В колебательном контуре, обладающем индуктивностью L, емкостью C и сопротивлением R, свободные электрические колебания имеют тенденцию к затуханию. Чтобы колебания не затухали, необходимо периодически пополнять контур энергией, тогда возникнут вынужденные колебания, которые не будут затухать, ведь внешняя переменная ЭДС станет теперь поддерживать колебания в контуре.
Если колебания поддерживать источником внешней гармонической ЭДС, частота которой f очень близка к резонансной частоте колебательного контура F, то амплитуда электрических колебаний U в контуре станет резко возрастать, то есть наступит явление электрического резонанса .
Рассмотрим сначала поведение конденсатора C в цепи переменного тока. Если к генератору, напряжение U на выводах которого меняется по гармоническому закону, присоединить конденсатор C, то заряд q на обкладках конденсатора станет меняться также по гармоническому закону, как и ток I в цепи. Чем больше емкость конденсатора, и чем выше частота f, прикладываемой к нему гармонической ЭДС, тем больше окажется ток I.
С этим фактом связано представление о так называемом емкостном сопротивлении конденсатора XC, которое он вносит в цепь переменного тока, ограничивая ток подобно активному сопротивлению R, но в сравнении с активным сопротивлением, конденсатор не рассеивает энергию в виде тепла.
Если активное сопротивление рассеивает энергию, и таким образом ограничивает ток, то конденсатор ограничивает ток просто из-за того, что в нем не успевает уместиться больше заряда, чем генератор может дать за четверть периода, к тому же в следующую четверть периода конденсатор отдает энергию, которая накопилась в электрическом поле его диэлектрика, обратно генератору, то есть хоть ток и ограничен, энергия не рассеивается (потерями в проводах и в диэлектрике пренебрежем).
Теперь рассмотрим поведение индуктивности L в цепи переменного тока. Если вместо конденсатора присоединить к генератору катушку, обладающую индуктивностью L, то при подаче от генератора синусоидальной (гармонической) ЭДС на выводы катушки, - в ней начнет возникать ЭДС самоиндукции , поскольку при изменении тока через индуктивность, увеличивающееся магнитное поле катушки стремится препятствовать росту тока (закон Ленца), то есть получается, что катушка вносит в цепь переменного тока индуктивное сопротивление XL - дополнительное к сопротивлению провода R.
Чем больше индуктивность данной катушки, и чем выше частота F тока генератора, тем выше индуктивное сопротивление XL и меньше ток I, ведь ток просто не успевает устанавливаться, потому что ЭДС самоиндукции катушки ему мешает. И каждые четверть периода энергия, накопленная в магнитном поле катушки, возвращается к генератору (потерями в проводах пока пренебрежем).
В любом реальном колебательном контуре последовательно соединены индуктивность L, емкость C и активное сопротивление R.
Индуктивность и емкость действуют на ток противоположно в каждую четверть периода гармонической ЭДС источника: на обкладках конденсатора , хотя уменьшается ток, а при нарастании тока через индуктивность ток хоть и испытывает индуктивное сопротивление, но нарастает и поддерживается.
И во время разряда: разрядный ток конденсатора сначала большой, напряжение на его обкладках стремится установить большой ток, а индуктивность препятствует увеличению тока, и чем больше индуктивность, тем меньший разрядный ток будет иметь место. При этом активное сопротивление R вносит чисто активные потери. То есть полное сопротивление Z, последовательно включенных L, C и R, при частоте источника f, будет равно:
Из закона Ома для переменного тока очевидно, что амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна амплитуде ЭДС и зависит от частоты. Полное сопротивление цепи будет наименьшим, а амплитуда тока будет наибольшей при условии, что индуктивное сопротивление и емкостное при данной частоте равны между собой, в этом случае наступит резонанс. Отсюда же выводится формула для резонансной частоты колебательного контура :
Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой последовательно, то резонанс в такой цепи называется последовательным резонансом или резонансом напряжений. Характерная черта резонанса напряжений - значительные напряжения на емкости и на индуктивности, по сравнению с ЭДС источника.
Причина появления такой картины очевидна. На активном сопротивлении по закону Ома будет напряжение Ur, на емкости Uc, на индуктивности Ul, и составив отношение Uc к Ur можно найти величину добротности Q. Напряжение на емкости будет в Q раз больше ЭДС источника, такое же напряжение окажется приложенным к индуктивности.
То есть резонанс напряжений приводит к возрастанию напряжения на реактивных элементах в Q раз, а резонансный ток будет ограничен ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, сопротивление последовательного контура на резонансной частоте минимально.
Явление резонанса напряжений используют в , например если необходимо устранить из передаваемого сигнала составляющую тока определенной частоты, то параллельно приемнику ставят цепочку из соединенных последовательно конденсатора и катушки индуктивности, чтобы ток резонансной частоты этой LC-цепочки замкнулся бы через нее, и не попал к бы приемнику.
Тогда токи частоты далекой от резонансной частоты LC-цепочки будут проходить в нагрузку беспрепятственно, и только близкие к резонансу по частоте токи - будут находить себе кротчайший путь через LC-цепочку.
Или наоборот. Если необходимо пропустить только ток определенной частоты, то LC-цепочку включают последовательно приемнику, тогда составляющие сигнала на резонансной частоте цепочки пройдут к нагрузке почти без потерь, а частоты далекие от резонанса окажутся сильно ослаблены и можно сказать, что к нагрузке совсем не попадут. Данный принцип применим к радиоприемникам, где перестраиваемый колебательный контур настраивают на прием строго определенной частоты нужной радиостанции.
