Тақырып 18

Электромагниттік толқындар

Спецификация бойынша не тексеріледі:

Электромагниттік толқындардың пайда болуы, Герц тәжірибелеріЭлектромагниттік толқындардың қасиеттеріЭлектромагниттік сәулелену шкаласыРадиобайланыс: модуляция және детекторлауРадиолокация, теледидар, ұялы байланысАналогтық және цифрлық сигнал

Бір минутта мәні

Өзгеретін электр өрісі магнит өрісін, ал өзгеретін магнит өрісі электр өрісін тудырады; осылай вакуумда да жарық жылдамдығымен таралатын электрмагниттік толқын пайда болады. Максвелл мұндай толқындарды болжады, Герц оларды тәжірибеде алды, Попов пен Маркони радиобайланысқа қолданды. Радиотолқындар, жарық, рентген және гамма-сәулелер — табиғаты бір, толқын ұзындығы әртүрлі.

Басты формулалар

c=λν=3⋅108c=\lambda\nu=3\cdot10^8 м/с
Вакуумдағы ЭМ толқындардың жылдамдығы
v=cεμv=\dfrac{c}{\sqrt{\varepsilon\mu}}
Ортадағы жылдамдық
λ=cT=2πcLC\lambda=cT=2\pi c\sqrt{LC}
Контур бапталған толқын ұзындығы
s=ct2s=\dfrac{ct}{2}
Радиолокация

Ұғымдар мен терминдер

Электрмагниттік толқын
Кеңістікте таралатын өзара байланысты айнымалы электр және магнит өрістері; көлденең
Ашық тербелмелі контур
Антенна; толқындар шығарады (жабық контур іс жүзінде шығармайды)
Модуляция
Жоғары жиілікті тербелістерді дыбыс сигналының заңымен өзгерту (амплитудалық АМ, жиіліктік ЖМ)
Детекторлау
Модуляцияланған тербелістерден дыбыс сигналын бөліп алу
Радиолокация
Шағылған радиотолқындар бойынша нысандарды анықтау және оларға дейінгі қашықтықты өлшеу
Цифрлық сигнал
0 мен 1 тізбегімен берілетін сигнал; бөгеуілдерге төзімді

Тақырыпты талдау

ЭМ толқындардың пайда болуы және қасиеттері

ЭМ толқындарды үдеумен қозғалатын зарядтар, мысалы антеннада тербелетін зарядтар шығарады. E және B векторлары бір-біріне және таралу бағытына перпендикуляр — толқын көлденең.

Г. Герц тәжірибелері (1888): вибратор арқылы толқындар алып, оларды резонатормен анықтады, шағылуды, сынуды, интерференцияны, поляризацияны көрсетті — жарықтағыдай. Осылай Максвелл теориясы дәлелденді.

ЭМ толқындар энергия мен импульс тасымалдайды, қысым түсіреді; сәулелену қарқындылығы жиіліктің төртінші дәрежесіне пропорционал.

Электрмагниттік сәулеленулер шкаласы

Радиотолқындар (λ > 1 мм): байланыс, теледидар, радар, Wi-Fi, микротолқынды пеш.

Инфрақызыл (1 мм — 780 нм): жылулық сәулелену, жылу бейнелегіштер, қашықтан басқару пульттері. Көрінетін жарық (780–380 нм): қызылдан күлгінге дейін. Ультракүлгін: күнге күю, зарарсыздандыру, көзге зиян.

Рентген сәулесі: медицина, жүкті тексеру, кристалдарды зерттеу. Гамма-сәулелену: ядролық процестер, сәулемен емдеу, стерильдеу.

Толқын ұзындығы неғұрлым аз болса, жиілік пен фотон энергиясы соғұрлым үлкен, өтімділік қабілеті соғұрлым жоғары.

Радиобайланыс принциптері

А. С. Попов (1895) және Г. Маркони радиобайланысты көрсетті. Дыбыстық жиіліктер нашар шығарылады, сондықтан жоғары жиілікті тасымалдаушы толқын пайдаланылады.

Таратқыш: тасымалдаушы жиілік генераторы → модулятор (дыбысты енгізеді) → антенна. Қабылдағыш: антенна → тербелмелі контур (резонанспен баптау) → детектор (диод) → дауыс зорайтқыш.

Ұзын және орта толқындар Жерді орағытады, қысқа толқындар ионосферадан шағылып, өте алысқа барады, УҚТ тура көріну шегінде таралады — ретрансляторлар мен серіктер қажет.

Радиолокация, теледидар, ұялы байланыс

Радиолокатор қысқа импульстер жіберіп, шағылғандарын қабылдайды; кідіріс уақыты бойынша қашықтықты табады. Қолданылуы: авиация, метеорология, жылдамдықты бақылау.

Теледидар элементтерге жіктелген кескінді береді; цифрлық ТВ және спутниктік хабар тарату. Ұялы байланыс: аумақты ұяшықтарға бөледі, әрқайсысында базалық станция бар; 2G → 5G ұрпақтары.

Спутниктік навигация (GPS, ГЛОНАСС) бірнеше серіктен сигналдардың келу уақыты бойынша координаталарды анықтайды.

Аналогтық және цифрлық сигнал

Аналогтық сигнал үздіксіз және дыбыстың пішінін қайталайды; бөгеуілдерден бұрмаланады.

Цифрлық сигнал — дискретті (0 және 1): бөгеуілдерді оңай сүзуге болады, деректерді сығып, шифрлауға болады. Цифрлау: уақыт бойынша дискреттеу және деңгей бойынша кванттау.

Шешімі бар есеп мысалдары

Есеп 1Радиостанция 100 МГц жиілікте жұмыс істейді. Толқын ұзындығын табыңыз.
  1. λ=cν=3⋅108108=3\lambda=\dfrac c\nu=\dfrac{3\cdot10^8}{10^8}=3 м.
Жауабы 3 м
Есеп 2Радиолокатор сигналы 2 · 10⁻⁴ с-тан кейін қайтып оралды. Ұшаққа дейінгі қашықтықты табыңыз.
  1. s=ct2=3⋅108⋅2⋅10−42=3⋅104s=\dfrac{ct}{2}=\dfrac{3\cdot10^8\cdot2\cdot10^{-4}}{2}=3\cdot10^4 м.
Жауабы 30 км
Есеп 3Қабылдағыш контуры: L = 2 мкГн, C = 50 пФ. Ол қандай толқын ұзындығына бапталған?
  1. T=2π2⋅10−6⋅5⋅10−11=2π⋅10−8≈6,28⋅10−8T=2\pi\sqrt{2\cdot10^{-6}\cdot5\cdot10^{-11}}=2\pi\cdot10^{-8}\approx6{,}28\cdot10^{-8} с.
  2. λ=cT≈3⋅108⋅6,28⋅10−8≈18,8\lambda=cT\approx3\cdot10^8\cdot6{,}28\cdot10^{-8}\approx18{,}8 м.
Жауабы ≈ 18,8 м

ҰБТ-дағы жиі қателіктер

  • ЭМ толқындар вакуумда таралады, механикалық толқындар — жоқ.
  • ЭМ толқындар көлденең.
  • Толқындарды бірқалыпты емес, үдеумен қозғалатын заряд шығарады.
  • Жарық, радиотолқындар және рентгеннің вакуумдағы жылдамдығы бірдей.
  • Радиолокацияда сигнал жолы — бару және қайту.

Есте сақта

c = λν = 3 · 10⁸ м/с. Шкала: радио → ИҚ → көрінетін → УК → рентген → γ (λ кемиді). Модуляция — таратқышта, детекторлау — қабылдағышта.

Өзіңді тексер

1. ЭМ толқындардың бар екенін тәжірибе жүзінде кім дәлелдеді?
  1. Максвелл
  2. Герц
  3. Попов
  4. Фарадей
Жауабын көрсету

Герц 1888 жылғы тәжірибелер.

2. Қай сәулеленудің толқын ұзындығы ең аз?
  1. Радиотолқындар
  2. Көрінетін жарық
  3. Рентген
  4. γ-сәулелену
Жауабын көрсету

γ-сәулелену γ-сәулелер — ең қысқа толқынды.

3. Қабылдағышта дыбыс сигналын бөліп алу процесі:
  1. Модуляция
  2. Детекторлау
  3. Генерация
  4. Күшейту
Жауабын көрсету

Детекторлау Детектор — диод.

4. Қандай толқындар ионосферадан шағылады?
  1. УҚТ
  2. Қысқа
  3. Рентген
  4. Көрінетін жарық
Жауабын көрсету

Қысқа Сондықтан ҚТ алыс байланыс береді.

5. Теледидарды қашықтан басқару пульті пайдаланады:
  1. УК
  2. ИҚ
  3. Рентген
  4. γ
Жауабын көрсету

ИҚ Инфрақызыл жарықдиод.

Байланысты тақырыптар

16. Электромагниттік тербелістер. Айнымалы ток17. Толқындық қозғалыс19. Толқындық оптика

Деңгейіңді біл: ҰБТ-ға тегін диагностика