Электромагнитная волна

Максвелл  был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил  до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

1.5.  Свойства  электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести наглядные  опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным  генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Гармонические колебания генератора изменяют (модулируют) в такт с колебаниями  звуковой частоты. Принятый сигнал после  преобразования (детектирования) подается на громкоговоритель.

Электромагнитные волны  излучаются рупорной антенной в направлении  оси рупора. Приемная антенна в  виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль  его оси. Общий вид установки  изображен на рисунке 11.

Рис. 11  Поглощение электромагнитных волн

Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей  слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные  диэлектрические тела. При этом наблюдается  уменьшение громкости.

Отражение электромагнитных волн

Если вместо диэлектрика  между рупорами поместить металлический  лист, то звук перестанет быть слышимым. Электромагнитные волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к металлическому листу (рис. 12). Звук исчезает, если убрать лист или повернуть его.

Рис. 12  Преломление электромагнитных волн. Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина или другого диэлектрика. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой (рис. 13). Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Рис. 13  Поперечность электромагнитных волн. Электромагнитные волны — это поперечные волны. Векторы   и   электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению ее распространения. Колебания напряженности электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определенной плоскости, а колебания вектора магнитной индукции — в плоскости, ей перпендикулярной. Волны с определенным направлением колебаний называются поляризованными. Приемный рупор принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических проволочек (рис. 14). Решетку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошному металлическому листу.

Рис. 14 Когда же вектор   перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

Интерференция электромагнитных волн. На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 15). Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Рис. 15  Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечетному числу полуволн.

Электромагнитные волны  обладают следующими свойствами: они  поглощаются, отражаются, испытывают преломление, поляризуются. Последнее свойство свидетельствует  о поперечности этих волн.

    2 Глава. Радиосвязь

2.1. Принципы  радиосвязи

Опыты Герца, описание которых появилось  в 1888 г., заинтересовали физиков всего  мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Герц скептически относился  к возможности беспроволочной телефонной связи. По его мнению, сравнительно медленные электрические колебания акустических частот не могут быть переданы на большие расстояния. Длина электромагнитных волн таких колебаний равна сотням километров.     

В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. Увеличить интенсивность излучаемых волн можно было путем повышения мощности разряда. В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер⁵ (от лат. - “когеренция” - “сцепление”). Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает (в опытах А. С. Попова со 100000 до 1000—500 Ом, т. е. в 100—200 раз). Снова вернуть прибору  большое  сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимую для осуществления беспроволочной связи, А. С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашечке, но и по когереру. С последним встряхиванием когерера аппарат был готов к приему новой волны.     

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приемную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.      

Хотя  современные радиоприемники очень мало напоминают приемник  А. С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.     

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио.     

Радиосвязь⁶ — это передача и  прием  информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот —от 3∙104 до 3∙1011 Гц.

Принципы радиосвязи:

• Модуляция.

Для осуществления радиотелефонной  связи необходимо использовать высокочастотные  колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания  высокой частоты вырабатывает генератор.

Для передачи звука эти  высокочастотные колебания изменяют, или как говорят, модулируют, с  помощью электрических колебаний  низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду  высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.

Амплитудная модуляция высокочастотных колебаний достигается специальным воздействием на генератор незатухающих колебаний. В частности, модуляцию можно осуществить, изменяя на колебательном контуре напряжение, создаваемое источником. При увеличении напряжения на контуре генератора энергия, поступающая в контур, увеличивается, а при уменьшении напряжения – уменьшается. Поэтому уменьшается и амплитуда колебаний в контуре.

Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют  частотную модуляцию – изменение  частоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Её преимуществом  является большая устойчивость по отношению  к помехам.

Модуляция – медленный  процесс. Это такие изменения  в высокочастотной колебательной  системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных  колебаний, прежде чем их амплитуда  изменится заметным образом.

• Детектирование.

В приёмнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс  преобразования сигнала называют детектированием.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с  односторонней проводимостью –  детектор. Полученный в результате детектирования сигнал соответствует  тому звуковому сигналу, который  действовал на микрофон передатчика. После  усиления колебания низкой частоты  могут быть превращены в звук.

Простейший радиоприёмник.Простейший радиоприёмник состоит из колебательного контура, связанного с антенной, и присоединённой к контуру цепи, состоящей из детектора, конденсатора и телефона:

Схема простейшего радиоприёмника:

1 – приёмная антенна

2 – колебательный контур

3 – детектор

4 – конденсатор

5 – резистор

6 – электродинамический  громкоговоритель

В колебательном контуре  радиоволной возбуждаются модулированные колебания. Катушки телефонов играют роль нагрузки. Через них течёт  ток звуковой частоты. Небольшие  пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

2.2. Радиоактивность      

Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью⁷. У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержали бы большой избыток нейтронов над числом протонов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Zи нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия. Примером такого процесса может служить * -распад радия:

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. Измерения показали, что в этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино(маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом  Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде:      

Гамма-распад. В отличие от α- и β-радиоактивности γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада. В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N (t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) и промежутку времени Δt: 

ΔN = –λN (t) Δt.

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость   изменения функции N (t) прямо пропорциональна самой функции.