Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 35. Використання електромагнітних хвиль

Електромагнітні хвилі в природі й техніці. Людство сьогодні живе у «хвильовому просторі» (мал. 150). Із часів існування життя на Землі всі організми перебувають під впливом природного електромагнітного випромінювання, джерелами якого є космічні об’єкти: зорі, пульсари, туманності. З розвитком техніки й технологій, крім природних джерел, у великому обсязі з’являються штучні, які випромінюють електромагнітні хвилі різних діапазонів.

Мал. 150. Природні та штучні джерела електромагнітного випромінювання

Життя сучасного суспільства неможливе без постійного обміну інформацією. Радіо, телебачення та стільниковий зв’язок відіграють у цьому неабияку роль. Створення й модернізація сучасних інформаційних засобів стали можливими завдяки тому, що можна задавати відповідні параметри електричного сигналу, кодувати його, посилювати, передавати.

Низькочастотні електромагнітні хвилі, що утворюються під час роботи різних електротехнічних пристроїв, які живляться змінним струмом низької частоти, мають низьку енергію і не придатні для передачі інформації в атмосфері на великі відстані. Саме тому невдача спіткала багатьох відомих дослідників і винахідників, які намагалися передавати інформацію за допомогою електромагнітних хвиль низької частоти. Придатними для цього є радіохвилі з довжиною в діапазоні від 0,1 мм до 10 км і частотою 3 • 104 - 3 • 1012 Гц. Увесь радіодіапазон електромагнітних хвиль поділяють на: довгі, середні, короткі, ультракороткі.

Проте сама електромагнітна хвиля зі сталими параметрами, поширюючись у просторі, може нести інформацію лише про свою наявність. Для передавання різноманітної інформації за допомогою електромагнітних хвиль застосовують різні способи кодування сигналу. Варто зазначити, що зі збільшенням частоти кількість інформації, що може нести хвиля, збільшується, тому збільшення несучої частоти в сучасному світі є закономірним. Але поширення довгих і коротких хвиль залежить від погодних умов. Що є дійсно їхньою перевагою — вони можуть поширюватися поза прямою видимістю. Ультракороткі хвилі набули широкого використання для роботи радіостанцій, мобільних телефонів, Wi-Fi, Wi-Max, 3G і т. п. Але такі хвилі обмежені прямою видимістю, і максимальна відстань передачі залежить від відстані до горизонту та висоти антени.

Дослідження Нікола Тесли, Гульєльмо Марконі, Олександра Степановича Попова підвели до винайдення радіозв’язку. Основний принцип радіозв’язку побудовано на використанні передавача і приймачів кодованого сигналу. Залежно від способу кодування розрізняють аналоговий і цифровий зв’язок. Аналоговий полягає в тому, що сигнал у передавачі модулюється — накладаються низькочастотні (звукові сигнали) на несучу радіохвилю, а в приймачі демодулюється — «виокремлюються» звукові хвилі з радіохвилі. Нині повсюди використовують цифровий зв’язок, зокрема й для передачі аналогових сигналів, які спочатку оцифровуються. Сучасні системи цифрового зв’язку використовують кабельні (з-поміж них волоконно-оптичні), супутникові, радіорелейні й інші засоби та способи передачі сигналу.

Принцип радіозв’язку. Під час радіотелефонного зв’язку коливання тиску повітря у звуковій хвилі за допомогою мікрофона перетворюються на електричні коливання тієї самої форми. Отримані коливання є низькочастотними і практично не випромінюються, тому їх використовують для модулювання хвиль високої частоти. Будь-який з параметрів електромагнітної хвилі — частоту, амплітуду, фазу — можна використовувати для кодування інформації (модуляції). Найчастіше використовують амплітудну модуляцію — за якої амплітуда високочастотних електромагнітних коливань змінюється за законом електричних коливань низької частоти. Утворений змінний струм високої частоти підсилюється і збуджує в передавальній антені електромагнітні хвилі, які поширюються до приймальної антени (мал. 151).

Мал. 151. Схема радіопередавача: 1 — мікрофон, 2 — генератор високої частоти, 3 — підсилювач звукової частоти, 4 — підсилювач високої частоти, 5 — модулятор, 6 — підсилювач модульованих коливань, 7 — передавальна антена

Отримані приймальною антеною хвилі збуджують у ній змінний струм тієї само частоти, на якій працює передавач. Отриманий сигнал підсилюють, потім демодулюють — виділяють низькочастотні коливання з високочастотних (мал. 152). Цей процес здійснюють за допомогою детектора, тому його ще називають детектуванням.

Мал. 152. Схема радіоприймача: 1 — антена, 2 — коливальний контур, 3 — підсилювач високої частоти, 4 — демодулятор, 5 — підсилювач звукової частоти, 6 — гучномовець

Головною частиною кожного радіоприймача є антена, з’єднана з коливальним контуром. За умов, коли одночасно працює багато радіостанцій, на антену діють хвилі різних довжин і частот. В антені та зв’язаному з нею коливальному контурі збуджуються складні електромагнітні коливання. Якщо частота одного з них дорівнює частоті власних коливань контура, то їх амплітуда різко зростає завдяки резонансу. У найпростішому радіоприймачеві для настроювання на частоту потрібної станції його контур обладнують конденсатором змінної ємності або котушкою, індуктивність якої можна змінювати. У сучасних приймачах для настроювання коливального контура застосовують спеціальні електронні пристрої.

Радіозв’язок має тривалу історію розвитку, що охоплює понад 100 років. Перші придатні для практичного застосування радіопередавачі та приймачі майже одночасно побудували російський інженер Олександр Степанович Попов та італійський винахідник і промисловець Гульєльмо Марконі (1895).

Одним з найуспішніших та дуже динамічних за розвитком типів радіозв’язку є мобільний телефонний зв’язок. Уперше мобільний телефонний радіозв’язок використала в 1921 р. поліція Дейтройта (США). Це був односторонній диспетчерський зв’язок у діапазоні 2 МГц для передавання інформації від центрального передавача до приймачів, встановлених на автомобілях. У 1957 р. московський інженер Леонід Іванович Куприянович розробив переносний радіотелефон і базову станцію для нього. Такий телефон мав масу близько трьох кілограмів, радіус його дії був 20-30 км. У 1978 р. в Чикаго розпочалось випробовування першої системи стільникового зв’язку на 2 тис. абонентів.

Мобільний телефонний зв’язок сьогодні — це звичайний і необхідний засіб комунікації. Основою для його здійснення слугує мобільний телефон і система базових станцій. Базові станції розташовують так, що зона їхньої дії (покриття) поділяється на зони, які частково перекриваються й утворюють єдину мережу. Поверхня зон покриття станцій (на рівній поверхні) нагадує за формою бджолині комірки, тому телефонний зв’язок називають ще стільниковим.

Здійснюючи виклик, абонент за допомогою мобільного телефону через радіоканал з’єднується з базовою станцією. Якщо цьому абонентові дозволено користуватися послугами мобільного зв’язку, то через мережу базових станцій встановлюється зв’язок з визначеним кінцевим абонентом. Роботу мобільного зв’язку забезпечує розвинута мережа базових станцій (фіксованих антен), які передають інформацію на комутаційні центри за допомогою радіочастотних сигналів (РЧ-сигнали). У світі на сьогодні експлуатується близько 1,4 мільйона базових станцій, понад 20 000 з них розташовані в Україні. Задля підвищення якості мобільного зв’язку оператори збільшують кількість базових станцій і постійно здійснюють їх переоснащення відповідно до найновітніших технологічних розробок галузі.

Стільникові мережі різних операторів з’єднані між собою та зі стаціонарною кабельною телефонною мережею.

Радіохвилі використовують для передавання не тільки звукового сигналу, а й зображень (телебачення). Принцип передавання зображення подібний до принципу радіозв’язку.

Особливо бурхливим став розвиток засобів телекомунікації з використанням супутникового зв’язку та цифрового формату запису інформації.

Супутниковий зв’язок. Уперше для передачі телевізійного зображення супутник використали під час Олімпійських ігор в Токіо 1964 р. Спершу супутники використовували для передавання телевізійного зображення та телефонії між материками. Нині супутники передають сигнал безпосередньо в наш дім через операторів кабельних мереж або наземні станції. У наш час супутниковий зв’язок добре розвинений, ефективний та надійний вид зв’язку.

Телекомунікаційний супутник складається з несучої платформи та корисного навантаження. Корисне навантаження складається з певної кількості транспондерів (радіоприймачі та передавачі), що приймають та ретранслюють сигнал. Супутники, що використовуються для ретрансляції телевізійних і широкосмугових сигналів, перебувають на висоті 36 000 км над екватором. (Для порівняння: відстань від Землі до Місяця становить 370 000 км.) На цій висоті супутник облітає Землю по орбіті за 24 год. Це означає, що відносно поверхні Землі його положення є незмінним. Тому такі супутники називають геостаціонарними.

Інформація (наприклад, телепрограми) посилається на супутник з наземної передавальної станції. На супутнику сигнал підсилюється і передається передплатникам. Для прийому супутникового сигналу необхідна параболічна антена («тарілка»). Супутники використовуються для здійснення різноманітних способів доставки сигналу, хоча користувачі іноді про це навіть не здогадуються. Наприклад, мережі кабельного телебачення часто приймають сигнал від супутника і вже після цього передають його своїм глядачам через мережу. Для передачі в прямому ефірі спортивних заходів, новин тощо зображення передається через супутник до телестудії, після чого програма передається через наземні мережі або знову ж таки через супутник. Як наслідок, глядач приймає сигнал на стандартну антену (у випадку наземної мережі), на тарілку (у випадку супутника) або через кабель (тут сигнал може бути як супутниковим, так і наземним).

На сьогодні бурхливий розвиток засобів телекомунікації (мобільний Інтернет, мобільне телебачення) надає можливість для бездротового передавання й отримання будь-якого виду інформації.

Одним з видів послуг, що здійснюється через супутники, є навігація. GPS — глобальна система позиціонування — американська система військового призначення, відкрита для користування приватними особами. GPS використовується для морської навігації та визначення місцеположення об’єктів, наприклад, транспортних засобів. Таксомоторні компанії використовують GPS для керування рухом парку своїх машин. На сьогодні багато таксомоторних компаній використовують послуги GPS, що дає змогу таксистам завантажувати карту місцевості безпосередньо в бортовий комп’ютер, задаючи адреси місця призначення.

На деяких автобусних маршрутах надається цифрова інформація у вигляді сигналу про кількість хвилин до прибуття автобуса на певну зупинку. Ця система також використовує GPS. Європейський аналог — система Galileo, розроблена ESA (Європейським космічним агентством).

Це далеко не весь перелік засобів і можливостей безпровідного зв’язку. Зі збільшенням кількості мобільних користувачів виникає гостра потреба в оперативному забезпеченні комунікацій між ними, в обміні даними, у швидкому одержанні інформації. Тому природним чином відбувається інтенсивний розвиток технологій безпровідних комунікацій.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Назвіть відомі вам властивості електромагнітних хвиль. 2. Чому для передавання радіосигналів потрібно використовувати високочастотні електромагнітні хвилі?

Приклади розв’язування задач

Задача 1. Радіолокатор працює на довжині хвилі 20 см і дає 5000 імпульсів за секунду, причому тривалість кожного імпульсу — 0,02 мкс. Скільки коливань міститься в одному імпульсі та яка найбільша глибина розвідки локатора?

Задача 2. Визначте довжину електромагнітної хвилі у вакуумі, на яку налаштований коливальний контур, якщо максимальний заряд конденсатора дорівнює 2 • 10-8 Кл, а максимальна сила струму в контурі — 1 А. Чому дорівнює ємність конденсатора, якщо індуктивність контура 2 • 10-7 Гн? Чoмy доpiвнює eнepгiя електричного поля конденсатора в момент, коли енергія магнітного поля становить 3/4 від її максимального значення? Визначте напругу на конденсаторі в цей момент. Активним опором контура знехтуйте.

Вправа 21

  • 1. Радіоприймач можна настроювати на прийом радіохвиль від 25 до 2000 м. Що треба зробити для прийому довших хвиль — зближувати чи розсувати пластини конденсатора коливального контура?
  • 2. Передавач випромінює електромагнітну хвилю (% = 300 м). Скільки електромагнітних коливань відбувається протягом одного періоду звукових коливань із частотою 500 Гц?
  • 3. Коливальний контур радіоприймача настроєно на частоту 6 МГц. У скільки разів треба змінити ємність конденсатора контура, щоб налаштуватися на довжину хвилі 150 м?
  • 4. Антена корабельного радіолокатора розташована на висоті 25 м над рівнем моря. На якій максимальній відстані радіолокатор може виявити рятувальний пліт? З якою частотою можуть до того ж випускатися імпульси?
  • 5. Радіолокатор працює на хвилі 5 см і випускає імпульси тривалістю 1,5 мкс. Скільки коливань міститься в кожному імпульсі? Яка мінімальна дальність виявлення цілі?

Виконуємо навчальні проекти

  • Як пов'язані електромагнітні хвилі й технологічна революція? Що таке індустрія 4.0? Суспільство 5.0?
  • Можливості бездротового зв'язку.
  • Як далеко можна «бачити» за допомогою електромагнітних хвиль?

Перевірте себе (§ 21-35)

1. Як зміниться період власних електромагнітних коливань у контурі, зображеному на малюнку, якщо ключ К перевести з положення 1 у положення 2?

  • А) збільшиться в 3 рази
  • Б) зменшиться в 3 рази
  • В) збільшиться в 9 разів
  • Г) зменшиться в 9 разів

2. Зміна заряду конденсатора в коливальному контурі здійснюється за законом q = 10-5cos (50,24 • 106)t. Визначте максимальний заряд конденсатора та частоту електромагнітних коливань у контурі.

  • А) 10 мкКл, 8 МГц
  • Б) 8 мкКл, 10 МГц
  • В) 10 нКл, 8 мГц
  • Г) 10 мкКл, 50 МГц

3. Яке з названих нижче явищ, характерних для електромагнітних хвиль, не є загальною властивістю хвиль будь-якої природи?

  • А) поляризація
  • Б) заломлення
  • В) дифракція
  • Г) інтерференція

4. Укажіть параметри електромагнітної хвилі, які змінюються під час переходу хвилі з повітря у скло.

  • А) швидкість і довжина хвилі
  • Б) частота і швидкість
  • В) довжина хвилі та частота
  • Г) амплітуда й частота

5. Визначте швидкість зміни сили струму в обмотці електромагніту індуктивністю 4 Гн, якщо в ній збуджується ЕРС самоіндукції 100 В.

  • А) 25 А/с
  • Б) 400 А/с
  • В) 2,5 А/с
  • Г) 40 А/с

6. У коло змінного струму ввімкнуто котушку індуктивністю 20 мГн і конденсатор ємністю 50 мкФ. За якої частоти змінного струму виникне явище резонансу?

  • А) 159 кГц
  • Б) 159 Гц
  • В) 0,159 Гц
  • Г) 1,59 кГц

7. У коливальному контурі, що складається з котушки індуктивністю 2 Гн та конденсатора ємністю 1,5 мкФ, максимальне значення заряду на пластинах 2 мкКл. Визначте значення сили струму в контурі в той момент, коли заряд на пластинах конденсатора досягне значення 1 мкКл.

8. Рамка рівномірно обертається в однорідному магнітному полі. Водночас магнітний потік, що пронизує рамку, змінюється за законом Ф = 3 • 10-2cos 157t. Запишіть рівняння зміни ЕРС індукції, що виникає в рамці. Визначте максимальне та діюче значення ЕРС, період і частоту струму.

9. У раз підключення конденсатора до мережі змінного струму з напругою 220 В і частотою 50 Гц у ділянці кола протікає струм 0,14 А. Визначте ємність конденсатора. Вважайте активний опір утвореної ділянці мізерно малим.

10. Трансформатор, ККД якого 75 %, споживає потужність 90 Вт. Визначте силу струму у вторинній обмотці, якщо напруга на її затискачах — 12 В.