Тема 3.3 Электромагнитные волны

Тема 3.3
Электромагнитные волны
1. Электромагнитные волны и их свойства
2. Энергетические характеристики электромагнитной волны
3. Принципы радиосвязи
4. Принципы телевизионной связи
5. Развитие мобильной связи
1. Электромагнитные волны и их свойства
Согласно Максвеллу, всякое переменное магнитное поле возбуждает в
окружающем пространстве вихревое электрическое поле, а всякое переменное
электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое
магнитное поле. Начавшийся процесс взаимного возбуждения электрического и
магнитного полей, продолжаясь, охватывает все новые и новые области
окружающего пространства.
Таким образом, переменное магнитное поле всегда связано с
порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле
всегда связано с порождаемым им магнитным полем. Совокупность
изменяющихся электрического и магнитного полей, «сцепленных» друг с
другом, представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитное поле
может существовать не только в веществе, но и вакууме.
Электромагнитные волны - электромагнитное поле, распространяющееся
в пространстве с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.
Максвелл показал, что скорость электромагнитных волн в веществе
=
v
1
1
=
ε0µ 0 εµ
c
εµ
(1)
1
- скорость распространения света в вакууме;
ε 0µ 0
ε0 и µ 0 - соответственно электрическая и магнитная постоянная;
ε и µ - соответственно электрическая и магнитная проницаемость среды.
В вакууме ( ε = 1 и µ = 1) скорость распространения электромагнитных
волн совпадает со скоростью с. Так как в веществе εµ > 1, то скорость
распространения электромагнитных волн в веществе всегда меньше, чем в
вакууме. Для всех веществ (за исключением ферромагнетиков) магнитная
где
c=
1
проницаемость ц мало отличается от единицы ( µ ≈ 1), поэтому скорость
c
.
электромагнитной волны v =
ε
Совпадение размерного коэффициента в формуле (1) со скоростью
распространения света в вакууме указывает на глубокую связь между
электромагнитными и оптическими явлениями, позволившую Максвеллу
создать электромагнитную теорию света, согласно которой свет представляет
собой электромагнитные волны.
Электромагнитные волны впервые в 1887 г. экспериментально обнаружил
Г. Герц. Источником электромагнитных волн может быть любой электрический
колебательный контур или проводник, по которому течет переменный
электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн
необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или
соответственно переменное магнитное поле.
Излучающая способность источника определяется его формой, размерами
и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо
увеличить объем пространства, в котором создается переменное
электромагнитное поле. Поэтому для получения электромагнитных волн
непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое
поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное - внутри
катушки индуктивности.
Для увеличения мощности излучения Герц сконструировал открытый
колебательный контур (увеличил часть контура, непосредственно
излучающую электромагнитные волны).
В дальнейшем (20-е годы XX в.) перешли к возбуждению
электромагнитных волн с помощью ламповых генераторов и генераторов
незатухающих колебаний на транзисторах.
Из теории Максвелла следовало и опытным путем было доказано, что
электромагнитные
 волны являются поперечными - колебания векторов

напряженности E переменного электрического поля и индукции B
переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны (на рис. 2 приведена
моментальная «фотография» плоской электромагнитной волны) и лежат в
плоскостях, перпендикулярных
вектору скорости распространения волны v .


Векторы E , B и v образуют правовинтовую систему: направление
распространения электромагнитной волны совпадает с поступательным
движением острия винта,
который вращается по направлению кратчайшего

поворота от вектора E к вектору B .


Из рис. 2 следует, что взаимноперпендикулярные векторы E и B в
электромагнитной волне колеблются в одинаковых фазах - они одновременно
обращаются в нуль. Согласно теории Максвелла, объемные плотности энергии
электрического и магнитного полей электромагнитной волны равны: wЭ = wМ .
