Wi-Fi

Elektrická rezonance a její zohlednění v technologii. Energie rezonance

Odeslat svou dobrou práci do znalostní báze je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář

Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu ve svém studiu a práci, vám budou velmi vděční.

Vloženo na http://www.allbest.ru/

Rezonance. Jeho aplikace

Rezonance v elektrickém oscilačním obvodu je jev prudkého nárůstu amplitudy vynucených kmitů síly proudu, když se frekvence vnějšího střídavého napětí shoduje s vlastní frekvencí oscilačního obvodu.

rezonanční napětí elektrické lékařství

Použití rezonance

V lékařství

Magnetická rezonance, nebo její zkrácený název MRI, je považována za jednu z nejspolehlivějších metod radiační diagnostiky. Zjevnou výhodou použití této metody ke kontrole stavu těla je, že se nejedná o ionizující záření a poskytuje poměrně přesné výsledky při studiu svalového a kloubního systému těla a pomáhá s vysokou pravděpodobností diagnostikovat různá onemocnění páteře a páteře. centrální nervový systém.

Samotný proces vyšetření je vcelku jednoduchý a naprosto bezbolestný – uslyšíte jen hlasitý hluk, ale dobře vás před ním ochrání sluchátka, která vám lékař před zákrokem dá. Existují pouze dva druhy nepříjemností, kterým se nelze vyhnout. Především se to týká těch lidí, kteří se bojí uzavřených prostor – diagnostikovaný pacient si lehne na vodorovné lůžko a automatická relé ho přesunou do úzké trubky se silným magnetickým polem, kde setrvá asi 20 minut. Během diagnostiky byste se neměli hýbat, aby byly výsledky co nejpřesnější. Druhou nepříjemností, kterou rezonance při vyšetření pánve způsobuje, je nutnost naplnění močového měchýře.

Pokud si vaši blízcí přejí být přítomni při diagnostice, jsou povinni podepsat informační dokument, podle kterého jsou seznámeni s pravidly chování v diagnostické místnosti a nemají žádné kontraindikace pro pobyt v blízkosti silného magnetického pole. Jedním z důvodů nemožnosti pobytu na MRI velínu je přítomnost cizích kovových součástí v těle.

PoužitýVyužití rezonance v radiokomunikacích

Fenomén elektrické rezonance je široce používán v rádiové komunikaci. Rádiové vlny z různých vysílacích stanic vybudí v rádiové anténě střídavé proudy o různých frekvencích, protože každá vysílající rádiová stanice pracuje na své vlastní frekvenci. K anténě je indukčně připojen oscilační obvod (obr. 4.20). Vlivem elektromagnetické indukce v cívce smyčky vznikají střídavé emf odpovídajících frekvencí a vynucené kmity o síle proudu stejných frekvencí. Ale pouze při rezonanci budou kolísání proudu v obvodu a napětí v něm výrazné, t.j. z kmitů různých frekvencí vybuzených v anténě obvod vybírá pouze ty, jejichž frekvence je rovna vlastní frekvenci. Naladění obvodu na požadovanou frekvenci se obvykle provádí změnou kapacity kondenzátoru. Obvykle se jedná o naladění rádia na konkrétní rozhlasovou stanici. Nutnost vzít v úvahu možnost rezonance v elektrickém obvodu. V některých případech může rezonance v elektrickém obvodu způsobit velké škody. Pokud obvod není navržen pro provoz v rezonančních podmínkách, jeho výskyt může vést k nehodě.

Příliš vysoké proudy mohou dráty přehřát. Vysoké napětí vede k porušení izolace.

Nehody tohoto druhu se často stávaly relativně nedávno, kdy lidé špatně rozuměli zákonům elektrických oscilací a nevěděli, jak správně vypočítat elektrické obvody.

Při nucených elektromagnetických oscilacích je možná rezonance - prudké zvýšení amplitudy proudových a napěťových oscilací, když se frekvence vnějšího střídavého napětí shoduje s vlastní frekvencí oscilací. Veškerá rádiová komunikace je založena na fenoménu rezonance.

Napěťová rezonance

Jev rezonance elektrických napětí je pozorován v sériovém oscilačním obvodu sestávajícím z kondenzátoru (kondenzátoru), indukčnosti a rezistoru (odpor). Pro zajištění dodávky energie do oscilačního obvodu je v sériovém obvodu zařazen i zdroj elektromotorické síly E. Zdroj produkuje střídavé napětí o frekvenci W. Při rezonanci musí být proud cirkulující v sériovém obvodu ve fázi se sériovým obvodem. emf. E. To je zajištěno, pokud je celkový odpor obvodu Z = R+J(WL - 1/WC) pouze aktivní, tzn. Z=R. Rovnost:

(L - 1/WC) = 0 (1),

je matematická podmínka pro rezonanci v oscilačním obvodu. V tomto případě bude aktuální hodnota v obvodu I = E/R. Pokud transformujeme rovnost (1), dostaneme:

V tomto výrazu je W - rezonanční frekvence obvodu.

Je důležité, aby se během rezonance napětí na indukčnosti rovnalo napětí na kondenzátoru a bylo:

UL = U = WL * I = WLE/R

Celkový součet energií v indukčnosti a kapacitě (magnetická a elektrická pole) je konstantní. To se vysvětluje tím, že mezi těmito poli dochází k oscilační výměně energií. Jeho celkové množství se v každém okamžiku nemění. V tomto případě nedochází k výměně energie mezi jeho zdrojem E a obvodem. Místo toho dochází k nepřetržité přeměně jednoho druhu energie na jiný.

Pro oscilační obvody se používá pojem činitel jakosti, který ukazuje, jak souvisí napětí na jalovém prvku (kapacita nebo indukčnost) a vstupní napětí obvodu. Faktor kvality se vypočítá podle vzorce:

Pro ideální sériový obvod s nulovým aktivním odporem je výskyt rezonance doprovázen netlumenými oscilacemi. V praxi je tlumení kmitů kompenzováno napájením obvodu z generátoru kmitů s rezonanční frekvencí.

Aplikace napěťové rezonance

Fenomén vibrační rezonance je široce používán v radioelektronice. Zejména je vstupním obvodem jakéhokoli rádiového přijímače nastavitelný oscilační obvod. Jeho rezonanční frekvence, která se mění úpravou kapacity kondenzátoru, odpovídá frekvenci signálu rádiové stanice, který má být přijímán.

