Gelombang elektromagnetik, menurut fisika, termasuk yang paling misterius. Di dalamnya, energi sebenarnya menghilang entah dari mana, muncul entah dari mana. Tidak ada objek lain yang serupa di seluruh ilmu pengetahuan. Bagaimana semua transformasi timbal balik yang menakjubkan ini terjadi?

Elektrodinamika Maxwell

Semuanya dimulai dengan fakta bahwa ilmuwan Maxwell, pada tahun 1865, berdasarkan karya Faraday, menurunkan persamaan medan elektromagnetik. Maxwell sendiri percaya bahwa persamaannya menggambarkan torsi dan tegangan gelombang di eter. Dua puluh tiga tahun kemudian, Hertz secara eksperimental menciptakan gangguan serupa pada medium, dan gangguan tersebut tidak hanya dapat diselaraskan dengan persamaan elektrodinamika, tetapi juga memperoleh hukum yang mengatur perambatan gangguan ini. Ada kecenderungan yang aneh untuk menyatakan setiap gangguan yang bersifat elektromagnetik sebagai gelombang Hertzian. Namun, radiasi ini bukan satu-satunya cara terjadinya transfer energi.

Koneksi tanpa kabel

Saat ini, opsi yang memungkinkan untuk mengimplementasikan komunikasi nirkabel tersebut meliputi:

Kopling elektrostatik, juga disebut kopling kapasitif;

Induksi;

Saat ini;

Kopling Tesla, yaitu kopling gelombang kerapatan elektron di sepanjang permukaan konduksi;

Jangkauan terluas dari pembawa yang paling umum, yang disebut gelombang elektromagnetik, adalah dari frekuensi sangat rendah hingga radiasi gamma.

Jenis komunikasi ini perlu dipertimbangkan secara lebih rinci.

Kopling elektrostatik

Dua dipol digabungkan gaya listrik di ruang angkasa, yang merupakan konsekuensi dari hukum Coulomb. Jenis komunikasi ini berbeda dengan gelombang elektromagnetik dalam kemampuannya menghubungkan dipol ketika keduanya berada pada jalur yang sama. Dengan bertambahnya jarak, kekuatan koneksi memudar, dan pengaruh kuat dari berbagai gangguan juga terlihat.

Kopling induksi

Berdasarkan medan magnet kebocoran induktansi. Diamati antara benda-benda yang mempunyai induktansi. Penggunaannya cukup terbatas karena jangkauannya yang pendek.

Komunikasi saat ini

Akibat penyebaran arus pada suatu media penghantar, dapat terjadi interaksi tertentu. Jika arus dilewatkan melalui terminal (sepasang kontak), maka arus yang sama dapat dideteksi pada jarak yang cukup jauh dari kontak. Inilah yang disebut dengan efek penyebaran saat ini.

koneksi Tesla

Fisikawan terkenal Nikola Tesla menemukan komunikasi menggunakan gelombang pada permukaan penghantar. Jika di suatu tempat pada bidang tersebut kerapatan pembawa muatan terganggu, maka pembawa tersebut akan mulai bergerak, yang cenderung mengembalikan keseimbangan. Karena pembawa bersifat inersia, maka pemulihan bersifat gelombang.

Komunikasi elektromagnetik

Emisi gelombang elektromagnetik mempunyai pengaruh jangka panjang yang sangat besar, karena amplitudonya berbanding terbalik dengan jarak ke sumbernya. Metode komunikasi nirkabel inilah yang paling luas. Tapi apakah gelombang elektromagnetik itu? Untuk memulainya, Anda perlu melakukan perjalanan singkat ke dalam sejarah penemuan mereka.

Bagaimana gelombang elektromagnetik “muncul”?

Semuanya dimulai pada tahun 1829, ketika fisikawan Amerika Henry menemukan gangguan pelepasan listrik dalam eksperimennya dengan toples Leyden. Pada tahun 1832, fisikawan Faraday mengemukakan adanya proses seperti gelombang elektromagnetik. Maxwell menciptakan persamaan elektromagnetismenya yang terkenal pada tahun 1865. Pada akhir abad kesembilan belas ada banyak upaya yang berhasil untuk menciptakan komunikasi nirkabel menggunakan induksi elektrostatis dan elektromagnetik. Penemu terkenal Edison menemukan sistem yang memungkinkan penumpang kereta api mengirim dan menerima telegram secara langsung saat kereta melaju. Pada tahun 1888, G. Hertz dengan tegas membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik muncul dengan menggunakan alat yang disebut vibrator. Hertz melakukan percobaan transmisi sinyal elektromagnetik jarak jauh. Pada tahun 1890, insinyur dan fisikawan Branly dari Perancis menemukan alat untuk merekam radiasi elektromagnetik. Selanjutnya, perangkat ini disebut “konduktor radio” (coherer). Pada tahun 1891-1893, Nikola Tesla menjelaskan prinsip dasar transmisi sinyal jarak jauh dan mematenkan antena tiang, yang merupakan sumber gelombang elektromagnetik. Prestasi lebih lanjut dalam studi gelombang dan implementasi teknis produksi dan penerapannya adalah milik fisikawan dan penemu terkenal seperti Popov, Marconi, de More, Lodge, Muirhead dan banyak lainnya.

Konsep "gelombang elektromagnetik"

Gelombang elektromagnetik adalah fenomena yang merambat di ruang angkasa dengan kecepatan tertentu yang terbatas dan mewakili medan listrik dan magnet bolak-balik. Karena medan magnet dan listrik saling terkait erat, keduanya membentuk medan elektromagnetik. Kita juga dapat mengatakan bahwa gelombang elektromagnetik adalah gangguan medan, dan selama perambatannya, energi medan magnet diubah menjadi energi medan listrik dan sebaliknya, menurut elektrodinamika Maxwell. Secara lahiriah, ini mirip dengan perambatan gelombang lain di media lain, tetapi terdapat perbedaan yang signifikan.

Apa perbedaan gelombang elektromagnetik dengan lainnya?

Energi gelombang elektromagnetik merambat dalam lingkungan yang agak aneh. Untuk membandingkan gelombang ini dan gelombang lainnya, perlu dipahami jenis media propagasi yang dimaksud. Diasumsikan bahwa ruang intraatomik diisi oleh eter listrik - media spesifik yang merupakan dielektrik absolut. Semua gelombang selama perambatan menunjukkan transisi energi kinetik menjadi energi potensial dan sebaliknya. Terlebih lagi, energi-energi ini mempunyai pergeseran maksimum dalam ruang dan waktu relatif terhadap satu sama lain sebesar seperempat periode gelombang penuh. Energi gelombang rata-rata, yang merupakan jumlah energi potensial dan kinetik, bernilai konstan. Namun dengan gelombang elektromagnetik, situasinya berbeda. Energi medan magnet dan listrik mencapai nilai maksimumnya secara bersamaan.

Bagaimana gelombang elektromagnetik muncul?

Materi gelombang elektromagnetik adalah Medan listrik(eter). Medan gerak tersusun dan terdiri dari energi geraknya dan energi listrik medan itu sendiri. Oleh karena itu, energi potensial gelombang berhubungan dengan energi kinetik dan berada dalam fase. Sifat gelombang elektromagnetik adalah medan listrik periodik yang berada dalam keadaan gerak translasi dalam ruang dan bergerak dengan kecepatan cahaya.

