Струменями високої частоти (ТВЧ) прийнято вважати струми, для яких не виконується умова квазістаціонарності, наслідком чого є сильно виражений скін-ефект
Струменями високої частоти (ТВЧ) прийнято вважати струми, для яких не виконується умова квазістаціонарності, наслідком є сильно виражений скін-ефект. Тому струм протікає по поверхні провідника, не проникаючи в його обсяг. Частота таких струмів перевищує 10 000 Гц.
Щоб отримати струми з частотою більше кількох десятків кілогерців, використовуються електромашинні генератори, до складу яких входить статор і ротор. На їх звернених одна до одної поверхнях є зубці, через взаємне переміщення яких виникає пульсація магнітного поля. Підсумкова частота одержуваного на виході струму дорівнює добутку частоти обертання ротора на число зубців на ньому.
Також для отримання ТВЧ використовуються коливальні контури, наприклад, електричний ланцюг, у складі якого є індуктивність та ємність. Щоб отримати ТВЧ частоти в мільярди герц, застосовуються установки з порожнистим коливальним контуром (ЛОВ, ЛБВ, магнетрон, клітрон).
Якщо провідник розмістити в магнітному полі котушки, в якій тече струм високої частоти, то у провіднику виникнуть великі вихрові струми, які нагріватимуть його. Температуру та інтенсивність нагрівання можна регулювати, змінюючи струм у котушки. Завдяки цій властивості ТВЧ використовують у багатьох галузях людської діяльності: в індукційних печах, у металургії для поверхневого загартування деталей, медицині, сільському господарстві, у побутових приладах. Мікрохвильові печі, різні пристроїдля приготування їжі), радіозв'язку, радіолокації, телебаченні та ін.
Приклади використання струмів високої частоти
За допомогою ТВЧ в індукційних печах можна розплавляти будь-які метали. Перевага цього виду виплавки полягає у можливості виплавки за умов повного вакууму, коли виключається контакт з атмосферою. Це дозволяє виробляти метали, чисті по неметалевим включенням і ненасичені газами (воднем, азотом).
На загартованих верстатах за допомогою ТВЧ вдається виконувати загартування сталевих виробів тільки в поверхневому шарі через скін ефекту. Це дає можливість отримати деталі з твердою поверхнею, здатні чинити опір значним навантаженням і в той же час без зниження зносостійкості та пластичності, оскільки серцевина залишається м'якою.
У медицині струми високої частоти вже давно застосовуються у приладах УВЧ, де за допомогою нагрівання діелектрика здійснюється прогрівання будь-яких органів людини. ТВЧ навіть дуже великої сили струму нешкідливі для людини, оскільки протікають виключно в поверхневих шарах шкіри. Також у медицині використовуються електроножи, засновані на ТВЧ, за допомогою яких "заварюють" кровоносні судини та розрізають тканини.
ДЕПАРТАМЕНТ ОСВІТИ І НАУКИ КЕМЕРІВСЬКОЇ ОБЛАСТІ
Державне освітня установасереднього професійної освіти
Кемеровський професійно-технічний технікум
Струми високої частоти.
Підготували: викладачі фізики
Щербунова Євгенія Олегівна та
Колабіна Галина Олексіївна
м. Кемерове
Що таке струми високої частоти?
Струми із частотою вище 10000 Гц називають струмами високої частоти (ТВЧ). Їх отримують за допомогою електронних пристроїв.
Якщо помістити провідник всередину котушки, якою тече струм високої частоти, то у провіднику виникнуть вихрові струми. Вихрові струми нагрівають провідник. Швидкість нагрівання та температуру легко регулювати, змінюючи струм у котушці.
В індукційній печі можна плавити найтугоплавкіші метали. Для отримання особливо чистих речовин плавку можна вести у вакуумі і навіть без тигля, підвівши розплавлений метал у магнітному полі. Висока швидкість нагрівання дуже зручна при прокатуванні та кованні металу. Підбираючи форму котушок, можна вести пайку та зварювання деталей при найкращому температурному режимі.
Індукційна плавильна піч
Струм i, що тече по провіднику, створює магнітне поле B. На дуже високих частотах стає помітним вплив вихрового електричного поля Е, що породжується зміною поля.