Вообще резонанс напряжений в электротехнике является нежелательным явлением, поскольку он вызывает перенапряжения и выход из строя оборудования.
В качестве простого примера можно привести длинную кабельную линию, которая по какой-то причине оказалась не подключенной к нагрузке, но при этом питается от промежуточного трансформатора. Такая линия с распределенной емкостью и индуктивностью, если ее резонансная частота совпадет с частотой питающей сети, просто будет пробита и выйдет из строя. Чтобы предотвратить разрушение кабелей от случайного резонанса напряжений, применяют вспомогательную нагрузку.
Но иногда резонанс напряжений играет нам на руку и не только в радиоприемниках. Например, бывает, что в сельской местности напряжение в сети непредсказуемо упало, а станку нужно напряжение не менее 220 вольт. В этом случае явление резонанса напряжений спасает.
Достаточно последовательно со станком (если приводом в нем является асинхронный двигатель) включить по несколько конденсаторов на фазу, и таким образом напряжение на обмотках статора поднимется.
Здесь важно правильно подобрать количество конденсаторов, чтобы они точно скомпенсировали своим емкостным сопротивлением вместе с индуктивным сопротивлением обмоток просадку напряжения в сети, то есть слегка приблизив цепь к резонансу - можно поднять упавшее напряжение даже под нагрузкой.
Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой параллельно, то резонанс в такой цепи называется параллельным резонансом или резонансом токов. Характерная черта резонанса токов - значительные токи через емкость и индуктивность, по сравнению с током источника.
Причина появления такой картины очевидна. Ток через активное сопротивление по закону Ома будет равен U/R, через емкость U/XC, через индуктивность U/XL, и составив отношение IL к I можно найти величину добротности Q. Ток через индуктивность будет в Q раз больше тока источника, такой же ток будет течь каждые пол периода в конденсатор и из него.
То есть резонанс токов приводит к возрастанию тока через реактивные элементы в Q раз, а резонансная ЭДС будет ограничена ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, на резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура максимально.
Аналогично резонансу напряжений, резонанс токов применяется в различных фильтрах. Но включенный в цепь, параллельный контур действует наоборот, чем в случае с последовательным: установленный параллельно нагрузке, параллельный колебательный контур позволит току резонансной частоты контура пройти в нагрузку, поскольку сопротивление самого контура на собственной резонансной частоте максимально.
Установленный последовательно с нагрузкой, параллельный колебательный контур не пропустит сигнал резонансной частоты, поскольку все напряжение упадет на контуре, а на нагрузку придется мизерная доля сигнала резонансной частоты.
Так, основное применение резонанса токов в радиотехнике - создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.
В электротехнике резонанс токов используется с целью достижения высокого коэффициента мощности нагрузок, обладающих значительными индуктивными и емкостными составляющими.
Например, представляют собой конденсаторы, подключаемые параллельно обмоткам асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих под нагрузкой ниже номинальной.
К таким решениям прибегают как раз с целью достижения резонанса токов (параллельного резонанса), когда индуктивное сопротивление оборудования делается равным емкостному сопротивлению подключаемых конденсаторов на частоте сети, чтобы реактивная энергия циркулировала между конденсаторами и оборудованием, а не между оборудованием и сетью; чтобы сеть отдавала энергию только тогда, когда оборудование нагружено и потребляет активную мощность.
Когда же оборудование работает в холостую, сеть оказывается подключена параллельно резонансному контуру (внешние конденсаторы и индуктивность оборудования), который представляет для сети очень большое комплексное сопротивление и позволяет снизиться .
15. П е р е м е н н ы й э л е к т р и ч е с к и й т о к
15.1. Рамка, вращающаяся в постоянном магнитном поле
Если напряжение на концах цепи меняются по гармоническому закону, то напряженность электрического поля внутри проводника будет также меняться гармонически. Это вызывает гармонические колебания скорости упорядоченного движения заряженных частиц, то есть гармонические колебания силы тока.
Так как электрическое поле распространяется со скоростью света (с = 300000 км/с), то для проводников конечной длины электрическое поле одинаково по всей длине, и в упорядоченное движении в металле приводятся свободные электроны металла одновременно по всей длине проводника.
Переменный электрический ток получают в генераторах, содержащих обмотку, вращающуюся в магнитном поле. Рассмотрим модель генератора переменного тока на примере проволочной рамки, вращающейся в постоянном, однородном магнитном поле.
Рис. 15.1.Рамка, вращающаяся в магнитном поле
Поток вектора магнитной индукции Ф.= BSCos., где = https://pandia.ru/text/78/154/images/image004_21.gif" width="13" height="19 src="> – нормаль к плоскости рамки)
При равномерном вращении рамки угол…https://pandia.ru/text/78/154/images/image005_19.gif" width="61 height=19" height="19">,
здесь n-частота вращения рамки
Тогда Ф. = BS Cos2пnt = BSCost
По закону электромагнитной индукции
e = - = - ВS(Cost)¹t = BSSint = EmSint,
где Еm = BS - амплитуда ЭДС индукции.
