План урока:

Явление самоиндукции

Получение и передача переменного электрического тока

Электромагнитное поле

Конденсатор

Колебательный контур

Принципы радиосвязи и телевидения

Явление самоиндукции

В уроке 9 было разобрано понятие магнитного потока (Ф). Изменение магнитного потока, пронизывающего контур, служит причиной возникновения индукционного тока в этом контуре, то есть, явление электромагнитной индукции.

Теперь необходимо рассмотреть эти понятия на примере чуть более сложной системы, называемой соленоидом.

По определению соленоид – это катушка из проводникового материала с равномерным распределением витков, радиус которых значительно меньше длины катушки.Подробно ознакомиться с устройством соленоида можно в уроке 8-го класса «Электромагнитные явления. Часть 1».

Вспомним основные свойства соленоида:

• внутри него магнитное поле однородно;
• снаружи поля нет;
• направление магнитного поля внутри соленоида определяется правилом правой руки (если четырьмя пальцами обхватить соленоид так, чтобы направление этих пальцев совпадало с направлением тока в витках, отогнутый на 90 большой палец укажет направление магнитного поля(см. рисунок 1)).

Рисунок 1 – Правило правой руки для соленоида

Когда соленоид подключен к электрической цепи в момент замыкания – по его виткам начинает течь ток, который создает магнитное поле. Это поле начинает пронизывать витки соленоида, изменяя магнитный поток, проходящий через них. А изменяющийся магнитный поток, в свою очередь, провоцирует возникновение индукционного тока, который по правилу Ленца будет противонаправлен тому току, который спровоцировал его появление.

Получается, что в момент замыкания цепи в катушке возникает ток - i, противоположный тому, который идет от источника – I (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Ток в соленоиде в момент замыкания цепи (I – ток от источника, i – индукционный ток)

Когда ток установится, магнитный поток через витки станет неизменным, а значит индукционный ток исчезнет.

Явление, когда изменяющийся ток в цепи провоцирует появление индукционного тока, называется самоиндукцией. А возникающий ток называется током самоиндукции.

Как известно, магнитный поток (Ф) прямо пропорционален числу магнитных линий, которые пронизывают контур, то есть величине магнитной индукции ( ). А индукция пропорциональна силе тока, протекающего в проводнике. Получается, что магнитная индукция и сила тока прямо пропорциональны:

Если ввести величину, равную отношению магнитного потока (Ф) к силе тока (I), она не будет зависеть от свойств цепи, а только от свойств самого контура:

Эту величину назвали индуктивностью. Можно сказать, что индуктивность – это способность соленоида сопротивляться изменению силы тока.

Единицей измерения индуктивности принята Гн (Генри).

На самом деле индуктивностью обладает любой проводник, не только катушка или соленоид. Однако заметное действие она оказывает только в случае катушки с достаточно большим числом витков.

Для того, чтобы создать ток самоиндукции, магнитное поле должно совершить работу. А для совершения работы необходим запас энергии. Значит, магнитное поле обладает энергией. Эту энергию можно найти по формуле:

Где L – индуктивность катушки, I – сила тока в ней (речь о силе тока, порождаемого источником, а не об индукционном токе).

Получение и передача переменного электрического тока

Трансформатор. Электромеханические индукционные генераторы. Статор. Ротор

До текущего момента при изучении электрических явлений, в основном, рассматривался постоянный ток. Однако на практике большинство устройств работают на переменном токе. Даже тот ток, который течет по устройствам, подключенным в обычную домашнюю розетку, является переменным.

Переменный ток – это электрический ток, который с течением времени меняется по модулю и направлению.

Рассмотрим устройство для получения переменного электрического тока, называемого электромеханическим индукционным генератором (см. рисунок 3). Он состоит из неподвижной проводящей ток рамки – статора (1) – и подвижного ротора (2).

Рисунок 3 – Схема простейшего генератора переменного тока (1 – статор, 2 – ротор)

Статор генератора является полым цилиндром, на котором витками намотан медный провод (это так называемая обмотка статора – на рисунке вид сверху, поэтому ее не видно). Ротор генератора является электромагнитом*. При вращательном движении ротора (как правило это делается механической силой извне) вращается и магнитное поле, создаваемое им. Таким образом магнитный поток, пронизывающий обмотку статора изменяется, создавая в нем индукционный ток, который дальше уже может разводиться на различные узлы и работающие механизмы.

*Напоминание: электромагнит – это обмотка, надетая на стальной сердечник. По обмотке течет ток, создавая магнитное поле, которое своим направлением формирует два полюса магнита (сердечник усиливает магнитное поле).