Вплив поля Е посилює струм на поверхні провідника та послаблює у середині. При досить великій частоті струм тече лише поверхневому шарі провідника.
Метод поверхневого гарту сталевих виробів вигадав і запропонував російський учений В. П. Вологдін. На високій частоті індукційний струм нагріває лише поверхневий шар деталі. Після швидкого охолодження виходить некрихкий виріб із твердою поверхнею.
Гартувальний верстат
Детальніше дивіться тут: Індукційні нагрівальні та загартовані установки
Дія струмів високої частоти на діелектрики
Діелектрики діють високочастотним електричним полем, поміщаючи їх між пластинами конденсатора. Частина енергії електричного поля витрачається у своїй на нагрівання діелектрика. Нагрівання за допомогою ТВЧ особливо хороше, якщо теплопровідність речовини мала.
Високочастотний нагрівання діелектриків (діелектричний нагрівання) широко застосовується для сушіння та склеювання деревини, для виробництва гуми та пластмас.
Струми високої частоти в медицині
УВЧ-терапія – це діелектричний нагрівання тканин тіла. Смертельно небезпечний для людини постійний і низькочастотний струм понад кілька міліамперів. Струм високої частоти (≈ 1 МГц), навіть при силі 1 А, викликає лише розігрів тканин та використовується для лікування.
"Електроніж" - високочастотний апарат, що широко застосовується в медицині. Він розрізає тканини та "заварює" кровоносні судини.
Інші застосування струмів високої частоти
Зерно, оброблене перед посівом ТВЧ, помітно збільшує врожайність.
Індукційне нагрівання газової плазми дозволяє отримати високі температури.
Поле частотою 2400 МГц у мікрохвильовій електропечі варить суп прямо у тарілці за 2-3 хвилини.
На зміні параметрів коливального контуру при піднесенні котушки до металевого предмета заснована дія миношукача.
Струми високої частоти застосовуються також для радіозв'язку, телебачення та радіолокації.
Список джерел:
1. Дмитрієва, В.Ф. Фізика: підручник для студентських загальноосвітніх закладів середньої професійної освіти [Текст]/В.Ф. Дмитрієва. -6-е видання. стереотип. - М.: Видавничий центр Академія, 2005. - 280-288.
Інтернет ресурси:
Єдине вікно доступу до освітнім ресурсам[Електронний ресурс]. - Режим доступу: http:// window. edu. ru/ window, вільний. - Загл. з екрану. - (Дата звернення: 11.11.2014).
Електронно-бібліотечна система "КнигаФонд" [Електронний ресурс]. - режим доступу: http://www.knigafund.ru/, для доступу до інформ. ресурсам потрібна авторизація. - Загл. з екрану. - (Дата звернення: 11.11.2014).
Портал природничих наук» [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://e-science.ru/physics, вільний. - Загл. з екрану. - (Дата звернення: 11.11.2014).
Дарсонвалізація - застосування з лікувальною метою струму високої частоти (110 кГц) та напруги (25-30 кВ) при невеликій силі струму, модульованого в серії коливань тривалістю 100 мкс, що випливають з частотою 100 Гц. Струм настільки високої напругипослаблюється при проходженні через розріджене повітря скляного електрода, утворюючи в шарі повітря між поверхнею тіла та стінкою електрода високочастотний коронний розряд. Механізм лікувальної дії визначається проходженням через тканини високочастотного струму і впливом на рецептори шкіри і поверхневі тканини електричних розрядів. В результаті відбуваються розширення поверхневих кровоносних судин та збільшення по них кровотоку, розширення спастично звужених та з підвищеним тонусом судин, відновлення порушеного кровотоку в них. Це веде до припинення ішемії тканин і обумовлених нею болів, почуття оніміння, парестезії, поліпшення трофіки тканин, у тому числі судинних стінок.
Лікувальне застосування струмів надтональної частоти (ТНЧ) полягає у впливі на організм змінним струмом високої частоти (22 кГц) при напрузі 4,5-5 кВ. за зовнішньому вигляду, техніці виконання процедур та методикам метод дуже схожий на місцеву дарсонвалізацію. Відмінність полягає в тому, що використовується не імпульсний, а безперервний струм меншої частоти і напруги і пропускається через скляний електрод, заповнений неоном. Все це визначає і відмінності в лікувальному дії. Внаслідок безперервності струму в тканинах відбувається більше теплоутворення – хворі відчувають тепло у місці дії. Менша напруга струму виключає дратівливу дію іскрового розряду, впливи краще переносяться хворими, у зв'язку з чим метод частіше використовується в педіатричній практиці.