V elektroenergetice je výskyt napěťové rezonance v důsledku doprovodných přepětí spojen s nežádoucími důsledky. Pokud je například dlouhé kabelové vedení (což je oscilační obvod s rozloženou kapacitou a indukčností) připojeno ke generátoru nebo mezitransformátoru a není připojeno k zátěži na přijímacím konci (toto se nazývá režim bez zátěže), celý obvod může být v rezonančním stavu. V takové situaci mohou být napětí vznikající v některých částech obvodu vyšší než vypočtená. To může vést k porušení izolace kabelu a jeho selhání. Této situaci se zabrání použitím pomocné zátěže.

Publikováno na Allbest.ru

...

Podobné dokumenty

Biologický vliv elektrických a magnetických polí na organismus lidí a zvířat. Podstata jevu elektronové paramagnetické rezonance. EPR studie proteinů obsahujících kovy. Metoda nukleární magnetické rezonance. Aplikace NMR v medicíně.

abstrakt, přidáno 29.04.2013

Střídavé elektrické obvody, jejich parametry. Pojem a základní podmínky fenoménu rezonance. Vlastnosti změn indukční a kapacitní reaktance. Analýza závislosti fázového posunu mezi proudem a napětím na vstupu obvodu na frekvenci.

test, přidáno 16.01.2010

Schéma zapojení s činnými, indukčními a kapacitními reaktancemi zapojenými do série. Výpočet hodnot proudu a poklesu napětí. Koncept napěťové rezonance. Měření údajů z osciloskopu. Závislost odporu na frekvenci vstupního napětí.

laboratorní práce, přidáno 7.10.2013

Excitace jader v magnetickém poli. Podmínky magnetické rezonance a procesy jaderné relaxace. Spin-spinová interakce částic v molekule. Schéma NMR spektrometru. Aplikace 1H a 13C NMR spektroskopie Různé metody decouplingu protonů.

abstrakt, přidáno 23.10.2012

Vlastnosti nucených kmitů. Fenomén rezonance, vytváření nedestruktivních struktur. Využití vibrací ve stavebnictví, technologii a při třídění sypkých materiálů. Škodlivé účinky vibrací. Lodní klopení a stabilizátory; antirezonanční.

práce v kurzu, přidáno 21.03.2016

Stanovení vlivu aktivní, indukční a kapacitní reaktance na výkon a fázový posun mezi proudem a napětím ve střídavém elektrickém obvodu. Experimentální studium rezonančních jevů v paralelním oscilačním obvodu.

laboratorní práce, přidáno 7.11.2013

Studie asynchronního třífázového motoru s vinutým rotorem. Schéma sériového a paralelního zapojení prvků pro studium napěťové rezonance. Rezonance napětí, proudů. Závislost proudu na kapacitě při napěťové rezonanci.

laboratorní práce, přidáno 19.05.2011

Elektrický obvod se sériovým a paralelním zapojením prvků s R, L a C, jejich srovnávací charakteristiky. Trojúhelník napětí a odporů. Pojem a vlastnosti rezonance proudů a napětí, směry a vlastnosti její regulace.

abstrakt, přidáno 27.07.2013

Praktické testování a stanovení fyzikálních jevů vyskytujících se v obvodu střídavého proudu při sériovém zapojení rezistoru, indukční cívky a kondenzátoru. Získání napěťové rezonance, sestrojení vektorového diagramu na základě experimentálních dat.

laboratorní práce, přidáno 1.12.2010

Kvantová mechanika jako abstraktní matematická teorie, která vyjadřuje procesy pomocí operátorů fyzikálních veličin. Magnetický moment a jaderný spin, jejich vlastnosti a rovnice. Podmínky termodynamické rovnováhy a aplikace rezonančního jevu.

Ve fyzice je rezonance jev, při kterém se amplitudy vibrací systému prudce zvyšují. K tomu dochází, když se přirozené a vnější rušivé frekvence shodují. V mechanice je příkladem kyvadlo hodin. Podobné chování je také typické pro elektrické obvody, které obsahují prvky aktivní, indukční a kapacitní zátěže. Rezonance proudů a napětí je velmi důležitá.

Vektory a teorie

Abychom pochopili význam procesů probíhajících v obvodech včetně induktorů, kondenzátorů a aktivních odporů, je třeba zvážit schéma jednoduchého oscilačního obvodu. Tak jako obyčejné kyvadlo střídavě přenáší energii z potenciálního do kinetického stavu, proudí elektrický náboj v obvodu RCL, akumulovaný v kapacitance, do indukčnosti. Poté se proces odehrává v opačném směru a vše začíná znovu. Vektorový diagram v tomto případě vypadá takto: kapacitní zátěžový proud vede směr napětí o úhel π/2, indukční zátěž zaostává o stejný úhel a aktivní zátěž je ve fázi. Výsledný vektor má sklon vzhledem k úsečce, značený řeckým písmenem φ. Rezonance v obvodu střídavého proudu nastane, když φ = 0, respektive cos φ = 1. V překladu z jazyka matematiky tento výpočet znamená, že proud procházející všemi prvky je ve fázi s proudem v aktivní složce elektrického obvodu. .

Praktická aplikace v napájecích systémech

Teoreticky jsou všechny tyto výpočty pochopitelné, ale co znamenají pro praktické záležitosti? Spousta věcí! Každý ví, že užitečnou práci v jakémkoli obvodu vykonává aktivní složka výkonu. Většina spotřeby energie přitom pochází z elektromotorů, kterých je v každém podniku mnoho a ve svém provedení obsahují vinutí, která představují indukční zátěž a vytvářejí úhel φ, který je jiný než nula. Aby došlo k proudové rezonanci, je nutné kompenzovat reaktance tak, aby jejich vektorový součet byl nulový. V praxi se toho dosáhne zapnutím kondenzátoru, který vytvoří opačný posun vektoru proudu.

Rezonance proudů v rádiových přijímačích

Současná rezonance má další, radiotechnickou aplikaci. Oscilační obvod, který tvoří základ každého přijímacího zařízení, se skládá z induktoru a kondenzátoru. Změnou hodnoty elektrické kapacity lze zajistit selektivní příjem signálu s požadovanou nosnou frekvencí a potlačení zbývajících celovlnných složek přijímaných na anténě včetně rušení. V praxi takový proměnný kondenzátor vypadá jako dvě sady desek, z nichž jedna se při otáčení pohybuje dovnitř nebo ven z druhé a zvyšuje nebo snižuje elektrickou kapacitu. V tomto případě se vytvoří proudová rezonance a rádiový přijímač se naladí na požadovanou frekvenci.