Тогда амплитуды энергий также равны между собой:
2
εε0 Em2
Bm2
=
2
2µ 0µ
В вакууме ε = 1, µ =1, поэтому, учитывая формулу (1), находим
Bm =
ε0µ 0 Em =
Em
c
(2)
Формула (2) - еще одно доказательство взаимосвязи магнитного и
электрического полей.
Рис. 1. Электромагнитная волна
Отметим еще раз, что электромагнитные волны могут распространяться
не только в различных средах, но и в вакууме, причем скорость
распространения электромагнитных волн в вакууме равна с = 3 ⋅ 108 м/с.
Герц экспериментально доказал, что электромагнитные волны, подобно
другим видам волн, поглощаются, отражаются и преломляются. Для них
законы отражения и преломления совпадают с законами отражения и
преломления механических волн.
Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны должны
оказывать на тела давление. Давление электромагнитных волн объясняется
тем, что под действием электрического поля волны заряженные частицы
вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны
магнитного поля волны действию сил Лоренца. Однако значение этого
давления ничтожно мало. При средней мощности солнечного излучения,
приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности
составляет примерно 5 мкПа. В исключительно тонких экспериментах, ставших
классическими, П. Н. Лебедев доказал существование светового давления на
твердые тела и газы.
3
Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном длин волн
(частот), отличаются способом их генерации, а также своими свойствами. В
табл. 1 приведена шкала электромагнитных волн - непрерывная
последовательность длин волн и частот электромагнитного излучения. Следует
отметить, что границы между ними условны.
Таблица 1
2. Энергетические характеристики электромагнитной волны
Возможность обнаружения электромагнитных волн доказывает, что они
переносят
энергию.
В
качестве
энергетической
характеристики
электромагнитной волны рассматривают поток излучения и поверхностную
плотность потока излучения.
Пусть на какую-то поверхность за время t падает излучение, энергия
которого W . Потоком излучения Ф называют физическую величину,
определяемую средней мощностью излучения за время, которое значительно
превышает период колебаний электромагнитной волны:
=
Φ
∆W
=
∆t
P
4
(3)
Таким образом, поток излучения характеризует полную энергию,
переносимую электромагнитной волной через поверхность за единицу времени.
Единица потока излучения - ватт (Вт).
Часто при измерениях важно знать не только величину потока, но и
поверхностную плотность потока излучения I - физическую величину,
определяемую потоком излучения через единицу площади поверхности,
которая расположена перпендикулярно направлению распространения волны:
=
I
Φ
=
S
P
∆W
=
S
S ∆t
(4)
Из формулы (4) следует, что поверхностная плотность энергии
определяется средней энергией, переносимой электромагнитной волной через
единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению
распространения волны, за единицу времени.
Единица поверхностной плотности потока излучения - ватт на
квадратный метр (Вт/м2).
Средняя объемная плотность энергии электромагнитного поля в вакууме (
ε = 1, µ = 1) в любой момент времени равна
ε0 E 2 B 2
=
w
+
2
2µ 0
где E и B - напряженность электрического поля и индукция магнитного поля
электромагнитной волны; ε0 и µ 0 - соответственно электрическая и магнитная
постоянная. Учитывая уравнение
=
E Em cos(ωt + ϕ) , формулу (2) , а также
известное из математики утверждение о том, что в случае гармонических
колебаний квадрат среднего значения колеблющейся величины равен половине
квадрата ее амплитуды:
E
2
Em2
,
=
2
получим
ε0 Em2
w =
= ε0 E
2
2
(5)
т. е. средняя объемная плотность энергии электромагнитной волны
пропорциональна
квадрату
напряженности
электрического
поля
электромагнитной волны.
Предположим, что через поверхность площадью S = 1м2 за время ∆t
электромагнитная волна переносит в среднем энергию, содержащуюся в
5
параллелепипеде объемом ∆V = Sc∆t (рис. 2). Энергия электромагнитного поля
внутри параллелепипеда
∆W =
где
w ∆V =
w Sc∆t
(6)
w - средняя объемная плотность энергии электромагнитной волны.