Режими роботи трансформатора
· Режим холостого ходу.Даний режим характеризується розімкненим вторинним ланцюгом трансформатора, внаслідок чого струм у ньому не тече. За допомогою досвіду холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати сталі.
· Навантажувальний режим.Цей режим характеризується замкненим на навантаженні вторинного ланцюга трансформатора. Цей режим є основним робітником для трансформатора.
· Режим короткого замикання.Цей режим виходить внаслідок замикання вторинного ланцюга коротко. З його допомогою можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів ланцюга трансформатора. Це враховується у схемі заміщення реального трансформатора за допомогою активного опору.
28) Коливальний контур- осцилятор, що є електричний ланцюг, що містить з'єднані котушку індуктивності та конденсатор У такому ланцюзі можуть збуджуватися коливання струму та напруги.
Принцип дії
Нехай конденсатор ємністю C заряджений до напруги. Енергія, запасена в конденсаторі, становить
При з'єднанні конденсатора з котушкою індуктивності в ланцюгу потече струм, що викличе в котушці електрорушійну силу (ЕРС) самоіндукції, спрямовану на зменшення струму в ланцюгу. Струм, викликаний цією ЕРС (за відсутності втрат в індуктивності) в початковий момент дорівнюватиме струму розряду конденсатора, тобто результуючий струм дорівнюватиме нулю. Магнітна енергія котушки у цей (початковий) момент дорівнює нулю.
Потім результуючий струм ланцюга зростатиме, а енергія з конденсатора переходитиме в котушку до повного розряду конденсатора. У цей момент електрична енергія конденсатора. Магнітна енергія, зосереджена в котушці, навпаки, максимальна і дорівнює , де - індуктивність котушки,
Максимальне значення струму.
Після цього почнеться перезаряджання конденсатора, тобто заряд конденсатора напругою іншої полярності. Перезаряджання буде проходити доти, доки магнітна енергія котушки не перейде в електричну енергію конденсатора. Конденсатор у цьому випадку знову буде заряджений до напруги.
У результаті ланцюга виникають коливання, тривалість яких буде обернено пропорційна втратам енергії в контурі.
Загалом, описані вище процеси в паралельному коливальному контурі називаються резонанс струмів, що означає, що через індуктивність і ємність протікають струми, більше струму, що проходить через весь контур, причому ці струми більше певну кількість разів, яке називається добротністю. Ці великі струми не залишають меж контуру, оскільки вони протифазні й самі компенсують. Варто також зауважити, що опір паралельного коливального контуру на резонансній частоті прагне нескінченності (на відміну від послідовного коливального контуру, опір якого на резонансній частоті прагне нуля), а це робить його незамінним фільтром.
Варто зауважити, що крім простого коливального контуру, є ще коливальні контури першого, другого та третього роду, що враховують втрати та мають інші особливості.
29) Індукційний генератор змінного струму- На відміну від інших генераторів, в основі роботи індукційного генератора лежить магнітне поле, що не обертається, а пульсуюче, інакше кажучи поле змінюється не в функції переміщення, а в функції часу, що в кінцевому рахунку (наведення ЕРС) дає такий же результат.
Конструкція індукційних генераторівпередбачає розміщення і постійного поля і котушок для наведення ЕРС на статорі, ротор залишається вільним від обмоток, але обов'язково має зубцеву форму, так як вся робота генератора заснована на зубцевих гармоніках ротора.
Струми високої частоти та їх застосування.
Струми високої частоти є такі струми, частота яких, тобто кількість коливань, досягає в одну секунду одного мільйона. Цей видструмів знайшов своє застосування в машинобудуванні, де він необхідний для зварювання та термообробки поверхонь деталей, та в металургії, де він використовується для плавки різних металів.