Arus bias

Ada cara lain untuk menjelaskan apa itu gelombang elektromagnetik. Diasumsikan bahwa arus perpindahan muncul di eter ketika medan listrik tidak homogen berpindah. Mereka muncul, secara alami, hanya bagi pengamat luar yang tidak bergerak. Pada saat parameter seperti kuat medan listrik mencapai maksimum, arus perpindahan pada suatu titik tertentu dalam ruang akan berhenti. Dengan demikian, dengan tegangan minimal, gambaran sebaliknya diperoleh. Pendekatan ini memperjelas sifat gelombang radiasi elektromagnetik, karena energi medan listrik bergeser seperempat periode terhadap arus perpindahan. Maka kita dapat mengatakan bahwa gangguan listrik, atau lebih tepatnya energi gangguan, diubah menjadi energi arus perpindahan dan sebaliknya dan merambat secara gelombang dalam media dielektrik.

Gelombang elektromagnetik (tabelnya akan diberikan di bawah) merupakan gangguan medan magnet dan listrik yang tersebar di ruang angkasa. Ada beberapa jenis di antaranya. Fisika mempelajari gangguan ini. Gelombang elektromagnetik terbentuk karena medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet, yang selanjutnya menghasilkan medan listrik.

Sejarah penelitian

Teori pertama, yang dapat dianggap sebagai versi tertua dari hipotesis tentang gelombang elektromagnetik, setidaknya berasal dari zaman Huygens. Selama periode itu, asumsi-asumsi tersebut mencapai perkembangan kuantitatif yang nyata. Huygens pada tahun 1678 menerbitkan semacam "sketsa" teori - "Risalah tentang Cahaya". Pada tahun 1690, ia menerbitkan karya luar biasa lainnya. Ini menguraikan teori kualitatif refleksi dan refraksi dalam bentuk yang masih disajikan dalam buku teks sekolah saat ini (“Gelombang Elektromagnetik,” kelas 9).

Pada saat yang sama, prinsip Huygens dirumuskan. Dengan bantuannya, pergerakan muka gelombang dapat dipelajari. Prinsip ini kemudian dikembangkan dalam karya Fresnel. Prinsip Huygens-Fresnel sangat penting dalam teori difraksi dan teori gelombang cahaya.

Pada 1660-1670an, Hooke dan Newton memberikan kontribusi eksperimental dan teoritis yang besar pada penelitian. Siapa yang menemukan gelombang elektromagnetik? Siapa yang melakukan eksperimen untuk membuktikan keberadaannya? Jenis gelombang elektromagnetik apa yang ada? Lebih lanjut tentang ini nanti.

alasan Maxwell

Sebelum berbicara tentang siapa yang menemukan gelombang elektromagnetik, perlu diketahui bahwa ilmuwan pertama yang meramalkan keberadaannya secara umum adalah Faraday. Dia mengemukakan hipotesisnya pada tahun 1832. Maxwell kemudian mengerjakan konstruksi teori tersebut. Pada tahun 1865 dia menyelesaikan pekerjaan ini. Akibatnya, Maxwell secara ketat merumuskan teorinya secara matematis, membenarkan keberadaan fenomena yang sedang dipertimbangkan. Ia juga menentukan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik, yang bertepatan dengan nilai kecepatan cahaya yang digunakan saat itu. Hal ini, pada gilirannya, memungkinkan dia untuk mendukung hipotesis bahwa cahaya adalah salah satu jenis radiasi yang sedang dipertimbangkan.

Deteksi eksperimental

Teori Maxwell dikonfirmasi dalam eksperimen Hertz pada tahun 1888. Perlu dikatakan di sini bahwa fisikawan Jerman melakukan eksperimennya untuk menyangkal teori tersebut, meskipun teori tersebut memiliki pembenaran matematis. Namun berkat eksperimennya, Hertz menjadi orang pertama yang menemukan gelombang elektromagnetik secara praktis. Selain itu, selama eksperimennya, ilmuwan mengidentifikasi sifat dan karakteristik radiasi.

Hertz memperoleh osilasi dan gelombang elektromagnetik dengan menggairahkan serangkaian pulsa dengan aliran yang berubah-ubah dengan cepat dalam vibrator menggunakan sumber tegangan tinggi. Arus frekuensi tinggi dapat dideteksi menggunakan rangkaian. Semakin tinggi kapasitansi dan induktansi, semakin tinggi frekuensi osilasinya. Namun pada saat yang sama, frekuensi tinggi tidak menjamin aliran yang intens. Untuk melakukan eksperimennya, Hertz menggunakan perangkat yang cukup sederhana, yang sekarang disebut “vibrator Hertz”. Perangkat ini adalah sirkuit osilasi tipe terbuka.

Skema percobaan Hertz

Registrasi radiasi dilakukan dengan menggunakan vibrator penerima. Perangkat ini memiliki desain yang sama dengan perangkat pemancar. Di bawah pengaruh gelombang elektromagnetik dari medan listrik bolak-balik, osilasi arus terjadi pada perangkat penerima. Jika pada alat ini frekuensi alaminya dan frekuensi alirannya bertepatan, maka resonansi akan muncul. Akibatnya terjadi gangguan pada perangkat penerima dengan amplitudo yang lebih besar. Peneliti menemukannya dengan mengamati percikan api di antara konduktor dalam celah kecil.

Dengan demikian, Hertz menjadi orang pertama yang menemukan gelombang elektromagnetik dan membuktikan kemampuannya untuk dipantulkan dengan baik dari konduktor. Dia secara praktis mendukung pembentukan radiasi berdiri. Selain itu, Hertz menentukan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di udara.

Studi Karakteristik

Gelombang elektromagnetik merambat di hampir semua media. Dalam ruang yang dipenuhi materi, dalam beberapa kasus radiasi dapat terdistribusi dengan cukup baik. Namun pada saat yang sama, mereka agak mengubah perilakunya.

Gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa terdeteksi tanpa redaman. Mereka didistribusikan pada jarak berapa pun, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Ciri-ciri utama gelombang meliputi polarisasi, frekuensi dan panjang. Sifat-sifatnya dijelaskan dalam kerangka elektrodinamika. Namun, cabang fisika yang lebih spesifik berhubungan dengan karakteristik radiasi di wilayah spektrum tertentu. Ini termasuk, misalnya, optik.

Studi tentang radiasi elektromagnetik keras pada ujung spektral gelombang pendek dilakukan oleh bagian energi tinggi. Mempertimbangkan ide-ide modern dinamika tidak lagi menjadi disiplin independen dan digabungkan dengan satu teori.

Teori yang digunakan dalam studi properti

Hari ini ada berbagai metode, memfasilitasi pemodelan dan studi tentang manifestasi dan sifat getaran. Elektrodinamika kuantum dianggap sebagai teori paling mendasar yang telah diuji dan diselesaikan. Dari situ melalui penyederhanaan tertentu dapat diperoleh metode-metode di bawah ini yang banyak digunakan di berbagai bidang.

Deskripsi radiasi frekuensi relatif rendah dalam lingkungan makroskopis dilakukan dengan menggunakan elektrodinamika klasik. Hal ini didasarkan pada persamaan Maxwell. Namun, ada penyederhanaan dalam aplikasi. Studi optik menggunakan optik. Teori gelombang digunakan dalam kasus di mana beberapa bagian sistem optik memiliki ukuran yang mendekati panjang gelombang. Optik kuantum digunakan ketika proses hamburan dan penyerapan foton signifikan.

Teori optik geometris adalah kasus terbatas dimana panjang gelombang dapat diabaikan. Ada juga beberapa bagian terapan dan mendasar. Ini termasuk, misalnya, astrofisika, biologi persepsi visual dan fotosintesis, dan fotokimia. Bagaimana klasifikasi gelombang elektromagnetik? Tabel yang secara jelas menggambarkan pembagian ke dalam kelompok disajikan di bawah ini.

