Урок физики в 11 классе по теме "Принципы радиосвязи"

Изобретение радио .

Принципы радиосвязи.

ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО А. С. ПОПОВЫМ

• Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Многие ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн.
• В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел более надежный и чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.
• В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер.

Александр Степанович Попов (1859 — 1906) — знаменитый русский физик, изобретатель радио. Убежденный в возможности связи без проводов при помощи электромагнитных волн, Попов построил первый в мире радиоприемник, применив в его схеме чувствительный элемент — когерер. Во время опытов по радиосвязи с помощью приборов Попова было впервые обнаружено отражение радиоволн от кораблей.

Когерер

Принцип действия когерера основан на влиянии электрических разрядов на металлические порошки .

• В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая ЭМВ создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые сваривают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает (в опытах А. С. Попова — с 100 000 Ом до 500—1000 Ом, т. е. в 100—200 раз).
• Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, встряхнув его.

Обеспечение автоматичности приема ЭМВ

• 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 через когерер в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашке, но и по когереру. Аппарат был готов к приему новой волны.

Упрощенная схема приемника А.С. Попова

Повышение чувствительности аппарата

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

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. Ныне он ежегодно отмечается в нашей стране.

• А. С. Попов продолжал настойчиво совершенствовать приемную и передающую аппаратуру. Он ставил своей непосредственной задачей построить прибор для передачи сигналов на большие расстояния.
• В декабре 1897 г. ученый продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества передачу и прием первой в мире радиограммы. Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии всего 250 м.

• Неустанно работая над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более 600 м.
• Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км,
• в 1901 г. дальность радиосвязи была уже 150 км.

• Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика.
• Искровой промежуток был "размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс.
• Существенно изменились и способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов.
• В 1899 г. была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона.
• В начале 1900 г. радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе.

За границей впоследствии усовершенствование подобных приборов проводилось фирмой, организованной итальянским инженером Г. М а р к о н и. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через Атлантический океан.

Отличие современных радиоприемников от «приемника А. С. Попова»

• 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 электрические колебания.
• Как и в приемнике Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема .
• Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи .
• Сейчас такое управление осуществляется с помощью электронных ламп и полупроводниковых приборов.

Излучение ЭМВ

• Для образования интенсивных ЭМВ необходимо создать колебания высокой частоты, так как энергия, излучаемая в единицу времени, пропорциональна четвертой степени частоты.
• Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде ЭМВ.
• Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
• Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает ламповый генератор, но эти колебания не содержат информации.

ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ

• Модуляция
• Детектирование

Модуляция сигнала

• При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы, но колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания. Поэтому электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются.
• Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания интенсивно излучаемые антенной, а для передачи звука эти колебания изменяют, или, как говорят, модулируют , с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты, например, изменяя со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.

На рис. показаны графики: 1) колебаний высокой частоты (ее называют несущей частотой (а),

2) колебаний звуковой частоты (б)

3) модулированных по амплитуде колебаний (в).

Амплитудная модуляция

• Амплитуду вырабатываемых ламповым генератором высокочастотных колебаний можно модулировать посредством изменения разности потенциалов между электродами лампы генератора, например, между анодом и катодом.
• Для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного анодного напряжения дополнительный источник переменного напряжения низкой частоты. Этим источником может являться, например, вторичная обмотка трансформатора, если по его первичной обмотке протекает ток звуковой частоты.
• В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями анодного напряжения. Это и означает, что высокочастотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом.

Амплитудная модуляция

• Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют частотную модуляцию — изменение частоты колебания в соответствии с управляющим сигналом. Ее преимуществом является большая устойчивость по отношению к помехам.

Детектирование( демодуляция)

• Принятый приемником модулированный высокочастотный сигнал даже после усиления не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вызвать только высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необходимо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выделить сигнал звуковой частоты.
• В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют демодуляцией или детектированием.
• Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты превращают в звук или используют для других целей.

Детектор

• Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью — детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуумный диод, триод) или полупроводниковый диод.
• Рассмотрим работу полупроводникового детектора. Пусть, этот прибор включен в цепь последовательно с источником модулированных колебаний и нагрузкой (рис.)

• Ток в цепи будет течь преимущественно в одном направлении, отмеченном на рисунке стрелкой, так как сопротивление диода в прямом направлении много меньше, чем в обратном.
• В цепи, показанной на рисунке , будет течь пульсирующий ток.

Этот пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединенный к нагрузке.

В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его (сплошная стрелка на рис . ).

В промежутке между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону (пунктирная стрелка на рис . ) Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор.

Благодаря этому через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.

Этот ток можно рассматривать как сумму постоянного тока и переменного тока низкой частоты.

• Простейший детекторный приемник состоит из колебательного контура, связанного с антенной, и, присоединенной к контуру цепи, состоящей из детектора и телефонов
• Катушки телефонов играют роль нагрузки. Через них течет ток звуковой частоты.
• Небольшие пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

Блок-схема радиовещательного тракта

Диапазон радиоволн

Длина

волны,м

1. Сверхдлинные (СДВ)

Частота, МГц

2. Длинные (ДВ)

Область применения

3. Средние (СВ)

Радиотелеграфная связь, передача метеосводок и сигналов точного времени, связь с подводными лодками

4. Короткие (KB)

Радиовещание, радиотелефонная и радиотелеграфная связь, радионавигация

5. Ультракороткие (УКВ)

То же

Радиовещание, радиотелеграфная связь, радиолюбительская связь, связь с кораблями, спутниками

Радиовещание, телевидение, радиолокация, космическая радиосвязь, радиолюбительская связь и др.

Домашнее задание :

• §§ 51-53