При присоединении генератора к замкнутой цепи в ней возникает переменный электрический ток, а напряжение на концах цепи изменяется по закону:
Сила тока в цепи будет изменяться по закону
где – разность фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепи.
15.2. Активное сопротивление в цепи переменного тока Действующие значения силы тока и напряжения.
Активное сопротивление – это сопротивление R в цепи переменного тока, которое поглощает энергию, поступающую от генератора, и переводит ее во внутреннюю энергию проводника, при этом проводник нагревается.
Пусть напряжение на зажимах цепи изменяется по гармоническому закону:
для нахождения мгновенного значения силы тока в цепи воспользуемся законом Ома
i=
где https://pandia.ru/text/78/154/images/image013_15.jpg" width="459 height=246" height="246">
Рис.15.2. Активное сопротивление в цепи переменного тока
Средняя мощность тока на участке цепи – это отношение суммарной энергии, поступающей в цепь за период, к величине периода колебаний.
но i=ImCoshttps://pandia.ru/text/78/154/images/image015_11.gif" width="247" height="44"> или
так как за интервал времени от 0 до Т среднее значение равно нулю, то
, то есть
Действующим значением силы переменного тока называется величина такого постоянного тока I ,при котором на сопротивлении R за время, равное одному периоду колебаний, выделяется такая же энергия, как и при прохождении переменного тока https://pandia.ru/text/78/154/images/image021_8.gif" width="97 height=45" height="45">
Используя закон Ома, для действующего значения напряжения получаем
Для электрических колебаний чаще важны не мгновенные значения u (t ) и i (t ), а действующие, так как именно они определяют среднее значение мощности переменного тока. Для действующего значения мощности переменного тока на участке цепи справедлива формула
15.3. Конденсатор в цепи переменного тока
При подключении последовательно соединенных конденсатора и лампочки к источнику постоянного тока лампочка не загорается. Если подключить конденсатор и лампочку к сети переменного тока то лампочка будет гореть. Это можно объяснить периодической зарядкой и разрядкой конденсатора.
Напряжение на конденсаторе равно
, то есть
Сравнивая u (t ) и i (t ) можно видеть, что колебания силы тока в цепи, содержащей конденсатор, опережают колебания напряжения на конденсаторе на
Рис.15.3.Конденсатор в цепи переменного тока
Максимальная сила тока при зарядке возникает в тот момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, и наоборот, когда сила тока равна нулю, напряжение на конденсаторе достигает максимального значения.
Амплитуда силы тока равна
По аналогии с законом Ома для участка, содержащего конденсатор, вводится ёмкостное сопротивление хс
тогда для действующих значений получаем соотношение
При https://pandia.ru/text/78/154/images/image033_6.gif" width="20 height=15" height="15">∞ , I, а при увеличении уменьшается хс,
и сила тока возрастает.
15.4. Катушка в цепи переменного тока.
Если последовательно соединенные катушка и лампочка включены в цепь, то из опыта следует, что наиболее ярко лампочка светит, если подключен источник постоянного напряжения. При включении в сеть переменного тока свечение лампочки тем слабее, чем выше частота колебаний силы тока в цепи.
Это обусловлено явлением самоиндукции. Возникающее при нарастании силы тока через катушку вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Нарастание силы тока отстаёт от возрастания напряжения. Если напряжение быстро изменяется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые она имела бы при постоянном токе. Таким образом, максимальное значение силы переменного тока ограничено тем больше, чем большее значение индуктивности имеет катушка и чем выше частота колебаний переменного тока.
Рассмотрим катушку индуктивности, имеющую пренебрежимо малое активное сопротивление. При R = 0 напряженность электрического поля Е в проводнике равна нулю, так как u =E*l, но u = I*R = 0 (l – длина проводника). Так как существует кулоновское электрическое поле, Ек, создаваемое источником, подсоединенным к катушке, то, согласно принципу суперпозиции полей, должно в катушке создаваться равное по модулю и противоположно направленное вихревое электрическое поле, Еи.
Для ЭДС самоиндукции и напряжения на катушке справедливо соотношение
u = - еи
Пусть сила тока изменяется по гармоническому закону
тогда ЭДС самоиндукции равна
Из этого следует, что
где https://pandia.ru/text/78/154/images/image040_4.jpg" width="457 height=243" height="243">
Рис.15.4. Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока на https://pandia.ru/text/78/154/images/image041_4.gif" width="103 height=47" height="47">
где https://pandia.ru/text/78/154/images/image043_5.gif" width="49 height=45" height="45">
При https://pandia.ru/text/78/154/images/image006_19.gif" width="16" height="15 src="> индуктивное сопротивление возрастает, и сила тока в цепи, содержащей катушку, уменьшается.
15.5. Резонансы напряжений и токов. Векторные диаграммы
Рассмотрим последовательно соединенные R, L,C, подключенные и источнику, на клеммах которого напряжение изменяется по гармоническому закону
По цепи протекает ток 
Рис. 15.6 Последовательное включение R, L, C в цепи переменного тока
Векторная диаграмма представляет собой графическое изображение напряжений и токов с учетом их величины и сдвига по фазе колебаний.
Рис.15.7.Векторная диаграмма для последовательного соединения R, L, C в цепи переменного тока
Из диаграммы видно, что 
Полным сопротивлением
цепи переменного тока называют величину 
Если UL=Uc, то в цепи переменного тока возникает резонанс напряжений . Условие его возникновения может быть представлено также в виде
В этом случае напряжение на активном сопротивлении равно внешнему напряжению, а сила тока достигает наибольшего для данного напряжения сети переменного тока.
