Научно-практический проект «Создание приёмника электромагнитного излучения».

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ                 «Средняя общеобразовательная школа №29»

Секция «Физика и познание мира»

Создание приёмника электромагнитных сигналов

Научно-практический проект

Разработал Кузьмин Иван,

                                                                                                   учащийся 11 класса

                                                                                                   Руководитель: Туманик Елена                                                                                                  

                                                                                                   Владимировна,

                                                                                                   Преподаватель физики

Нижневартовск, 2012г.

Аннотация

        В  связи с тем, что учебный материал, посвященный излучению и распространению электромагнитных волн в школьном курсе, рассматривается обзорно, да и то только на теоретическом и даже качественном уровне, то порой остаётся не совсем понятным. А прочное усвоение учебного  материала не возможно без экспериментального подтверждения того или иного процесса, явления, закономерности.                                                                Настоящий научно-исследовательский проект, посвященный созданию и использованию, как дополнение экспериментов, разработанных на базе генератора УВЧ (с рупорными антеннами) приёмника электромагнитных сигналов, а также излагающий основные исторические факты становления раздела электродинамики, касающегося теоретического аспекта этого вопроса.                                                                                        Работа проводилась в сотрудничестве с лабораторией «Волновых процессов в ультрадисперсных средах»  Института теоретической и прикладной механики СО РАН им. С.А. Христиановича.

План исследования

Проблема: В связи с тем, что учебный материал, посвященный излучению и распространению электромагнитных волн в школьном курсе, рассматривается обзорно, да и то только на теоретическом и даже качественном уровне, то порой остаётся не совсем понятным. А прочное усвоение учебного  материала не возможно без экспериментального подтверждения того или иного процесса, явления, закономерности.

Гипотеза: Известно, что когерер используемый А.С.Поповым является усовершенствованной моделью резонатора Г.Герца, обладающий большей чувствительностью к электромагнитным колебаниям, следовательно его можно использовать для демонстрации реального существования и некоторых свойств электромагнитных  волн.

Целью данного проекта является создание приёмника электромагнитных сигналов. Для достижения данной цели решаются следующие задачи:

1. Проследить историю развития теории электромагнитного излучения, начиная с гипотезы великого английского учёного Джеймса Клерка  Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем до изобретения радио Александром Степановичем Поповым
2. Познакомится со схемой конструкции, описанной самим изобретателем радио                  А.С.Поповым.                
3. По предлагаемой схеме и из имеющихся деталей в условиях нашей школы собрать данный прибор.

Объектом исследования служат способы создания и распространения электромагнитных волн.

Предмет исследования - принципиальная схема приёмника, предложенная А.С.Поповым.

Основными методами исследования стали:

* Изучение научной литературы по данному вопросу:

* Сборка модели приёмника.

* Демонстрации излучения и приёма, а также, отражение электромагнитных волн.

Практическая значимость данной работы заключается в следующем: полученные результаты могут быть использованы на уроках физики,  элективных курсах, как наглядная иллюстрация существования электромагнитных волн.

Содержание

I. Введение..............................................................................................................................4

         1. Гипотеза  Д.К.Максвелла.........................................................................................4

         2. Опыты Г.Герца..........................................................................................................7

         3. Изобретение радио А.С.Поповым...........................................................................9

II. Создание приёмника электромагнитных сигналов......................................................11

III. Применение....................................................................................................................13

IV.Заключение.....................................................................................................................14

Список используемой литературы.....................................................................................15

I.Введение

1.Гипотеза Максвелла

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на асимметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:                                Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.                        Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса: Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.                                                                                        Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:                1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны– векторыE и Bперпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис.1).

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м,μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне связана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = cT = c / ν, где ν – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / ν.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1): 

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

В электромагнитной волне модули индукции магнитного поляBи напряженности электрического поляE в каждой точке пространства связаны соотношением 

4. Электромагнитные волны переносят энергию.                                                 В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно 

где E0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.        

2.Опыты Г.Герца

 Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца(1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.                                                                                                                Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.        Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t) которого быстро изменяется во времени.                                                                                                Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2).