Rezonance. Jeho aplikace

Využití rezonance v medicíně

Využití rezonance v radiokomunikacích

Příliš vysoké proudy mohou dráty přehřát. Vysoké napětí vede k porušení izolace.

Nehody tohoto druhu se často stávaly relativně nedávno, kdy lidé špatně rozuměli zákonům elektrických oscilací a nevěděli, jak správně vypočítat elektrické obvody.

Znalosti fyziky a teorie této vědy přímo souvisí s údržbou domácnosti, opravami, stavebnictvím a strojírenstvím. Navrhujeme zvážit, jaká je rezonance proudů a napětí v sériovém RLC obvodu, jaká je hlavní podmínka pro její vznik a také výpočet.

Co je rezonance?

Definice jevu pomocí TOE: elektrická rezonance nastává v elektrickém obvodu při určité rezonanční frekvenci, kdy se některé části odporu nebo vodivosti prvků obvodu navzájem ruší. V některých obvodech k tomu dochází, když je impedance mezi vstupem a výstupem obvodu téměř nulová a funkce přenosu signálu se blíží jednotce. V tomto případě je velmi důležitý faktor kvality tohoto obvodu.

Známky rezonance:

Složky jalových větví proudu jsou si navzájem rovny IPC = IPL, antifáze vzniká pouze při stejné čisté činné energii na vstupu;
Proud v jednotlivých větvích převyšuje celý proud konkrétního obvodu, přičemž větve jsou ve fázi.

Jinými slovy, rezonance ve střídavém obvodu implikuje speciální frekvenci a je určena hodnotami odporu, kapacity a indukčnosti. Existují dva typy proudové rezonance:

Konzistentní;
Paralelní.

Pro sériovou rezonanci je podmínka jednoduchá a vyznačuje se minimálním odporem a nulovou fází, používá se v reaktivních obvodech a používá se i ve větvených obvodech. Paralelní rezonance nebo koncept RLC obvodu nastává, když jsou indukční a kapacitní vstupy stejné velikosti, ale vzájemně se ruší, protože jsou od sebe v úhlu 180 stupňů. Toto spojení se musí neustále rovnat zadané hodnotě. Dostalo se mu širšího praktického uplatnění. Ostrá minimální impedance, kterou vykazuje, je výhodná pro mnoho elektrických domácích spotřebičů. Ostrost minima závisí na hodnotě odporu.

RLC obvod (neboli obvod) je elektrický obvod, který se skládá z rezistoru, induktoru a kondenzátoru zapojených sériově nebo paralelně. Paralelní oscilační obvod RLC získal svůj název podle zkratky fyzikálních veličin reprezentujících odpor, indukčnost a kapacitu. Obvod tvoří harmonický oscilátor pro proud. Jakékoli oscilace proudu indukovaného v obvodu časem slábnou, pokud je pohyb usměrňovaných částic zastaven zdrojem. Tento odporový efekt se nazývá útlum. Přítomnost odporu také snižuje špičkovou rezonanční frekvenci. Určitý odpor je ve skutečných obvodech nevyhnutelný, i když odpor není součástí obvodu.

aplikace

Téměř veškerá silová elektrotechnika používá právě takový oscilační obvod, řekněme výkonový transformátor. Obvod je také nezbytný pro nastavení provozu televizoru, kapacitního generátoru, svářečky, rozhlasového přijímače, využívá jej technologie „matching“ televizních vysílacích antén, kde je třeba zvolit úzký frekvenční rozsah některého z nich; použité vlny. Obvod RLC lze použít jako pásmovou propust, zářezový filtr, pro dolní nebo horní propusti distribučních senzorů.

Rezonance se dokonce využívá v estetické medicíně (mikroproudová terapie) a biorezonanční diagnostice.

Princip proudové rezonance

Můžeme vytvořit rezonanční nebo oscilační obvod při jeho vlastní frekvenci, řekněme, pro napájení kondenzátoru, jak ukazuje následující schéma:

Obvod pro napájení kondenzátoru

Spínač bude zodpovědný za směr vibrací.

Obvod: spínač rezonančního obvodu

Kondenzátor ukládá veškerý proud v okamžiku, kdy čas = 0. Oscilace v obvodu se měří pomocí ampérmetrů.

Schéma: proud v rezonančním obvodu je nulový

Nasměrované částice se pohybují doprava. Induktor přijímá proud z kondenzátoru.

Když se polarita obvodu vrátí do původní podoby, proud se vrátí do výměníku tepla.

Nyní se směrovaná energie vrací zpět do kondenzátoru a kruh se znovu opakuje.

Ve skutečných obvodech se smíšeným okruhem vždy existuje určitý odpor, který způsobuje, že amplituda směrovaných částic s každým kruhem roste. Po několika změnách polarity desek se proud sníží na 0. Tento proces se nazývá tlumený sinusový signál. Jak rychle k tomuto procesu dojde, závisí na odporu v obvodu. Ale odpor nemění frekvenci sinusovky. Pokud je odpor dostatečně vysoký, proud nebude vůbec kolísat.

Označení AC znamená, že energie opouštějící zdroj kmitá na určité frekvenci. Zvýšení odporu pomáhá snížit maximální velikost amplitudy proudu, ale to nevede ke změně rezonanční frekvence. Ale může se vytvořit proces vířivých proudů. Po jeho výskytu jsou možná přerušení sítě.

Výpočet rezonančního obvodu

Je třeba poznamenat, že tento jev vyžaduje velmi pečlivý výpočet, zejména pokud je použito paralelní připojení. Abyste se vyhnuli rušení v technologii, musíte použít různé vzorce. Budou vám užitečné při řešení jakéhokoli problému ve fyzice z příslušné sekce.

Je velmi důležité znát hodnotu výkonu v obvodu. Průměrný výkon rozptýlený v rezonančním obvodu lze vyjádřit jako efektivní napětí a proud takto:

Rav = I 2 kontakt * R = (V 2 kontakt / Z 2) * R.

