§ 11. Электромагнитные волны. Передача информации с помощью электромагнитных волн

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — это распространяющиеся в пространстве взаимно связанные переменные электрическое и магнитное поля. Изменения одного поля сопровождаются изменениями другого, поэтому возмущение может передаваться дальше от источника. Волна переносит энергию и распространяется не только в веществе, но и в вакууме. Это понятие нужно, чтобы объяснить, как сигнал достигает приёмника на расстоянии.

Радиоволна — электромагнитная волна, которую используют, в частности, для передачи информации. Передатчик создаёт такие волны, а приёмная антенна взаимодействует с их полем. Радиоволнами передают речь, музыку и другие сообщения. Понимание этого термина связывает свойства полей с практической радиосвязью.

Модуляция — изменение одного из параметров высокочастотных колебаний по закону передаваемого сигнала. Например, при амплитудной модуляции меняется амплитуда несущих колебаний, а при частотной — их частота. Благодаря модуляции сообщение можно передать на высокочастотной волне, пригодной для излучения антенной. Термин помогает описать, как информация становится частью радиосигнала.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из принятых модулированных колебаний. Приёмник выполняет эту операцию после того, как антенна приняла волну и сигнал был усилен. В результате снова получают колебания, соответствующие исходному сообщению. Детектирование необходимо, чтобы превратить принятый радиосигнал в звук или другое понятное получателю сообщение.

Как это устроено

Электрическое и магнитное поля связаны: изменение электрического поля сопровождается возникновением магнитного, а изменение магнитного — электрического. Поэтому переменное поле источника не остаётся только в одной точке, а вызывает изменения поля в соседних областях пространства. Так возмущение распространяется от источника, образуя электромагнитную волну. В отличие от звуковой волны, для такого распространения не требуется вещество: изменяться могут сами поля.

В закрытом колебательном контуре переменные поля в основном сосредоточены внутри конденсатора и катушки, а их взаимодействие с пространством снаружи сравнительно слабое. Если контур раскрыть, заряды распределяются по более протяжённым участкам проводника, и электрическое поле выходит за пределы конденсатора. Переменный ток в проводниках создаёт меняющееся магнитное поле вокруг них. В открытом контуре поля сильнее взаимодействуют с окружающим пространством, поэтому часть энергии уходит от источника в виде электромагнитной волны.

Сообщение, например речь, сначала превращают в низкочастотный электрический сигнал: микрофон преобразует звуковые колебания в изменения напряжения или тока. Этот сигнал сам по себе неудобно эффективно излучать антенной, поэтому используют высокочастотные колебания — несущую. Передатчик изменяет один из её параметров в соответствии с информацией: амплитуду или частоту. Такое изменение называется модуляцией; частота несущей при этом выполняет роль переносчика, а частота звукового сигнала задаёт скорость изменения сообщения.

В передатчике модулированные колебания поступают в антенну, где перемещение зарядов создаёт переменное электромагнитное поле. От антенны волна распространяется в пространстве, в том числе через вакуум, и достигает приёмной антенны. Поле волны действует на заряды в проводнике, вызывая в нём переменные электрические колебания. Они соответствуют принятому радиосигналу, но обычно очень слабы, поэтому приёмник усиливает их перед дальнейшей обработкой.

После усиления приёмник детектирует колебания и выделяет из них низкочастотный сигнал, похожий на исходный сигнал микрофона. Затем устройство воспроизведения преобразует его в нужную форму: громкоговоритель — в звук, а экран — в изображение. Таким образом, микрофон превращает сообщение в электрический сигнал, модулятор связывает его с несущей, антенна излучает волну, а приёмная аппаратура восстанавливает сообщение. На каждом участке происходит преобразование, но информация сохраняется и становится доступной получателю.

Этапы передачи информации с помощью электромагнитных волн

Читайте таблицу как последовательность действий: каждая строка показывает следующий этап пути сообщения от источника к получателю. Устройство в последнем столбце либо выполняет преобразование, либо обозначает физическое явление, необходимое для него. Если нужно проследить передачу речи, начните с микрофона и двигайтесь по строкам до устройства воспроизведения.

Разбор задач

Почему открытый контур излучает эффективнее закрытого?

Условие. Нужно сравнить закрытый и открытый колебательные контуры и объяснить, какой из них лучше излучает электромагнитные волны. Числовых данных в задаче нет, поэтому сравниваем распределение полей и их взаимодействие с пространством. Важно объяснить причину, а не просто назвать контур.