Klasifikasi

Ada rentang frekuensi gelombang elektromagnetik. Tidak ada transisi yang tajam di antara keduanya; terkadang saling tumpang tindih. Batasan di antara keduanya cukup sewenang-wenang. Karena alirannya terdistribusi secara kontinyu, frekuensinya berhubungan erat dengan panjangnya. Di bawah ini adalah rentang gelombang elektromagnetik.

Radiasi ultrashort biasanya dibagi menjadi mikrometer (submillimeter), milimeter, sentimeter, desimeter, meter. Jika radiasi elektromagnetiknya kurang dari satu meter, maka biasa disebut osilasi frekuensi ultratinggi (microwave).

Jenis gelombang elektromagnetik

Di atas adalah rentang gelombang elektromagnetik. Jenis aliran apa yang ada? Kelompok ini mencakup sinar gamma dan sinar-X. Harus dikatakan bahwa sinar ultraviolet dan bahkan cahaya tampak mampu mengionisasi atom. Batas-batas di mana fluks gamma dan sinar-X berada ditentukan dengan sangat kondisional. Sebagai pedoman umum, batas 20 eV - 0,1 MeV diterima. Fluks gamma dalam arti sempit dipancarkan oleh inti, fluks sinar-X dipancarkan oleh kulit atom elektron dalam proses knock out elektron dari orbit dataran rendah. Namun, klasifikasi ini tidak berlaku untuk radiasi keras yang dihasilkan tanpa partisipasi inti dan atom.

Fluks sinar-X terbentuk ketika partikel cepat bermuatan (proton, elektron, dan lainnya) melambat dan sebagai akibat dari proses yang terjadi di dalam kulit elektron atom. Osilasi gamma muncul sebagai akibat dari proses di dalam inti atom dan selama transformasi partikel elementer.

Aliran radio

Karena besarnya nilai panjangnya, gelombang ini dapat dilihat tanpa memperhitungkan struktur atom mediumnya. Sebagai pengecualian, hanya aliran terpendek, yang berdekatan dengan wilayah spektrum inframerah, yang bertindak. Dalam jangkauan radio, sifat kuantum getaran tampak agak lemah. Namun demikian, hal tersebut harus diperhitungkan, misalnya, ketika menganalisis standar waktu dan frekuensi molekuler selama pendinginan peralatan hingga suhu beberapa kelvin.

Sifat kuantum juga diperhitungkan saat mendeskripsikan generator dan amplifier dalam rentang milimeter dan sentimeter. Aliran radio terbentuk selama pergerakan arus bolak-balik melalui konduktor dengan frekuensi yang sesuai. Dan gelombang elektromagnetik yang lewat di ruang angkasa menggairahkan gelombang elektromagnetik yang bersangkutan. Properti ini digunakan dalam desain antena di bidang teknik radio.

Benang yang terlihat

Radiasi tampak ultraviolet dan inframerah, dalam arti luas, merupakan bagian optik dari spektrum. Pemilihan area ini ditentukan tidak hanya oleh kedekatan zona yang bersangkutan, tetapi juga oleh kesamaan instrumen yang digunakan dalam penelitian dan dikembangkan terutama dalam studi cahaya tampak. Ini, khususnya, termasuk cermin dan lensa untuk memfokuskan radiasi, kisi difraksi, prisma dan lain-lain.

Frekuensi gelombang optik sebanding dengan frekuensi molekul dan atom, dan panjangnya sebanding dengan jarak antarmolekul dan ukuran molekul. Oleh karena itu, fenomena yang disebabkan oleh struktur atom suatu materi menjadi signifikan di bidang ini. Untuk alasan yang sama, cahaya, bersama dengan sifat gelombang, juga memiliki sifat kuantum.

Munculnya aliran optik

Sumber yang paling terkenal adalah Matahari. Permukaan bintang (fotosfer) bersuhu 6000° Kelvin dan memancarkan cahaya putih terang. Nilai tertinggi dari spektrum kontinu terletak di zona "hijau" - 550 nm. Di sinilah letak sensitivitas visual maksimum. Osilasi dalam rentang optik terjadi ketika benda dipanaskan. Oleh karena itu, aliran inframerah juga disebut aliran termal.

Semakin panas tubuh, semakin tinggi frekuensi di mana spektrum maksimum berada. Dengan peningkatan suhu tertentu, pijar (bersinar dalam kisaran yang terlihat) diamati. Dalam hal ini, warna merah muncul terlebih dahulu, lalu kuning, dan seterusnya. Penciptaan dan pencatatan aliran optik dapat terjadi dalam reaksi biologi dan kimia, salah satunya digunakan dalam fotografi. Bagi sebagian besar makhluk hidup di Bumi, fotosintesis berfungsi sebagai sumber energi. Reaksi biologis ini terjadi pada tumbuhan di bawah pengaruh radiasi optik matahari.

Ciri-ciri gelombang elektromagnetik

Sifat-sifat medium dan sumber mempengaruhi karakteristik arus. Hal ini khususnya menentukan ketergantungan medan terhadap waktu, yang menentukan jenis aliran. Misalnya, ketika jarak dari vibrator berubah (seiring bertambahnya jarak), jari-jari kelengkungan menjadi lebih besar. Akibatnya terbentuk gelombang elektromagnetik bidang. Interaksi dengan suatu zat juga terjadi dengan cara yang berbeda-beda.

Proses penyerapan dan emisi fluks, pada umumnya, dapat dijelaskan dengan menggunakan hubungan elektrodinamik klasik. Untuk gelombang di wilayah optik dan sinar keras, sifat kuantumnya harus lebih diperhitungkan.

Sumber aliran

Terlepas dari perbedaan fisik, di mana pun - dalam zat radioaktif, pemancar televisi, lampu pijar - gelombang elektromagnetik tereksitasi oleh muatan listrik yang bergerak dengan percepatan. Ada dua jenis sumber utama: mikroskopis dan makroskopis. Yang pertama, terjadi transisi mendadak partikel bermuatan dari satu tingkat ke tingkat lain di dalam molekul atau atom.

Sumber mikroskopis memancarkan sinar-X, gamma, ultraviolet, inframerah, sinar tampak, dan dalam beberapa kasus radiasi gelombang panjang. Contoh yang terakhir adalah garis spektrum hidrogen, yang memiliki panjang gelombang 21 cm Fenomena ini sangat penting dalam astronomi radio.

Sumber makroskopis adalah penghasil emisi di mana elektron bebas konduktor melakukan osilasi sinkron berkala. Dalam sistem kategori ini, aliran dari skala milimeter hingga yang terpanjang (dalam saluran listrik) dihasilkan.

Struktur dan kekuatan arus

Arus yang dipercepat dan berubah secara berkala saling mempengaruhi dengan kekuatan tertentu. Arah dan besarnya bergantung pada faktor-faktor seperti ukuran dan konfigurasi wilayah di mana arus dan muatan terkandung, arah dan besaran relatifnya. Mereka juga mempunyai dampak yang signifikan Karakteristik listrik lingkungan tertentu, serta perubahan konsentrasi muatan dan distribusi arus sumber.

Karena kompleksitas umum dari rumusan masalah, tidak mungkin menyajikan hukum gaya dalam bentuk rumus tunggal. Strukturnya, yang disebut medan elektromagnetik dan dianggap, jika perlu, sebagai objek matematika, ditentukan oleh distribusi muatan dan arus. Hal ini, pada gilirannya, diciptakan oleh sumber tertentu dengan mempertimbangkan kondisi batas. Kondisi tersebut ditentukan oleh bentuk zona interaksi dan karakteristik material. Jika kita berbicara tentang ruang tanpa batas, keadaan ini ditambah. Kondisi radiasi bertindak sebagai kondisi tambahan khusus dalam kasus tersebut. Karena itu, “kebenaran” perilaku lapangan di tak terhingga terjamin.