Zároveň si pamatujte, že účiník při rezonanci je cos φ = 1

Samotný rezonanční vzorec má následující tvar:

ω 0 = 1 / √L*C

Nulová impedance při rezonanci se určí pomocí následujícího vzorce:

F res = 1 / 2π √L*C

Rezonanční kmitočet oscilací lze aproximovat takto:

F = 1/2 r (LC) 0,5

Kde: F = frekvence

L = indukčnost

C = kapacita

Obecně platí, že obvod nebude oscilovat, pokud odpor (R) není dostatečně nízký, aby splnil následující požadavky:

R = 2 (L/C) 0,5

Chcete-li získat přesná data, měli byste se pokusit nezaokrouhlit získané hodnoty kvůli výpočtům. Mnoho fyziků doporučuje použít metodu zvanou vektorový diagram aktivních proudů. Při správném výpočtu a konfiguraci zařízení získáte dobrou úsporu střídavého proudu.

1. Historická exkurze
v letech 1860-1865 vytvořil teorii elektromagnetického pole (EMF), kterou zformuloval ve formě soustavy rovnic popisujících všechny základní zákonitosti elektromagnetických jevů:
1. – rovnice vyjádřená elektromagnetickou indukcí;
2. – magnetoelektrická indukce, objevená Maxwellem a založená na představách o posuvných proudech;
3. – zákon zachování elektřiny;
4. – vírový charakter magnetického pole.
Pokračováním v rozvíjení těchto myšlenek dospěl Maxwell k závěru, že jakékoli změny elektrického a magnetického pole by měly způsobit změny v siločarách, které pronikají do okolního prostoru, tzn. v médiu se musí šířit impulsy (nebo vlny). Rychlost šíření těchto vln (elektromagnetické rušení) závisí na dielektrické a magnetické permeabilitě prostředí a je rovna poměru elektromagnetické jednotky elektřiny k elektrostatické. Podle Maxwella a dalších badatelů je tento poměr přibližně 300 000 000 m/s, což je velmi blízko rychlosti světla, kterou o sedm let dříve naměřil francouzský fyzik A. Fizeau. V říjnu 1861 Maxwell informoval Faradaye o svém objevu: světlo je elektromagnetické rušení šířící se v nevodivém prostředí, tzn. druh elektromagnetických vln (EMW). Tato konečná fáze se odrazila v Maxwellově díle „Dynamická teorie elektromagnetického pole“ a výsledek jeho práce o elektrodynamice byl shrnut ve slavném „Pojednání o elektřině a magnetismu“ (1873). Maxwell tak matematicky doložil existenci elektromagnetických vln.

v roce 1888 experimentálně objevil elektromagnetické vlny a publikoval výsledky své práce. V důsledku experimentů vytvořil Hertz zdroj elektromagnetických vln, který nazval „vibrátor“, což byl takzvaný otevřený oscilační obvod (OOC).
V běžném oscilačním obvodu (obr. 1, 1) je pro snížení kapacity kondenzátoru nutné zvětšit vzdálenost mezi deskami a zmenšit plochu desek (obr. 1, 2). Pro snížení indukčnosti cívky (obr. 1, 3) je nutné snížit počet jejích závitů. V důsledku těchto transformací získáte jednoduše kus drátu (obr. 1, 4) nebo OCC.
K buzení oscilací v OCC použil Heinrich Hertz obvod (obr. 2):

Podstata jevů vyskytujících se ve vibrátoru je stručně následující. vytváří na koncích svého sekundárního vinutí velmi vysoké napětí v řádu desítek kilovoltů, které nabíjí koule vibrátoru náboji opačného znaménka. V určitém okamžiku se v jiskřišti vibrátoru objeví elektrická jiskra, která způsobí odpor jeho vzduchu mezera je tak malá, že ve vibrátoru vznikají vysokofrekvenční tlumené oscilace, které pokračují po celou dobu existence jiskry. Protože vibrátor je otevřený oscilační obvod, elektromagnetické vlny jsou vysílány do okolního prostoru.
Jako , neboli přijímač, Hertz použil kroužek (obr. 3) s mezerou - jiskřištěm, které bylo možné upravit. Průměr prstenu se z více než metru v prvních experimentech zmenšil na 7 cm na konci.
Přijímací prsten nazval Hertz "rezonátor". Experimenty ukázaly, že změnou geometrie rezonátoru - velikosti, relativní polohy a vzdálenosti vzhledem k vibrátoru - je možné dosáhnout rezonance mezi zdrojem elektromagnetických vln a přijímačem. Přítomnost rezonance byla vyjádřena výskytem jisker v jiskřišti rezonátoru v reakci na jiskru vznikající ve vibrátoru. V Hertzových experimentech byla vysílaná jiskra dlouhá 3-7 mm a jiskra v rezonátoru byla jen několik desetin milimetru. Taková jiskra byla vidět jen ve tmě s pomocí lupy.
Po obrovské sérii pracných a mimořádně chytře zinscenovaných experimentů za použití těch nejjednodušších, takříkajíc dostupných prostředků, Hertz dosáhl svého. Bylo možné měřit vlnové délky a vypočítat rychlost jejich šíření. Bylo prokázáno následující:

odraz
lom světla
difrakce
rušení
polarizace
Měřená rychlost EMW

Po jeho zprávě 13. prosince 1888 na univerzitě v Berlíně a publikacích v letech 1877 - 78. Hertz se stal jedním z nejpopulárnějších vědců a elektromagnetické vlny se začaly běžně nazývat „Hertzovy paprsky“.
Heinrich Hertz tedy experimentálně prokázal existenci elektromagnetických vln.

