Elektromagnetické kmitání a vlnění

Elektromagnetické pole
Tvůrcem teorie elektromagnetického pole je angl. fyzik J.C.Maxwell => vysvětluje všechny elektromagnetické jevy
vyslovil předpoklad, že měnící se el. pole, vytváří pole magnetické => děje, které vznikají při změnách mag. nebo el. pole jsou symetrické
příklad: přímými vodiči, které jsou spojeny s deskami kondenzátoru, prochází nabíjecí proud => kolem vodičů vzniká mag. pole. Současně se mění intenzita el. pole mezi deskami kondenzátoru => vzniká opět mag. pole. Mag. pole je tudíž jak kolem vodičů, v nichž se pohybují volné částice s nábojem, tak v měnícím se el. poli, kde částice s nábojem neexistují. Rozdíl je v tom, že kolem vodičů vzniká mag. pole i při ustáleném proudu, kdežto vznik mag. pole v elektrickém poli je podmíněn jeho změnou => v prostředí bez nábojů tak vzniká vírové el. a mag. pole, které však může existovat jen tak, že změny jednoho pole způsobují vznik druhého a vzájemná indukce polí probíhá nepřetržitě => obě pole jsou neoddělitelně spjata a vytvářejí jediné pole elektromagnetické.

Elektromagnetické kmitání a vlnění
elektromagnetické kmitání ? označujeme tak střídavé proudy a napětí. Zdrojem jsou různé typy oscilátorů.
elektromagnetický oscilátor – periodicky se mění energie el. pole v energii mag. pole a naopak .
Nejednodušší je obvod tvořený cívkou a kondenzátorem. Obvod LC, nebo
oscilační obvod.

Kondenzátor oscilačního obvodu nabijeme ze zdroje stejnosměrného napětí. Vzniká mezi deskami kondenzátoru el. pole. Když nabitý kondenzátor připojíme k cívce, začíná obvodem procházet proud => kondenzátor se vybíjí a energie el. pole kondenzátoru se zmenšuje. Současně se zvětšuje el. proud procházející cívkou a v cívce se vytváří mag. pole. Energie el. pole kondenzátoru se mění na energii mag. pole cívky.
Elektromagnetické kmitání oscilačního obvodu je tlumené. Příčinou je R(převážně odpor vinutí cívky). Energie el. a mag. pole se postupně přeměňuje na vnitřní energii vodiče obvodu.

Perioda kmitání elektromagnetického oscilátoru
Perioda kmitání oscilačního obvodu, jehož obvod můžeme zanedbat, je určena jen parametry L a C. To to kmitání označujeme jako vlastní kmitání elektromagnetického oscilátoru.
w0L =
w0 je úhlová frekvence vlastního kmitání elektromagnetického oscilátoru.
úpravou dostaneme:
w0L =
Z toho vyplývá Thomsonův vztah pro periodu vlastního kmitání elktromagnetického oscilátoru a pro frekvenci

,
Perioda, frekvnce vlastního kmitání závisí jen na jeho parametrech ? indukčnosti L a kapacitě C obvodu. Nezávisí na podmínkách, z nichž bylo kmitání oscilačního obvodu vzbuzeno.
Napětí kondenzátoru v počátečním okamžiku však určuje amplitudu napětí Um elektromagnetického kmitání obvodu. Pro okamžité napětí u platí vztah:
u = Um cos w0t
Obvodem prochází prou, který je za napětím opožděn o 1/2p rad. takže
i = Imcos =Im sin w0t
Kde Im = w0Qm je amplituda proudu.
Tyto vztahy platí pouze pro ideální případ, kdy odpor obvodu zanedbatelný a kmitání harmonické. Odpor ve skutečnosti zanedbatelný není => vlastní kmitání je vždy tlumené a není harmonické.