Становится понятным, откуда взялось название такого генератора – механическая энергия вращения ротора заставляет изменяться магнитное поле, которое порождает индукционный ток.

Учитывая, что ток провоцируется вращающимся магнитным полем, можно сделать вывод, что его изменения будут повторяться с некоторой периодичностью. На самом деле ток, который создают такие генераторы, будет изменяться со временем по гармоническому закону. График изменения тока со временем изображен на рисунке 4 (для сравнения даны графики постоянного и переменного токов).

Рисунок 4 – График зависимости силы тока от времени (1 – постоянный ток; 2 – переменный)

Видно, что график i(t) имеет определенный период и частоту. Как правило, в технике используется ток определенной частоты. Например, в РФ это 50 Гц.

А как же передавать этот ток на большие расстояния до потребителя?

Для передачи тока используются линии электропередачи или, сокращенно, ЛЭП. При прохождении тока по проводнику часть энергии расходуется на нагревание этого проводника. По закону Джоуля-Ленца тепловые потери будут составлять:

где I - сила тока, R – сопротивление, t–время протекания тока.

Сопротивление можно найти по формуле:

где ρ – удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник, l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения.

То есть, чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление и, следовательно, тем больше будет потерь на выделение теплоты Q.

Уменьшить сопротивление можно за счет выбора подходящего материала (с наименьшим ρ. Можно увеличить площадь поперечного сечения - сделать провода толще. Однако тогда понадобится очень много материала, а также сильно увеличится масса таких проводов, что приведет к неудобствам при их подвеске.

Уменьшить потери энергии на выделение теплоты можно не только за счет сопротивления, но также за счет уменьшения силы тока I. Однако тогда необходимо рассчитать все так, чтобы у потребителя не падала мощность, которая зависит от силы тока (I) и напряжения (U):

P = I*U

То есть необходимо повышать напряжение U. Над решением этой задачи работал русский ученый П.Н. Яблочков. Плодом его исследованием стало новое устройство, названное трансформатором.

Итак, трансформатор состоит из сердечника, на который намотаны две обмотки из изолированных проводов (см. рисунок 5). Одна из обмоток трансформатора (она называется первичной) подключена к источнику переменного тока, который создает переменного магнитное поле. Благодаря явлению самоиндукции в другой (вторичной) обмотке возникает ток, а на ее концах возникает напряжение.

Рисунок 5 – Схема трансформатора

Величина вторичного напряжения (U₂) будет зависеть от первичного напряжения (U₁) и количества витков в катушках (N₁ - количество витков первичной обмотки, N₂ - вторичной):

Из этого выражения видно, что если N₂>N₁, то и U₂>U_1. Такой трансформатор будет называться повышающим. 

Понижающий трансформатор

(N₁>N₂) или, как его еще называют, трансформатор тока используется для уменьшения 

силы тока до удобных для измерения значений.

Трансформатор, преобразующий значения напряжения и силы переменного тока без изменения их частоты и выдаваемой мощности, называется силовым трансформатором.

Электромагнитное поле

Вихревое и электростатическое поле. Напряженность электрического поля

Как известно, для возникновения тока в цепи необходимо электрическое поле (оно заставляет свободные заряженные частицы двигаться упорядоченно). При явлении электромагнитной индукции возникает ток. Это значит, что должно быть и электрическое поле. Помимо этого, движущиеся частицы порождают магнитное поле.

Исследованием связи электрического и магнитного полей занимался английский физик Дж. Максвелл. Он создал теорию электромагнитного поля. Одним из самых значимых его выводов гласит: любое изменение со временем магнитного поля порождает переменное электрическое поле, а любое изменение со временем электрического поля приводит к возникновению переменного магнитного поля.

Изменяющиеся электрическое и магнитное поля взаимно порождают друг друга, а вместе такая система образует единое электромагнитное поле.

Источники такого поля - ускоренно движущиеся электрические заряды.

Электрическое поле, которое порождается ускоренно движущимися зарядами, отличается от создаваемого неподвижными зарядами – электростатического:

• оно является переменным;
• имеет замкнутые силовые линии (подобно магнитному полю с замкнутыми линиями магнитной индукции), в отличии от линий электростатического поля.

Такое поле получило название –вихревое поле.

Напомним, что электростатическое поле образуется вокруг неподвижного электрического заряда. Его силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (рисунок 6).

Рисунок 8 - Заряды разного знака с их силовыми линиями

Характеристика электрического поля - напряженность . Электрическое поле воздействует на заряды с некой силой . Если взять отношение этой силы к величине заряда (q), на который она действует, получится величина, не зависящая от этого заряда. Эта величина и будет характеристикой поля – напряженностью:

Вектор напряженности электрического поля направлен туда же, куда и сила, действующая на заряд.