Od března 1890 opakovaně přednášel o Hertzově objevu elektromagnetických vln a předváděl své experimenty. Začátkem roku 1895 vytvořil tyto vlny, ukazující možnost záznamu sledu elektrických signálů na dálku bez drátů (radiová komunikace). 7. května 1895 podal veřejnou zprávu o výsledcích výzkumu v této oblasti a předvedl příjem krátkých a dlouhých signálů vysílaných pomocí Hertzova vibrátoru. Na základě rádiového přijímače sestrojil tzv. „detektor blesků“ (s automatickým záznamem atmosférických výbojů na papírovou pásku) a v létě 1895 jej instaloval na meteorologickou stanici Lesnického institutu v Petrohradě. V letech 1896-1899 pokračující veřejné demonstrace a experimenty v rádiové komunikaci, včetně lodí námořnictva od roku 1897. V červenci 1899 vyvinul citlivý telefonní přijímač založený na efektu detektoru (objevený jeho asistenty P.N. Rybkinem a D.S. Troitským), na který získal patenty v Rusku, Anglii a Francii. V letech 1899-1900 vedl vytvoření prvního praktického rádiového spojení na světě mezi městem Kotka a ostrovem Gogland o délce 47 km. Při pokusech s bezdrátovou telegrafií na lodích Baltské flotily dislokovaných v kronštadtské rejdě objevil fenomén odrazu elektromagnetických vln od lodí a poukázal na možnost jeho praktického využití v radaru (podrobněji níže).
Průmyslovou výrobu jím vynalezených radiotelegrafních přístrojů zahájila roku 1898 firma E. Ducrete (Paříž, Francie), roku 1901 kronštadtská rozhlasová dílna, roku 1904 petrohradská firma Siemens a Halske (za účasti hl. německá společnost Telefunken).
V roce 1945 ustanovil SSSR svátek „Den rádia“, slavený každoročně 7. května.
Byl to A.S. Popov položil základní principy rádiových komunikací a prokázal možnost praktického využití elektromagnetických vln - rádiových vln - pro přenos informací.

2. Vysokofrekvenční generátor
Jak probíhá komunikace „rádiem“? Částečně, ale poněkud jednostranně jsem o tom mluvil v článku „Nejjednodušší rozhlasový přijímač“. Nyní je čas zvážit tuto otázku samostatně a šířeji.
Aby bylo možné přenášet informace prostřednictvím rádia, je nutné vytvořit EMW ve vesmíru. K tomu je zase potřeba určité zařízení, které bude generovat vysokofrekvenční střídavý proud. Faktem je, že energie elektromagnetických vln je úměrná čtvrté mocnině frekvence. Čím vyšší je frekvence, tím silnější je vlna, na větší vzdálenost se může šířit a přenášet informace. Tato úvaha je dosti primitivní a neodráží všechny rysy tvorby, přenosu, šíření a příjmu elektromagnetických kmitů.
Hertzovo schéma (viz opět obr. 2) vytvořené volné, tzn. tlumené kmity, ale pro přenos jakékoli závažné informace je nutné vytvářet netlumené kmity. Zařízení, které generuje spojité oscilace, se ve fyzice nazývá „samooscilátor“.
Obecný princip činnosti samooscilátoru je následující (obr. 4): ze zdroje je energie dodávána po částech přes regulátor do oscilačního systému. Velikost části energie () je taková, že stačí tak akorát ke kompenzaci nákladů oscilačního systému na překonání odporu (tření) při jednom kmitu. Poté oscilační systém prostřednictvím zpětné vazby vyšle signál do regulátoru, že je třeba dodat další kvantum energie. Toto kvantum vstoupí do oscilačního systému, dojde opět k plné oscilaci se stejnou amplitudou, signál je opět odeslán zpětnou vazbou, znovu dorazí kvantum energie atd. Oscilační systém tedy kmitá s konstantní frekvencí a amplitudou, dokud nedojde energie zdroje.

Protože pro realizaci je nutné vytvořit netlumené elektromagnetické kmity, budeme uvažovat klasické obvody (na středoškolské úrovni) VF generátorů na a.

Základem rádiového vysílacího zařízení – dále zkráceně „rádiový vysílač“ – je tedy samooscilátor. Generátor vytváří netlumené VF oscilace, nazývané „nosná“ (obr. 5, 1).

Pokud vysílač vysílá netlumené elektromagnetické vlny, pak elektromagnetické oscilace budou registrovány v anténě přijímače, ale nebudou přenášet žádnou informaci. Pro přenos jakýchkoliv signálů, řeči, hudby je nutné změnit určitý parametr VF kmitů, např. amplituda nebo frekvence. Tento proces se nazývá modulace. Například telegrafní modulace spočívá v přerušení záření pomocí klíče, tzn. ve vysílání krátkých (tečka) a dlouhých (čárkovaných) signálů - Morseova abeceda (obr. 6).

Podívejme se, jak můžeme realizovat vlastní oscilátor na tranzistoru (obr. 7). Tranzistor je zapojen do série s oscilačním obvodem, což je oscilační systém, s emitorem připojeným k „+“ a kolektorem k „-“ zdroje energie. Báze tranzistoru je spojena vazební cívkou LCB, která je indukčně vázaná na smyčkovou cívku LK. V tomto případě během procesu EMC v obvodu potenciál přicházející na bázi periodicky mění své znaménko vzhledem k potenciálu emitoru.
Při přivedení záporného potenciálu na bázi je tranzistor otevřený a prochází proudem, který se v tu chvíli shoduje ve směru s proudem v obvodu a díky energii zdroje jej zesiluje. Když proud v obvodu obrátí směr, kladný potenciál je aplikován na bázi, tranzistor se uzavře a přeruší proud. Proud v obvodu se zastaví a nebrání dobití smyčkového kondenzátoru SK.
V důsledku periodicky přicházejících částí energie ze zdroje jsou tedy v oscilačním obvodu udržovány netlumené EMC.
Pomocí klávesy Kl můžete tento proces přerušit v souladu s Morseovou abecedou.

Pro přenos zvuku je nutné přivést elektrické vibrace zvukové frekvence do VF generátoru (obr. 5, 2) tak, aby při jejich superponování se amplituda VF kmitů měnila v čase s vibracemi zvuku (obr. 5, Obr. 3) nebo vibrace. Tento proces se nazývá amplitudová modulace (AM).

V nejjednodušším případě pro implementaci AM stačí vyměnit klíč v posledním obvodu za mikrofon a signály obsahující řeč budou přenášeny vzduchem.
Obvod vf generátoru na bázi triodové elektronky s mikrofonem pro modulaci je na Obr. 8. Jak vidíte, tento generátor se prakticky neliší od tranzistorového generátoru. Na Obr. Obrázek 9 ukazuje grafy signálu mikrofonu (LF) a oscilací v obvodu (HF), když není slyšet zvuk a když je zvuk.