Використання струмів високої частоти вивело такі галузі як машинобудування та металургію на новий рівень. Термообробка деталей, проведена за допомогою струмів високої напруги, збільшує термін їх експлуатації, збільшує зносостійкість, міцність та твердість металу. Робота зі струмами високої частоти не тільки робить роботу більш ефективною, але й значно покращує рівень якості виробів, що отримуються.
Постулати Максвелла
Перший постулат: навколо змінного магнітного поля існує вихрове електричне поле.
Напрямок вихрового електричного поля визначають за правилом лівого гвинта, якщо магнітне поле зростає.
Якщо магнітне поле зменшується, то спочатку напрямок вихрового електричного поля визначають за правилом лівого гвинта. Потім його міняють на протилежне - це і буде напрямок вихрового електричного поля для спадного магнітного поля.
Другий постулат: навколо змінного електричного поля існує магнітне поле.
Напрямок ліній магнітної індукції визначають за правилом правого гвинта, якщо напруженість електричного поля зростає.
Якщо напруженість електричного поля зменшується, то спочатку напрямок ліній магнітної індукції визначають за правилом правого гвинта. Потім його міняють на протилежне - це і буде напрямок ліній магнітної індукції для спадного електричного поля.
33) Досвід Франка – Герца- досвід, що був експериментальним підтвердженням дискретності внутрішньої енергії атома. Поставлений у 1913 Дж. Франком та Г. Герцем.
На малюнку наведено схему досвіду. До катода і сітці C1 електровакуумної трубки, наповненої парами Hg (ртуті), прикладається різницю потенціалів V, що прискорює електрони, і знімається залежність сили струму I від V. До сітки C2 і анода А прикладається уповільнює різницю потенціалів. Прискорені області I електрони відчувають зіткнення з атомами Hg області II. Якщо енергія електронів після зіткнення достатня для подолання уповільнюючого потенціалу області III, вони потраплять на анод. Отже, показання гальванометра Р залежить від втрати електронами енергії при ударі.
У досвіді спостерігалося монотонне зростання I при збільшенні прискорюючого потенціалу аж до 4,9 В, тобто електрони з енергією Е< 4,9 эВ испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 В (и кратных ему значениях 9,8 В, 14,7 В) появлялись резкие спады тока. Это определённым образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, то есть энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.
34) Винахід радіозв'язку– одне з найвидатніших досягнень людської думки та науково-технічного прогресу. Потреба у вдосконаленні засобів зв'язку, зокрема встановленні зв'язку без проводів, особливо гостро виявилася наприкінці ХІХ ст., коли почалося широке використання електричної енергії у промисловість, сільське господарство, зв'язок, на транспорті (насамперед морському) тощо.
Історія науки і техніки підтверджує, що всі видатні відкриття та винаходи були, по-перше, історично обумовленими, по-друге, результатом творчих зусиль науковців та інженерів різних країн.
Радіотелеграфний зв'язокелектрозв'язок, при якому за допомогою радіохвиль передаються дискретні повідомлення - літерні, цифрові та знакові. На передавальної станції електричні коливання, модульовані телеграфним повідомленням, надходять у лінію радіотелеграфного зв'язку та з неї - на приймальну станцію. Після детектування та посилення телеграфне повідомлення приймається на слух або записується приймальним теледрукарським апаратом.
35) Радіо телефонний зв'язок- електрозв'язок, коли за допомогою радіохвиль передаються телефонні (мовні) повідомлення. Інформація надходить у лінію радіотелефонного зв'язку через мікрофон, та якщо з неї - зазвичай через телефон. Мікрофон та телефон підключають до радіостанцій безпосередньо або пов'язують із ними телефонні лінії.
Амплітудна модуляція - вид модуляції, при якій параметром несучого сигналу, що змінюється, є його амплітуда
Амплітудний модуляторназивається пристрій, що огинає високочастотного сигналу на виході якого пропорційна низькочастотного модулюючого коливання. Розглянемо випадок найпростішого гармонійного модулюючого коливання:,
На вході модулятора діє сигнал:
де глибина амплітудної модуляції М має бути пропорційна амплітуді.