Рис.15.8.Векторная диаграмма при резонансе напряжений
Резонанс токов наблюдается при параллельном включении L и C.
Рис.15.9. Схема включения L и C при резонансе токов
Https://pandia.ru/text/78/154/images/image055_3.gif" width="87" height="45">
Знак минус перед учитывает тот факт, что относительно напряжения u сдвиг фазы колебаний i 1 составляет , а для i 2 он равен . Таким образом, i1 и i2 находятся в противофазе.
Рис.15.10. Фазовая диаграмма при резонансе токов
Из фазовой диаграммы резонанса токов видно, что при ток i в подводящих проводах будет отсутствовать. Это явление называют резонансом токов.
Рассмотрим схему колебательного контура с последовательным соединением R , L , C , подключенным к источнику переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону
При малых R собственная частота колебаний в контуре равна
Если изменять частоту вынужденных колебаний , изменяя частоту колебаний напряжения источника, то при некоторой частоте наблюдается возрастание силы тока в контуре, то есть возникает резонанс контура.
Рис.15.11. Резонанс контура при . R – активное сопротивление контура
При резонансе в колебательном контуре создаются оптимальные условия для поступления энергии от внешнего источника в контур. Амплитуда колебаний силы тока возрастает до тех пор, пока энергия, выделяющаяся на активном сопротивлении контура, ни сравняется с энергией, поступающей в контур за это же время.
или ImR = Um .
Из этих соотношений видно, что амплитуда установившиеся колебаний силы тока при резонансе определяется формулой
При R ∞ для заданного значения напряжения ∞, и наоборот, при больших значениях R резонанс не наблюдается.
15.6. Использование резонанса в радиосвязи
Радиоволны излучают передающие станции Они представляют собой электромагнитные волны, которые, достигая антенны радиоприёмника. наводят в ней переменные токи различных частот, каждая из которых соответствует конкретной радиостанции.
Рис.15.12.Антена и колебательный контур радиоприёмника
С антенной индуктивно (подобно трансформатору) связана катушка колебательного контура. Вследствие электромагнитной индукции в катушке контура наводятся токи различных частот. Эти токи создают вынужденные колебания в контуре. При настройке радиоприемника на заданную радиостанцию добиваются выполнения условия резонанса в контуре, то есть изменяют собственную частоту колебаний контурадо тех пор, пока ни наступит равенство . - это частота, на которой работает заданная радиостанция.
При грубой настройке контура на заданную частоту изменяют L 2 . Это настойка на диапазон частот передающих станций. Плавную настройку в пределах диапазона частот проводят изменением ёмкости конденсатора колебательного контура. Контур имеет малое активное сопротивление и в резонансе сила тока при колебаниях резко возрастает. Контур L 2 , C из всех принятых колебаний выделяет только те, частота которых равна собственной частоте контура.
15.7.Автоколебания. Генератор на транзисторе.
Автоколебательными называют системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы. Такая система содержит колебательный контур, состоящий из L и C , источник энергии и устройство, позволяющее регулировать поступление энергии в колебательный контур.
Реальный колебательный контур всегда содержит R , и колебания в контуре будут затухающими, то есть заряд на обкладках конденсатора будет убывать за каждый период.
Пополнить энергию контура можно периодическим подключением его к источнику постоянного напряжения. Подключение конденсатора необходимо проводить только тогда, когда подсоединенные к источнику обкладки конденсатора имеют тот же знак, что и напряжение на полюсах источника. Механически это можно делать с помощью ключа. Время замыкания и время размыкания ключа должны быть равны половине периода колебаний. В электронных приборах в качестве ключа обычно используют схемы на транзисторе.
Рис.15.13. Автогенератор на транзисторе p-n-p типа
Для того, чтобы через транзистор протекал ток, необходимо, чтобы потенциал базы Б был ниже, чем потенциал эмиттера Э. При этом дырки устремляются к базе и далее к коллектору К .В этом случае конденсатор на верхней обкладке получает избыточный положительный заряд.
Для осуществления автоматического управления режимом работы транзистора между эмиттером и базой включают катушку связи L св , индуктивно связанную с катушкой контура L . Протекающий по L переменный ток вследствие электромагнитной индукции приводит к возникновению ЭДС индукции Еи в катушке L св . Если катушку связи подключить так, что -Еи будет на базе, то это соответствует фазе появления положительного потенциала на верхней пластине конденсатора, и он будет получать дополнительный положительный заряд. Колебания в контуре при этом становятся незатухающими. Включение L св в противофазе по отношению к L называется отрицательной обратной связью.
Автогенераторы на транзисторах широко используются в технике: радиоприемных устройствах, радиостанциях, электронных часах, ЭВМ.
Обратная связь
 |  |  |
https://pandia.ru/text/78/154/images/image082_4.gif" width="28" height="12">.gif" width="152"> поступление энергии
Рис. 15.14. Структурная схема автоколебательной системы
15.8. Производство, передача и использование электрической энергии
В настоящее время преобладающую роль в производстве электроэнергии играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока, в которых механическая энергия превращается в электрическую. Небольшие по мощности генераторы построены по принципу рамки, вращающейся в магнитном поле. Магнитное поле создают электромагнитом. Обмотки которого уложены на сердечнике, изготовленном из магнитомягкого материала. Эта часть генератора называется статором. Роль вращающейся рамки выполняет обмотка, уложенная в продольные пазы цилиндрического сердечника из магнитомягкого материала. Вращающаяся часть генератора называется ротором .
