Przeczytaj
Warto przeczytać
Jeśli chcemy wytworzyć jakąś falę akustyczną (o przebiegu okresowym), to musimy spowodować drgania mechaniczne jakiegoś ciała np. struny instrumentu. Podobnie jest z falą elektromagnetycznąfalą elektromagnetyczną. Musimy wywołać drgania elektryczne w pewnym obwodzie. Źródłem fal radiowych jest obwód elektryczny zwany obwodem LC (zobacz Rys. 1.). Nie szkodzi, że obwód ten, jako pozbawiony oporu, ma mocno teoretyczny charakter. Można sobie wyobrazić, że przewody wykonane są z nadprzewodnika.
Powiedzmy, że kondensator w obwodzie został naładowany jakimś ładunkiem, po czym zamknięto klucz. Oczywiście kondensator będzie ulegał rozładowaniu. Zacznie przepływać prąd przez cewkę, w której będzie wytwarzała się siła elektromotoryczna samoindukcji. Efekt będzie taki, że prąd będzie podtrzymywany i największą wartość osiągnie w momencie całkowitego rozładowania kondensatora. Odtąd, dalej płynący prąd naładuje kondensator do napięcia, jakie występowało na kondensatorze pierwotnie. Będzie ono miało przeciwną polaryzację. Oczywiście na tym „zabawa” się nie skończy – teraz kondensator znowu będzie się rozładowywał, ale prąd będzie płynął w przeciwną stronę. Nastąpi kolejne przeładowanie kondensatora i w ten sposób układ powróci do sytuacji wyjściowej.
Przypomina to wszystko drgania wahadła. Maksymalne wychylenie wahadła w jedną stronę (zerowa prędkość) odpowiada stanowi maksymalnego naładowania kondensatora (zerowe natężenie prądu), z kolei położenie równowagi wahadła i jego maksymalna prędkość odpowiada całkowitemu rozładowaniu kondensatora i maksymalnemu prądowi.
Mamy do czynienia w przypadku obwodu LC z drganiami harmonicznymi, co można by udowodnić rozwiązując równanie opisujące zmiany ładunku na kondensatorze (II prawo Kirchhoffa). Nie będziemy tu tego robić. Zapiszemy jedynie wnioski. Dla rozważanego przypadku, gdy w chwili początkowej kondensator był maksymalnie naładowany, ładunek na kondensatorze opisany jest funkcją:
, a natężenie prądu zmienia się w czasie w następujący sposób:
. Częstotliwość drgań (własnych) w tym układzie zależna jest od parametrów tego układu – pojemności kondensatora i indukcyjności cewki: .
Dokładnie, niemal krok po kroku, możesz prześledzić działanie układu LC na rysunku poniżej (Rys. 2.), na którym zaznaczono zmiany naładowania: kondensatora - ładunkiem i cewki -”prądem”. Możesz też zobaczyć jak zmienia się w czasie energia elektryczna EIndeks dolny EE związana z polem elektrycznym w kondensatorze oraz energia magnetyczna EIndeks dolny BB, związana z polem magnetycznympolem magnetycznym w cewce.
Oczywiście w rzeczywistym, nie nadprzewodzącym obwodzie LC drgania nie będą odbywały się w nieskończoność - będą tłumione, tzn. ich amplituda będzie malała. Jest to zrozumiałe, jeśli pomyślimy o energii „traconej” na nagrzewanie przewodów. Co zrobić, żeby drgania nie gasły?
W jakiś sposób należałoby uzupełniać energię. Najlepsze jest tu zastosowanie źródła napięcia przemiennego, które odpowiada harmonicznej sile wymuszającej drgania dla przypadku drgań mechanicznych.
Aby uzyskać maksymalny przekaz energii ze źródła do obwodu LC częstotliwość zmian napięcia przemiennego powinna być równa częstotliwości drgań własnych układu.
Zbudowaliśmy w ten sposób generator niegasnących drgań elektrycznych, ale zauważmy, że pole elektrycznepole elektryczne jest niejako uwięzione między okładkami kondensatora. Jeśli chcemy wysłać to pole w przestrzeń musimy ten układ otworzyć. Na rysunku Rys. 3a. pokazany jest sposób otwierania kondensatora. Na rysunku Rys. 3b. pokazany jest układ nadajnika, w którym okładki kondensatora zostały przekształcone w antenę dipolową. Ładunki i linie pola narysowane zostały tylko dla pewnego momentu.
Daleko od anteny linie pola elektrycznego będą w centralnym fragmencie – na symetralnej anteny przedstawiały się jak na rysunku 4. Im dalej od anteny, tym bardziej powierzchnia falowa będzie płaska.
Wyobraź sobie, że wystawiamy antenę w naszym odbiorniku, który jest również obwodem LC (zobacz Rys. 5.) w kierunku równoległym do anteny nadawczej, czyli równolegle do linii pola elektrycznego?
Pole elektryczne wzbudzi drgania harmoniczne w obwodzie odbiorczym. Siła elektryczna będzie wymuszała drgania elektronów o częstotliwości takiej, z jaką zmienia się wektor natężenia pola elektrycznego, czyli z częstotliwością fali elektromagnetycznej. Ta jest oczywiście równa częstotliwości drgań elektronów w nadajniku. W przestrzeni wokół odbiornika jest całe „morze” fal elektromagnetycznych o przeróżnych częstotliwościach, nadawanych przez różne nadajniki.
Co zrobić, żeby z tego „morza” wyłowić tylko to, co nas interesuje – jedną jedyną stację radiową, której programu chcemy posłuchać? Stacja nadaje na pewnej, ściśle określonej, przydzielonej jej częstotliwości, np. program drugi Polskiego Radia na fali o częstotliwości 104,9 MHz. Wiesz zapewne, że praktycznie wybór odbywa się przez pokręcenie pokrętłem dostrojenia. Ale na czym polega owo dostrojenie do danej stacji?
Otóż, wykorzystywane jest tu zjawisko rezonansu. Przypomnijmy, że jest to wymuszanie drgań o maksymalnej amplitudzie. A następuje wtedy, gdy częstotliwość siły wymuszającej równa jest częstotliwości drgań własnych układu. Na rysunku Rys. 5. widoczny jest kondensator o zmiennej pojemności. To on właśnie służy do zmiany częstotliwości drgań własnych obwodu odbiorczego i w efekcie do dostrojenia do wybranej stacji.
Przedstawiliśmy tu pokrótce nadawanie i odbiór fali radiowej, tak zwanej nośnej. W fali tej zostaje zakodowany dźwięk albo obraz, ale w jaki sposób się to dzieje można przeczytać w e‑materiale „Metody przesyłania informacji - modulacja amplitudy i modulacja częstotliwości”.
Słowniczek
(ang.: magnetic field) stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły, zwanej siłą magnetyczną (Lorentza) na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni bądź na obiekt obdarzony momentem magnetycznym; wielkością charakteryzującą pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej .
(ang.: electric field) stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły, zwanej siłą elektryczną na ładunek elektryczny umieszczony w tej przestrzeni; wielkością charakteryzującą pole elektryczne jest wektor natężenia pola elektrycznego .
(ang.: magnetic line of induction) poglądowy obraz tego pola. Przebieg linii odzwierciedla układ wektorów indukcji magnetycznej w przestrzeni. W każdym, dowolnym punkcie linii pola zaczepiony jest wektor , styczny do tej linii. Analogicznie zdefiniowane są linie pola elektrycznego, do których w każdym punkcie styczny jest wektor natężenia pola elektrycznego .
(ang.: electromagnetic wave) - rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.