Kronologi studi

Lomonosov dalam beberapa ketentuannya mengantisipasi postulat individu dari teori medan elektromagnetik: pergerakan partikel “berputar” (rotasi), teori cahaya “osilasi” (gelombang), kesamaannya dengan sifat listrik, dll. aliran ditemukan pada tahun 1800 oleh Herschel (ilmuwan Inggris), dan tahun berikutnya, 1801, Ritter mendeskripsikan ultraviolet. Radiasi dengan jangkauan yang lebih pendek dari ultraviolet ditemukan oleh Roentgen pada tahun 1895, pada tanggal 8 November. Selanjutnya mendapat nama X-ray.

Pengaruh gelombang elektromagnetik telah dipelajari oleh banyak ilmuwan. Namun, orang pertama yang mengeksplorasi kemungkinan aliran dan ruang lingkup penerapannya adalah Narkevich-Iodko (ilmuwan Belarusia). Ia mempelajari sifat-sifat aliran dalam kaitannya dengan pengobatan praktis. Radiasi gamma ditemukan oleh Paul Willard pada tahun 1900. Pada periode yang sama, Planck melakukan studi teoritis tentang sifat-sifat benda hitam. Dalam proses belajarnya, ia menemukan sifat kuantum dari proses tersebut. Karyanya menandai dimulainya perkembangan, selanjutnya beberapa karya Planck dan Einstein diterbitkan. Penelitian mereka mengarah pada terbentuknya konsep seperti foton. Hal ini, pada gilirannya, meletakkan dasar bagi penciptaan teori kuantum fluks elektromagnetik. Perkembangannya berlanjut pada karya-karya ilmuwan terkemuka abad ke-20.

Penelitian dan penelitian lebih lanjut mengenai teori kuantum radiasi elektromagnetik dan interaksinya dengan materi pada akhirnya mengarah pada pembentukan elektrodinamika kuantum dalam bentuk yang ada saat ini. Di antara ilmuwan terkemuka yang mempelajari masalah ini, selain Einstein dan Planck, Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman harus disebutkan.

Kesimpulan

Pentingnya fisika dalam dunia modern cukup besar. Hampir segala sesuatu yang digunakan dalam kehidupan manusia saat ini muncul berkat penggunaan praktis dari penelitian para ilmuwan besar. Penemuan gelombang elektromagnetik dan studinya, khususnya, mengarah pada penciptaan pemancar radio konvensional, dan kemudian telepon seluler. Penerapan praktis dari pengetahuan teoretis tersebut sangat penting dalam bidang kedokteran, industri, dan teknologi.

Penggunaan yang meluas ini disebabkan oleh sifat kuantitatif ilmu pengetahuan. Semua eksperimen fisika didasarkan pada pengukuran, perbandingan sifat-sifat fenomena yang diteliti dengan standar yang ada. Untuk tujuan inilah seperangkat alat dan satuan pengukuran yang kompleks telah dikembangkan dalam disiplin ilmu tersebut. Sejumlah pola umum terjadi pada semua sistem material yang ada. Misalnya, hukum kekekalan energi dianggap sebagai hukum fisika umum.

Sains secara keseluruhan disebut fundamental dalam banyak kasus. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa disiplin ilmu lain memberikan deskripsi yang, pada gilirannya, mematuhi hukum fisika. Jadi, dalam kimia, atom, zat yang terbentuk darinya, dan transformasinya dipelajari. Tetapi sifat kimia suatu benda ditentukan oleh sifat fisik molekul dan atom. Sifat-sifat ini menggambarkan cabang-cabang fisika seperti elektromagnetisme, termodinamika dan lain-lain.

wilayah Vladimir
industri - komersial
kamar bacaan

abstrak

Gelombang elektromagnetik

Lengkap:
siswa kelas 11 "B".
Lviv Mikhail
Diperiksa:

Vladimir 2001

Rencana

1. Pendahuluan ……………………………………………………… 3

2. Konsep gelombang dan ciri-cirinya…………………………… 4

3. Gelombang elektromagnetik……………………………………… 5

4. Bukti eksperimental keberadaan
gelombang elektromagnetik…………………………………………………6

5. Kerapatan fluks radiasi elektromagnetik………. 7

6. Penemuan radio……………………………………….… 9

7. Sifat-sifat gelombang elektromagnetik……………………………10

8. Modulasi dan deteksi…………………………………… 10

9. Jenis-jenis gelombang radio dan persebarannya………………………… 13

Perkenalan

Proses gelombang tersebar luas di alam. Ada dua jenis gelombang di alam: mekanik dan elektromagnetik. Gelombang mekanik merambat dalam materi: gas, cair atau padat. Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan zat apa pun untuk merambat, termasuk gelombang radio dan cahaya. Medan elektromagnetik bisa ada dalam ruang hampa, yaitu di ruang yang tidak mengandung atom. Meskipun terdapat perbedaan yang signifikan antara gelombang elektromagnetik dan gelombang mekanik, gelombang elektromagnetik berperilaku serupa dengan gelombang mekanik selama perambatannya. Namun seperti osilasi, semua jenis gelombang dijelaskan secara kuantitatif menurut hukum yang sama atau hampir identik. Dalam pekerjaan saya, saya akan mencoba mempertimbangkan penyebab terjadinya gelombang elektromagnetik, sifat-sifatnya dan penerapannya dalam kehidupan kita.

Konsep gelombang dan ciri-cirinya

Melambai disebut getaran yang merambat di ruang seiring waktu.

Ciri-ciri gelombang yang paling penting adalah kecepatannya. Gelombang dalam bentuk apa pun tidak merambat melalui ruang secara instan. Kecepatan mereka terbatas.

Ketika gelombang mekanik merambat, gerakan ditransmisikan dari satu bagian tubuh ke bagian tubuh lainnya. Yang berhubungan dengan perpindahan gerak adalah perpindahan energi. Sifat utama semua gelombang, apapun sifatnya, adalah perpindahan energi tanpa perpindahan materi. Energi tersebut berasal dari sumber yang membangkitkan getaran pada awal tali, tali, dan lain-lain, dan menyebar seiring dengan gelombang. Energi mengalir terus menerus melalui setiap penampang. Energi ini terdiri dari energi kinetik pergerakan bagian tali dan energi potensial deformasi elastisnya. Penurunan bertahap amplitudo osilasi seiring dengan perambatan gelombang dikaitkan dengan konversi sebagian energi mekanik menjadi energi internal.

Jika ujung tali karet yang diregangkan bergetar secara harmonis dengan frekuensi tertentu v, maka getaran tersebut akan mulai merambat sepanjang tali. Getaran pada setiap bagian kabel terjadi dengan frekuensi dan amplitudo yang sama dengan getaran pada ujung kabel. Tetapi hanya osilasi ini yang mengalami pergeseran fase relatif satu sama lain. Gelombang seperti ini disebut monokromatik.

Jika pergeseran fasa antara osilasi dua titik pada kabel sama dengan 2n, maka titik-titik tersebut berosilasi dengan cara yang sama: cos(2lvt+2l) = =сos2пay. Getaran seperti ini disebut Dalam fase(terjadi dalam fase yang sama).

Jarak antara titik-titik terdekat satu sama lain yang berosilasi dalam fasa yang sama disebut panjang gelombang.

