Для школьников (по материалам учебной литературы).
История возникновения радио
Вспомним научные открытия, позволившие изобрести радио.
В 1873 году Максвелл, опираясь на основной закон электромагнитной индукции, полученный Фарадеем, и объединив в виде формул все открытия в области электричества и магнетизма, пришёл к выводу, что изменяющиеся электрические и магнитные поля тесно связаны друг с другом, образуя единое электромагнитное поле; что это поле распространяется в пространстве со скоростью света в виде электромагнитных волн.
Изменяющееся электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле ( об этом говорят записанные ниже первое и второе уравнения Максвелла.)
Согласно теории Максвелла электромагнитное поле распространяется от источника в виде поперечных электромагнитных волн, в которых вектор напряженности Е электрического поля и вектор напряжённости Н магнитного поля колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, одновременно достигая максимальных значений и одновременно обращаясь в нуль.
Для экспериментальной проверки теории Максвелла Герцем в 1888 году были изготовлены вибраторы и проведены на них опыты.
(Эти излучающий и приёмный вибраторы Герца явились прообразом современных передатчиков и приёмников радиоволн).
Излучающий вибратор Герца (он показан на рисунке слева) - это прямолинейный вибратор, состоящий из двух медных стержней 1 с воздушным промежутком 2 между ними (искровым промежутком):
Для возбуждения электрических колебаний в вибраторе, медные стержни 1 подсоединялись ко вторичной обмотке повышающего трансформатора, который заряжал стержни до высокой разности потенциалов - до пробивного напряжения в воздушном промежутке.
Возникающая искра замыкала стержни и в вибраторе возникали затухающие электрические колебания.
Другой такой же (незаряженный) вибратор (на рисунке показан справа), только с гораздо меньшим воздушным промежутком, Герц располагал параллельно первому вибратору на некотором расстоянии от него.
Опыты показали: когда в воздушном промежутке 2 первого вибратора проскакивали искры, в воздушном промежутке второго вибратора тоже появлялись слабые искорки, видимые в затемнённой комнате.
Это говорило о том, что когда в первом (излучающем) вибраторе появлялись электрические колебания, то они создавали электромагнитную волну. Эта волна доходила до второго (приёмного) вибратора (резонатора), возбуждая в нём такие же электрические колебания, какие были созданы в излучающем вибраторе.
Таким образом, Герц в 1888 году получил электромагнитные волны, длины которых определялись размерами вибратора, и обнаружил, что они ведут себя подобно световым волнам.
Опыты Герца, а позднее и других учёных, подтвердили теорию Максвелла, ставшую основой классической электродинамики.
Опыты Герца быстро стали известны учёным всего мира. появилась надежда использования электромагнитных волн для беспроводной радиосвязи. Учёные разных стран стали работать над изобретением передатчиков и приёмников электромагнитных волн.
Так, в 1890 году французом Бранли был создан прибор для использования его в искровом промежутке приёмного вибратора Герца (для усиления искр), названный позднее когерером. Это была стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками, которые могли в несколько сот раз увеличить свою электропроводность от высокочастотного электрического воздействия.
В 1894 году англичанин Лодж усовершенствовал метод Бранли, его прибор содержал когерер, источник тока и гальванометр и позволял регистрировать приход электромагнитной волны по показаниям гальванометра.
В свою очередь приёмное устройство Лоджа было усовершенствовано Поповым и Маркони.
В 1895 году Попов совершенствует работу когерера путём ввода в электрическую схему реле, повысив этим чувствительность прибора.
Ниже показана схема первого приёмника Попова (1896 год).
В приёмнике Попова ток, начинающий течь при прохождении электромагнитных волн через когерер, включал электрический звонок. После приёма сигнала молоточек электрического звонка встряхивал когерер, восстанавливая его высокое сопротивление.
В схеме Попова очень малая энергия приходящих электромагнитных волн используется не прямо для их приёма (например, появления искры), а используется для управления источником энергии.
В 1896 году Попов продемонстрировал свой радиотелеграф, передав без проводов первую в мире радиограмму "Генрих Герц".
Передатчиком был вибратор Герца, который приводился в действие телеграфным ключом. В приёмнике когерер включал телеграфный аппарат, который записывал сигналы азбуки Морзе на ленту. (Позднее когереры были заменены на электронные лампы).
Дальнейшее усовершенствование радиотелеграфа позволило Попову осуществить связь между кораблями в море. Таким образом, было показано. что электромагнитные волны могут быть применены для передачи сигналов через пространство.