3. Rádiová komunikace
Rádiu se kdysi říkalo „bezdrátová telegrafie“ nebo „noviny bez papíru“, protože informace byly přenášeny z vysílače do přijímače bez jakéhokoli média. Ani vakuum není překážkou pro rádiové vlny! A co by tam mohlo být překážkou, pokud je to prázdnota? Kdysi se zvídavé mysli lidstva zabývaly opačnou otázkou: je ve vakuu něco, co nemůžeme nijak pocítit, a je to právě to, co přispívá k přenosu rádiových vln v tzv. prázdnotě? ! Zdálo se, že toto hypotetické médium, vyplňující celý vesmírný prostor, pomůže vysvětlit nejen některé elektromagnetické, ale i mechanické a optické jevy! A toto médium nazvali ÉTER.
Mnoho „kopií“ bylo rozbito v vášnivých vědeckých debatách o tom, zda ETHER existuje nebo ne. V současné době fyzika neuznává existenci éteru v jeho klasickém smyslu. Zároveň však existuje teorie, že vakuum není prázdnota, ale nevyčerpatelný oceán energie, kterou se prostě musíte naučit extrahovat. Mimochodem, velký Nikola Tesla byl zastáncem existence éteru a jeho vlastnostem přisuzoval účinek některých svých vynálezů. Třeba auto bez, místo kterého Tesla vložila jistou černou skříňku a jezdila s ní celý týden bez jakéhokoli dobíjení. Ale to je úplně jiný příběh...
Věta „Rozhlasová stanice je ve vysílání...“ zůstává ozvěnou minulých teorií a sporů a nikdo se nezamýšlí nad tím, KDE přesně tato rozhlasová stanice v tuto chvíli je?!

Podívejme se na Obr. 10.
Mikrofon vysílače pod vlivem zvukových vibrací produkuje slabý nízkofrekvenční elektrický proud (1). Signál C vstupuje do modulátoru M. Produkuje netlumené VF kmity (2), které vstupují také do modulátoru, kde jsou amplitudově modulovány NF kmity a vstupují do antény (3). Anténa vysílá do okolního prostoru (na éteru!) elektromagnetické vlny, jejichž amplituda je rovněž modulována LF. Frekvence HHF je nosná frekvence, určuje frekvenci (a vlnu) vysílající stanice.
Rádiová vlna je tedy „vypuštěna“ do vzduchu. Teď ji musíme „chytit“.

V přijímací anténě rádiové vlny (ve skutečnosti existuje mnoho vysílačů) vybudí proměnlivé indukce různých frekvencí. Pro volbu frekvence požadované radiostanice se používá vstupní oscilační obvod, který může mít proměnný kondenzátor nebo cívku s proměnnou indukčností. V každém případě změna kapacity nebo indukčnosti vede ke změně vlastní frekvence vstupního obvodu a v okamžiku, kdy se tato frekvence shoduje s nosnou frekvencí radiostanice, je pozorována rezonance. Tento efekt umožňuje mimo jiné zvýraznit signál konkrétní rozhlasové stanice. Signál však na podzim zůstává slabý a je posílen přijímačem. Detektor vybere polovinu amplitudově modulovaného signálu (4), vyhladí vlnění a převede jej na nízkofrekvenční signál (5). ULF zesiluje nízkofrekvenční signál a reproduktor převádí zesílený elektrický signál na zvukové vibrace.
Takto probíhá radiová komunikace s amplitudovou modulací.
Existuje radiová komunikace s frekvenční modulací (FM nebo FM), kdy amplituda nosné zůstává konstantní, ale mění se její frekvence.

4 . Radar
Již dříve jsem zmínil, že A.S. Ještě v roce 1900 Popov objevil odraz elektromagnetických vln od lodí a poukázal na možnost využití tohoto efektu v radaru. Později se zjistilo, že téměř všechny látky odrážejí rádiové vlny. Výsledek odrazu závisí nejen na typu látky, ale také na vlnové délce.
Podstata radaru je následující (obr. 11). Vysílač generuje vysokofrekvenční impuls a pomocí speciální parabolické antény jej vysílá směrem k objektu, například letadlu. Rádiová vlna dopadající na objekt se od něj odráží ve všech směrech. Část odražené vlny, jejíž energie je velmi malá, zachytí přijímací parabolická anténa. Znát čas t mezi okamžikem vysílání a okamžikem příjmu signálu lze snadno vypočítat R vzdálenost k objektu: , kde S- rychlost šíření.
Samozřejmě, toto je nejprimitivnější radarové schéma. V současné době je analýza přijatého signálu prováděna specializovaným počítačem, který určuje nejen vzdálenost, ale také rychlost, typ objektu, automaticky analyzuje „přítele nebo nepřítele“, porovnává jej s databází a zobrazuje jeho taktické a technické vlastnosti atd. Existují mobilní radarové systémy a výkonné stacionární systémy, které současně sledují stovky objektů v blízkosti zemského povrchu a ve vesmíru na polovině území RUSKO.
Reference: Kdysi dávno jsem studoval na Minské Vyšší protiletadlové raketové škole protivzdušné obrany (tehdy ještě SSSR) na fakultě SNR - naváděcí stanice raket. Proto vím o radaru z první ruky.

V radioastronomii (obr. 12) se radarové metody používají k určování vzdáleností k nebeským tělesům a sledování pohybu astronomických objektů.
V kosmonautice (obr. 13) - sledují polohu a pohyb různých kosmických lodí.
Pomocí radaru byla sestavena mapa povrchu Venuše skrytá hustou oblačností (obr. 14).

5. Aplikace rádiové komunikace
V našem technologickém věku pronikla radiokomunikace tak hluboko do každodenního života, že mnoho lidí nejen nechápe, ale ani se nesnaží přemýšlet o tom, odkud věci pocházejí, jak a proč fungují.
Dovolte mi uvést několik příkladů.

5.1. mobilní připojení(obr. 15)
Drtivá většina moderních lidí si svůj život bez mobilního telefonu neumí představit. Málokdy si však někdo z nich uvědomuje, že mobilní telefon je zařízení, které kombinuje funkce přijímače a vysílače a mobilní komunikace probíhá pomocí stejných běžných RÁDIOVÝCH VLN.

5.2. Radiotelefonní komunikace(obr. 16)
Tam, kde se používají vysílačky – různá transceiverová zařízení (policie, sanitka, ministerstvo pro mimořádné situace atd.), probíhá komunikace také pomocí rádiových vln.

5.3. Příjem televizního signálu používání antén, které se instalují na střechy domů (obr. 17), se postupně stává minulostí. Obraz však nesou stejné rádiové vlny

5.4. Satelitní televize, telefonní komunikace, internet- to vše existuje díky rádiovým vlnám, které jsou vysílány vysílačem, předávány satelitem a dostávají se k přijímači (obr. 18).