Nucené kmitání elektromagnetického oscilátoru
Vzniká tehdy, když jsou ztráty energie nahrazovány v průběhu celé periody ? vznikne netlumené kmitání. Dosáhneme toho např. tak že oscilátor připojíme ke zdroji harmonického napětí u = Umsinwt. Oscilační obvod pak kmitá harmonicky s úhlovou frekvencí w, která se může lišit od úhlové frekvence vlastního kmitání w0.
Frekvence nuceného kmitání nezávisí na parametrech oscilačního obvodu.Vlastnostmi je však ovlivněna amplituda nuceného kmitání. Při splnění podmínky w = w0 nastává rezonance elektromagnetického oscilátoru. (Stejné jako u mechanického kmitání)

Elektromagnetické vlnění
Setkáváme se při přenosu rozhlasového, nebo televizního vysílání. Elektromagnetickým vlněním je také světlo.

Jako elektromagnetické vlnění označujeme každý děj v proměnném elektromagnetickém poli, jehož změny se šíří prostorem.

Podstatu elektromagnetického vlnění vyložil v 2. polovině 20. století J.C.Maxwell. (Viz. elektromagnetické pole)
Zdrojem elektromagnetického vlnění je elektromagnetický oscilátor. Jestliže kmitá probíhají v něm periodické změny energii, ale ta nepřechází do okolí oscilátoru. V praxi však potřebujeme, aby ji oscilátor vyzařoval do volného prostoru.
Máme soustavu dvou rovnoběžných vodičů(obrázek). Tuto soustavu si můžeme představit jako řadu oscilačních obvodů tvořených elementy s indukčností L a kapacitou C spojených navzájem vazbou. Takovou soustavu označujeme jako jednorozměrnou soustavu s rozestřenými parametry.

Vynutíme-li v prvním oscilačním obvodu kmitání, rozkmitají se postupně další elementární obvody a vedením se šíří postupná elektromagnetická vlna. V libovolném bodě M vedení ve vzdálenosti x od zdroje je mezi vodiči napětí

u = Um sin 2p
, kde Um je amplituda napětí, T je perioda napětí a l je délka elektromagnetické vlny.
Pro vlnovou délku elektromagnetické vlny platí vztah

l = vT = ,
, jde f je frekvence oscilátoru a v je rychlost elektromagnetického vlnění.
Pro v platí vztah

v =

, kde e je permitivita m je permeabilita prostředí.
Ve vakuu se elektromagnetické vlnění šíří rychlostí o velikosti

c = = 2,997924×10 m×s-1

Tato rychlost byla změřena již před vznikem teorie elektromagnetického pole jako rychlost světla a přivedla Maxwella na myšlenku, že světlo je elektromagnetické vlnění.
Pro elektromagnetické vlnění při nižších frekvencích platí

V =
, kde e = ere0 a m = mrm0 (er a mr jsou relativní permitivita a relativní permeabilita prostředí)

Postupným elektromagnetickým vlněním se přenáší energie elektromagnetického pole.V prostoru mezi vodiči vzniká časově proměnné silové pole, které má jednak složku elektrickou, jednak složku magnetickou. Energie není přenášena samotnými vodiči, ale elektromagnetickým polem mezi nimi.
Elektromagnetické pole mezi vodiči charakterizují vektory E a B, které jsou v každém bodě elektromagnetického pole navzájem kolmé a současně jsou kolmé na směr šíření postupné elektromagnetické vlny. Kmitá-li zdroj harmonicky, má vlna průběh jako na obrázku. Elektromagnetické vlnění je vlnění přímé.

