5. Elektromagnetické kmitání a vlnění

Transkript

1 5. Elektomagnetické kmitání a vlnění 5.1 Oscilační obvod Altenáto vyábí střídavý poud o fekvenci 50 Hz. V paxi potřebujeme napětí ůzných fekvencí. Místo fekvence používáme pojem kmitočet. Různé fekvence získáváme na oscilátoech. Základním pvkem oscilátou je oscilační obvod (LC obvod). Tzn. v obvodu je cívka a kondenzáto a tyto pvky učují vlastnosti obvodu. Nejpve nabijeme kondenzáto zdojem stejnosměného napětí. Nabitý kondenzáto pak přepínačem připojíme k cívce a tím se kondenzáto vybíjí. Enegie elektického pole se mění na enegii magnetického pole cívky. Tento děj se peiodicky opakuje a vznikne elektomagnetické kmitání. Negativní jevy Tento děj můžeme pozoovat pomocí osciloskopu. Na přístoji vidíme, že napětí a poud se zmenšuje, což je způsobeno přeměnou elektické a magnetické enegie v teplo. Dojde k útlumu a případně až zániku vlnění a nemůžeme tento jev nijak odstanit. 5.2 Děje v oscilačním obvodu a) Napětí na kondenzátou největší, mezi deskami je elektické pole, poud je nulový. Kondenzáto se začne přes cívku vybíjet. b) Poud v cívce oste na maximum, napětí na kondenzátou klesá k nule, elektické pole zaniká, vzniká magnetické pole v cívce. Kondenzáto je vybit poud se musí zužovat v cívce se indukuje napětí (opačné než původní). Tímto napětím se znovu nabíjí kondenzáto. c) Kondenzáto je nabit opačně než v případě a. Magnetické pole zaniklo, poud klesl k nule a vzniká elektické pole mezi deskami kondenzátou. 5.3 Elektonkový osciláto Základem je zpětná vazba. Je to takový obvod kdy se část výstupního napětí vací na vstup a sčítá se se vstupním napětím. Díky tomu dochází k řízení činnosti oscilátou. LC je v anodovém obvodu, napětí na něm je výstupní a je indukční vazbou přenášeno na vstup. 1

2 Oscilátoy po nízké kmitočty (tónové geneátoy): 1 MHz směšovač zesilovač 0-20 khz 1-1,02 MHz Vznikne součet fekvencí a ten se potlačí. Využije se ozdíl a ten se zesiluje. Vzniká tónový geneáto. 5.4 Vznik elektomagnetického vlnění Každý spotřebič připojujeme ke zdoji napětí dvěma vodiči vedením. Pokud je napětí nízkého kmitočtu, nedochází ke změnám ve vedení. Je-li napětí vysokého kmitočtu, mají děje ve vedení áz elektomagnetického vlnění. Představme si vedení jako pužná vlákna. To je vlastně řada mechanických oscilátoů spojených vazbou. Rozkmitá-li se jeden bod, přenáší se kmitání k dalším bodům a lze to zapsat ovnicí t x postupné vlny: y = Asin 2π ( ). T λ Dvojité vedení je vlastně soustavou oscilátoů obvodů spojených vazbou. Vynutíme-li kmity v 1. obvodu přenášejí se postupně do dalších a vedením se šíří jako elektomagnetická vlna. V libovolném bodě ve vzdálenosti x od zdoje je napětí: t x u = U m sin 2π ( ), U m amplituda napětí, T peioda střídavého napětí, λ - je vlnová T λ délka. Rychlost elektomagnetického vlnění je jako ychlost světla: c = 3 * 10 8 m s 1. Je-li f=50 Hz pak vlnová délka je m. Elektomagnetické děje při nízkých kmitočtech mají áz kmitání, veličiny, kteé děj popisují, jsou funkční času. Elektomagnetické děje při vysokých kmitočtech jsou nestacionání a mají áz vlnění, veličiny, kteé děj popisují, jsou funkcí času a místa. 5.5 Elektomagnetická vlna Je-li vedení připojeno ke zdoji napětí, kteý kmitá hamonicky s vysokým kmitočtem, je v ůzných místech vedení ůzné napětí a i náboj je ozložen neovnoměně. Poto je také ůzná intenzita elektického pole mezi vodiči, ale i magnetické pole kolem vodičů. Obě pole jsou na sebe kolmé. Lze je znázonit sinusovkou. 2