Рис. 2. К расчёту интенсивности излучения
Тогда поверхностная плотность потока излучения, согласно формулам
(4) и (6):
=
I
∆W
=
S ∆t
w c.
Отметим, что термин «поверхностная плотность потока излучения»
является синонимом терминов «интенсивность волны» или «интенсивность
излучения».
3. Принципы радиосвязи
Для осуществления радиосвязи в пункте, из которого ведется
радиопередача, размещают радиопередающее устройство, содержащее
радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в котором осуществляется
радиоприем, - радиоприемное устройство, включающее приемную антенну и
радиоприемник. Генерируемые в передатчике гармонические колебания с
несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот,
подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.
Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал.
От передатчика радиосигнал поступает в передающую антенну, посредством
которой в окружающем антенну пространстве возбуждаются модулированные
электромагнитные волны.
6
Распространяясь, радиоволны достигают приемной антенны и
возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в
радиоприемник. Принятый таким образом радиосигнал очень слаб, так как в
приемную антенну попадает лишь ничтожная часть излученной энергии.
Поэтому радиосигнал в радиоприемнике поступает в электронный усилитель,
после чего подвергается демодуляции, или детектированию. В результате
выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы
колебания с несущей частотой в радиопередатчике. Далее этот сигнал (обычно
дополнительно усиленный) преобразуется с помощью соответствующего
воспроизводящего устройства в сообщение, адекватное исходному.
Распространение радиоволн в открытом пространстве делает возможным
прием радиосигналов, передаваемых по линиям радиосвязи, лицами, для
которых они не предназначены (радиоперехват, радиоподслушивание), - в этом
состоит недостаток радиосвязи по сравнению с электросвязью по кабелям,
радиоволноводам и другим закрытым линиям. Тайна телефонных переговоров
и телеграфных сообщений, предусматриваемая соответствующими правилами и
международными соглашениями, обеспечивается в необходимых случаях
применением автоматических средств засекречивания радиосигналов
(кодирование и др.).
Попытки осуществить радиосвязь предпринимал еще Т. Эдисон в 80-е
годы XIX в. до открытия в 1887 г. электромагнитных волн Г. Герцем. Развитие
радиосвязи началось после того, как в 1895 г. А. С. Попов (а через год и Г.
Маркони) создал чувствительный приемник, вполне пригодный для
осуществления сигнализации без проводов, т.е. для радиосвязи. В том же году
состоялась первая публичная демонстрация работы радиоаппаратуры и
беспроводной передачи сигналов с ее помощью. Приемник Попова оказался
пригодным не только для радиосвязи, но и успешно применен (1895 г.) для
автоматической записи грозовых разрядов, чем было положено начало
радиометеорологии. В 1901 г. Маркони осуществил радиотелеграфную
передачу через Атлантический океан. Очевидное огромное значение
радиосвязи для военного флота и морского транспорта, а также гуманитарная
роль (при спасении людей с терпящих бедствие кораблей) стимулировали ее
развитие во всем мире. В странах Западной Европы и США радиосвязь активно
использовали в коммерческих целях.
С 1915 г. до 50-х годов в аппаратуре для радиосвязи применяли в
основном электронные лампы, затем были внедрены транзисторы и другие
полупроводниковые приборы.
Вначале для радиосвязи использовались преимущественно волны длиной
от сотен метров до десятков километров. В 1922 г. радиолюбителями было
открыто свойство коротких волн распространяться на любые расстояния
благодаря преломлению в верхних слоях атмосферы и отражению от них.
Вскоре такие волны стали основным средством осуществления дальней
радиосвязи. Для приема передаваемых сигналов, приходящих со значительных
расстояний, служат чувствительные приемники и большие, сравнительно
остронаправленные антенные сооружения, занимающие большую территорию.
7
Для ослабления радиопомех приемное оборудование размещают вне городов и
вдали от радиопередатчиков на специальных приемных радиоцентрах.
Радиопередающие устройства также группируются на передающих
радиоцентрах.
Передача на значительные расстояния достигается применением
многократной ретрансляции (приема и передачи сигналов на промежуточном
пункте) в линиях радиорелейной связи или с помощью спутников связи,
находящихся на большой высоте (« 40 тыс. км) над Землей.
Линии радиосвязи используются для передачи телефонных сообщений,
телеграмм, потоков цифровой информации и факсимиле, также и для передачи
телевизионных программ (обычно на метровых и более коротких волнах).
4. Принципы телевизионной связи
Рассмотрим принцип передачи изображений на расстояние. На
передающей станции изображение с помощью вакуумной электронно-лучевой
трубки преобразуется в последовательность электрических сигналов. Эти
сигналы модулируют вырабатываемые генератором высокой частоты
колебания. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию
на большие расстояния. В приемной телевизионной трубке (кинескопе)
производится обратное преобразование электрических сигналов в изображение.
Кинескоп - это также электронно-лучевая трубка, применяемая для
воспроизведения телевизионных изображений. В черно-белом кинескопе
электронный луч, попадая на люминесцентный экран, высвечивает строку за
строкой и кадр за кадром в соответствии с передаваемым изображением. Луч это поток электронов, которые затем собираются в тонкий электронный пучок с
помощью фокусирующего элемента. В цветном кинескопе используются три
электронных луча, каждый из которых вызывает на экране свечение
люминофора какого-либо одного типа - красного, зеленого или синего. При
наложении трех одноцветных изображений получается результирующее
цветное изображение.
Регулярное телевизионное вещание в России началось 10 марта 1939 г. В
бытовых телевизорах обычно применяют кинескопы размером экрана по
диагонали от 16 до 72 см (глубина кинескопа соизмерима с размером
диагонали). Уже выпускаются так называемые плоские кинескопы со
значительно уменьшенной глубиной.
В аналоговых, т.е. нецифровых, радиоэлектронных устройствах и
системах информация передается, обрабатывается и хранится в виде
непрерывно изменяющихся физических величин — аналоговых сигналов.
Самый распространенный вид сигнала - переменное напряжение.
Значение аналогового сигнала, т. е. переменного напряжения, в каждый
момент времени соответствует значению передаваемой физической величины яркости изображения на экране телевизора или звуковому давлению,
создаваемому громкоговорителем. Аналоговый сигнал может также иметь вид
8
переменного тока в проводниках, переменной намагниченности на магнитной
ленте, переменной глубины канавки на грампластинке.
В цифровых радиоэлектронных устройствах и системах сигналы
(переменные во времени или в пространстве напряжения, токи,
намагниченности и т.д.) преобразуются в последовательности чисел 0 и 1.
Цифровое телевидение - это новая ступень развития телевизионной
техники, обеспечивающая многие преимущества по сравнению с аналоговым
телевидением, в том числе:
• повышение качества изображения в обычных телевизионных приемниках;
• увеличение количества передаваемых телевизионных программ, так как по
стандартному телевизионному каналу оказывается возможным передавать
четыре и более программ телевидения обычной четкости или одну-две
программы телевидения высокой четкости;
• интеграция телевизионного вещания с Интернетом.
5. Развитие мобильной связи
Желание сделать связь повсеместно доступной привело к созданию и
эволюции сотовой (мобильной) связи. Первая попытка реализовать мобильную
связь была предпринята в 1946 г. в Сент-Луисе (США). Тогда был создан
простой шестиканальный приемопередатчик. Только через 24 года ученые
вновь занялись разработкой беспроводной связи. Принципы построения и
функционирования сотовой сети были четко намечены в 1975 г.
