Плоскость поляризации электромагнитной волны – плоскость, проходящая через направление колебаний вектора напряженности электрического поля и направление распространения волны

Фронт электромагнитной волны – поверхность постоянной фазы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Плотность потока энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения, проходящая сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны.

Интенсивность электромагнитной волны – среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны.

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля:

I ~ E02

Интенсивность излучения точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:

I ~ 1/r2

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени ее частоты:

I ~ v4

Спектр электромагнитных волн условно делят на восемь диапазонов частоты (длины волн):

- волны звуковой частоты

- радиоволны

- СВЧ (микроволновое) излучение

- инфракрасное (ИК) излучение

- видимый свет

- ультрафиолетовое (УФ) излучение

- рентгеновское излучение

- γ - излучение

Радиосвязь – передача и прем информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.

Различают четыре вида радиосвязи, отличающиеся типом кодирования передаваемого сигнала:

- радиотелеграфная связь

- радиотелефонная связь и радиовещание

- телевидение

- радиолокация

Модуляция передаваемого сигнала– кодированное изменение одного из его параметров

Амплитудная модуляция – изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала.

Частотная модуляция - изменение частоты высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала.

ДОБАВИТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИМ

Детектирование (или демодуляция) – процесс выделения низкочастотных колебаний (колебаний звуковой частоты) из модулированных колебаний высокой частоты

Ширина канала связи – полоса частот, необходимая для передачи данного сигнала

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

Электромагнитные колебания — это колеба­ния электрических и магнитных полей, которые со­провождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения.

Простейшей замкнутой электрической системой, где могут возникнуть и существовать свободные электромагнитные коле­бания, является колебательный контур.

Колебатель­ный контур — это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора, включенных параллельно друг другу.

Обычно активное сопротивление проводов катушки пренебрежимо мало (R ≈ 0)

Если кон­денсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по ка­тушке потечет ток разряда конденсатора. Сила тока не сразу достигает максимального значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением самоин­дукции в катушке.

В момент, когда конденсатор пол­ностью разрядится, энергия элек­трического поля конденсатора станет равной нулю. Энер­гия же тока (энергия магнитного поля катушки) согласно закону сохранения энергии будет максимальной. Следовательно, в этот мо­мент сила тока также достигнет макси­мального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу. Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное им магнит­ное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое поле, которое на­правлено по току и поддерживает его.

Индукционный ток, в соот­ветствии с правилом Ленца, теперь будет течь в ту же сто­рону что и спадающий ток разряда конденсатора и перезарядит конденсатор.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно уменьшаясь, не станет равным нулю.

Энергия магнитного поля в этот момент также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять станет максимальной.

Когда ток прекратится, процесс повто­рится в обратном направлении.

Электромагнитные колебания в колебательном контуре сопровождаются взаимными превращениями электрического и магнитного полей.

В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов.

Энергия электрического поля конденсатора (WCmax = ) в колебательном контуре переходит в энергию магнитного поля катушки (WLmax = ) и обратно.

Поэтому эти колебания называют электромагнитными.

Для полной энергии системы в любой момент времени возможно записать:

WC + WL =  + =  + = const (учитывая, что по определению емкости С = )

Как известно, для полной цепи e = u + iR

e = u + iR, e = ei = -L  = - Li’ Þ - Li’ =  + iR (учитывая, что С = )

 i = = q’(по определению тока, как скорости изменения заряда)

i’ = q’’

Окончательно имеем дифференциальное уравнение колебательного контура:

- Li’ =  + iR Þ lq’’ + Rq’ +  = 0

Полагая, что в идеальном случае R » 0, получим дифференциальное уравнение:

Lq’’ +  = 0 Þ q’’ + q = 0

Решением этого дифференциального уравнения является функция:

 q = qmaxcos(ω0t + φ) , где ω0 =

Колебания в контуре будут гармоническими.

Величину w0 называют собственной круговой (циклической) частотой колебаний в контуре. Она равна числу колебаний за 2π секунд:

ω0 =

Найдём связь между периодом колебаний Т и собственной частотой контура ω0.

Значения колеблющейся величины в моменты времени t1 и t2 = t1+T, где Т — период колебания, согласно определению периода равны между собой:

q(t1) = qmax cos(ω0t1 + φ)

q(t2) = qmax cos(ω0t2 + φ) = qmax cos(ω0(t1+Т) + φ)

q(t1) = q(t2) = qmax cos(ω0t1 + φ) = qmax cos(ω0t1 + φ + ωТ)

Это возможно, ес­ли ω0Т = 2π, поскольку косинус - периодическая функция с периодом 2p радиан:

T = = = 2π

Формула Томсона:

Период электромагнитных колебаний в иде­альном колебательном контуре (т.е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле, впервые полученной в 1853 г. английским ученым Уильямом Томсоном:

Т = 2π

Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью ν = 1/Т.