Значительную роль в развитии радио сыграл итальянец Маркони, разработавший новые конструкции передатчиков и приёмников и продемонстрировавший их в 1896 году. В 1921 году Маркони впервые осуществил регулярную радиосвязь между Европой и Америкой.
Большую роль в развитии радио сыграл и американец Тесла. Можно было указать изобретателей радио и из других стран.
Таким образом, многие учёные мира пришли к изобретению радио почти одновременно, опираясь на достижения друг друга, но начало было положено опытами Герца.
Крупный шаг в развитии радио состоял в усовершенствовании передатчика.
Искровой промежуток был вынесен из антенны в специальный колебательный контур, который и служил источником электрических колебаний в антенне. Антенна же, связанная с этим контуром, действовала теперь только в качестве излучателя электромагнитных волн.
Чрезвычайно важным в развитии радио явилось изобретение американцем Форестом в 1906 году электронных ламп, позволивших создать источники незатухающих электрических колебаний (генераторы высокой частоты на электронных лампах). Это дало возможность полностью разрешить вопрос о передаче по радио не только телеграфных сигналов, но и звуков - речи, музыки и т. п., то есть осуществить радиотелефонную связь.
Принципы радиотелефонной связи
Как практически осуществляется радиосвязь?
В пункте, откуда ведётся передача речи, музыки, находится передатчик (радиопередатчик), а в пункте, где передача принимается, находится приёмник (радиоприёмник).
На рисунке ниже представлена схема радиосвязи, включающая в себя радиопередатчик (слева) и радиоприёмник (справа).
(Схема содержит электронные лампы, которые уже давно уступили место транзисторам, но более поздней схемы не нашлось. К тому же мы не столько будем говорить об этой конкретной схеме, сколько на её примере будем рассматривать устройство передатчиков и приёмников, принципы их работы и принципы радиосвязи).
Принципы радиосвязи заключаются в следующем.
Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне А1, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитных волн.
Достигая приёмной антенны А2, электромагнитная волна вызывает в ней ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Главной частью передатчика является генератор (на схеме выделен штриховым контуром), вырабатывающий высокочастотные электромагнитные колебаний.
Кроме генератора передатчик содержит микрофон М с небольшим повышающим трансформатором Т и излучающую антенну А1.
Приёмник состоит из приёмной антенны А2, являющейся главной частью приёмника, колебательного контура LC c конденсатором переменной ёмкости С, детектора Д, усилителя (выделен штриховым контуром) и динамика или громкоговорителя.
Если передающая антенна А1 излучает гармоническую (незатухающую синусоидальную) волну, то и возникшее в приёмной антенне А2 электрическое колебание будет гармоническим. В этом случае никакой передачи сигнала осуществить нельзя.
Для того, чтобы передать сигналы (речь, музыку) надо изменить (модулировать) высокочастотные колебания генератора в такт с электрическими колебаниями низкой (звуковой) частоты.
Если при этом меняется амплитуда высокочастотного колебания, то модуляция называется амплитудной. Мы сейчас будем рассматривать именно амплитудную модуляцию.
Поясним сказанное рисунком.
Верхняя синусоида а) показывает высокую частоту гармонических колебаний, вырабатываемых генератором передатчика (её называют несущей частотой).
Вторая синусоида б) - есть график электрических колебаний низкой (звуковой) частоты, соответствующих механическим колебаниям мембраны микрофона М. (Эту частоту называют частотой модулирующих колебаний).
Нижний график - это график модулированных по амплитуде высокочастотных колебаний.
Из нижнего графика видно, что модуляция высокочастотных колебаний колебаниями низкой частоты представляет собой медленный процесс - колебательная система успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда заметно изменится.
После осуществления процесса модуляции, на передающую антенну А1 придут не синусоидальные, а модулированные электрические колебания.
Сказанное сейчас поясняется левой частью следующего рисунка, на котором схема радиосвязи показана в виде блок-схемы.
На блок-схеме в цветах как раз представлены графики предыдущего рисунка (колебания высокой несущей частоты, колебания низкой частоты и модулированные колебания в передающей антенне).
Антенна передатчика излучает модулированную волну, а антенна приёмника её принимает.
Как осуществляется модуляция?
Под действием речи (звуковых волн), падающих на мембрану микрофона М, механические колебания мембраны преобразуются микрофоном в электрические колебания такой же частоты.