Elektromagnetický dipól
Elektromagnetické vlnění, které se šíří dvouvodičovým vedením, je s vedením těsně spjato a jeho energie je převážně soustředěna mezi vodiči. Ve sdělovací technice je však třeba, aby bylo vlnění vysíláno od většího prostoru. tuto funkci plní na vysílači anténa. Z fyzikálního hlediska ji označujeme jako elektromagnetický dipól.
Rozevřeme konce dvouvodičového vedení o délce 1/4l do směru kolmého k vedení. V odchýlených částech vznikají proudy, které mají v každém okamžiku souhlasný směr. Magnetické pole těchto proudů pak zasahuje do celého prostoru v okolí dipólu. Napětí na koncích vodičů dosahuje periodicky největší hodnoty a vzniká elektrické pole, které rovněž zasahuje do okolí.
Délka dipólu v tomto případě odpovídá polovině vlnové délky vyzařovaného elektromagnetického vlněné. Proto používáme označení půlvlnný dipól.
V okolí kmitajícího dipólu vzniká pole, které má elektrickou i magnetickou složku. Obě složky jsou navzájem spjaty a nelze je oddělit. Tvoří jediné elektromagnetické pole, které znázorňujeme pomocí siločar elektrické složky a magnetických indukčních čar magnetické složky.

Elektromagnetický dipól se používá jako anténa u vysílačů i přijímačů ve sdělovací technice. Anténa vysílače vyzařuje do okolního prostředí energii v podobě elektromagnetického vlnění. U jednoduchého dipólu je největší část energie vysílána ve směru kolmém k ose dipólu. Ve směru osy dipól energii nevyzařuje.
Anténa přijímače zachytí část energie elektromagnetického vlnění a vznikne v ní nucené elektromagnetické kmitání. Anténní dipól přijímače je často doplněn dalšími pasivními prvka, které zlepšují jeho funkci(např. příjem signálu z určitého směru ? televize).

Šíření elektromagnetického vlnění
Vznikají podobné jevy jako u mechanického vlnění. Především odraz vlnění.
Jestliže elektromagnetické vlnění vyzařované dipólem dopadá kolmo na vodivou překážku, odráží se zpět k vysílači. Odražené vlnění interferuje s postupujícím vlněním a v prostoru mezi dipólem a překážkou vzniká stojaté vlnění.

Elektromagnetické vlnění. které dopadá na vodivou překážku pod určitým úhlem, se odráží podle zákona odrazu.
Vlnová délka elektromagnetického vlnění má značný vliv na vznik stínu za překážkou a na ohyb vlnění. Je-li překážka větší než vlnová délka, nepronikne vlnění za překážku a vzniká za ní stín vlnění. Jsou ? li rozměry překážky malé ve srovnání s vlnovou délko, vlnění za překážku pronikne, část energie vlnění se ale odrazí.

V radiotechnice se používá vlnění o vlnových délkách:
1. dlouhé vlny(LW) ? 30 000 ? 3000 m
2. střední vlny(MW) – 3000 ? 300m
3. krátké vlny(SW) – 300 ? 30m
4. velmi krátké vlny(VKV) – menší než 10m

Televizní vysílaní se uskutečňuje na velmi krátkých vlnách a pro družicový příjem se používají centimetrové vlny o frekvencích řádově 10GHz.
U dlouhých a středních vln se uplatňuje ohyb vlnění podél zemského povrchu(příjem je možný i za velmi rozměrnými překážkami) Příjem krátkých vln, jimiž se přenáší rozhlasové vysílání (VKV) a televizní signál, požaduje přibližně přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem.

ionosféra ? začíná ve výšce 60 ? 80 km nad zemským povrchem, obsahuje množství molekul vzduchu rozštěpených ultrafialovým zářením na ionty a volné elektrony ? chová se vůči elektromagnetickému záření jako vodivá plocha => využívá se k odrazu krátkých vln až do značných vzdáleností od vysílače. Stav ionosféry se vlivem slun. záření mění => mění se i podmínky šíření krátkých vln během dne.

Na přímočarém šíření velmi krátkého elektromagnetického vlnění a jeho odrazu od vodivých součástek je založena radiolokace. Odvozeno od RADAR(Radio Detectinc And Randing) ? zařízení pro zjišťování a dálkové určování rádiem. Slouží k určování polohy různých objektů( lodě, letadla, bouřkové mraky). Porvé použity v za 2. světové války.