Для практического применения важно получить незату­хающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять элек­троэнергией, чтобы скомпенсировать потери.

Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих ко­лебаний, который является примером автоколеба­тельной системы.

См.ниже «Вынужденные электрические колебания»

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ

См.выше «Колебательный контур»

ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

См.выше «Колебательный контур»

СОБСТВЕННАЯ ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ В КОНТУРЕ

См.выше «Колебательный контур»

ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

ДОБАВИТЬ ПРИМЕРЫ СХЕМ

Если в контуре, в состав которого входят индуктивность L и емкость С, каким-то образом зарядить конденсатор (например, путем кратковременного подключения источника питания), то в нем возникнут периодические затухающие колебания:

u = Umax sin(ω0t + φ) e-αt

ω0 = (Собственная частота колебаний контура)

Для обеспечения незатухающих колебаний в состав генератора должен обязательно входить элемент, способный вовремя подключить контур к источнику питания, — ключ или усилитель.

Для того чтобы этот ключ или усилитель открывался только в нужный момент, необходима обратная связь от контура на управляющий вход усилителя.

Генератор синусоидального напряжения LC-типа должен иметь три основных узла:

- резонансный контур

- усилитель или ключ(на электронной лампе, транзисторе или другом элементе)

- обратную связь

Рассмотрим работу такого генератора.

Если конденсатор С заряжен и происходит его перезарядка через индуктивность L таким образом, что ток в контуре протекает против часовой стрелки, то в обмотке, имеющей индуктивную связь с контуром, возникает э. д. с., запирающая транзистор Т. Контур при этом отключен от источника питания.

В следующий полупериод, когда происходит обратная перезарядка конденсатора, в обмотке связи индуктируется э.д.с. другого знака и транзистор приоткрывается, ток от источника питания проходит в контур, подзаряжая конденсатор.

Если количество энергии, поступившей в контур, меньше, чем потери в нем, процесс начнет затухать, хотя и медленнее, чем при отсутствии усилителя.

При одинаковом пополнении и расходе энергии колебания незатухающие, а если подпитка контура превышает потери в нем, то колебания становятся расходящимися.

Для создания незатухающего характера колебаний обычно используется следующий метод: при малых амплитудах колебаний в контуре обеспечивается такой коллекторный ток транзистора, при котором пополнение энергии превышает ее расход. В результате амплитуды колебаний возрастают и коллекторный ток достигает значения тока насыщения. Дальнейший рост базового тока не приводит к увеличению коллекторного, и поэтому нарастание амплитуды колебаний прекращается.

ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (уч.11кл.стр.131)

ЭДС рамки, вращающейся в поле

Генератор переменного тока.

В проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, генерируется электрическое поле, возникает ЭДС индукции.

Основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле внешним механическим двигателем.

Найдем ЭДС, индуцируемую в рамке размером a x b, вращающейся с угловой частотой ω в магнитном поле с индукцией В.

Пусть в начальном положении угол α между вектором магнитной индукции В и вектором площади рамки S равен нулю. В этом положении никакого разделения зарядов не происходит.

В правой половинке рамки вектор скорости сонаправлен вектору индукции, а в левой половине противоположен ему. Поэтому сила Лоренца, действующая на заряды в рамке, равна нулю

При повороте рамки на угол 90о в сторонах рамки под действием силы Лоренца происходит разделение зарядов. В сторонах рамки 1 и 3 возникают одинаковые ЭДС индукции:

εi1 = εi3 = υBb

Разделение зарядов в сторонах 2 и 4 незначительно, и поэтому ЭДС индукции, возникающими в них, можно пренебречь.

С учетом того, что υ = ω a/2, полная ЭДС, индуцируемая в рамке:

εi = 2 εi1 = ωBΔS

где ΔS = ab

ЭДС, индуцируемую в рамке можно найти из закона электромагнитной индукции Фарадея. Магнитный поток через площадь вращающейся рамки изменяется во времени в зависимости от угла поворота φ = wt между линиями магнитной индукции и вектором площади.

При вращении витка с частотой n угол j меняется по закону j = 2πnt, и выражение для потока примет вид:

Φ = BDS cos(wt) = BDS cos(2πnt)

По закону Фарадея изменения магнитного потока создают ЭДС индукции, равную минус скорости изменения потока:

 εi = - dΦ/dt = -Φ’ = BSω sin(ωt) = εmax sin(wt)  .

где εmax = wBDS - максимальная ЭДС, индуцируемая в рамке

Следовательно, изменение ЭДС индукции будет происходить по гармоническому закону.

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием ЭДС индукции, изменяющейся со временем по гармоническому закону, в электрической цепи возникнут вынужденные электрические колебания силы тока – переменный ток.