Рис. 3 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

3.Изобретение радио А.С.Поповым

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связиАлександра Степановича Попова (1859—1905).                                                                Начав с повторения опытов Герца, Попов усовершенствовал приборы и уже через год (в 1889 г.) добился того, что искры в его приемных резонаторах были хорошо видны большой аудитории без специального затемнения помещения. Очень скоро Попову стало ясно, что для практического использования электромагнитных волн надо в первую очередь создать чувствительный и удобный приемник.                                                        К 1894 г. Попов построил такой приемник, причем основные принципиальные особенности его устройства сохранились и в современной приемной аппаратуре. Что же представлял собой первый приемник Попова, и как он работал?                                Для увеличения чувствительности приемника Попов использовал явление резонанса. Крупной заслугой Попова является изобретение высоко поднятой приемной антенны, которая значительно увеличивает дальность действия приемника и применяется в любой радиоприемной станции и поныне.                                                        Вторая существенная особенность приемника Попова связана со способом регистрации волн. Для этой цели Попов применил не искру, а специальный прибор — когерер, незадолго до этого изобретенный Бранли и применявшийся для лабораторных опытов. Когерер устроен следующим образом. В стеклянной трубке помещены мелкие металлические опилки; в оба конца трубки введены провода, соприкасающиеся с опилками. В обычных условиях электрическое сопротивление между отдельными опилками сравнительно велико, так что и весь когерер обладает большим сопротивлением. Электромагнитная волна, создавая в цепи когерера переменный ток высокой частоты, приводит к тому, что между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые сваривают опилки между собой. В результате сопротивление когерера резко уменьшается. Чтобы вернуть когереру большое сопротивление и чувствительность к электромагнитным волнам, его необходимо встряхнуть. Попов включил когерер в цепь, содержащую батарею и телеграфное реле (рис. 4).

До прихода электромагнитной волны сопротивление когерера велико, ток через него и через реле идет очень слабый и якорь реле не притянут к нижнему электромагниту. С появлением электромагнитной волны сопротивление когерера падает, ток сильно возрастает и якорь реле притягивается к электромагниту. Тем самым замыкается контакт С, подключая к батарее обыкновенный электрический звонок. Молоточек звонка ударяет по колокольчику (или записывает отброс на движущейся бумажной ленте), сигнализируя о приходе волны. Тотчас же при своем обратном ходе молоточек ударяет по когереру, восстанавливая его чувствительность.                                                                Таким образом, Попов осуществил то, что называется релейной схемой; ничтожная энергия приходящих волн используется не прямо для приема (например, появления искры), а для управления источником энергии, который питает регистрирующий аппарат.
Рис. 4. Схема первого приемника А. С. Попова, взятая из его статьи в Журнале Русского физико-химического общества (январь  1896 г.)                                        Вместе с тем Попов осуществил в своем приемнике принцип обратной связи, широко применяемый с тех пор в радиотехнике. Усиленный сигнал на выходе приемника (цепь звонка) автоматически действует на вход приемника (цепь когерера). Обратная связь (реализованная в данном устройстве электромеханическим способом) — это основной новый элемент в изобретении Попова.                                                        7 мая 1895 г. Попов продемонстрировал действие своего приемника на заседании Русского физико-химического общества. Этот день справедливо считается днем рождения радио. В 1945 г. в ознаменование пятидесятилетия изобретения радио день 7 мая был постановлением Советского правительства объявлен ежегодным «Днем радио».

II. Создание приёмника электромагнитных сигналов.

Прибор (рисунок 5) выполнен мной в условиях нашей школы.

                                                                 Рисунок 5.

 Демонстрации с ним просты, наглядны, вызывают интерес учащихся и в методическом отношении дополняют эксперименты, разработанные на базе генератора УВЧ с рупорными антеннами. Главной частью прибора служит когерер, при изготовлении которого использовалась конструкция, описанная самим изобретателем радио А.С. Поповым: «Внутри стеклянной трубки на её стенках приклеены две полоски тонкой листовой платины AB и CD почти во всю длину трубки. Одна полоска выведена на внешнюю поверхность с одного конца трубки, другая – с противоположного конца. Полоски платины лежат своими краями на расстоянии около 2 мм при ширине 8мм; внутренние концы полосок B и C не доходят до пробок, закрывающих трубку, чтобы порошок, в ней помещённый, не мог, набившись в пробку образовать проводящие нити, не разрушаемые сотрясением, как-то случалось в некоторых моделях. Длинна всей трубки достаточна в 6-8 см при диаметре около 1см. Трубка при своём действии располагается горизонтально, так что полоски лежат в нижней её половине и металлический порошок покрывает их. Наилучшее действие получается, когда трубка наполнена не более чем на половину».