1. В закрытом контуре электрическое поле преимущественно находится между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки. Значительная часть полей ограничена элементами контура, поэтому слабее взаимодействует с удалённым пространством.
2. В открытом контуре проводники разнесены, а заряды распределены по ним. Переменные поля охватывают более широкую область и выходят за пределы конденсатора и катушки.
3. Поскольку поля открытого контура сильнее взаимодействуют с пространством, часть энергии колебаний уносится от контура в виде волны. Это и делает излучение эффективнее.

Ответ: открытый контур излучает эффективнее, потому что его переменные электрическое и магнитное поля выходят в окружающее пространство и могут распространяться от источника.

Какой вид модуляции происходит в передатчике?

Условие. В передатчике амплитуда высокочастотных колебаний изменяется в соответствии с речевым сигналом. Нужно определить вид модуляции и сказать, что примет антенна. В условии уже указано, какой параметр несущей меняется, поэтому сравним его с определением модуляции.

1. Амплитуда — это параметр, характеризующий размах колебаний. Если именно она меняется вслед за речевым сигналом, перед нами амплитудная модуляция.
2. Речевой сигнал не заменяет высокочастотные колебания, а управляет их амплитудой. В результате образуется модулированный сигнал, содержащий информацию о речи.
3. Передающая антенна взаимодействует с этими колебаниями и излучает электромагнитную волну. Её амплитуда изменяется в соответствии с речевым сигналом.

Ответ: происходит амплитудная модуляция; антенна излучает модулированную электромагнитную волну, несущую речевую информацию.

Как сигнал проходит от микрофона до громкоговорителя?

Условие. Нужно проследить путь речи от микрофона передатчика до громкоговорителя приёмника. Следует назвать все основные преобразования и не смешивать операции передатчика с операциями приёмника. Двигаться удобно по порядку — от источника сообщения к его воспроизведению.

1. Микрофон преобразует звук в низкочастотный электрический сигнал. Этот сигнал меняется в соответствии с речью.
2. Передатчик модулирует высокочастотную несущую речевым сигналом. Передающая антенна излучает модулированную волну в пространство.
3. Приёмная антенна взаимодействует с волной, и в ней возникают электрические колебания. Приёмник усиливает их, затем детектирует и выделяет низкочастотный сигнал.
4. Громкоговоритель преобразует восстановленный электрический сигнал обратно в звук. Получатель слышит сообщение, переданное микрофоном.

Ответ: микрофон создаёт электрический сигнал, передатчик модулирует им несущую и излучает волну, приёмник принимает и детектирует её, а громкоговоритель воспроизводит исходный звук.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что электромагнитной волне обязательно нужна материальная среда. Такое представление переносят со звуковых волн, которые действительно распространяются за счёт колебаний частиц вещества. Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся изменение полей и может идти через вакуум. Проверь себя вопросом: может ли свет от далёкой звезды дойти до Земли через космическое пространство?

Частоту несущих колебаний иногда путают с частотой звукового сигнала, потому что оба вида колебаний участвуют в передаче. Однако несущая — высокочастотная основа радиосигнала, а низкочастотный сигнал несёт сведения о речи или звуке. При модуляции параметр несущей меняется по закону информационного сигнала, но эти частоты не становятся одной и той же частотой. Проверь себя: какая частота нужна для излучения, а какая соответствует изменению сообщения?

Модуляцию и детектирование могут считать одинаковыми операциями, поскольку обе связаны с изменением сигнала. На деле модуляция происходит на передающей стороне и кодирует сообщение на несущей, а детектирование на приёмной стороне выделяет сообщение обратно. Если перепутать их, направление преобразования окажется неверным. Проверь себя: операция добавляет информацию к несущей или извлекает её из принятого сигнала?

Приёмную антенну иногда представляют устройством, которое просто «ловит» волну. В действительности электрическое поле волны действует на заряды антенны и вызывает в ней переменные электрические колебания, которые можно усилить и обработать. Поэтому сигнал возникает вследствие взаимодействия поля с проводником. Проверь себя: что именно появляется в антенне после прихода волны — готовый звук или электрические колебания?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о колебаниях и переменном токе: именно переменные токи и заряды создают меняющиеся поля в контуре и антенне. Представление о взаимосвязи электрического и магнитного полей объясняет распространение электромагнитного возмущения. Эти идеи применяются при изучении радиосвязи и беспроводных технологий. Они также помогают понять работу радиолокации, где волны используют для обнаружения объектов и определения расстояния до них.

Что запомнить

• Электромагнитная волна — распространяющееся возмущение взаимосвязанных электрического и магнитного полей.
• Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.
• Антенна может излучать и принимать электромагнитные волны.
• Информационный сигнал передают, изменяя параметры высокочастотных колебаний.
• На приёмнике модулированные колебания детектируют, чтобы восстановить сообщение.
• Передача информации включает преобразование сигнала, излучение, приём и восстановление сообщения.