5.5. Bezdrátová myš, klávesnice a sluchátka(obr. 19) obsahují také miniaturní transceivery pracující v oblasti rádiových vln.

5.6. GPS, GLONASS- globální polohovací systémy, s jejichž pomocí určíte nejen svou polohu (obr. 20), ale i mnohem více - fungují i v oblasti rádiových vln.

5.7. Biuetooch, Wi- Fi, bezdrátové počítačové sítě– jedná se také o vysílače a přijímače rádiových vln (obr. 21).

5.8. Různé rádiem řízené modely(obr. 22) musí mít řídící jednotku (vysílač) a přijímač v samotném modelu.

6. Rádiové vlny
6.1. Co jsou rádiové vlny
Rádiové vlny jsou elektromagnetické vlny, které se šíří vesmírem rychlostí světla (300 000 km/s). Připomínám, že k elektromagnetickým vlnám patří i světlo, což určuje jejich velmi podobné vlastnosti (odraz, lom, útlum atd.).
Rádiové vlny přenášejí energii vyzařovanou elektromagnetickým oscilátorem prostorem. Elektromagnetické záření je charakterizováno frekvencí, vlnovou délkou a výkonem přenášené energie. Frekvence elektromagnetických vln ukazuje, kolikrát za sekundu se změní směr elektrického proudu v emitoru, a tedy kolikrát za sekundu se změní velikost elektrického a magnetického pole v každém bodě prostoru. Frekvence se měří v Hertzech (Hz), což je jednotka pojmenovaná po velkém německém vědci Heinrichu Rudolfu Hertzovi. 1 Hz je jedna vibrace za sekundu, 1 megahertz (MHz) je milion vibrací za sekundu. S vědomím, že rychlost elektromagnetických vln je rovna rychlosti světla, můžeme určit vzdálenost mezi body v prostoru, kde je elektrické (nebo magnetické) pole ve stejné fázi. Tato vzdálenost se nazývá vlnová délka. Vlnová délka (v metrech) se vypočítá pomocí vzorce: , kde S– rychlost světla v m/s, n – frekvence v Hz.
Ze vzorce je zřejmé, že např. n=1 MHz odpovídá l=300 m S rostoucí frekvencí vlnová délka klesá a s úbytkem naopak. Elektromagnetické vlny se volně šíří vzduchem nebo vnějším prostorem (vakuem). Pokud se však na dráze vlny setká kovový drát, anténa nebo jakékoli jiné vodivé těleso, odevzdají mu svou energii, čímž v tomto vodiči způsobí střídavý elektrický proud. Ne všechna energie vlny je absorbována vodičem, část se odráží od povrchu. Další užitečnou vlastností elektromagnetických vln (stejně jako jakýchkoli jiných vln) je jejich schopnost ohýbat se kolem těles v jejich dráze – tento jev se nazývá difrakce. Je to možné pouze tehdy, když jsou rozměry tělesa menší než vlnová délka nebo s ní srovnatelné.
Energie přenášená elektromagnetickými vlnami závisí na výkonu generátoru (emitoru) a vzdálenosti k němu. Z vědeckého hlediska to zní takto: tok energie na jednotku plochy je přímo úměrný síle záření a nepřímo úměrný druhé mocnině vzdálenosti k zářiči. To znamená, že dosah komunikace závisí na výkonu vysílače, ale v mnohem větší míře na vzdálenosti k němu. Například tok energie elektromagnetického záření ze Slunce na zemský povrch dosahuje 1 kilowatt na metr čtvereční a tok energie středovlnné rozhlasové stanice je pouze tisíciny a dokonce miliontiny wattu na metr čtvereční.

6.2. Alokace spektra

Rádiové vlny (rádiové frekvence) používané v radiotechnice zabírají oblast nebo spektrum od 10 000 m (30 kHz) do 0,1 mm (3 000 GHz). To je jen část rozsáhlého spektra elektromagnetických vln. Podle mezinárodních dohod je celé spektrum rádiových vln používaných v rádiové komunikaci rozděleno do rozsahů:

Rozsah frekvence	Název rozsahu (zkrácený název)	název vlnový rozsah	Vlnová délka
	Velmi nízké frekvence (VLF)	Myriametr
	Nízké frekvence (LF)	Kilometr
300–3000 kHz	Střední frekvence (MF)	Hektometrické
	Vysoké frekvence (HF)	Dekametr
	Velmi vysoké frekvence (VHF)	Metr
300–3000 MHz	Ultra vysoké frekvence (UHF)	decimetr
	Ultravysoké frekvence (mikrovlnná trouba)	Centimetr
	Extrémně vysoké frekvence (EHF)	Milimetr
300–3000 GHz	Hyper vysoké frekvence (HHF)	decimilimetr

Ale tyto dosahy (obr. 23) jsou velmi rozsáhlé a jsou zase rozděleny do sekcí, které zahrnují tzv. rádiové a televizní dosahy, dosahy pro pozemní a letectví, kosmické a námořní komunikace, pro přenos dat a lékařství, pro radary. a radionavigace atd. Každé rádiové službě je přidělena vlastní část spektra nebo pevné frekvence.