С целью снижения потерь на рассеивание магнитного потока зазор между ротором и статором выполняется как можно меньшим, что увеличивает магнитную индукцию и повышает КПД генератора. Для подсоединения генератора к нагрузке имеется система скользящих контактов, состоящая из щёток, прижимаемых к вращающемся кольцам – контактам ротора.
В больших промышленных генераторах вращаются электромагниты, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС неподвижны и уложены в пазы статора. В этих генераторах сила тока, протекающего через обмотки возбуждения электромагнита значительно меньше силы тока, отдаваемого потребителю. В этом случае предпочтительнее иметь неподвижные контакты, соединяющие генератор и нагрузку.
Трансформатор – это устройство, которое с малыми потерями позволяет проводить преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз.
Рис.15.15. Обозначение трансформатора на электрических схемах
Обмотка, подключенная к источнику переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, подключенная к нагрузке, называется вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Обмотки Ι и ΙΙ расположены на одном и том же магнитопроводе. Появление переменного магнитного потока обусловлено переменным электрическим током через обмотку I. Мгновенное значение ЭДС индукции в обмотках равно
Если Ф = Фm*coshttps://pandia.ru/text/78/154/images/image090_3.gif" width="99" height="24 src=">t = t. При 0 ЭДС индукции и трансформатор не работает.
Рассматривая обмотку как последовательное включение источников ЭДС индукции от каждого из её витков можно записать
Раз сила тока уменьшится в n раз и наоборот.
Производство электроэнергии в настоящее время сосредоточено в основном на тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС).
ТЭС имеет КПД около 40%. Частичный возврат тепловой энергии отработанного пара реализуется в теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), где КПД достигает 60 – 70 %.ТЭС и ТЭЦ дают около 40% от всей вырабатываемой электроэнергии.
АЭС используют энергию, выделяющуюся при делении ядер урана. На них вырабатывается 16% всей электроэнергии.
Гидроэлектростанции дают 20% от всей электроэнергии, а на долю прочих (ветряных, геотермальных, приливных, солнечных батарей и т. д.) приходится 24% от всей электроэнергии.
Передача электроэнергии происходит с потерями на нагрев проводов линии электропередачи (закон Джоуля-Ленца: Q=I2Rt). Уменьшение I достигается повышением напряжения в линии U. Генераторы на электростанциях вырабатывают электроэнергию с U до 20 кВ. Повышающий трансформатор преобразует эту энергию так, что в линию электропередачи (ЛЭП) она поступает с U до 1000кВ. Между регионами энергия передаётся ЛЭП с U= кВ, а между городами с U = 6-35кВ. Понижающими трансформаторами на подстанциях обеспечивается снижение напряжения до 380В, 220В и 127В.
1. Исторический экскурс
в 1860-1865 создал теорию электромагнитного поля (ЭМП), которую он сформулировал в виде системы уравнений, описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений:
1-е – уравнение выражало электромагнитную индукцию ;
2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения;
3-е – закон сохранения количества электричества;
4-е – вихревой характер магнитного поля.
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы электричества к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет примерно 300 000 000 м/с, что очень близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн (ЭМВ). Этот завершающий этап был отражен в работе Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля», а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873). Таким образом, Максвелл математически обосновал существование ЭМВ.
в 1888 году экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ. В результате экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им «вибратором», который представлял собой так называемый открытый колебательный контур (ОКК).
В обычном колебательном контуре (рис. 1, 1), чтобы уменьшить ёмкость конденсатора, надо увеличивать расстояние между пластинами и уменьшать площадь пластин (рис. 1, 2). Чтобы уменьшить индуктивность катушки (рис. 1, 3), надо уменьшать её число витков. В результате этих преобразований получается просто кусок провода (рис. 1, 4) илиОКК.
Чтобы возбудить колебания в ОКК, Генрих Герц использовал схему (рис. 2):
Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы вибратора зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного 
промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, продолжающиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн в окружающее пространство.
В качестве , или приемника, Герц использовал кольцо (рис. 3) с разрывом – искровым промежутком, который можно было регулировать. Диаметр кольца с величины более метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.
Приемное кольцо было названо Герцем «резонатором». Опыты показали, что изменением геометрии резонатора – размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора – можно добиться резонанса между источником ЭМВ и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе – всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте с помощью увеличительного стекла.
После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств Герц достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны:
отражение
преломление
дифракция
интерференция
поляризация
измерена скорость ЭМВ
После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете и публикаций 1877 - 78 гг. Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться «лучами Герца».
Таким образом, Генрих Герц экспериментально доказал существование ЭМВ.