Во вторичной обмотке трансформатора Т появляется переменная эдс, т. е. на сетку лампы попадает переменное напряжение звуковой частоты. Амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в контуре посредством электронной лампы, меняется вместе с этим низкочастотным напряжением на её сетке, а следовательно, так же меняется и интенсивность модулированных радиоволн, излучаемых антенной А1.
На следующем рисунке показано как осуществляется амплитудная модуляция, если в схему передатчика включен генератор на транзисторе (вместо лампового генератора).
Здесь вторичная обмотка микрофонного трансформатора включена последовательно с источником постоянного напряжения.
Тогда высокочастотные колебания генератора будут модулироваться по амплитуде низкочастотными звуковыми колебаниями. Модуляция осуществляется изменением напряжения на колебательном контуре. Чем больше напряжение на контуре генератора, тем больше энергии поступает за период от источника в контур, что приводит к увеличению амплитуды колебаний в контуре.
На экране осциллографа, на который подано напряжение с колебательного контура, видна временная развёртка образующихся амплитудно модулированных колебаний.
Мы говорили о работе передатчика, теперь посмотрим какие процессы происходят в радиоприёмнике.
Подошедшая к антенне А2 приёмника модулированная электромагнитная волна вызывает появление в ней соответствующих модулированных электрических колебаний.
Колебания в антенне передаются через индуктивную связь колебательному контур LC (резонансному контуру), который конденсатором переменной ёмкости С настраивается в резонанс с частотой принимаемого сигнала.
Задача приёмника заключается в восстановлении низкочастотных модулирующих сигналов из высокочастотных модулированных колебаний. Для этого используются детекторы. В схеме детектор представлен в виде полупроводникового диода.
Благодаря неодинаковому сопротивлению детектора для двух направлений текущего через него переменного тока, форма (осциллограмма) переменного тока, текущего через детектор, отличается от формы подведённого к нему напряжения (см. левую часть приведённого ниже рисунка.
В то время как колебания напряжения имеют одинаковую амплитуду в обе стороны от нуля ( см. график а) левой части рисунка), колебания тока "подрезаны" с той стороны, в которую детектор проводит хуже (см. график б) левой части рисунка).
Но такой несимметричный переменный ток можно представить как сумму постоянного тока (кривая 1 графика в) левой части рисунка) и симметричного переменного тока (кривая 2).
Таким образом, если подвести к детектору синусоидальное высокочастотное напряжение, то через детектор, кроме переменного тока высокой частоты, будет течь ещё и постоянный ток.
Допустим теперь, что амплитуда высокочастотного напряжения, подводимого к детектору, не постоянна, а модулирована - изменяется с низкой частотой (график а) правой части рисунка).
В детекторе получится несимметричный ток, причём тоже модулированный (график б) правой части рисунка).
Если подобно предыдущему разложить такой ток, выделив из него симметричное высокочастотное колебание (кривая 2 рисунка в) справа), то вторым слагаемым будет уже не постоянный ток, а ток, меняющийся с низкой частотой - частотой модуляции (кривая 1).
Если последовательно с детектором включить телефон, то этот ток низкой (звуковой) частоты заставит колебаться мембрану телефона и будет нами услышан.
Такая простая комбинация детектора с телефоном применялась в так называемом детекторном приёмнике, которым широко пользовались до появления приёмников с электронными лампами. Ниже приведена схема детекторного радиоприёмника.
Детекторный приёмник работает используя непосредственно ту энергию, которую улавливает приёмная антенна.
Детектор с телефоном присоединяется к резонансному колебательному контуру, причём телефон шунтируется конденсатором, через который легко проходит высокочастотная часть детекторного тока (чем выше частота переменного тока, тем легче пропускает его через себя конденсатор).
Достоинством детекторного приёмника по сравнению с ламповыми является полное отсутствие источников питания, но отсюда же проистекает его основной недостаток, из-за которого он был вытеснен ламповыми приёмниками, - малая чувствительность.
Вернёмся к схеме радиосвязи.
Здесь детектор Д выпрямляет высокочастотные колебания. Электрический фильтр отфильтровывает колебания звуковой частоты, которые затем подаются на сетку лампового усилителя (на схеме выделен штриховым контуром).
Репродуктор Р или телефон воспроизводят принятый сигнал.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Открытый колебательный контур (антенна). Экспериментальные подтверждения теории Максвелла.
Следующая запись:Распространение радиоволн.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .