Свойства и применение электромагнитиных волн

Англ. физик Джеймс Клерк Максвелл в 19 веке разработал теорию электромагнитного поля и предсказал существование электромагнитных волн. Джеймс Максвелл

Фотография электромагнитной волны 1.В электромагнитной волне колеблются напряженность электрического поля E и индукция магнитного поля B. Колебания векторов E и B происходят перпендикулярно направлению распространения волны, то есть электро- магнитные волны являются поперечными волнами

2. В отличие от механических электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме. Скорость электромагнитных волн в вакууме равна с = км в секунду При переходе из одной среды в другую среду скорость и длина волны изменяются, частота не изменяется. 3. Источником электромагнитных волн является переменный ток, то есть электрические заряды,двигающиеся с ускорением или колеблющиеся электрические заряды. 4. Мощность излучения электромагнитных волн прямо пропорциональна частоте переменного тока в четвертой степени.

Генрих Герц Открыл экспериментально электромагнитные волны, подтвердив гипотезу Максвелла об их существование. Он измерил длины этих волн, определил скорость и наблюдал их отражение от проводников.

Генрих Рудольф Герц ( ) родился в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, любил все предметы, писал стихи и увлекался работой на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье. В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а через год в Мюнхенское высшее техническое училище, но после второго года обучения понимает, что ошибся в выборе профессии. Его призвание - не инженерное дело, а наука. Он поступает в Берлинский университет, где его наставниками оказываются физики Гельмгольц ( ) и Кирхгофф ( ). В 1880 году Герц досрочно оканчивает университет, получив степень доктора. С 1885 года он профессор экспериментальной физики политехнического института в Карлсруэ, где и были проведены его знаменитые опыты. В 1932 году в СССР, а в 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссия была принята единица частоты периодического процесса "герц", вошедшая затем в международную систему единиц СИ. 1 герц равен одному полному колебанию за одну секунду. По мнению современника Герца, физика Дж. Томсона ( ), работы Герца представляют собой изумительный триумф экспериментального мастерства, изобретательности и вместе с тем образец осторожности в выводе заключений. Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему мальчишку Герца токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил: - Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь

Опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн ( 1887 год ) Вибратор Герца Резонатор Герца

Имена ученых, внесших свой вклад в развитие радиоcвязи Александр Степанович Попов – русский(изобрел первый в мире радиоприемник) Никола Тесла – серб Эдуард Бранли – француз Гульельмо Маркони –итальянец Генрих Герц – немец Эдвин Армстронг- американец

Александр Степанович Попов родился 4 марта 1859 года на Урале в посёлке Турьинские Рудники Верхотурского уезда Пермской губернии. УралеТурьинские Рудники. В 10-летнем возрасте Александр Попов был отправлен в Далматовское духовное училище, где учился с 1869 по 1871 годы. В 1871 году Александр Попов перевёлся в Екатеринбургское духовное училище. В 1873 году он перевёлся в Пермскую духовную семинарию. После окончания общеобразовательных классов Пермской духовной семинарии (1877 год) Александр успешно сдал вступительные экзамены на физико-математический факультет Петербургского университета. Годы учения в университете не были для Попова лёгкими. Средств не хватало, и он вынужден был подрабатывать электромонтёром в конторе «Электротехник». В эти годы окончательно сформировались научные взгляды Попова: его особенно привлекали проблемы новейшей физики и электротехники. Далматовскоедуховное училище Екатеринбургское1873 годуПермскую духовную семинариюфизико-математический факультет Петербургского университета Успешно окончив университет в 1882 году, А. С. Попов получил приглашение остаться там для подготовки к профессорской деятельности по кафедре физики. Но молодого учёного больше привлекали экспериментальные исследования в области электричества, и он поступил преподавателем физики, математики и электротехники в Минный офицерский класс в Кронштадте, где имелся хорошо оборудованный физический кабинет. В 1890 году получил приглашение на должность преподавателя физики в Техническое училище Морского ведомства в Кронштадте. В этот период всё своё свободное время Попов посвящает физическим опытам, главным образом, изучению электромагнитных колебаний.1882 годуфизикиматематикиэлектротехники Минный офицерский классКронштадте1890 годуТехническое училище Морского ведомства электромагнитных колебаний

Французский ученый Эдуард Бранли Когерер 1891г.

когерер Внешний вид когерера

Схема радиоприемника Радиоприемник А.С.Попова хранится в Центральном музее связи в Ленинграде

7 мая – день РАДИО 7 мая 1895 года на заседании Русского физико- химического общества в Петербурге Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося первым в мире радиоприемником

24 марта 1896 г. Попов, включив в цепь реле приемника аппарат Морзе, передал первую в мире радиограмму с записью на телеграфную ленту. Это произошло на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества. Приемная установка размещалась в физическом кабинете Петербургского университета, а отправительная станция в здании химической лаборатории на расстоянии 250 м. Знаки азбуки Морзе, передаваемые помощником Попова П. Н. Рыбкиным, «были ясно слышны», а председатель РФХО профессор Ф. Ф. Петрушевский записывал их мелом на доске. Вскоре все присутствовавшие увидели два слова – Heinrich Herz, а Александру Степановичу была устроена овация. К сожалению, Попов не имел необходимых средств для развертывания исследований в области совершенствования радиосвязи. Свои многочисленные научные работы он сочетал с педагогической и общественной деятельностью, был вынужден подрабатывать даже во время летнего отпуска. Почти десятилетие (с 1889 по 1898 г.) он заведовал электрической станцией на Нижегородской ярмарке. Кроме того, активно занимался общественной деятельностью.