6.3. Jak se šíří rádiové vlny?

Rádiové vlny jsou vyzařovány anténou do prostoru a šíří se jako energie EMF. A i když je povaha rádiových vln stejná, jejich schopnost šíření silně závisí na vlnové délce.
Země je vodičem elektřiny pro rádiové vlny (i když ne moc dobrý). Rádiové vlny, které procházejí nad zemským povrchem, postupně slábnou. To je způsobeno tím, že elektromagnetické vlny vybudí elektrické proudy na povrchu země, které spotřebují část energie. Tito. energie je absorbována zemí, a to čím více, tím kratší je vlnová délka (vyšší frekvence). Vlnová energie navíc slábne také proto, že se záření šíří do všech směrů prostoru a tedy čím dále je přijímač od vysílače, tím méně energie dopadá na jednotku plochy a tím méně se jí dostává do antény.
Přenosy z dlouhovlnných (LW) vysílacích stanic lze přijímat na vzdálenosti až několika tisíc kilometrů a úroveň signálu klesá plynule, bez skoků. Stanice středních vln (MV) lze slyšet v dosahu tisíců kilometrů. Pokud jde o krátké vlny (HF), jejich energie se vzdáleností od vysílače prudce klesá. To vysvětluje skutečnost, že na úsvitu rozvoje rádia se pro komunikaci používaly hlavně vlny od 1 do 30 km. Vlny kratší než 100 metrů byly obecně považovány za nevhodné pro komunikaci na dlouhé vzdálenosti. Na Obr. Obrázek 24 ukazuje průchod krátkých a dlouhých rádiových vln v zemské atmosféře.
Další studie krátkých a ultrakrátkých vln (VHF) však ukázaly, že se rychle zeslabují, když se pohybují blízko zemského povrchu. Když záření směřuje nahoru, krátké vlny se vracejí zpět.
Již v roce 1902 anglický matematik Oliver Heaviside a americký elektroinženýr Arthur Edwin Kennelly téměř současně předpověděli, že nad Zemí je ionizovaná vrstva vzduchu – přirozené zrcadlo, které odráží elektromagnetické vlny. Tato vrstva se nazývala ionosféra. Ionosféra Země měla umožnit zvětšit rozsah šíření rádiových vln na vzdálenosti přesahující zorný úhel. Tento předpoklad byl experimentálně prokázán v roce 1923. RF impulsy byly vysílány svisle nahoru a vracející se signály byly přijímány. Měření doby mezi odesláním a příjmem impulsů umožnilo určit výšku a počet odrazových vrstev.

Po odrazu od ionosféry se krátké vlny vracejí na Zemi a zanechávají pod ní stovky kilometrů „mrtvé zóny“. Po cestě do ionosféry a zpět se vlna „neuklidní“, ale odráží se od povrchu Země a opět se řítí do ionosféry, kde se znovu odráží atd. Mnohonásobně odražené rádio vlna může několikrát oběhnout zeměkouli.
Bylo zjištěno, že výška odrazu závisí především na vlnové délce. Čím kratší je vlna, tím vyšší je výška, ve které se odráží, a tím větší je „mrtvá zóna“. Tato závislost platí pouze pro krátkovlnnou část spektra (cca do 25–30 MHz). Pro kratší vlnové délky je ionosféra průhledná. Vlny jím pronikají a jdou do vesmíru.
Z Obr. 25 je zřejmé, že odraz závisí nejen na frekvenci, ale také na denní době. Je to dáno tím, že ionosféra je ionizována slunečním zářením a s nástupem tmy postupně ztrácí svou odrazivost. Stupeň ionizace závisí také na sluneční aktivitě, která se mění v průběhu roku a rok od roku v sedmiletém cyklu.

VHF rádiové vlny mají vlastnosti více podobné světelným paprskům. Prakticky se neodrážejí od ionosféry, velmi mírně se ohýbají kolem zemského povrchu a šíří se v zorném poli. Proto je dosah ultrakrátkých vln krátký. To má ale jednoznačnou výhodu pro rádiovou komunikaci. Protože v rozsahu VHF
Vzhledem k tomu, že se vlny šíří v rámci viditelnosti, mohou být radiostanice umístěny ve vzdálenosti 150–200 km od sebe bez vzájemného ovlivňování. To umožňuje sousedním stanicím znovu používat stejnou frekvenci.
Vlastnosti rádiových vln v rozsahu DCV a 800 MHz jsou ještě bližší světelným paprskům, a proto mají další zajímavou a důležitou vlastnost. Připomeňme si, jak funguje baterka. Světlo z žárovky umístěné v ohnisku reflektoru se shromažďuje do úzkého paprsku paprsků, který lze vysílat jakýmkoli směrem. Totéž lze udělat s vysokofrekvenčními rádiovými vlnami. Mohou být shromažďovány anténními zrcadly a vysílány v úzkých paprskech. Pro nízkofrekvenční vlny není možné takovou anténu postavit, protože její rozměry by byly příliš velké (průměr zrcadla musí být mnohem větší než vlnová délka). Možnost směrovaného vyzařování vln umožňuje zvýšit účinnost komunikačního systému.
To je způsobeno tím, že úzký paprsek poskytuje menší rozptyl energie v bočních směrech, což umožňuje použití méně výkonných vysílačů pro dosažení daného komunikačního dosahu. Směrové záření vytváří menší interferenci s jinými komunikačními systémy, které nejsou v dosahu paprsku.
Příjem rádiových vln může také využívat směrové záření. Mnozí znají například parabolické satelitní antény, které zaměřují vyzařování satelitního vysílače do bodu, kde je instalován přijímací senzor. Použití směrových přijímacích antén v radioastronomii umožnilo učinit mnoho zásadních vědeckých objevů.
Je třeba poznamenat, že s klesající vlnovou délkou se zvyšuje jejich útlum a absorpce v atmosféře. Zejména šíření vln kratších než 1 cm začínají ovlivňovat takové jevy, jako je mlha, déšť, oblačnost, které se mohou stát vážným rušením, které značně omezuje dosah komunikace.
Zjistili jsme tedy, že rádiové vlny mají různé vlastnosti šíření a každá část tohoto rozsahu se využívá tam, kde lze její přednosti nejlépe využít.

Na Obr. Obrázek 26 ukazuje šíření HF a VHF.

Maxwell James Clerk(1831-1879), anglický fyzik, tvůrce klasické elektrodynamiky, jeden ze zakladatelů statistické fyziky.

Nebudu zde uvádět fyzikální vzorce a zákony.

Heinrich Rudolf Hertz(1857-1894) – německý fyzik. Absolvent berlínské univerzity. Hlavním úspěchem je experimentální potvrzení elektromagnetické teorie Jamese Maxwella. Hertz dokázal existenci elektromagnetických vln. Podrobně studoval odraz, interferenci, difrakci a polarizaci elektromagnetických vln, dokázal, že rychlost jejich šíření se shoduje s rychlostí šíření světla a že světlo není nic jiného než druh elektromagnetického vlnění. Zkonstruoval elektrodynamiku pohybujících se těles na základě hypotézy, že éter je unášen pohybujícími se tělesy. Jeho teorie elektrodynamiky však nebyla experimenty potvrzena a později ustoupila elektronické teorii Hendrika Lorentze. Výsledky získané společností Hertz vytvořily základ pro vývoj rádia.

UHF- vysokofrekvenční zesilovač.

Ona rovná rychlosti světla s=300 000 km/s.

ZADNÍ na stránku RÁDIO