Презентация к уроку физики в 11 классе "Изобретение радио А.С. Поповым. Принципы радиосвязи "

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Радиоприёмник Попова

Русский физик Александр Степанович Попов в 1895 г. сконструировал первый в мире радиоприёмник, способный различать сигналы по длительности. В схеме своего радиоприемника А. С. Попов использовал когерерный индикатор О. Лоджа, добавил усилитель постоянного тока (поляризованное телеграфное реле) и электрический звонок, который обеспечивал электромеханическую обратную связь. Реле позволяло включать на выходе приемника электрический звонок, самописец или телеграфный аппарат. Обратная связь обеспечивала автоматическое, синхронное с принимаемыми сигналами, восстановление чувствительности когерера, – когда звонил звонок, его молоточек одновременно встряхивал когерер.
Первая публичная демонстрация приёмника состоялась 7 (25) мая 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в Санкт-Петербургском Университете.
А. С. Попов создал первую систему радиосвязи, способную работать кодом Морзе. Схема А. С. Попова стала классической и легла в основу аппаратуры радиосвязи первого поколения.
Экспонат признан памятником науки и техники I категории.

Фото с музея

Принцип действия прибора

Трубка с металлическими опилками (когерер) подвешена горизонтально между зажимами М и N на лёгкой часовой пружине, которая для большей эластичности согнута со стороны одного зажима зигзагом. Над трубкой расположен звонок так, чтобы при своём движении молоточек мог легко ударять посередине трубки, защищённой от разбивания резиновым кольцом. Трубка и звонок закреплены на общей вертикальной дощечке. Последовательно с когерером включены реле и источник постоянного напряжения.
Действует прибор следующим образом. Ток батареи постоянно циркулирует от зажима Р к платиновой пластинке А, далее через порошок, содержащийся в трубке, к другой пластинке В и по обмотке электромагнита реле обратно к батарее. Сила этого тока недостаточна для притягивания якоря реле. Но если трубка АВ подвергается действию электромагнитных волн, между опилками проскакивают искорки, и сопротивление мгновенно уменьшается в 100—200 раз, благодаря этому сила тока увеличивается настолько, что якорь реле притягивается. В этот момент цепь, идущая от батареи к звонку, прерванная в точке С, замыкается.
Электромагнит притягивает пластинку с прикреплённым к ней молоточком, и он ударяет по чаше звонка. Двигаясь назад, молоточек, ударяя по когереру, встряхивает его, и реле размыкает цепь звонка. Аппарат снова готов к приёму.

День рождения радио

Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м.
Неустанно работая над своим изобретением, А. С. Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на манёврах Черноморского флота в 1899 г. учёный установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 г. дальность радиосвязи была уже 150 км. Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика. Искровой промежуток был размещён в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс. Существенно изменились и способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был подключён телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В 1899 г. была обнаружена возможность приёма сигналов с помощью телефона. В начале 1900 г. радиосвязь успешно использовали в ходе спасательных работ в Финском заливе. При участии А. С. Попова радиосвязь начали применять на флоте и в армии России.
7 мая, день, когда А. С. Попов продемонстрировал работу своего приёмника, стал днём рождения радио. Ныне он ежегодно отмечается в нашей стране.

Изобретатель радио – Попов А.С.

Современный радиоприемник

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав тем самым первую в мире приёмную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает проводящую поверхность Земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приёма.
Хотя современные радиоприёмники очень мало напоминают приёмник А. С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приёмник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приёмнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.

Принцип радиосвязи

Принцип радиосвязи заключается в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приёмной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надёжная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.

Радиотелефонная связь

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн.
Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность.
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.
Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или, как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты.
Вспомните, как зависит от частоты интенсивность электромагнитной волны.
Способ изменения со звуковой частотой амплитуды высокочастотных колебаний называют амплитудной модуляцией.

Амплитудная модуляция

Генератор ВЧ

Микрофон

Модулятор

Процесс выделения в приёмнике низкочастотных колебаний из модулированных колебаний высокой частоты называют детектированием.
Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Амплитудная модуляция

При подаче на первичную обмотку переменного напряжения звуковой частоты амплитуда колебаний силы тока в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями напряжения на транзисторе. Это и означает, что высокочастотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом. Временную развёртку модулированных колебаний можно непосредственно наблюдать на экране осциллографа, если подать на него напряжение с колебательного контура.

Амплитудная модуляция высокочастотных колебаний достигается специальным воздействием на генератор высокочастотных незатухающих колебаний. В цепь генератора включают вторичную обмотку трансформатора . При отсутствии звукового сигнала в генераторе вырабатываются колебания высокой частоты .

Детектирование

Принятый приёмником модулированный высокочастотный сигнал может вызвать только высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приёмнике необходимо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выделить сигнал звуковой частоты — провести процесс детектирования.
Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью — детектор. Таким элементом может быть полупроводниковый диод.

Сглаживание пульсирующего тока

В цепи будет идти пульсирующий ток, график силы тока которого показан на рисунке. Этот пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединённый к нагрузке.
Фильтр работает так.
В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть тока ответвляется в конденсатор, заряжая его (сплошные стрелки на рисунке).
Разветвление тока уменьшает пульсации тока, проходящего через нагрузку. Зато в промежутке между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку идёт в ту же сторону (штриховые стрелки на рисунке). Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор.

Простейший радиоприёмник

В результате этого через нагрузку идёт ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.
Простейший радиоприёмник состоит из колебательного контура, связанного с антенной, и подключённой к нему цепи, состоящей из детектора, конденсатора и телефона. В колебательном контуре радиоволной возбуждаются модулированные колебания. Катушки телефонов играют роль нагрузки. Через них идёт ток звуковой частоты. Небольшие пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

Упражнения

Вычисли период собственных колебаний колебательного контура, если индуктивность катушки L= 16 мкГн, а ёмкость конденсатора C= 600 пФ. (Ответ округли до сотых.)
На рисунке представлен график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре при свободных колебаниях. Определи период собственных колебаний контура, если индуктивность катушки увеличится в 25 раз.

Упражнения

3. Микрофон предназначен для
(выбери и отметь правильный вариант ответа среди предложенных):
преобразования электрических колебаний в звуковые колебания такой же формы
преобразования звуковых колебаний в электрические колебания такой же формы
преобразования звуковых колебаний в высокочастотные электрические колебания
преобразования звуковых колебаний в электрические колебания произвольной формы
4. Кто изобрёл радио?
Выбери и отметь правильный вариант ответа среди предложенных:
Д. Максвелл
А. С. Попов
С. Морзе
Г. Герц

Образцы заданий ЕГЭ

Домашнее задание

Задача 1. В каких случаях происходит излучение электромагнитных волн
А) электрон равномерно двигается по окружности, Б) электрон колеблется, В) А и Б?
Задача 2. Какова длина электромагнитной волны, если радиостанция ведёт передачу на частоте 75 МГц?
Задача 3. Как надо изменить ёмкость конденсатора колебательного контура, чтобы частота излучаемой электромагнитной волны увеличилась в 2 раза?
Задача 4. Определить длину волны, на которую настроен колебательный контур приёмника, если его ёмкость 5 нФ, а индуктивность 50мкГн
Задача 5. Найти расстояние до объекта, если отражённый от него сигнал возвратился обратно через 200 мкс.

Использованные ссылки

https://www.rustelecom-museum.ru/MediaObjects/Images/obj330_ru.jpg
https://bloganten.ru/prostejshij-radiopriemnik/
https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/elektromagnitnoe-pole-535026/kondensator-kolebatelnyi-kontur-printcipy-radiosviazi-i-televideniia-534819