Електромагнітні хвилі, їх випромінювання. Принцип сучасного радіозв’язку. Розвиток засобів зв’язку в Україні

Вивчення явища електромагнітної індукції показало, що зміна магнітного поля, в якому знаходиться провідний контур, викликає появу в цьому контурі індукційного (вихрового) електричного поля. Максвелл розвинув уявлення Фарадея про електромагнітну індукцію, довівши, що вихрове електричне поле з'являється в довільній частині простору, де існує змінне магнітне поле (незалежно від того, чи є там провідники, чи немає). А в середині 60-х років ХІХ ст. Максвелл дійшов висновку, що існує і зворотний процес: змінне електричне поле викликає появу змінного магнітного поля (вихрового). Отже, магнітне поле може створюватися не тільки електричним струмом (тобто рухомими електричними зарядами), але і змінним електричним полем (рис.5.2.15).

Сукупність нерозривно взаємопов'язаних змінних вихрових електричного і магнітного полів називають електромагнітним полем. У природі взагалі немає відокремлених одне від одного електричних і магнітних полів, а існують електромагнітні поля як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею. Максвелл показав, що швидкість поширення електромагнітної хвилі є величиною скінченною і у вакуумі дорівнює швидкості світла (тобто c ≈ 3·10⁸ м/с). Електромагнітні хвилі є поперечними, оскільки в кожній точці простору електрична напруженість , магнітна індукція і швидкість поширення цих хвиль взаємно перпендикулярні (рис.5.2.16). Із теорії Максвелла випливає, що швидкість поширення електромагнітної хвилі у речовині визначається за формулою

(5.2.7)

де c - швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі;

ε - діелектрична проникність;

μ - магнітна проникність середовища.

Із формули (5.2.7) видно, що швидкість поширення

електромагнітної хвилі в середовищі залежить від

електричних і магнітних властивостей цього середовища.

 

Із теорії Максвелла випливає, що довільний заряд, що рухається із прискоренням або коливається, випромінює електромагнітні хвилі.

Електромагнітна хвиля поширюється в діелектрику, але ще краще у вакуумі. Наявність прискорення - головна умова випромінювання електромагнітної хвилі.

У вакуумі електромагнітні хвилі досягають найбільшої швидкості - швидкості світла (c = 3·10⁸ м/с). Властивості електромагнітних хвиль найлегше вивчати, використовуючи передавач і приймач, які працюють на сантиметровому діапазоні. Випромінювання і приймання таких хвиль можна зробити спрямованими.

Для утворення інтенсивних електромагнітних хвиль необхідно створити електромагнітні коливання досить високої частоти. Коливання високої частоти, яка значно перевищує частоту промислового струму (50 Гц), можна отримати за допомогою коливального контуру, частота власних коливань якого буде тим більшою, чим менша індуктивність і ємність конденсатора:

Для отримання електромагнітних хвиль Г. Герц використав простий пристрій, який нині називають вібратором Герца. Цей пристрій є відкритим коливальним контуром.

До відкритого коливального контуру можна перейти від закритого, якщо поступово збільшувати відстань між пластинами конденсатора, одночасно зменшуючи їх площу і кількість витків у котушці. Це і є відкритий коливальний контур (рис.5.2.18). Значення ємності та індуктивності вібратора Герца малі. Тому частота коливань досить велика.

Такий пристрій, що здатний випромінювати електромагнітні хвилі, Герц назвав антеною, що в перекладі означає вуса. Електромагнітні хвилі, які випромінюються, переносять із собою енергію. Поверхню площею S, через яку електромагнітні хвилі переносять енергію, називають хвильовою поверхнею (рис.5.2.19).

Електромагнітні хвилі переносять енергію. Густина потоку випромінювання пропорційна значенню частоти в четвертому ступені:

У зв'язку з цим на антенах радіостанцій виникають коливання великих частот. Принципи радіозв'язку такі. Змінний електричний струм високої частоти, який створюють в антені передавача, викликає в просторі навколо антени електромагнітні хвилі високої частоти. Коли хвилі досягають антени приймача, вони індукують в ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач. Важливим етапом у розвитку радіозв'язку було створення 1913 року генератора незагасальних електромагнітних коливань, за допомогою якого можна здійснювати надійний і високочастотний радіотелефонний зв'язок - передачу розмови чи музики за допомогою електромагнітних хвиль.

Для передачі звуку високочастотні коливання змінюють чи модулюють за допомогою електричних коливань низької частоти (звукової частоти). Цей метод називають амплітудною модуляцією (рис.5.2.20).

	- коливання високої частоти
	- коливання звукової частоти

 

Модуляція - повільний процес змін у високочастотній системі, за якого система встигає здійснити багато високочастотних коливань до того, як амплітуда значно зміниться.

У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяють низькочастотні коливання. Такий процес перетворення сигналу називають детектуванням. Отриманий в результаті детектування сигнал відповідає тому звуковому сигналу, який діяв на мікрофонному передавачі.

Основні принципи радіозв'язку показано на рис.5.2.21.

Промодульована електромагнітна хвиля відходить від антени передавача і, досягнувши антени приймача, викликає в ній модульовані високочастотні коливання електричного струму. Приймач виділяє з них звукову частоту, і гучномовець передає звук.

Завдання будь-якого приймача - приймання потрібної промодульованої електромагнітної хвилі, виділення із множини частот тільки частоти тієї радіостанції, яку хочуть чути, виділення із цих коливань звукової частоти і відтворення її.

За допомогою передавача і приймача Герца здійснювати радіозв'язок на великі відстані неможливо через дуже низьку чутливість приймача Герца. Це пояснюється тим, що приймач Герца працює лише за рахунок енергії електромагнітної хвилі, яку він сприймає. Російський вчений О. С. Попов 1885 року продемонстрував радіоприймач, який працював за рахунок енергії вмонтованої в нього батареї. Електромагнітні хвилі, які надходять до антени, лише керують роботою приймача. Спочатку дальність зв'язку становила 250 м, з часом її вдалось збільшити до 150 км, а через декілька років зв'язок було здійснено через Атлантичний океан. Удосконаленням радіоприймачів займалась фірма, організована італійським інженером Г. Марконі.

Радіозв'язок здійснюється на довгих (10 000 - 1 000 м), середніх (1 000 - 100 м), коротких (100 - 10 м) та ультракоротких (менше 10 м) хвилях. Радіохвилі з різними довжинами хвиль по-різному поширюються біля поверхні Землі.

Довгі хвилі завдяки дифракції поширюються далеко за межі видимого горизонту. Тому радіопередачі на довгих хвилях можна приймати на великих відстанях за межами прямої видимості антени.

Середні хвилі зазнають меншої дифракції біля поверхні Землі і поширюються внаслідок дифракції на менші відстані за межі прямої видимості.

Короткі хвилі ще менш здатні до дифракції біля поверхні Землі, але їх можна прийняти в будь-якій точці на поверхні Землі. Поширення коротких радіохвиль на великі відстані від передавальної радіостанції пояснюється їх здатністю відбиватися від іоносфери, як від металевої пластинки.

Ультракороткі хвилі не відбиваються іоносферою і не огинають поверхню Землі внаслідок дифракції. Тому зв'язок на ультракоротких хвилях здійснюється тільки в межах прямої видимості антени передавача.

Ультракороткі хвилі (l < 10 м) використовують в радіолокації. Радіолокація - це виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль. В основу радіолокації покладено властивість електромагнітних хвиль відбиватися від металевих предметів або будь-яких тіл, що проводять електричний струм.

За допомогою радіохвиль передаються на відстань не тільки звукові сигнали, але і зображення предмета. Телевізійні передачі ведуться в діапазоні 50 - 230 МГц. У цьому діапазоні електромагнітні хвилі поширюються майже в межах прямої видимості. Тому будують високі антени, використовують ретранслятори у вигляді антен та штучних супутників Землі.

Значний внесок у розвиток телебачення вніс український винахідник Борис Грабовський (1901 - 1966 рр.). Уперше в світі 1928 року йому вдалося створити повністю електронізовану систему передачі на віддаль рухомого зображення.

Радіо використовується в Україні для радіотелеграфічного зв'язку з 1902. Початки радіомовлення припадають на 1924, коли у Харкові, через 4 роки після того, як почали діяти 4-кіловатні радіостанції в Москві, Ленінграді й Казані, розпочато радіопересилання через малопотужні передавачі. Перші потужні радіостанції були збудовані у Харкові й Києві 1925 Московським акціонерним товариством для широкого мовлення по радіо. Згодом постали радіостанції в Одесі, Дніпропетровську, Донецьку та інших містах. Введена у дію 1927 Харківська «РВ 4» (Радиовещательная станция 4) була четверта за потужністю в усьому СРСР. 1941 найпотужнішою довгохвильовою радіостанцією УРСР була Київська («РВ 84»), призначена також для пропагандивних пересилань за кордон.

Сьогодні на основі радіозв’язку в Україні використовують:

- Супутниковий зв'язок;

- Мобільний зв'язок;

- Супутникове телебачення;

- Wi-Fi;

- Bluetooth та ін..