Внаслідок впливу вхідного сигналу на нелінійний елемент зі шматково-лінійною апроксимацією в струмі останнього з'являються гармоніки та комбінаційні складові вхідних сигналів, а саме складові з частотами: Складові з частотами 
і утворюють необхідне амплітудно-модульоване коливання. Воно має бути виділено смуговим фільтром із середньою частотою, що дорівнює несучій, та смугою пропускання, достатньою для виділення складових із частотами .
36) Детектування - Перетворення електромагнітного коливання для отримання напруги або струму, величина якого визначається параметрами коливання, з метою отримання інформації, що міститься в змінах цих параметрів
Влаштування та дія найпростіших детекторних приймачів -найпростіший, базовий, вид радіоприймача. Складається з коливального контуру, якого підключені антена і заземлення, і діодного (у більш ранньому варіанті кристалічного) детектора, що виконує демодуляцію амплітудно-модульованого сигналу. Сигнал звуковий частотиз виходу детектора, зазвичай, відтворюється високоомними навушниками.
Навіть для прийому потужних радіостанцій детектор приймач вимагає якомога довшої і високо підвішеної антени (бажано десятки метрів), а також правильного заземлення. Небагато важливих переваг детекторного приймача - він не вимагає джерела живлення, дуже дешевий і може бути зібраний з підручних засобів. Підключивши до виходу приймача будь-який зовнішній підсилювач низької частоти, можна отримати приймач прямого посиленняз кращими параметрами. Завдяки цим перевагам детекторні приймачі широко застосовувалися не лише у перші десятиліття радіомовлення.
37) Розповсюдження радіохвиль -явище перенесення енергії електромагнітних коливаньу діапазоні радіочастот (див. Радіовипромінювання). Різні аспекти цього явища вивчаються різними технічними дисциплінами, що є розділами радіотехніки. Найбільш загальні питання та завдання розглядає радіофізика. Поширення радіохвиль у спеціальних технічних об'єктах, таких як кабелі, хвилеводи антени, розглядають фахівці з прикладної електродинаміки, або фахівці з техніки антен і фідерів. Технічна дисципліна поширення радіохвильрозглядає лише ті завдання радіовипромінювання, які пов'язані з поширенням радіохвиль у природних середовищах, тобто вплив на радіохвилі поверхні Землі атмосфери та навколоземного простору, поширення радіохвиль у природних водоймах, а також у техногенних ландшафтах
Види радіохвиль 
-
Властивості радіохвильПоширення радіохвиль у земному просторі залежить від властивостей поверхні землі та властивостей атмосфери. Умови поширення радіохвиль вздовж поверхні землі значною мірою залежать від рельєфу місцевості, електричних параметрів земної поверхні та довжини хвилі. Подібно до інших хвиль радіохвиль властива дифракція, тобто. явище огинання перешкод. Найбільш сильно дифракція позначається у разі, коли геометричні розміри перешкод співрівняні з довжиною хвилі. Радіохвилі, що поширюються біля поверхні землі і частково за рахунок дифракції, що обгинають опуклість земної кулі, називаються земними, або поверхневими радіохвилями.
Застосування радіохвиль- Для передачі різних даних, сигналів та ін. інформації за допомогою джерела та приймача радіохвиль. Наприклад стільниковий зв'язокРізні її стандарти працюють на різних частотах радіозв'язку, а також WI-FI, радіо ethernet та багато інших.
38) коротка історіярозвитку поглядів на природу світлаУ другій половині XVII століття було закладено основи фізичної оптики. Ф. Грімальді відкриває явище дифракції світла (огинання світлом перешкод, тобто відхилення його від прямолінійного поширення) і висловлює припущення про хвильову природу світла. В опублікованому в 1690 р. "Трактаті про світло" Х.Гюйгенсом був сформований принцип, згідно з яким кожна точка простору, якої досягла в Наразіхвиля, що поширюється, стає джерелом елементарних сферичних хвиль, і на його основі вивів закони відображення і заломлення світла. Гюйгенсом було встановлено явище поляризації світла - явище, що відбувається з променем світла при його відображенні, заломленні (особливо при подвійному заломленні) і полягає в тому, що коливальний рух у всіх точках променя відбувається лише в одній площині, що проходить через напрямок променя, тоді як у неполяризованому промені коливання відбуваються у всіх напрямках, перпендикулярно до променя. Гюйгенс, розробивши ідею Гримальді у тому, що світло поширюється як прямолінійно з заломленням і відбитком, а й з розбиттям (дифракція), дав пояснення всім відомим оптичним явищам. Він стверджує, що світлові хвилі поширюються в ефірі, що являє собою тонку матерію, що пронизує всі тіла.
39) Швидкість світлау вакуумі - абсолютна величина швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі. У фізиці традиційно позначається латинською літерою. c» (вимовляється як [це]). Швидкість світла у вакуумі - фундаментальна постійна, яка залежить від вибору інерційної системи відліку (ІСО). Вона відноситься до фундаментальних фізичних постійних, які характеризують не просто окремі тіла чи поля, а властивості простору-часу в цілому. За сучасними уявленнями, швидкість світла у вакуумі - гранична швидкість руху частинок та поширення взаємодій.
Швидкість світла у прозорому середовищі- швидкість, з якою світло поширюється серед, відмінній від вакууму. У середовищі, що володіє дисперсією, розрізняють фазову та групову швидкість.
Фазова швидкість пов'язує частоту та довжину хвилі монохроматичного світла в середовищі (λ = c/?). Ця швидкість зазвичай (але не обов'язково) менша c. Ставлення фазової швидкості світла у вакуумі до швидкості світла серед називається показником заломлення середовища. Групова швидкість світла у рівноважному середовищі завжди менша c. Однак у нерівноважних середовищах вона може перевищувати c. При цьому, однак, передній фронт імпульсу все одно рухається зі швидкістю, що не перевищує швидкості світла у вакуумі. Внаслідок цього надсвітова передача інформації залишається неможливою.
40) Інтерференція світла- перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладання (суперпозиції) кількох світлових хвиль. Це супроводжується що чергуються у просторі максимумами і мінімумами інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.
Кільця Ньютона
Іншим методом отримання стійкої інтерференційної картини для світла служить використання повітряних прошарків, засноване на однаковій різниці ходу двох частин хвилі: однієї - відразу відбитої від внутрішньої поверхні лінзи та іншої - що пройшла повітряний прошарок під нею і лише потім. Її можна отримати, якщо покласти плоскопуклу лінзу на скляну пластину опуклістю вниз. При освітленні лінзи зверху монохроматичним світлом утворюється темна пляма в місці досить щільного дотику лінзи і пластинки, оточена темними і світлими концентричними кільцями, що чергуються, різної інтенсивності. Темні кільця відповідають інтерференційним мінімумам, а світлі - максимумам, одночасно темні та світлі кільця є ізолініями рівної товщини повітряного прошарку. Вимірявши радіус світлого чи темного кільця та визначивши його порядковий номер від центру, можна визначити довжину хвилі монохроматичного світла. Чим крутіша поверхня лінзи, особливо ближче до країв, тим менша відстань між сусідніми світлими або темними кільцями.
41) Закони відображення:
1.Промені падаючий, відбитий і перпендикуляр, відновлений до межі двох середовищ у точці падіння променя, лежать у одній площині.
2. Кут відображення дорівнює куту падіння:
42) Закони заломлення
Чим менше швидкість світла серед, тим паче оптично щільною її вважають. Середовище з більшим абсолютним показником заломлення називають оптично більш щільним.
Якщо світло переходить з оптично менш щільного середовища в оптично більш щільне (наприклад, повітря у воду або скло), то кут падіння більше кута заломлення.
Навпаки, якщо світло проходить з води або зі скла в повітря, то воно переломлюється від перпендикуляра: кут падіння менший від кута заломлення
Зануріть ціпок у ставок. Рівень води має збільшитися. Але це підвищення настільки мізерне, що виявити його важко. А якщо поперемінно занурювати ціпок у воду і витягувати її, то по воді побіжать хвилі. Вони помітні значному відстані від місця виникнення. Такий механічний рух води можна порівняти із електромагнітними явищами. Навколо провідника з постійним струмомз'являється постійне електромагнітне поле. Виявити його далеко від токонесучого провідника важко.
Але якщо по провіднику пропускати змінний електричний струм, то й електромагнітні сили навколо провідника постійно змінюватимуться, тобто електромагнітне поле навколо нього буде хвилюватися. Від провідника зі змінним струмом біжать електромагнітні хвилі.