3 Mezi vodiči vzniká výsledné silové pole, kteé má dvě složky: elektickou a magnetickou a nazývá se elektomagnetické pole. Elektomagnetické pole vzniklo jako následek nestacionáního děje přenosu elektomagnetické enegie vedením a lze je chaakteizovat jako postupné elektomagnetické enegie vedením a lze je chaakteizovat jako postupné elektomagnetické vlnění. Vekto magnetické indukce a vekto intenzity elektického pole jsou navzájem kolmé a současně jsou kolmé na smě přenosu elektomagnetické enegie. Enegie není přenášena samotnými vodiči, ale elektomagnetickým polem mezi nimi. 5.6 Stojaté elektomagnetické vlnění V předcházejících případech se vždy veškeá enegie elektomagnetického vlění pohltí ve spotřebiči na konci vedení. Nás zajímá případ, kdy se na konci odazí spět ke zdoji. Dojde k tomu tehdy, je-li mezi napětím a poudem fázový posun π / 2. Nastává to tehdy, není-li na konci vedení spotřebič vedení napázdno. Napětí má na konci vedení největší hodnotu a jeho fáze se při odazu nemění. Poud má na konci nulovou hodnotu (ozpojené vedení) a jeho fáze se mění o π. Vlna odažená se skládá s postupující a vzniká stojaté elektomagnetické vlnění. Podél vedení jsou ozloženy kmity a uzly. Ve stojaté vlně jsou elektické a magnetické pole posunuty o π / elektomagnetický dipól Obecně Elektomagnetické vlnění, kteé se šíří vedením je s ním těsně spjato a jeho enegie je soustředěna v elektomagnetickém poli mezi vodiči. Lze však dosáhnout vyzařování této enegie. U dvojitého vedení, kteé má na konci kmitnu napětí a ve vzdáleném (čtvtina) kmitnu poudu dosáhneme vyzařování tímto způsobem. Kolem svislých vodičů se vytváří elektomagnetické pole a do postou se šíří postupné elektomagnetické vlnění. Dané zařízení se nazývá elektomagnetický dipól. Je to otevřený osciláto. Televizní signál z pozemních vysílačů i z telekomunikačních dužic musí být přenášen volným postoem. Jak budeme signál šířit? Vyzáříme do postou enegii v podobě postupného elektomagnetického vlnění. To zajístíme pomocí antény, co je v podstatě elektomagnetický dipól. Paktické využití Anténa Rozevřeme konce dvouvodičového vedení λ (anténa) o délce 4 do směu kolmého k vedení. V odchýlených částech vedení vznikají poudy, kteé mají v každém okamžiku souhlasný smě. 3

4 Magnetické pole těchto poudů pak zasahuje do celého postou. Napětí na koncích vodičů dosahuje peiodicky největší hodnoty a vzniká elektické pole, kteé se šíří do okolí. U jednoduchého elektomagnetického dipólu odpovídá délka dipólu polovině vlnové délky vyzařovaného elektomagnetického vlnění (půlvlnný dipól). Kolem antény vzniká pole, kteé má elektickou i magnetickou složku, kteé nemůžeme vzájemně oddělit. Tvoří jediné elektomagnetické pole znázoněné pomocí siloča. Duhy antén: anténa vysílací vysílá elektomagnetické vlnění anténa přijímací přijímá elektomagnetické vlnění 5.8 Vlastnosti elektomagnetického vlnění 1) Elektomagnetická vlna má dvě navzájem neoddělitelné složky. Elektickou a magnetickou složku. Obě složky jsou na sebe kolmé. V postupné vlně mají souhlasnou fázi a jejich kmity pobíhají napříč ke směu, kteým se vlnění šíří. Elektomagnetické vlnění je vlnění příčné. 2) Elektomagnetické vlnění je lineáně polaizované. Smě el. pole i mag. pole se nemění. 3) elektomagnetické vlnění se odáží a pojevuje se jeho ohyb (difakce). Odaz elektomagnetického vlnění pozoujeme při dopadu na vodivou (kovovou) plochu. Při 4

5 kolmém dopadu se vlnění odáží zpět směem k vysílači a zde se skládá s postupujícím vlněním a v postou mezi dipólem a překážkou vzniká stojaté vlnění. Příjem signálu je nejlepší, jestliže je přijímací dipól v místě kmitny. Stín vlnění vzniká pokud je překážka příliš velká a elektomagnetické vlnění ji postě nemůže překonat. Satelit Odazná plocha umožňuje zlepšit příjem signálu ze vzdáleného vysílače. Vezmeme tyč učité délky (či plochu paabolického tvau talíř u satelitu) a umístíme ji do vhodné vzdálenosti za dipólem přijímače (anténu či přijímací čidlo), amplituda jeho kmitů ze zvětší a přijatý signál zesílí. 4) Postředí, kteým se elektomagnetické vlnění šíří, ovlivňuje svými vlastnostmi jeho c vlnovou délku. Reálná ychlost vlnění je menší než ychlost šíření ve vakuu: v =, ε ε µ - elativní pemitivita, µ - elativní pemeabilita postředí. Tento vztah platí hlavně po nízké fekvence. Rada (Radio detecting and anging) Zařízení po zjišťování a zaměřování ádiem. Pvní aday byly použity za 2. světové války jako postředky potivzdušné obany Anglie. V dnešní době se používají jako zařízení po učování polohy ůzných objektů (letadel, lodí, aket, bouřkových maků) v postou. Pincip: Využívá se zde přímočaého šíření velmi kátkého elektomagnetického vlnění a jeho odazu od vodivých překážek. Základem adau je vysílač elektomagnetického vlnění o vlnových délkách 0,01 m až 0,5m. Vlnění je vyzařováno v kátkých impulzech anténou, kteá má často tva mohutné paaboly. Vlnění se šíří v úzkém papsku směem ke sledovanému objektu a po odazu od jeho povchu se vací zpět k anténě. V přijímači adiolokátou se zjišťuje doba t, kteá uplynula od vyslání impulzu, takže vzdálenost objektu l = ct/2. Smě objektu, kteý je učen polohou antény v okamžiku vyslání impulzu a vzdálenost učují souřadnice sledovaného objektu v postou. 5