В июне 1896 г. итальянец Г. Маркони запатентовал в Англии изобретение, повторявшее схему ранее обнародованного в публикации Попова устройства. Этот факт побудил русского ученого выступить со специальными заявлениями о своем приоритете в отечественной и зарубежной печати. Заслуги Попова в изобретении радио были отмечены присуждением ему золотой медали на Парижском Электротехническом Конгрессе в 1900 г. К лету 1897 г. в результате многочисленных опытов была решена задача увеличения расстояния передач, на средства Морского министерства изготовлены новые приборы и достигнута дальность связи до 5 км. Опыты радиосвязи, как имевшие военное значение, не предавались огласке, но подмеченное в ходе их явление отражения радиоволн от предметов (в частности, кораблей) легло в основу радиолокации. В гг. А. С. Попов продолжает экспериментальные работы на Балтийском и Черном морях, в ходе которых разрабатывает устройство для приема телеграфных сигналов на слух. В 1900 г. устанавливается радиосвязь уже на 50 км, после чего Морское министерство вводит беспроволочный телеграф на судах флота.

«Я русский человек и все свои знания имею право отдать только моей родине». А.С.Попов

1913 год-изобретение лампового генератора Незатухающие электромагнитные высокой частоты колебания позволили осуществить радиотелефонную связь-передавать музыку и речь.

Схема радиопередающего устройства Переменный ток высокой частоты Переменный ток низкой частоты Модулированный переменный ток

Модулирование

Схема приемного устройства

Детекторный радиоприемник

В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.

Длинные волны (ДВ) ν = кГц (λ = м)Длинные волны Средние волны (СВ) ν = кГц (λ = м)Средние волны Короткие волны (КВ) ν= 330 МГц (λ = м)Короткие волны Ультракороткие волны (УКВ) ν = 30 МГц 300 МГц (λ = 101 м)Ультракороткие волны Высокие частоты (ВЧ сантиметровый диапазон) ν= 300 МГц 3 ГГц (λ = 10,1 м) Крайне высокие частоты (КВЧ миллиметровый диапазон) ν = 3 ГГц 30 ГГц (λ = 0,10,01 м) Гипервысокие частоты (ГВЧ микрометровый диапазон) ν = 30 ГГц 300 ГГц (λ = 0,010,001 м)

Способы распространения различных радиоволн

Применение ультракоротких волн

Радиорелейная связь – радио и телевизионная связь по прямой линии, образованной цепочкой приемо-передающих радиостанций -ретрансляторов. Антенны ретрансляторов устанавливают на мачтах высотой м на расстоянии км. друг от друга. Ретрансляторы принимают сигналы принимают сигналы радио и телевизионных станций,усиливают их и отправляют дальше по цепочке

Мачта радиорелейной станции

Спу́тниковая свя́зь один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. радиосвязи искусственных спутников земли ретрансляторов Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора (спутника ) на очень большую высоту (от сотен до десятков тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает в большинстве случаев достаточно и одного.радиорелейной связи

Спутниковые ретрансляторы В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала металлическую сферу с металлическим напылением, не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованны электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.демодуляциюмодулирует

Спутник связи

Спутниковая антенна

Космическая связь

Основные составляющие сотовой сети это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Если телефон выходит из поля действия базовой станции или качество радиосигнала ухудшается, он налаживает связь с другой станцией. сотовые телефоны Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие. Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные. Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это стоит намного дороже.роуминга Сотовая связь

Антенна базовой станции сотовой связи

Радиолокация Обнаружение и определение местоположения различных объектов с помощью радиоволн.

Телевидение

Иконоскоп Зворыкина

Современный иконоскоп представляет собой видеокамеру с двумя объективами и двумя каналами для 3D видеозаписи. Расстояние между оптическими осями объективов составляет 91,5 мм. Изображение каждого канала имеет разрешение 1920х1080 с глубиной цвета 12 бит. Частота кадров 25 или 30. Общий вес с аккумулятором и блоком памяти составляет 2,8 кг.

15 апреля 1932 года Ленинградский завод «Коминтерн» приступил к выработке первых 20 советских телевизоров. Это было очень важное сообщение до тех пор в нашей стране имелись только самодельные телевизоры, изготовленные в лабораториях или просто кустарно. В годах промышленность выпустила более 3 тысяч механических телевизоров марки «Б-2» с размером экрана 3x4см. Телевизор подключался к радиовещательному приемнику вместо громкоговорителя.