Přenos signálu elktromagnetickým vlněním
Přenosem elektromagnetického signálu se zabývá sdělovací technika.
Jako signál označujeme fyzikální děj, který je nositelem určité zprávy(informace). Nejčastěji se jako signál uplatňuje kmitání různé frekvence.
akustický signál ? kmitání v oboru slyšitelných frekvencí
videosignál – přenášen při televizním přenosu, obrazový signál.
K přenosu signálů slouží sdělovací soustava.(schéma obrázek)
První částí sdělovací soustavy je zdroj zprávy Z. Má-li zpráva podobu mluveného slova(akustický signál), je její součástí mikrofon M. V něm se mechanické kmitání mění na kmitání elektrické, které lze přenášet na velké vzdálenosti. Vlastní přenos probíhá buď po sdělovacím vedení(SV) v podobě kabelu nebo vodičů telefonní sítě, nebo bezdrátovým přenosem pomocí elektromagnetického vlnění, které se šíří volným prostorem. K tomu je nutný vysílač V a přijímač P. Takovou sdělovací soustavu označujeme jako radiokomunikační soustavu.
Přenos elektromagnetickým vlněním vyžaduje kódování ? převod na signál, který je vhodnější k přenosu. V současnosti se zprávy pro přenos upravují pomocí modulace.
V přijímači je signál demodulován v detektoru D, tzn. přeměněn zpět na původní zprávu v podobě elktrického signálu. Ten se v reproduktoru R mění na zvukové vlnění.
Mikrofon a reproduktor jsou elektroakustické měniče ? přeměňují zvukové signály na elektrické a naopak..
elektrodynamický mikrofon ? využita elektromagnetická indukce. V mag. poli trvalého magnetu se pohybuje vodič(cívka, nebo příčně zvlněný hliníkový pásek) spojený s pružnoumembránou, na kterou dopadá zvukové vlnní. Kmitání membrány se přenáší na vodič. V něm se indukuje střídavé napětí shodného časového průběhu, jako akustický signál

elektrodynamický reproduktor ?proud el. signálu prochází kmitací cívkou, která se v magnetickém poli rozkmitá. Její pohyb se přenáší na membránu reproduktoru a ta v okolním prostoru vzbudí zvukové vlnění.

Vysílač a přijímač
Obecné funkční schéma vysílače je na obrázku. Oscilátor G je zdrojem elektromagnetických kmitů vysoké frekvence fv (10-1 ? 103 Mhz) která je nosnou frekvencí vysílače. Další částí je modulátor M- uskutečňuje se vněm modulace vysokofrekvenčního kmitání z oscilátoru vysílače s akustickým signálem nízké frekvence fn.
využívají se dva druhy modulace:
1. modulace amplitudová(LW, MW, SW)
2. modulace frekvenční FM(VKV)

Při amplitudové modulaci se nízkofrekvenčním signálem un mění amplituda vysokofrekvenčních kmitů uv a vzniká výsledný modulovaný signál um.
Při frekvenční modulaci je amplituda nosných kmitů konstantní a mění se jejich frekvence => potřeba širších pásem frekvencí. Používá se u vysílačů v pásmu VKV.

Úkolem koncového vysílače K je zesílit modulovaný vysokofrekvenční signál, aby měl potřebný výkon, který je vysílací anténou A vyzářen do prostoru.
Přijímač může mít různou konstrukci podle druhu signálů. k jejichž příjmu je určen. Schéma je na obrázku.

Vstupní částí je elektromagnetický dipól ? anténa. Elektromagnetické vlnění vysílače v ní vynucuje kmitání s velmi malou amplitudou napětí. Anténa je vazbou spojena s laditelným oscilačním obvodem LO, který naladíme na nosnou frekvenci vysílače. Dochází k rezonančnímu zesílení přijatého signálu, který je zesílen vysokofrekvenčním zesilovačem VF. Zesílený vysokofrekvenční modulovaný signál vf postupuje do demodulátoru D. Tam se akustický signál nf oddělí od vysokofrekvenční složky. V koncovém nízkofrekvenčním zesilovači Nf je akustický signál zesílen a přiveden do reproduktoru.

Televizní přenos ? složitější.