Hubungan antara panjang gelombang λ, frekuensi v dan cepat rambat gelombang c. Selama satu periode osilasi, gelombang merambat sejauh λ. Oleh karena itu, kecepatannya ditentukan oleh rumus

Sejak periode tersebut T dan frekuensi v dihubungkan dengan relasi T = 1 / v

Cepat rambat gelombang sama dengan hasil kali panjang gelombang dan frekuensi osilasi.

Gelombang elektromagnetik

Sekarang mari kita beralih ke pertimbangan gelombang elektromagnetik secara langsung.

Hukum-hukum dasar alam dapat mengungkapkan lebih banyak hal daripada yang terkandung dalam fakta-fakta yang mendasarinya. Salah satunya adalah hukum elektromagnetisme yang ditemukan oleh Maxwell.

Di antara konsekuensi yang tak terhitung jumlahnya, sangat menarik dan penting yang timbul dari hukum Maxwell tentang medan elektromagnetik, ada yang pantas mendapatkannya perhatian khusus. Ini adalah kesimpulan bahwa interaksi elektromagnetik merambat pada kecepatan yang terbatas.

Menurut teori aksi jarak pendek, pergerakan muatan akan mengubah medan listrik di dekatnya. Medan listrik bolak-balik ini menghasilkan medan magnet bolak-balik di wilayah ruang yang berdekatan. Medan magnet bolak-balik, pada gilirannya, menghasilkan medan listrik bolak-balik, dll.

Pergerakan muatan tersebut menyebabkan “ledakan” medan elektromagnetik, yang menyebar, mencakup area yang semakin luas di ruang sekitarnya.

Maxwell secara matematis membuktikan bahwa kecepatan rambat proses ini sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Bayangkan muatan listrik tidak sekadar berpindah dari satu titik ke titik lain, tetapi mengalami osilasi cepat sepanjang garis lurus tertentu. Kemudian medan listrik di sekitar muatan akan mulai berubah secara berkala. Periode perubahan ini jelas akan sama dengan periode osilasi muatan. Medan listrik bolak-balik akan menghasilkan medan magnet yang berubah secara berkala, dan medan magnet yang berubah secara berkala akan menyebabkan munculnya medan listrik bolak-balik pada jarak yang lebih jauh dari muatan, dll.

Di setiap titik dalam ruang, medan listrik dan magnet berubah secara periodik terhadap waktu. Semakin jauh suatu titik terletak dari muatan, semakin lama osilasi medan mencapai titik tersebut. Akibatnya, pada jarak yang berbeda dari muatan, osilasi terjadi dengan fase yang berbeda.

Arah vektor osilasi kuat medan listrik dan induksi medan magnet tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

Gelombang elektromagnetik bersifat transversal.

Gelombang elektromagnetik dipancarkan oleh muatan yang berosilasi. Penting agar kecepatan pergerakan muatan tersebut berubah seiring waktu, yaitu bergerak dengan percepatan. Adanya percepatan merupakan syarat utama pancaran gelombang elektromagnetik. Medan elektromagnetik dipancarkan secara nyata tidak hanya ketika muatan berosilasi, tetapi juga ketika kecepatannya berubah dengan cepat. Semakin besar percepatan pergerakan muatan, semakin besar pula intensitas gelombang yang dipancarkan.

Maxwell sangat yakin akan realitas gelombang elektromagnetik. Namun dia tidak sempat melihat penemuan eksperimental mereka. Hanya 10 tahun setelah kematiannya, gelombang elektromagnetik diperoleh secara eksperimental oleh Hertz.

Bukti eksperimental keberadaan

gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik tidak terlihat, tidak seperti gelombang mekanik, tapi bagaimana mereka ditemukan? Untuk menjawab pertanyaan ini, perhatikan eksperimen Hertz.

Gelombang elektromagnetik terbentuk karena adanya hubungan timbal balik antara medan listrik dan medan magnet bolak-balik. Mengubah satu bidang menyebabkan bidang lainnya muncul. Seperti diketahui, semakin cepat perubahan induksi magnet terhadap waktu, maka semakin besar pula intensitas medan listrik yang dihasilkan. Dan sebaliknya, semakin cepat perubahan kuat medan listrik, semakin besar induksi magnetnya.

Untuk menghasilkan gelombang elektromagnetik yang kuat, perlu dibuat osilasi elektromagnetik dengan frekuensi yang cukup tinggi.

Osilasi frekuensi tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan rangkaian osilasi. Frekuensi osilasi adalah 1/ √ LC. Dari sini terlihat bahwa semakin kecil induktansi dan kapasitansi suatu rangkaian maka akan semakin besar.

Untuk menghasilkan gelombang elektromagnetik, G. Hertz menggunakan alat sederhana yang sekarang disebut vibrator Hertz.

Perangkat ini merupakan rangkaian osilasi terbuka.

Anda dapat berpindah ke sirkuit terbuka dari sirkuit tertutup jika Anda secara bertahap memindahkan pelat kapasitor, mengurangi luasnya dan pada saat yang sama mengurangi jumlah belitan pada kumparan. Pada akhirnya itu hanya akan menjadi kawat lurus. Ini adalah rangkaian osilasi terbuka. Kapasitansi dan induktansi vibrator Hertz kecil. Oleh karena itu, frekuensi osilasinya sangat tinggi.

Pada rangkaian terbuka, muatan tidak terkonsentrasi pada ujung-ujungnya, tetapi didistribusikan ke seluruh konduktor. Arus pada suatu waktu tertentu di semua bagian penghantar diarahkan ke arah yang sama, tetapi kuat arus di berbagai bagian penghantar tidak sama. Di ujungnya nol, dan di tengah mencapai maksimum (dalam rangkaian arus bolak-balik biasa, kuat arus di semua bagian adalah saat ini waktunya sama.) Medan elektromagnetik juga menutupi seluruh ruang di dekat sirkuit.

Hertz menerima gelombang elektromagnetik dengan mengeksitasi serangkaian pulsa arus bolak-balik cepat dalam vibrator menggunakan sumber tegangan tinggi. Osilasi muatan listrik pada vibrator menimbulkan gelombang elektromagnetik. Hanya osilasi dalam vibrator yang dilakukan bukan oleh satu partikel bermuatan, tetapi oleh sejumlah besar elektron yang bergerak bersama. Dalam gelombang elektromagnetik, vektor E dan B saling tegak lurus. Vektor E terletak pada bidang yang melalui vibrator, dan vektor B tegak lurus terhadap bidang tersebut. Gelombang dipancarkan dengan intensitas maksimum dengan arah tegak lurus sumbu vibrator. Tidak ada radiasi yang terjadi di sepanjang sumbu.

Gelombang elektromagnetik direkam oleh Hertz dengan menggunakan vibrator penerima (resonator), yang merupakan perangkat yang sama dengan vibrator pemancar. Di bawah pengaruh medan listrik bolak-balik dari gelombang elektromagnetik, osilasi arus tereksitasi dalam vibrator penerima. Jika frekuensi alami vibrator penerima bertepatan dengan frekuensi gelombang elektromagnetik, resonansi diamati. Osilasi pada resonator terjadi dengan amplitudo yang besar bila letaknya sejajar dengan vibrator yang memancar. Hertz menemukan getaran ini dengan mengamati percikan api di celah yang sangat kecil antara konduktor vibrator penerima. Hertz tidak hanya menerima gelombang elektromagnetik, tetapi juga menemukan bahwa mereka berperilaku seperti jenis gelombang lainnya.

Dengan menghitung frekuensi alami osilasi elektromagnetik vibrator. Hertz dapat menentukan cepat rambat gelombang elektromagnetik dengan menggunakan rumus c = λ v . Ternyata kira-kira sama dengan kecepatan cahaya: c = 300.000 km/s. Eksperimen Hertz dengan cemerlang membenarkan prediksi Maxwell.

Kerapatan fluks radiasi elektromagnetik

Sekarang mari kita beralih ke sifat dan karakteristik gelombang elektromagnetik. Salah satu ciri gelombang elektromagnetik adalah densitas radiasi elektromagnetik.

Perhatikan permukaan dengan luas S yang dilalui gelombang elektromagnetik untuk mentransfer energi.

Kerapatan fluks radiasi elektromagnetik I adalah perbandingan energi elektromagnetik W yang melewati permukaan seluas S yang tegak lurus sinar dalam waktu t dengan hasil kali luas S dan waktu t.

Kerapatan fluks radiasi dalam SI dinyatakan dalam watt per meter persegi (W/m2). Besaran ini kadang-kadang disebut intensitas gelombang.

Setelah serangkaian transformasi, kita memperoleh bahwa I = w c.

yaitu, kerapatan fluks radiasi sama dengan produk kerapatan energi elektromagnetik dan kecepatan rambatnya.

Kita telah berulang kali menemukan idealisasi sumber penerimaan nyata dalam fisika: titik material, gas ideal, dll. Di sini kita akan bertemu satu sama lain.

Sumber radiasi dianggap seperti titik jika dimensinya jauh lebih kecil daripada jarak penilaian pengaruhnya. Selain itu, diasumsikan bahwa sumber tersebut mengirimkan gelombang elektromagnetik ke segala arah dengan intensitas yang sama.

Mari kita perhatikan ketergantungan kerapatan fluks radiasi pada jarak ke sumber.

Energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik didistribusikan ke permukaan yang semakin besar seiring waktu. Oleh karena itu, energi yang ditransfer melalui satuan luas per satuan waktu, yaitu kerapatan fluks radiasi, berkurang seiring dengan jarak dari sumber. Anda dapat mengetahui ketergantungan kerapatan fluks radiasi terhadap jarak ke sumber dengan menempatkan sumber titik di pusat bola yang berjari-jari. R. luas permukaan bola S= 4 n R^2. Jika kita berasumsi bahwa sumber memancarkan energi W ke segala arah selama waktu t

Kerapatan fluks radiasi dari suatu sumber titik berkurang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak ke sumber.

Sekarang perhatikan ketergantungan kerapatan fluks radiasi pada frekuensi. Seperti diketahui, emisi gelombang elektromagnetik terjadi selama percepatan pergerakan partikel bermuatan. Kuat medan listrik dan induksi magnet gelombang elektromagnetik sebanding dengan percepatannya A partikel yang memancar. Percepatan pada getaran harmonik sebanding dengan kuadrat frekuensi. Oleh karena itu kuat medan listrik dan induksi magnet sebanding dengan kuadrat frekuensi

Kerapatan energi medan listrik sebanding dengan kuadrat kuat medan. Energi medan magnet sebanding dengan kuadrat induksi magnet. Kerapatan energi total medan elektromagnetik sama dengan jumlah kerapatan energi medan listrik dan medan magnet. Oleh karena itu, rapat fluks radiasi sebanding dengan: (E^2+B^2). Dari sini kita mendapatkan bahwa I sebanding dengan w^4.

Kerapatan fluks radiasi sebanding dengan pangkat empat frekuensi.

Penemuan radio

Eksperimen Hertz menarik perhatian fisikawan di seluruh dunia. Para ilmuwan mulai mencari cara untuk meningkatkan pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik. Di Rusia, Alexander Stepanovich Popov, seorang guru kursus perwira di Kronstadt, adalah salah satu orang pertama yang mempelajari gelombang elektromagnetik.

A. S. Popov menggunakan koherer sebagai bagian yang secara langsung “merasakan” gelombang elektromagnetik. Alat ini berupa tabung kaca dengan dua elektroda. Tabung itu berisi serbuk logam kecil. Pengoperasian perangkat ini didasarkan pada pengaruh pelepasan listrik pada serbuk logam. Dalam kondisi normal, koherer memiliki ketahanan yang tinggi karena serbuk gergaji memiliki kontak yang buruk satu sama lain. Gelombang elektromagnetik yang datang menciptakan arus bolak-balik frekuensi tinggi di koherer. Percikan api terkecil muncul di antara serbuk gergaji, yang membuat serbuk gergaji menjadi sinter. Akibatnya, resistansi koherer turun tajam (dalam percobaan A.S. Popov dari 100.000 menjadi 1000-500 Ohm, yaitu 100-200 kali). Anda dapat mengembalikan perangkat ke resistansi tinggi lagi dengan menggoyangkannya. Untuk memastikan penerimaan otomatis yang diperlukan untuk komunikasi nirkabel, A.S. Popov menggunakan perangkat bel untuk menggoyang koherer setelah menerima sinyal. Rangkaian bel listrik ditutup menggunakan relay sensitif pada saat gelombang elektromagnetik tiba. Dengan berakhirnya penerimaan gelombang, pengoperasian bel segera dihentikan, karena palu bel tidak hanya mengenai cangkir bel, tetapi juga koherernya. Dengan pengocokan koherer yang terakhir, peralatan siap menerima gelombang baru.

Untuk meningkatkan sensitivitas perangkat, A. S. Popov menghubungkan terminal koherer ke ground dan menghubungkan terminal lainnya ke kabel yang sangat tinggi, sehingga menciptakan antena penerima pertama untuk komunikasi nirkabel. Pembumian mengubah permukaan konduktif bumi menjadi bagian dari sirkuit berosilasi terbuka, yang meningkatkan jangkauan penerimaan.

Meskipun penerima radio modern memiliki sedikit kemiripan dengan penerima A. S. Popov, prinsip dasar pengoperasiannya sama dengan perangkatnya. Penerima modern juga memiliki antena di mana gelombang masuk menghasilkan osilasi elektromagnetik yang sangat lemah. Seperti pada receiver A.S. Popov, energi osilasi ini tidak digunakan secara langsung untuk penerimaan. Sinyal lemah hanya mengontrol sumber energi yang memberi daya pada rangkaian berikutnya. Saat ini pengendalian tersebut dilakukan dengan menggunakan perangkat semikonduktor.

Pada tanggal 7 Mei 1895, pada pertemuan Masyarakat Fisika-Kimia Rusia di St. Petersburg, A. S. Popov mendemonstrasikan pengoperasian perangkatnya, yang sebenarnya merupakan penerima radio pertama di dunia. Tanggal 7 Mei menjadi hari ulang tahun radio.

Sifat gelombang elektromagnetik

Perangkat teknik radio modern memungkinkan dilakukannya eksperimen yang sangat visual untuk mengamati sifat-sifat gelombang elektromagnetik. Dalam hal ini, yang terbaik adalah menggunakan gelombang sentimeter. Gelombang ini dipancarkan oleh generator frekuensi ultra-tinggi (microwave) khusus. Osilasi listrik generator dimodulasi oleh frekuensi suara. Sinyal yang diterima, setelah terdeteksi, dikirim ke loudspeaker.

Saya tidak akan menjelaskan pelaksanaan semua eksperimen, tetapi saya akan fokus pada eksperimen utama.

1. Dielektrik mampu menyerap gelombang elektromagnetik.

2. Beberapa zat (misalnya logam) mampu menyerap gelombang elektromagnetik.

3. Gelombang elektromagnetik mampu mengubah arahnya pada batas dielektrik.

4. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal. Artinya vektor E dan B medan elektromagnetik gelombang tegak lurus terhadap arah rambatnya.

Modulasi dan deteksi

Beberapa waktu telah berlalu sejak penemuan radio oleh Popov, ketika orang ingin mengirimkan ucapan dan musik alih-alih sinyal telegraf yang terdiri dari sinyal pendek dan panjang. Inilah bagaimana komunikasi telepon radio ditemukan. Mari kita pertimbangkan prinsip dasar cara kerja koneksi tersebut.

Dalam komunikasi telepon radio, fluktuasi tekanan udara dalam gelombang suara diubah oleh mikrofon menjadi getaran listrik dengan bentuk yang sama. Tampaknya jika getaran ini diperkuat dan dimasukkan ke dalam antena, maka ucapan dan musik dapat ditransmisikan dari jarak jauh menggunakan gelombang elektromagnetik. Namun kenyataannya cara penularan ini tidak memungkinkan. Faktanya adalah getaran suara dengan frekuensi baru merupakan getaran yang relatif lambat, dan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi (suara) rendah hampir tidak dipancarkan sama sekali. Untuk mengatasi kendala tersebut maka dikembangkan modulasi dan deteksi yang akan dibahas secara detail.

Modulasi. Untuk melakukan komunikasi telepon radio, perlu menggunakan osilasi frekuensi tinggi yang dipancarkan secara intensif oleh antena. Osilasi harmonik frekuensi tinggi yang tidak teredam dihasilkan oleh generator, misalnya generator transistor.

Untuk mengirimkan suara, getaran frekuensi tinggi ini diubah, atau disebut, dimodulasi, menggunakan getaran listrik frekuensi rendah (suara). Misalnya, dimungkinkan untuk mengubah amplitudo osilasi frekuensi tinggi dengan frekuensi suara. Metode ini disebut modulasi amplitudo.

grafik osilasi frekuensi tinggi, yang disebut frekuensi pembawa;

b) grafik osilasi frekuensi audio, yaitu osilasi modulasi;

c) grafik osilasi termodulasi amplitudo.

Tanpa modulasi, kita dapat mengontrol apakah stasiun bekerja atau diam. Tanpa modulasi tidak ada transmisi telegraf, telepon atau televisi.

Modulasi amplitudo osilasi frekuensi tinggi dicapai dengan tindakan khusus pada generator osilasi kontinu. Secara khusus, modulasi dapat dilakukan dengan mengubah tegangan yang dihasilkan oleh sumber pada rangkaian osilasi. Semakin tinggi tegangan pada rangkaian generator, maka semakin banyak energi yang mengalir dari sumber ke rangkaian setiap periodenya. Hal ini menyebabkan peningkatan amplitudo osilasi di sirkuit. Ketika tegangan berkurang, energi yang masuk ke rangkaian juga berkurang. Oleh karena itu, amplitudo osilasi pada rangkaian berkurang.

Dalam perangkat paling sederhana untuk menerapkan modulasi amplitudo, sumber tambahan tegangan bolak-balik frekuensi rendah dihubungkan secara seri dengan sumber tegangan konstan. Sumber ini dapat berupa, misalnya, belitan sekunder transformator jika arus frekuensi audio mengalir melalui belitan primernya. Akibatnya amplitudo osilasi pada rangkaian osilasi generator akan berubah seiring dengan perubahan tegangan pada transistor. Ini berarti bahwa osilasi frekuensi tinggi dimodulasi amplitudonya oleh sinyal frekuensi rendah.

Selain modulasi amplitudo, dalam beberapa kasus modulasi frekuensi digunakan - mengubah frekuensi osilasi sesuai dengan sinyal kontrol. Keuntungannya adalah ketahanannya yang lebih besar terhadap interferensi.

Deteksi. Di penerima, osilasi frekuensi rendah dipisahkan dari osilasi frekuensi tinggi termodulasi. Proses konversi sinyal ini disebut deteksi.

Sinyal yang diperoleh dari hasil deteksi sesuai dengan sinyal suara yang bekerja pada mikrofon pemancar. Setelah diperkuat, getaran frekuensi rendah dapat diubah menjadi suara.

Sinyal frekuensi tinggi termodulasi yang diterima oleh penerima, bahkan setelah amplifikasi, tidak mampu secara langsung menimbulkan getaran pada membran telepon atau klakson loudspeaker dengan frekuensi audio. Itu hanya dapat menimbulkan getaran frekuensi tinggi yang tidak dirasakan oleh telinga kita. Oleh karena itu, pada penerima, pertama-tama perlu mengisolasi sinyal frekuensi audio dari osilasi termodulasi frekuensi tinggi.

Deteksi dilakukan oleh perangkat yang mengandung elemen dengan konduktivitas satu arah - detektor. Elemen tersebut dapat berupa tabung elektron (dioda vakum) atau dioda semikonduktor.

Mari kita pertimbangkan pengoperasian detektor semikonduktor. Biarkan perangkat ini dihubungkan secara seri dengan sumber osilasi termodulasi dan beban. Arus dalam rangkaian akan mengalir terutama dalam satu arah.

Arus yang berdenyut akan mengalir di sirkuit. Arus riak ini dihaluskan menggunakan filter. Filter paling sederhana adalah kapasitor yang dihubungkan ke beban.

Filternya berfungsi seperti ini. Pada saat dioda melewatkan arus, sebagian melewati beban, dan sebagian lagi bercabang ke kapasitor, mengisinya. Fanout arus mengurangi arus riak yang melewati beban. Tetapi dalam interval antar pulsa, ketika dioda ditutup, sebagian kapasitor dilepaskan melalui beban.

Oleh karena itu, dalam interval antar pulsa, arus mengalir melalui beban dalam arah yang sama. Setiap pulsa baru mengisi ulang kapasitor. Akibatnya, arus frekuensi audio mengalir melalui beban, yang bentuk gelombangnya hampir persis mereproduksi bentuk sinyal frekuensi rendah di stasiun pemancar.

Jenis gelombang radio dan sebarannya

Kita telah mempelajari sifat dasar gelombang elektromagnetik, penerapannya dalam radio, dan pembentukan gelombang radio. Sekarang mari kita kenali jenis-jenis gelombang radio dan perambatannya.

Bentuk dan sifat fisik permukaan bumi, serta keadaan atmosfer, sangat mempengaruhi perambatan gelombang radio.

Lapisan gas terionisasi di bagian atas atmosfer pada ketinggian 100-300 km di atas permukaan bumi mempunyai pengaruh yang sangat signifikan terhadap perambatan gelombang radio. Lapisan-lapisan ini disebut ionosfer. Ionisasi udara di lapisan atas atmosfer disebabkan oleh radiasi elektromagnetik Matahari dan aliran partikel bermuatan yang dipancarkannya.

Menghantarkan arus listrik, ionosfer memantulkan gelombang radio dengan panjang gelombang > 10 m, seperti pelat logam biasa. Namun kemampuan ionosfer untuk memantulkan dan menyerap gelombang radio sangat bervariasi tergantung waktu dan musim.

Komunikasi radio yang stabil antara titik-titik jauh di permukaan bumi di luar garis pandang dimungkinkan karena pantulan gelombang dari ionosfer dan kemampuan gelombang radio untuk membelok di sekitar permukaan bumi yang cembung. Pembengkokan ini semakin nyata jika panjang gelombangnya semakin panjang. Oleh karena itu, komunikasi radio jarak jauh akibat gelombang yang membelok mengelilingi bumi hanya mungkin dilakukan dengan panjang gelombang yang jauh melebihi 100 m ( gelombang sedang dan panjang)

Gelombang pendek(panjang gelombang berkisar antara 10 hingga 100 m) merambat dalam jarak jauh hanya karena pantulan berulang dari ionosfer dan permukaan bumi. Dengan bantuan gelombang pendek komunikasi radio dapat dilakukan pada jarak berapa pun antar stasiun radio di Bumi.

Gelombang radio ultrapendek (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораб­лями.

Sekarang mari kita lihat penerapan gelombang radio lainnya. Ini adalah radar.

Deteksi dan letak tepat suatu benda dengan menggunakan gelombang radio disebut radar. Instalasi radar - radar(atau radar) - terdiri dari bagian pengirim dan penerima. Radar menggunakan osilasi listrik frekuensi sangat tinggi. Generator gelombang mikro yang kuat dihubungkan ke antena, yang memancarkan gelombang yang sangat terarah. Arah radiasi yang tajam diperoleh karena adanya penambahan gelombang. Antena dirancang sedemikian rupa sehingga gelombang yang dikirim oleh masing-masing vibrator, bila ditambahkan, saling memperkuat satu sama lain hanya dalam arah tertentu. Di arah lain, ketika gelombang ditambahkan, terjadi pembatalan timbal balik seluruhnya atau sebagian.

Gelombang yang dipantulkan ditangkap oleh antena pemancar yang sama atau antena penerima lain yang juga sangat terarah.

Untuk menentukan jarak ke target, digunakan mode radiasi berdenyut. Pemancar memancarkan gelombang dalam semburan singkat. Durasi setiap pulsa adalah sepersejuta detik, dan interval antar pulsa kira-kira 1000 kali lebih lama. Selama jeda, gelombang pantulan diterima.

Jarak ditentukan dengan mengukur total waktu perjalanan gelombang radio ke target dan kembali. Karena cepat rambat gelombang radio c = 3*10 8 m/s di atmosfer hampir konstan, maka R = ct/2.

Tabung sinar katoda digunakan untuk merekam sinyal yang dikirim dan dipantulkan.

Gelombang radio tidak hanya digunakan untuk mengirimkan suara, tetapi juga untuk mengirimkan gambar (televisi).

Prinsip transmisi gambar jarak jauh adalah sebagai berikut. Di stasiun pemancar, gambar diubah menjadi rangkaian sinyal listrik. Sinyal-sinyal ini kemudian dimodulasi oleh osilasi yang dihasilkan oleh generator frekuensi tinggi. Gelombang elektromagnetik termodulasi membawa informasi dalam jarak jauh. Konversi sebaliknya dilakukan di penerima. Osilasi termodulasi frekuensi tinggi terdeteksi dan sinyal yang dihasilkan diubah menjadi gambar yang terlihat. Untuk mentransmisikan gerakan, mereka menggunakan prinsip sinema: gambar objek bergerak (bingkai) yang sedikit berbeda ditransmisikan puluhan kali per detik (di televisi kita 50 kali).

Gambar bingkai diubah menggunakan tabung elektron vakum transmisi - ikonoskop - menjadi serangkaian sinyal listrik. Selain ikonoskop, ada perangkat transmisi lainnya. Di dalam ikonoskop terdapat layar mosaik di mana gambar suatu objek diproyeksikan menggunakan sistem optik. Setiap sel mosaik bermuatan, dan muatannya bergantung pada intensitas cahaya yang mengenai sel tersebut. Muatan ini berubah ketika berkas elektron yang dihasilkan oleh senjata elektron mengenai sel. Berkas elektron secara berurutan mengenai semua elemen, pertama satu baris mosaik, lalu baris lainnya, dan seterusnya. (total 625 baris).

Arus dalam resistor tergantung pada seberapa banyak perubahan muatan sel. R. Oleh karena itu, tegangan pada resistor berubah sebanding dengan perubahan iluminasi sepanjang garis bingkai.

Sinyal yang sama diterima di penerima televisi setelah terdeteksi. Ini sinyal video Itu diubah menjadi gambar yang terlihat di layar tabung elektron vakum penerima - kineskop.

Sinyal radio televisi hanya dapat ditransmisikan dalam rentang gelombang ultrashort (meter).

Bibliografi.

1. Myakishev G.Ya. , Bukhovtsev B.B. Fisika - 11.M.1993.

2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. mata kuliah Fisika. Listrik. M.1970

3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Dasar-dasar Fisika. jilid 2.M.1981

), menggambarkan medan elektromagnetik, secara teoritis menunjukkan bahwa medan elektromagnetik dalam ruang hampa dapat ada tanpa adanya sumber - muatan dan arus. Medan tanpa sumber berbentuk gelombang yang merambat dengan kecepatan terbatas, yang dalam ruang hampa sama dengan kecepatan cahaya: Dengan= 299792458±1,2 m/s. Kebetulan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya yang diukur sebelumnya memungkinkan Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Kesimpulan serupa kemudian menjadi dasar teori elektromagnetik cahaya.

Pada tahun 1888, teori gelombang elektromagnetik mendapat konfirmasi eksperimental dalam eksperimen G. Hertz. Dengan menggunakan sumber tegangan tinggi dan vibrator (lihat vibrator Hertz), Hertz mampu melakukan eksperimen halus untuk menentukan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dan panjangnya. Secara eksperimental telah dipastikan bahwa kecepatan rambat gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya, yang membuktikan sifat elektromagnetik cahaya.

Setiap kali arus listrik berubah frekuensi atau arahnya, ia menghasilkan gelombang elektromagnetik - osilasi medan gaya listrik dan magnet di ruang angkasa. Salah satu contohnya adalah perubahan arus pada antena pemancar radio, yang menciptakan lingkaran gelombang radio yang merambat di ruang angkasa.

Energi gelombang elektromagnetik bergantung pada panjangnya - jarak antara dua "puncak" yang berdekatan. Semakin pendek panjang gelombangnya, semakin tinggi energinya. Berdasarkan panjangnya, gelombang elektromagnetik dibagi menjadi gelombang radio, radiasi infra merah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar-x dan radiasi gamma. Panjang gelombang radiasi gamma bahkan tidak mencapai seperseratus miliar meter, sedangkan panjang gelombang radio dapat diukur dalam kilometer.

Gelombang elektromagnetik merambat di ruang angkasa dengan kecepatan cahaya, dan garis-garis gaya medan listrik dan magnetnya terletak tegak lurus satu sama lain dan terhadap arah gerak gelombang.

Gelombang elektromagnetik memancar keluar dalam lingkaran yang melebar secara bertahap dari antena pemancar stasiun radio dua arah, mirip dengan gelombang yang terjadi ketika kerikil jatuh ke dalam kolam. Arus listrik bolak-balik pada antena menimbulkan gelombang yang terdiri dari medan listrik dan magnet.

Rangkaian gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik merambat dalam garis lurus, dan medan listrik serta magnetnya tegak lurus terhadap aliran energi.

Pembiasan gelombang elektromagnetik

Sama seperti cahaya, semua gelombang elektromagnetik dibiaskan ketika memasuki materi pada sudut mana pun selain sudut siku-siku.

Refleksi gelombang elektromagnetik

Jika gelombang elektromagnetik jatuh pada permukaan parabola logam, gelombang tersebut terfokus pada suatu titik.

Munculnya gelombang elektromagnetik

pola palsu gelombang elektromagnetik yang memancar dari antena pemancar muncul dari satu osilasi arus listrik. Ketika arus mengalir ke antena, medan listrik (garis merah) diarahkan dari atas ke bawah, dan medan magnet (garis hijau) diarahkan berlawanan arah jarum jam. Jika arus berubah arah, hal yang sama terjadi pada medan listrik dan medan magnet.