Электромагнитные волны

Дж. Максвелл выяснил, что электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн. Более того, ученый посчитал, что распространение этих волн всегда будет происходить со скоростью света (с):

c = 300 000 км/с

Электромагнитная волна – это система взаимно порождающих друг друга магнитного и вихревого электрического полей, распространяющаяся в пространстве.

Интересен факт, что для распространения электромагнитной волне не нужна среда, она может распространяться и в вакууме.

Итак, как же охарактеризовать эту волну?

Электромагнитной, так же как и любой другой волне, присущи такие характеристики, как частота (v), период (T), длина волны (λ) , скорость волны (v).

Для любой волны справедливы закономерности:

Если учесть, что для электромагнитной волны v = c, можно записать, что длина электромагнитной волны вычисляется так:

Электромагнитные волны разных частот имеют различные особенности: от проникающей способности до воздействия, оказываемого на живые организмы. Например, всем известная процедура рентгеновского обследования производится с помощью небольшой дозы электромагнитных волн, длина которых порядка 10^-8 - 10^-12 нм.  Однако большая доза рентгеновского излучения может существенно навредить организму.

Классификация электромагнитных волн по их длинам приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Конденсатор

Заряд конденсатора. Электрическая емкость конденсатора

Обычно соленоиды используют в паре с еще одним устройством, называемым конденсатором. Что же это за устройство?

Конденсатор – это устройство, позволяющее накапливать заряд. Он состоит из двух обкладок и непроводящей прослойки между ними. Обкладки – это металлические пластины различной формы (чаще всего рассматривают плоский конденсатор, но бывают разные, например, цилиндрические). А непроводящая прослойка может быть просто воздушным зазором или слоем диэлектрика между обкладками.Примеры конденсаторов изображены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Виды конденсаторов ( а) – плоский конденсатор; б) – цилиндрический)

На электрических схемах конденсатор, вне зависимости от его вида, изображается так, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Изображение конденсатора в электрических цепях

Рассмотрим принцип действия конденсатора. Когда обкладки конденсатора подключаются к источнику тока, на них начинают стекаться заряды разного знака (см. рисунок 9).

Полученные обкладками заряды будут равны по модулю, но противоположны по знаку. Эти заряды будут создавать внутри конденсатора (в воздушной и диэлектрической прослойке) однородное электростатическое поле напряженностью . Коричневые стрелки – это линии поля, порождаемого положительно заряженной обкладкой, желтые – отрицательной обкладкой. Снаружи конденсатора действия поля будет скомпенсирована, так как линии напряженности электростатического поля будут направлены противоположно друг другу.

Рисунок 9 – Конденсатор в электрической цепи

Заряд, который конденсатор может накопить на обкладках зависит от свойств самого конденсатора.

Электроемкость или просто емкость конденсатора (С) – это величина, характеризующая способность конденсатора накапливать заряд на обкладках.

Рассчитать электроемкость можно по формуле:

где q –заряд конденсатора, U – напряжение, к которому он подключен.

Следует оговориться, что под зарядом конденсатора (q) подразумевается модуль заряда одной обкладки.

Еще одна оговорка состоит в том, что электростатическое поле обладает энергией. То есть вместе с зарядом, конденсатор накапливает энергию электростатического поля.

Как видно из формулы для расчета, единицы измерения электроемкости:

Однако электроемкость – важная и часто использующаяся величина, поэтому для нее ввели единицу измерения, названную Фарадом (Ф).

Электроемкость в 1 Ф – это очень большая величина. Чаще всего используются конденсатора с электроемкостью в мкФ или мФ.

Колебательный контур

Получение электромагнитных колебаний

На основе двух рассмотренных устройств – соленоида и конденсатора – работает система, названная колебательным контуром. Она лежит в основе многих процессов, таких как радиовещание или телевидение. Но прежде чем рассматривать колебательный контур, необходимо понять, о каких колебаниях идет речь.

В технике для передачи информации зачастую используют электромагнитные волны. Например, радиовещание осуществляется с помощью электромагнитных волн, источником которых служит передающее устройство, а приемником – антенна. Электромагнитные волны порождаются ускоренно движущимися заряженными частицами (в случае антенны – это будут свободные электроны).Двигаться постоянно ускоренно частицы будут при колебательных движениях. То есть необходимо устройство, способное заставить электроны в антенне колебаться.

Еще важно отметить, что зафиксировать электромагнитную волну можно только если ее частота будет больше 105 кГц (это очень высокая частота). То есть заряженные частицы должны колебаться с высокой частотой.