Мобильные телефоны первого поколения (размером немногим меньше
чемодана) использовали аналоговые сигналы и состояли из базы и отдельной
трубки, которую практически нельзя было носить с собой. Сейчас трудно
представить, что такое «чудо» техники массой несколько килограммов
излучало сигнал мощностью 20 - 30 Вт и имело антенну длиной 30 - 40 см.
Максимальная скорость передачи голоса составляла 9,6 Кбит/с, скорость
передачи данных - 1,9 Кбит/с (бит — единица количества информации).
Недостатки аналогового стандарта состоят в высоком уровне излучения,
чувствительности
к
интерференции
сигнала
и
низком
уровне
конфиденциальности передаваемых данных.
Новый стандарт GSM предусматривает использование цифровой сотовой
системы взамен аналоговой. Применение GSM началось в 1991 г. Скорость
передачи данных в сети повысилась от 1,9 до 14 Кбит/с, что позволило
использовать мобильный телефон, модем, факс, а впоследствии и
беспроводную связь (WAP-сервисы).
Благодаря новому стандарту появился сервис коротких сообщений SMS (обмен текстовыми сообщениями длиной до 160 символов). На основе
протокола SMS возник broadcasting — рассылка новостей или другой
информации всем абонентам сети. Дополнительную гибкость придало
использование SIM-карт (Subscriber Identity Module), что позволило привязать к
сети не сам телефонный аппарат, а небольшой модуль, содержащий
международный идентификатор пользователя мобильных услуг.
9
Увеличение количества и качества интерактивных (предполагающих
обратную связь между абонентом и поставщиком услуг) сервисов предполагает
одновременное расширение каналов связи, которые связывают пользователя со
всемирной паутиной (www). Современные технологии (при скорости передачи
данных, измеряемой мегабайтами и гигабайтами в секунду) позволяют
объединить все устройства и управлять ими централизованно. Такие сервисы,
как онлайн-вещание популярных теле- и радиоканалов, VoIP -телефония,
связывающая телефон с Интернетом, становятся все доступнее. Официальные
результаты исследований доказывают быструю динамику роста сети Интернет.
За последние 20 с лишним лет сотовая связь из примитивного средства
связи превратилась в высокоскоростную технологию, способную значительно
упростить и улучшить жизнь людей. Приход сетей четвертого поколения
можно считать новой вехой в эволюции не только сотовой связи, но и жизни
многих людей, которые приобретают новый уровень мобильности и
доступности. Бизнес становится по-настоящему контролируемым благодаря
высоким скоростям передачи данных с минимальными задержками, что
позволяет избежать промахов и предупредить критические ситуации.
Развитие индустрии сотовой связи приводит к экологическим проблемам.
В первую очередь потому, что мобильных телефонов выпускают много (более
500 млн в год), а срок службы (жизненный цикл) у них короткий (в среднем, 810 мес.). В итоге использованные мобильники тоннами отправляются на свалку,
а это требует наличия свободных территорий и решения проблем их
утилизации. Также не вполне изучен очень важный вопрос влияния цифрового
сигнала на здоровье человека.
Контрольные вопросы
1. Объясните природу электромагнитного поля; электромагнитных волн.
2. Почему при замыкании цепи электрический ток на любом ее участке
возникает практически мгновенно?
3. Какова скорость распространения электромагнитных волн?
4. Может ли электромагнитная волна распространяться в вакууме?
5. Какие характеристики электрического и магнитного полей периодически
изменяются в электромагнитной волне? Каким образом?
6. Как можно объяснить давление электромагнитных волн?
7. Назовите энергетические характеристики электромагнитных волн.
8. Какой принцип лежит в основе цифровых методов передачи информации?
9. Назовите основные преимущества цифрового телевидения.
10. В чем преимущество стандарта GSM? Когда введен этот стандарт?
11. Какое влияние на жизнь человека оказывает мобильная связь?
12. Какие экологические проблемы связаны с появлением мобильной связи?
10