Основы радио: как генерируются и передаются электромагнитные волны

Одним из самых интригующих применений электричества является создание невидимых рябей энергии, известных как радиоволны. Пока этот урок фокусируется на переменном токе, мы обозначим основные принципы, лежащие в основе радиотехнологии.

Случайное открытие Эрстеда электромагнетизма раскрыло глубокую связь между электричеством и магнетизмом. Когда электрический ток течет через проводник, он генерирует магнитное поле перпендикулярно направлению тока. И наоборот, подвергая проводник изменяющемуся магнитному потоку, индуцируется напряжение вдоль его длины.

Ученые давно наблюдали это перпендикулярное взаимодействие, но более глубокая связь — открытая Джеймсом Клерком Максвеллом — была трансформативной для современной науки.

Соотношение электрических и магнитных полей

Прорыв Максвелла объединил электричество и магнетизм в четыре элегантных уравнения, показывая, что электрические и магнитные поля неразрывно связаны даже без проводящего пути. Кратко:

• Изменяющееся электрическое поле производит перпендикулярное магнитное поле.
• Изменяющееся магнитное поле производит перпендикулярное электрическое поле.

Эти взаимно усиливающиеся поля могут распространяться через пустое пространство со скоростью света, образуя то, что мы называем электромагнитной волной. Свет, рентгеновские и гамма-лучи — все электромагнитное излучение; единственное различие — в их частоте колебаний.

Применяя AC напряжение к специально спроектированному устройству, называемому антенной, мы можем генерировать низкочастотные электромагнитные волны, служащие основой радиокоммуникации.

Типы антенн

Антенна — устройство, спроектированное для излучения или захвата электромагнитных полей. Две фундаментальные конструкции антенн — диполь и петля, проиллюстрированные ниже:

Диполь и петлевая антенны.

Диполь напоминает разомкнутую цепь, в то время как петля функционирует как короткое замыкание. Когда запитаны AC источником на подходящей частоте, обе конфигурации становятся эффективными излучателями.

Два разделенных провода диполя действуют как конденсатор, позволяя электрическому полю излучаться наружу. Замкнутый контур петли ведет себя как индуктивность с большим воздушным ядром, позволяя магнитному полю рассеиваться. В обоих случаях чередующееся поле производит дополнительное поле под прямым углом, поддерживая электромагнитную волну при её распространении.

Функции антенны

Связанная с высокочастотным AC источником, антенна служит передатчиком, преобразуя электрическую энергию в электромагнитные волны. Наоборот, помещенная в электромагнитное поле, она может функционировать как приемник, преобразуя входящие волны обратно в электрические сигналы:

Базовый радиопередатчик и приемник.

Хотя технология антенн обширна, этот обзор предоставляет основные концепции и может вдохновить на практические эксперименты.

ОБЗОР:

• Джеймс Максвелл показал, что изменяющиеся электрические поля генерируют перпендикулярные магнитные поля — и наоборот — даже в свободном пространстве.
• Электромагнитные волны состоят из парных электрических и магнитных полей, осциллирующих под прямыми углами и распространяющихся со скоростью света.
• Антенна излучает изменяющееся электрическое или магнитное поле при питании высокочастотным AC, или захватывает такие поля и конвертирует их в электрические сигналы.
• Дипольная антенна, сделанная из двух не касающихсяся проводов, преимущественно излучает электрическое поле при возбуждении.
• Петлевая антенна, замкнутый контур провода, преимущественно излучает магнитное поле при возбуждении.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист: Базовый электромагнетизм и электромагнитная индукция