На практике синусоидальная ЭДС возбуждается не путем вращения витка в магнитном поле, а путем вращения магнита или электромагнита (ротора) внутри статора – неподвижных обмоток, навитых на стальные сердечники.

Это позволяет избежать снятия больших амплитуд напряжения и тока с помощью контактных колец.

Обмотка ротора, создающая магнитное поле, называется – обмоткой возбуждения генератора.

Ротор, как правило, имеет не два, а большее число пар полюсов (обозначение 2p)

Частота генерируемого тока определяется оборотами генератора и числом пар полюсов ротора (2p)

Для увеличения генерируемой ЭДС вместо рамки используют катушку с большим числом витков.

Напряжение, снимаемое с выхода генератора, пропорционально количеству витков обмотки.

При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания.

Переменный ток в электрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденных электромагнитных колебаний.

Колебания силы тока в цепи являются вынужденными, возникающими под воздействием приложенного переменного напряжения.

Закон изменения тока в нагрузке зависит от характера нагрузки.

Ток нагрузки создает в обмотке статора генератора магнитное поле, направленное против поля ротора, тормозящее генератор. Таким образом нагрузка на приводной двигатель генератора определяется током нагрузки.

ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЗНАЧЕНИЯ СИЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

При включении в цепь переменного тока амперметра, рассчитанного на измерение постоянного тока, его стрелка будет колебаться с частотой тока. Определить значение тока будет невозможно.

Среди известных действий электрического тока – химического, магнитного и теплового, только тепловое действие не зависит от изменения направления тока. На резисторе P = I2R

Сила переменного тока 1А – сила тока, выделяющего в проводнике такое же количество теплоты, что и постоянный ток в 1А за тот же промежуток времени.

Действующее значение силы переменного тока равно силе постоянного тока, при котором в проводнике выделяется такое же количество теплоты, что и при переменном токе за тот же промежуток времени.

Амперметр переменного тока измеряет (и показывает) действующее значение силы тока.

Если переменный ток изменяется по гармоническому закону, в качестве промежутка времени выбирается период изменения тока.

На резисторе, при совпадении фаз тока и напряжения, мощность переменного тока равна,

учитывая что cos2(ωt) = (1 + cos(2ωt)):

p = iu = i2R = I2maxR cos2(ωt) = + cos(2ωt)

Частота изменения тепловой мощности вдвое больше частоты силы тока.

Равенство количества теплоты, выделяемого за период переменным и постоянным током, означает равенство средних тепловых мощностей этих токов.

Средняя мощность, выделяемая за период переменным гармоническим током, учитывая что p = I2maxR cos2(ωt) и среднее значение квадрата косинуса за период равно 1/2:

 =

Такая же мощность выделяется на резисторе при протекании постоянного тока с действующим значением равным соответствующему переменному току:

P = Iд2R

Так как исходя из определения действующего значения тока мощности равны, то:

Iд =

Действующее (эффективное) значение силы переменного гармонического тока в меньше его амплитуды.

Аналогично определяется действующее (эффективное) значение переменного гармонического напряжения:

Uд =

АКТИВНОЕ, ЕМКОСТНОЕ И ИНДУКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Активное сопротивление

Активным сопротивлением R называется физическая величина, равная отношению мощности к квадрату силы тока R = , что получается из выражения для мощности P = IU = I2R.

При небольших частотах практически не зависит от частоты и совпадает с электрическим сопротивлением проводника.

В цепях переменного тока резистор часто называют активным сопротивлением

Активное сопротивление – сопротивление элемента электрической цепи, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется во внутреннюю.

Напряжение, созданное генератором на резисторе, меняется по гармоническому закону:

u = Um cos (wt)

По закону Ома сила тока в резисторе будет:

i = u/R = Um /R cos (wt) = Im cos (wt)

где Im = Um /R – амплитуда силы тока

Напряжение и сила тока а резисторе совпадают по фазе в любой момент времени.

Скин-эффект

На высоких частотах начинает проявляться «скин-эфект»(от английского skin – кожа) Электроны, создающие ток в проводнике, вытесняются к его поверхности. В результате ток течет не по всей площади поперечного сечения проводника, а лишь по его поверхностному слою. Такое уменьшение сечения, через которое течет ток, ведет к возрастанию активного сопротивления проводника.(См. формулу удельного сопротивления) Поэтому на высоких частотах проводники можно делать полыми.

Индуктивное сопротивление

Пусть в цепь переменного тока u = Um cos (ωt) включена катушка.

При изменении силы тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции:

εsi = - L

Так как электрическое сопротивление катушки близко к нулю, то в любой момент времени ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на катушке, созданному внешним генератором:

εsi – u = 0

L = Um cos(ωt) (дифференциальное уравнение относительно i)

Решением этого уравнения ищется в виде:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54