с марта 1890 г. неоднократно выступал с лекциями об открытии Герцем ЭМВ и демонстрацией его опытов. В начале 1895 г. создал этих волн, показав возможность регистрации последовательности электрических сигналов на расстоянии без проводов (радиосвязь). 7 мая 1895 г. сделал публичный доклад о результатах исследований в этой области и продемонстрировал прием коротких и продолжительных сигналов, переданных с помощью вибратора Герца. На основе радиоприемника построил так называемый «грозоотметчик» (с автоматической записью атмосферных разрядов на бумажную ленту) и летом 1895 г. установил его на метеостанции Лесного института в Петербурге. В 1896-1899 гг. продолжал публичные демонстрации и эксперименты по радиосвязи, в том числе с 1897 г. на судах ВМФ. В июле 1899 г. разработал чувствительный телефонный приемник, основанный на детекторном эффекте (открытом его помощниками П.Н.Рыбкиным и Д.С.Троицким), на который получил патенты в России, Англии и Франции. В 1899-1900 гг. руководил созданием первой в мире практической радиолинии между г. Котка и островом Гогланд протяженностью 47 км. Во время опытов беспроволочного телеграфирования на судах Балтийского флота, стоящих на Кронштадтском рейде, обнаружил явление отражения от кораблей ЭМВ и указал на возможность его практического использования в радиолокации (подробнее – далее).
Промышленное производство изобретенных им приборов радиотелеграфа началось в 1898 г. фирмой Э. Дюкрете (Париж, Франция), в 1901 г. Кронштадтской радиомастерской, в 1904 г. петербургской фирмой «Сименс и Гальске» (с участием капитала немецкой фирмы «Телефункен»).
В 1945 г. в СССР установлен праздник «День радио», ежегодно отмечаемый 7 мая.
Именно А.С. Попов заложил основные принципы радиосвязи и доказал возможность практического применения ЭМВ – радиоволн – для передачи информации.
2. Генератор высокой частоты
Как осуществляется связь «по радио»? Частично, но несколько односторонне я рассказал об этом в статье «Простейший радиоприёмник». Теперь настало время отдельно и более широко рассмотреть этот вопрос.
Для того чтобы передать информацию по радио нужно создать в пространстве ЭМВ. Для этого, в свою очередь, необходимо некое устройство, которое будет вырабатывать переменный ток высокой частоты. Дело в том, что энергия ЭМВ пропорциональна четвёртой степени частоты. Следовательно, чем больше частота, тем мощнее волна, тем на большее расстояние она может распространиться и перенести информацию. Это рассуждение довольно примитивно и не отражает всех особенностей создания, передачи, распространения и приёма электромагнитных -колебаний.
Схема Герца (см. снова рис. 2) создавала свободные, т.е. затухающие колебания, а для передачи сколь-нибудь серьёзной информации надо создать незатухающие колебания. Устройство, генерирующее незатухающие колебания, в физике называется «автогенератор».
Общий принцип действия автогенератора таков (рис. 4): из источника энергия поступает порциями через регулятор в колебательную систему. Величина порции энергии () такова, что её хватает как раз на то, чтобы скомпенсировать затраты колебательной системы на преодоление сопротивления (трения) за одно колебание. Затем колебательная система через обратную связь посылает сигнал регулятору о том, что надо подать следующий квант энергии. Этот квант поступает в колебательную систему, снова совершается полное колебание с прежней амплитудой, снова подаётся сигнал через обратную связь, снова поступает квант энергии и т.д. Таким образом, колебательная система совершает колебания с постоянной частотой и амплитудой до тех пор, пока не иссякнет энергия источника.
Поскольку для осуществления необходимо создать незатухающие электромагнитные колебания, рассмотрим классические схемы (на уровне средней школы) генераторов ВЧ на и .
Итак, основой радиопередающего устройства – далее сокращённо «радиопередатчика» - является автогенератор. Генератор вырабатывает незатухающие колебания ВЧ, называемые «несущей» (рис. 5, 1).
Если передатчик излучает незатухающую ЭМВ, то в антенне приёмника электромагнитные колебания будут регистрироваться, но никакой информации при этом нести не будут. Для того, чтобы передавать какие-либо сигналы, речь, музыку, надо менять определённый параметр ВЧ-колебаний, например, 
амплитуду или частоту. Этот процесс называется модуляцией. Например, телеграфная модуляция состоит в прерывании излучения с помощью ключа, т.е. в посылке коротких (точка) и длинных (тире) сигналов – азбука Морзе (рис. 6).
Посмотрим, каким образом можно реализовать автогенератор на транзисторе (рис. 7). Транзистор последовательно соединяют с колебательным контуром, который и является колебательной системой, при этом эмиттер подключают к «+», а коллектор – к «-» источника питания. Базу транзистора соединяют катушкой связи LСВ, которая индуктивно связана с контурной катушкой LK. В этом случае в процессе ЭМК в контуре поступающий на базу потенциал периодически меняет свой знак относительно потенциала эмиттера.
Когда на базу подаётся отрицательный потенциал, транзистор открыт и пропускает ток, который в этот момент совпадает по направлению с током в контуре и усиливает его за счёт энергии источника. Когда ток в контуре меняет направление на обратное, на базу поступает положительный потенциал, транзистор закрывается и прерывает ток. Ток в цепи прекращается и не препятствует перезарядке контурного конденсатора СК. 
Таким образом, за счёт периодически поступающих порций энергии от источника в колебательном контуре поддерживаются незатухающие ЭМК.
С помощью ключа Кл можно прерывать этот процесс в соответствии с азбукой Морзе.
