Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования

Электромагнитные волны  и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования.

    Английский ученый  Джеймс Максвелл на основании  изучения экспериментальных работ  Фарадея по электричеству высказал  гипотезу о существовании в  природе особых волн, способных  распространяться в вакууме. Эти  волны Максвелл назвал электромагнитными  волнами. По представлениям Максвелла:  при любом изменении электрического  поля возникает вихревое магнитное  поле и, наоборот, при любом  изменении магнитного поля возникает  вихревое электрическое поле. Однажды  начавшийся процесс взаимного  порождения магнитного и электрического  полей должен непрерывно продолжаться  и захватывать все новые и  новые области в окружающем  пространстве (рис. 42). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

     Электрические  и магнитные поля могут существовать  не только в веществе, но и  в вакууме. Поэтому должно быть  возможным распространение электромагнитных  волн в вакууме.

     Условием возникновения  электромагнитных волн является  ускоренное движение электрических  зарядов. Так, изменение магнитного  поля происходит

     при изменении  тока в проводнике, а изменение  тока происходит при изменении  скорости зарядов, т. е. при  движении их с ускорением. Скорость  распространения электромагнитных  волн в вакууме, по расчетам  Максвелла, должна быть приблизительно  равна 300 000 км/с.

     Впервые опытным  путем получил электромагнитные  волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

     Конечно, электромагнитные  волны обладают всеми основными  свойствами волн.

     Они подчиняются  закону отражения волн: угол падения  равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

     Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

     При распространении  электромагнитной волны векторы  напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 43).

     Возможность  практического применения электромагнитных  волн для установления связи  без проводов продемонстрировал  7 мая 1895 г. русский физик А.  Попов. Этот день считается  днем рождения радио. Для осуществления  радиосвязи необходимо обеспечить  возможность излучения электромагнитных  волн. Если электромагнитные волны  возникают в контуре из катушки  и конденсатора, то переменное  магнитное поле оказывается связанным  с катушкой, а переменное электрическое  поле — сосредоточенным между  пластинами конденсатора. Такой  контур называется закрытым (рис. 44, а).

     Закрытый колебательный  контур практически не излучает  электромагнитные волны в окружающее  пространство. Если контур состоит  из катушки и двух пластин  плоского конденсатора, то под  чем большим углом развернуты  эти пластины, тем более свободно  выходит электромагнитное поле  в окружающее пространство (рис. 44, б). Предельным случаем раскрытого  колебательного контура является  удаление пластин на противоположные  концы катушки. Такая система  называется открытым колебательным  контуром (рис. 44, в). В действительности  контур состоит из катушки  и длинного провода — антенны.

     Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих  колебаний) электромагнитных колебаний  при одинаковой амплитуде колебаний  силы тока в антенне пропорциональна  четвертой степени частоты колебаний.  На частотах в десятки, сотни  и даже тысячи герц интенсивность  электромагнитных колебаний ничтожно  мала. Поэтому для осуществления  радио- и телевизионной связи  используются электромагнитные  волны с частотой от нескольких  сотен тысяч герц до сотен  мегагерц.

     При передаче  по радио речи, музыки и других  звуковых сигналов применяют  различные виды модуляции высокочастотных  (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс — детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

     С помощью  радиоволн осуществляется передача  на расстояние не только звуковых  сигналов, но и изображения предметов.  Большую роль в современном  морском флоте, авиации и космонавтике  играет радиолокация. В основе  радиолокации лежит свойство  отражения волн от проводящих  тел. (От поверхности диэлектрика  электромагнитные волны отражаются  слабо, а от поверхности металлов  почти полностью.)