Схема устройства когерера показана на рисунке 6.

                                                 Рисунок 6.

Вместо платиновой фольги была применена медная; в качестве металлического порошка взяты железные опилки. Полоски фольги приклеены к внутренней стенке прибора. Концы трубки закрыты резиновыми пробками.

Прибор собран по схеме, приведённой на рисунке 7.

                                                     Рисунок 7.

 Использовано реле(РЭС42), лампочка, батарея(DURACELL), вмонтированная в корпус прибора. В качестве антенны взяты два медных проводника длинной по 45 см, укреплённые сбоку по обе стороны когерера. Для возбуждения электромагнитных колебаний применён вибратор Герца, с шариками на концах, питаемый от электрофорной машины.

        Наладка приёмника проста. Если световой сигнал не срабатывает припомещении вибратора на некотором расстоянии от приёмника, то следует ослабить контакты реле. Встряхивание опилок производится вручную.

III. Применение устройства.

С помощью данного устройства были поставлены несколько демонстраций. В частности такие:

1.) Демонстрация излучения и приёма электромагнитных волн.

 Вибратор и приёмник устанавливается в разных концах классной комнаты так, чтобы антенны их были параллельны. После создания искры между шариками вибратора, срабатывает световой сигнал приёмника. Нарушая контакт опилок, слегка ударяя по трубке рукой, - диод гаснет. Опыт повторяется несколько раз, помещая перед приёмником экраны из различного материала. Если в качестве экрана взять металлический лист, то приёма не будет.

         Рисунок 8.

2.) Отражение электромагнитных волн.

Устанавливая приёмник и вибратор на некоторое расстояние (оптимальное расстояние подбирается опытным путём) так, чтобы антенны были расположены под тупым углом друг к другу (рисунок 8, где В – вибратор Герца,П – приёмник.). При появлении искры световой сигнал не срабатывает. Ставим металлический экран Э перпендикулярно биссектрисе угла α. В этом случае сигнал есть. После опыта вычерчивается схема и объясняется, как происходит отражение электромагнитных волн.

 Подчёркивается, что максимум излучения вибратора происходит в направлении перпендикулярном его середине. Следовательно, вибратор надо поставить на таком расстояний от приёмника, чтобы волна, пришедшая к нему по кратчайшему пути, не вызывала свечения индикатора.

IV. Заключение

Начиная с 1899 года радиотехника начинает прощаться с когерером. Вместо того чтобы обнаруживать радиоволны за счёт падения сопротивления в цепи, происходящего под действием электромагнитной волны можно воспользоваться совсем другим приёмом. Выпрямленная пульсирующая электромагнитная волна может быть принята обычной телефонной трубкой.                                                                                        Начинается поиск различных выпрямителей. Широко распространённый контактный детектор, который применялся вплоть до 20-х годов прошлого века, представлял собой кристалл с односторонней проводимостью. Такие кристаллы были известны с 1874 года. К ним относятся сульфиды металлов, медные пириты, некоторые минералы.                                                                                                        Однако настоящую революцию в радиосвязи, позволившую перейти от радиотелеграфии кпередачи человеческой речи и музыки, принесло использование электронной лампы.         В 1913 году немецкий инженер Мейссиер применил триод в генераторной схеме. В 20-х годах прошлого века радиопередатчики и радиоприёмники, работающие на электронных лампах, позволили увидеть воистину неисчерпаемые возможности радиосвязи как передачи, охватывающей весь диапазон звуковых частот.                Следующий революционный скачок произошёл тогда, когда полупроводниковые элементы вытеснили из радиосхем электронные лампы. Возникла новая отрасль прикладной физики, рассматривающая огромный комплекс проблем, связанных с приёмом, передачей и хранение информации.

                                  V. Список используемой литературы

•        Физика. 11 класс: учеб. Для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровни (Г.Я.Мякишев, Б.Б.Бухонцев, В.М.Чаругин 2008г.)

•        Физика для всех. Электроны (М.; Наука. Главная редакция физико-математической                                           литературы, Китайгородский  А.И., 1982 г.).

•        http://www.physics.ru

•        Элементарный учебник физики. (М., Физматгиз; Г.С. Ландсберг.  1961 г.)