Для передачи звука нужно подать в генератор ВЧ электрические колебания звуковой частоты (рис. 5, 2) так, чтобы при их наложении амплитуда колебаний ВЧ менялась бы в такт звуковым колебаниям (рис. 5, 3) или колебаниям . Этот процесс называется амплитудной модуляцией (АМ).
В простейшем случае для реализации АМ достаточно ключ на последней схеме заменить микрофоном, и в эфир будут передаваться сигналы, содержащие речь.
Схема генератора ВЧ на электронной лампе-триоде с микрофоном для модуляции показана на рис. 8. Как видим, этот генератор практически ничем не отличается от генератора на транзисторе. На рис. 9 показаны графики сигнала микрофона (НЧ) и колебаний в контуре (ВЧ), когда нет, и когда есть звук.
3. Радиосвязь
Когда-то радио называли «беспроводным телеграфом» или «газетой без бумаги» за то, что информация передавалась от передатчика к приёмнику без посредства какой-либо среды. Даже вакуум не является препятствием для радиоволн! Да и что там может препятствовать, если это пустота. Одно время пытливые умы человечества занимал противоположный вопрос: а нет ли в вакууме чего-нибудь такого, что мы никак не ощущаем, а именно оно-то и способствует передаче радиоволн в так называемой пустоте?! Казалось, что эта гипотетическая среда, наполняющая всё мировое пространство, помогла бы объяснить не только некоторые электромагнитные, но и механические, и оптические явления! И назвали эту среду ЭФИРОМ.
Много «копий» было сломано в жарких научных спорах по поводу того, есть ЭФИР или нет. В настоящее время физикой не признаётся существование эфира в классическом его понимании. Но, в то же время, существует теория о том, что вакуум – это не пустота, а неисчерпаемый океан энергии, которую только надо научиться извлекать. Кстати, великий Никола Тесла был сторонником существования эфира, и действие некоторых своих изобретений приписывал именно его свойствам. Например, автомобиль без , вместо которого Тесла вставил некий чёрный ящик и ездил на нем целую неделю без всякой подзарядки. Но это совсем другая история…
Отголоском былых теорий и споров осталась фраза «В эфире радиостанция…», и никто не задумывается над тем, ГДЕ именно в данный момент эта радиостанция?!
Рассмотрим рис. 10.
Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты (1). С сигнал поступает в модулятор М. вырабатывает незатухающие колебания ВЧ (2), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями НЧ и поступают в антенну (3). Антенна излучает в окружающее пространство (в ЭФИР!) ЭМВ, амплитуда которых также модулирована по НЧ. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции.
Итак, радиоволна «запущена» в эфир. Теперь надо её «поймать».
В антенне приёмника радиоволны (реально ведь передатчиков много) возбуждают переменные индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся осень слабым и его усиливает приёмника. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала (4), сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал (5). УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания.
Так осуществляется радиосвязь с амплитудной модуляцией.
Существует радиосвязь с частотной модуляцией (ЧМ или FM), когда амплитуда несущей остаётся постоянно, за то меняется её частота.
4
. Радиолокация
Раньше я упоминал о том, что А.С. Попов ещё в 1900 году обнаружил отражение ЭМВ от кораблей и указал на возможность использования этого эффекта в радиолокации. Позднее было обнаружено, что практически все вещества отражают радиоволны. Результат отражения зависит не только от рода вещества, но и от длины волны.
Суть радиолокации заключается в следующем (рис. 11). Передатчик вырабатывает высокочастотный импульс и с помощью специальной параболической антенны посылает его в направлении объекта, например, самолёта. Радиоволна, достигая объекта, отражается от него во все стороны. Часть отражённой волны, энергия которой очень мала, улавливает приёмная параболическая антенна. Зная время t
между моментом излучения и моментом приёма сигнала, легко рассчитать R
расстояние до объекта: , где с
– скорость распространения .
Разумеется, это самая примитивная схема радиолокации. В настоящее время анализ принятого сигнала выполняется специализированным компьютером, который определяет не только расстояние, но и скорость, тип объекта, автоматически анализирует «свой-чужой», сравнивает с базой данных и выдает его тактико-технические характеристики и т.д. Имеются мобильные радиолокационные комплексы и мощные стационарные системы, отслеживающие одновременно сотни объектов вблизи поверхности Земли и в космосе над половиной территории РОССИИ.
Справка: я когда-то давно учился в Минском высшем зенитно-ракетном училище ПВО (тогда ещё СССР) на факультете СНР – станций наведения ракет. Поэтому о радиолокации знаю не понаслышке.
В радиоастрономия (рис. 12) радиолокационными методами определяют расстояния до небесных тел, отслеживают движение астрономических объектов.
В космонавтике (рис. 13) – следят за положением и перемещением различных космических аппаратов.
Карта поверхности Венеры, скрытой мощным облачным покровом, была составлена с помощью радиолокации (рис. 14).
5. Применение радиосвязи
В наш технический век радиосвязь так глубоко проникла в повседневную жизнь, что многие люди не только не понимают, но даже не пытаются задумываться над тем, откуда что берётся, как и почему оно работает.
Приведу несколько примеров.
5.1. Мобильная связь
(рис. 15)
Абсолютное большинство современных людей не мыслят своей жизни без мобильного телефона. Но редко кто из них догадывается о том, что мобильный телефон – это аппарат, совмещающий в себе функции приёмника и передатчика, а мобильная связь осуществляется с помощью тех же обыкновенных РАДИОВОЛН.