Такие колебания свободных электронов называются электромагнитными (потому что служат источником электромагнитных волн).

Получается, что источником волны должно быть устройство, которое способно совершать высокочастотные электромагнитные колебания. Одним из таких устройств является колебательный контур (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Колебательный контур

Колебательный контур – это система, состоящая из конденсатора (или нескольких конденсаторов) и катушки индуктивности. В этой системе могут существовать электромагнитные колебания.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из колебательного контура, источника тока и ключа (рисунок 11), который может быть замкнут в положении 1 (на источник) и 2 (на катушку индуктивности).

Рисунок 11 – Электрическая цепь с колебательным контуром

Сначала ключ необходимо замкнуть на источник тока – в положение 1, чтобы конденсатор в колебательном контуре зарядился. Когда на обкладках конденсатора скопится максимально возможный для данного конденсатора заряд q, внутри конденсатора образуется электростатическое поле с максимальной (для данной системы) энергией.

Далее ключ замыкают в положение 2. Конденсатор начинает отдавать заряд, а по катушке начинает течь ток. Из-за явления электромагнитной самоиндукции ток возникает не мгновенно, а постепенно нарастает. Пока идет нарастание тока, энергия электростатического поля внутри конденсатора превращается в энергию магнитного поля. Когда ток достигнет своего максимального значения, энергия электрического поля полностью перейдет в энергию магнитного, а конденсатор полностью разрядится.

Так как конденсатор разряжен, отдавать заряд больше нечему, и ток должен прекратиться, но в катушке колебательного контура снова возникает самоиндукция, препятствующая изменению тока. Индукционный ток будет сонаправлен с исходным (так как он сопротивляется уменьшению исходного), и конденсатор снова начнет заряжаться, только знак заряда на обкладках поменяется – там, где был положительный заряд, скопится отрицательный и наоборот.

Когда конденсатор полностью зарядится, энергия магнитного поля снова превратиться в энергию электрического, и процесс начнется заново. Таким образом возникнут электромагнитные колебания.

Период электромагнитных колебания можно посчитать по формуле Томсона:

Естественно, в реальных системах происходят потери энергии и эти колебания постепенно будут затухать. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний необходимо подпитывать контур от источника.

Принципы радиосвязи и телевидения

Амплитудная модуляция. Передающие устройства. Детектор. Детектирование

Перейдем к основным принципам радиосвязи и телевидения. Рассматривать их будет на примере радиовещания, то есть передачи звукового сигнала.

Как уже было сказано, передача и прием информации при радиосвязи осуществляется с помощью электромагнитных волн. Звуковой сигнал поступает в микрофон, где преобразовывается в электрические колебания (см. блок-схему на рисунке 12). Напомним, что звук – это низкочастотные колебания, частотой от 20 Гц до 20 кГц.

Рисунок 12 – Блок-схема преобразования звукового сигнала

Эти преобразованные колебания поступают в специальное устройство – модулятор. На другой вход модулятор принимает электромагнитные колебания высокой частоты и постоянной амплитуды. Модулятор преобразовывает электромагнитные колебания с помощью низкочастотных звуковых, получая в итоге разноамплитудные высокочастотные электромагнитные колебания.

Амплитудная модуляция –изменение амплитуды электромагнитных колебаний с помощью звуковых. В итоге амплитуда электромагнитных колебаний изменяется с частотой как у звуковых колебаний.

Модулированные высокочастотные колебания несут всю информацию о звуке, поэтому частоту этих колебаний называют несущей.

Модулированные колебания поступают в передающее устройство, в котором под их воздействием порождаются токи высокой частоты, которые, в свою очередь, порождают электромагнитные волны.

Электромагнитные волны высокой частоты могут распространяться на большие расстояния*. Для приема сигнала необходима принимающая антенна, настроенная на определенную частоту, равную несущей частоте сигнала**. Антенна принимает сигнал и передает его в усиливающее устройство. Затем, сигнал передается в специальное устройство, производящее процесс, обратный модуляции. Этот процесс называется детектированием, а устройство – детектором.

Детектирование проводится в два этапа:

• высокочастотные электромагнитные колебания преобразовываются в пульсирующий ток;
• полученный ток сглаживается в колебания звуковых частот.

*Здесь следует пояснить, что электромагнитные волны малой частоты (менее 100 кГц) быстро затухают и распространяться далеко не могут. Поэтому и необходимо использовать модуляторы, которые преобразовывают низкочастотные колебания в высокочастотные.

**Разные радиостанции предают сигналы с разными несущими частотами, но у каждой радиостанции одна своя фиксированная частота.