Телевизионная передающая станция

Эфирное телевидение На сегодняшний день эфирное или наземное телевидение остается самым распространенным средством доставки зрителям вещательных программ. Сигналы изображения и звука излучаются передающими антеннами телецентров каждый на своей радиочастоте, называемой сигналом несущей изображения и звука соответственно. Эти сигналы мы и принимаем на свои телевизоры с помощью телеантенны.

Спутниковое телевидение Спутниковое телевидение, или сокращенно СТВ, является на сегодняшний день самым динамично развивающимся способом передачи телевизионных сигналов на большие расстояния. Идея, положенная в основу СТВ проста: чем выше мы расположим передающую антенну, тем с большего расстояния и на большей площади можно принять излучаемый сигнал. Теоретически, спутник, находящийся на высоте около км может охватить своим сигналом территорию приблизительно с радиусом 9000 км. После запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году появилась возможность воплотить теорию в жизнь.

Мобильное телевидение

В основе аналогового телевидения, которое мы смотрим сегодня, лежит аналоговая система, разработанная более 50 лет назад. В этой связи вполне вероятно, что Ваш телевизор был разработан для приёма только аналоговых сигналов. Вы можете принимать и просматривать цифровые передачи на Вашем аналоговом телевизоре с помощью цифро-аналогового преобразователя, однако, качество будет ограничено возможностями аналогового телевизора. Сигнал цифрового телевидения может передаваться при помощи кабельных, спутниковых или эфирных технологий. Главные преимущества цифрового телевидения - это высокое качество изображения и звука. К основным недостаткам аналогового телевидения можно отнести мерцание экрана, "двойное" изображение и "смазывание" картинки. В цифровых телевизорах данные недостатки отсутствуют, так как сигналы принимаются в цифровом виде, то есть, в виде нулей и единиц. При этом изображение строится с использованием 1080 линий вместо 525, что дополнительно улучшает качество картинки. Широкая полоса пропускания новейших цифровых телевизионных систем обеспечивает весь спектр программ и услуг передачи данных для вашего дома. Например, широкополосное цифровое вещание позволяет одновременно принимать и показывать, по крайней мере, четыре телепередачи стандартной чёткости и такую информацию как новости, биржевые сводки, сообщения электронной почты и другие данные. В ближайшем будущем, цифровое телевидение станет информационным ресурсом, несущим большее количество телепередач и другой информации в многочисленных окнах на экране ваших телевизоров.

Цифровое телерадиовещание в России массово начнет разворачиваться с юго-востока страны и должно начать работать с 2015 года. Затем цифровой формат вещания будет развернут на южных территориях и на Кавказе, в третью очередь - в наиболее населенных территориях, на четвертой стадии - во всех территориях постоянного проживания. До 2015 года на все меры по реализации цифрового вещания будет израсходовано 127 млрд руб, из них 80 млрд руб будут привлечены из федерального бюджета год признан Международным союзом электросвязи последним годом существования аналогового вещания.

Наблюдения в радиодиапазоне электромагнитных волн существенно дополняют наблюдения небесных тел в оптическом и др., более коротковолновых, диапазонах (в т. ч. в рентгеновском). Уже в 19 в. были высказаны предположения о существовании радиоизлучения Солнца и предприняты попытки зарегистрировать его. Однако чувствительность применяемых приёмников радиации оказалась для этого совершенно недостаточной. Лишь в 1931 К. Янский (США) на волне 14,6 м случайно обнаружил ощутимое радиоизлучение Млечного Пути. В 1942 было обнаружено радиоизлучение спокойного Солнца, в 1945 Луны, в 1946 был открыт первый « дискретный » (т. е. малого размера) источник радиоизлучения в созвездии Лебедя. Его физическая природа оставалась неизвестной вплоть до 1954, когда на месте этого радиоисточника наконец удалось увидеть в оптическом диапазоне удалённую Галактику. В 60-х гг. 20 в. результаты радиоастрономических наблюдений нашли широкое применение в изучении физических явлений, происходящих в небесных объектах. Радиоастрономия

Радиотелескоп

В феврале 1942 года военные локаторы на юге Англии внезапно вышли из строя из-за очень сильной помехи. У военных возникло опасение, что немцы применили новую систему подавления локаторов. Однако после изучения сообщения о помехах пришели к выводу, что нарушение связи произошло в результате влияния сильного солнечного радиоизлучения, связанного с наличием большого пятна на диске Солнца. Солнечное радиоизлучение принято делить на две составляющих: 1)излучение спокойного Солнца 2)излучение возмущенного Солнца, добавляющееся к первой составляющей в периоды солнечной активности В свою очередь, излучение возмущенного Солнца состоит из 1) медленно меняющейся компоненты (на масштабах времени дни, недели, месяцы) 2)быстро меняющейся компоненты (секунды, минуты)

Радиоизоброжение Солнца