5.2. Радиотелефонная связь
(рис. 16)
Там, где используют рации – различные приёмопередающие устройства (полиция, скорая помощь, МЧС и т.п.), связь также осуществляется с помощью радиоволн.
5.3. Приём телевизионных сигналов
с помощью антенн, которые устанавливаются на крышах домов (рис. 17), постепенно уходит в прошлое. Тем не менее, те же самые радиоволны переносят изображение
5.4. Спутниковые телевидение, телефонная связь, Интернет
– всё это существует, благодаря радиоволнам, которые излучаются передатчиком, ретранслируются спутником и достигают приёмника (рис. 18).
5.5. Беспроводные мышь, клавиатура и гарнитура (рис. 19) также содержат миниатюрные приёмопередатчики, работающие в радиоволновом диапазоне.
5.6.
GPS
, ГЛОНАСС
– глобальные системы позиционирования, с помощью которых можно определить не только своё место положения (рис. 20), но и многое другое – работают также в радиоволновом диапазоне.
5.7.
Biuetooch
,
Wi
-
Fi
, беспроводные компьютерные сети
– это также передатчики и приёмники радиоволн (рис. 21).
5.8. Различные радиоуправляемые модели
(рис. 22) обязательно имеют блок управления (передатчик) и приёмник в самой модели.
6. Радиоволны
6.1. Что такое радиоволны
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Напоминаю, что свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота ЭМВ показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах, названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: , где с
– скорость света в м/с, n – частота в Гц.
Из формулы видно, что, например, n=1 МГц соответствует l=300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – наоборот. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути – это явление получило название дифракция. Оно возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней.
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По-научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него. Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.
6.2. Распределение спектра
Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0,1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра ЭМВ. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:
Диапазон частот |
Наименование диапазона
|
Наименование
|
Длина волны |
Очень низкие частоты (ОНЧ) |
Мириаметровые |
||
Низкие частоты (НЧ) |
Километровые |
||
300–3000 кГц |
Средние частоты (СЧ) |
Гектометровые |
|
Высокие частоты (ВЧ) |
Декаметровые |
||
Очень высокие частоты (ОВЧ) |
Метровые |
||
300–3000 МГц |
Ультра высокие частоты (УВЧ) |
Дециметровые |
|
Сверхвысокие частоты (СВЧ) |
Сантиметровые |
||
Крайне высокие частоты (КВЧ) |
Миллиметровые |
||
300–3000 ГГц |
Гипервысокие частоты (ГВЧ) |
Децимиллиметровые |
Но эти диапазоны (рис. 23) весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.
6.3. Как распространяются радиоволны
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии ЭМП. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волны (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну. 
Передачи длинноволновых (ДВ) вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые (СВ) станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн (КВ), то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи. На рис. 24 показано прохождение коротких и длинных радиоволн в атмосфере Земли.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн (УКВ) показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.
Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923 году. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх, и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.
Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.
Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.
Из рис. 25 видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.
Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ
волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.
Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи.
Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча. 
При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий.
Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности, на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, сильно ограничивающей дальность связи.
Таким образом, мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества.
На рис. 26 показано распространение КВ и УКВ.
Максвелл Джеймс Клерк (1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики.
Я не буду здесь приводить физические формулы и законы.
Генрих Рудольф Герц (1857-1894)- немецкий физик. Окончил Берлинский университет. Основное достижение - экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Он подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное, как разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу развития радио.
УВЧ – усилитель высокой частоты.
Она равна скорости света с=300 000 км/с.
НАЗАД на страницу РАДИОприём
>> Резонанс в электрической цепи
§ 35 РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
При изучении вынужденных механических колебаний мы ознакомились с явлением резонанса . Резонанс наблюдается в том случае, когда собственная частота колебаний системы совпадает с частотой изменения внешней силы. Если трение мало, то амплитуда установившихся вынужденных колебаний при резонансе резко увеличивается. Совпадение вида уравнений для описания механических и электромагнитных колебаний (позволяет сделать заключение о возможности резонанса также и в электрической цепи, если эта цепь представляет собой колебательный контур, обладающий определенной собственной частотой колебаний.
При механических колебаниях резонанс выражен отчетливо при малых значениях коэфициента трения . В электрической цепи роль коэффициента трения выполняет ее активное сопротивление R. Ведь именно наличие этого сопротивления в цепи приводит к превращению энергии тока но внутреннюю энергию проводника (проводник нагревается). Поэтому резонанс в электрическом колебательном кон-lype должен быть выражен отчетливо при малом активном сопротивлении R.
Мы с вами уже знаем, что если активное сопротивление мало, то собственная циклическая частота колебаний в контуре определяется формулой
При вынужденных электромагнитных колебаниях возможен резонанс - резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока и напряжения при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебаний. На явлении резонанса основана вся радиосвязь.
1. Может ли амплитуда силы тока при резонансе превысить силу постоянного тока в цепи с таким же активным сопротивлением и постоянным напряжением, равным амплитуде переменного напряжения!
2. Чему равна разность фаз между колебаниями силы тока и напряжения при резонансе!
3. При каком условии резонансные свойства контура выражены наиболее отчетливо!
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Книги и учебники согласно календарному плануванння по физике 11 класса скачать , помощь школьнику онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки