное поле. Напряженность поля усиливается с увеличением амплитуды колебаний.

Процесс излучения радиоволн основан на взаимодействии электромагнитного поля с токами. Поле «дышит» с частотой тока, создавая волны. Эти волны, образующиеся при каждом колебании тока, распространяются с постоянной скоростью — 300 000 км/с, где длина волны обратно пропорциональна частоте.

С помощью формул можно вычислить длину волны, используя скорость распространения и частоту. Эти соотношения приводят к пониманию зависимости между длиной волны и частотой колебаний.