Відстань між двома найближчими гребенями хвиль на ставку – це довжина хвилі. Її позначають грецькою літерою λ (ламбда). Час, за який будь-яка ділянка води, що хвилюється, піднімається, опускається і знову повертається до свого початкового стану- це період коливання - Т. Зворотну величину називають частотою коливань та позначають буквою f. Частоту коливань вимірюють у періодах за секунду. Одиниця виміру частоти коливань, що відповідає одному періоду в секунду, названа герц (гц) - на честь Генріха Рудольфа Герца (1857 - 1894), знаменитого дослідника коливань та хвиль (1 тис. герц = 1 кілогерц, 1 млн. герц = 1 мега .
Швидкість хвиль ( з) - то відстань, яку хвилі поширюються за одну секунду. За час одного періоду Т хвильовий рух встигає поширитися якраз на довжину однієї хвилі X. Для хвильового руху справедливі наступні співвідношення:
з Т = λ; с/f = λ
Ці співвідношення між частотою коливань, довжиною хвилі та швидкістю руху хвиль вірні як для хвиль на воді, але й будь-яких коливань і хвиль.
Необхідно відразу підкреслити одну властивість електромагнітних коливань. Коли вони поширюються в порожньому просторі, то, якою б не була їх частота, якою б не була довжина хвилі, швидкість їх поширення завжди та сама -300 тис. км/сек. Видимий світло - це один із видів електромагнітних коливань (з довжиною хвилі від 0,4 до 0,7 мілімікрону та частотою 10 14 - 10 15 гц). Швидкість поширення електромагнітних хвиль - це швидкість світла (31010 см/сек).
У повітрі та інших газах швидкість поширення електромагнітних коливань лише трохи менше, ніж у порожнечі. А в різних рідких і твердих середовищах вона може бути в кілька разів меншою, ніж у порожнечі; крім того, тут вона залежить від частоти коливань.
| Найменша і найбільша Є багато одиниць виміру енергії: ерг, джоуль, калорія та ін. Найменша з них - електронвольт: електрон, розігнаний в електричному полі між точками з різницею потенціалів в 1 ст, матиме енергію в 1 електронвольт. Найбільшу одиницю енергії запропонував нещодавно для підрахунків світових запасів енергії індійський вчений Хомі Баба. Його одиниця дорівнює тепловій енергії, що виділяється при спалюванні 33 млрд. т кам'яного вугілля. Таку кількість вугілля вчений взяв тому, що за останні 20 років, протягом яких особливо багато добувалося і спалювалося вугілля, його було вилучено із земних надр саме 33 млрд. т. |
Випромінювання та випромінювачі
Ми живемо у світі електромагнітних коливань. І сонячне світло, і загадкові потоки космічних променів, що падають на Землю з міжзоряних просторів, і тепло, що випромінюється жарко натопленою піччю, і електричний струм, що циркулює в силових мережах, - все це електромагнітні коливання. Усі вони поширюються як хвиль, як променів.
Будь-який предмет, всяке тіло, що породжує хвилі, називають випромінювачем. Палиця, якою бовтають у ставку, - це випромінювач водяних хвиль. Вода чинить опір її руху. Щоб рухати ціпок, треба витрачати потужність. Ця потужність, що передається воді, чисельно дорівнює добутку квадрата швидкості руху палиці на опір руху. Частково ця потужність перетворюється на тепло - йде нагрівання води, а частково йде освіту хвиль.
Можна сказати що повний опір, що випробовується палицею, - це сума двох опорів: один з них - опір теплоутворення, а інше - опір хвилеутворення - опір випромінювання, як його прийнято називати.
Такі самі закономірності і в електромагнітних явищ. Потужність, яку витрачає у провіднику електричний струм, дорівнює добутку опору провідника на квадрат струму в ньому. Якщо взяти струм в амперах, а опір в омах, то потужність вийде у ватах.
В електричному опорі будь-якого провідника (як і в механічному опорі води руху палиці) можна розрізнити дві складові: опір теплоутворення - омічний опір і опір випромінювання - опір, спричинений утворенням навколо провідника електромагнітних хвиль, що забирають з собою енергію.
Візьмемо, наприклад, електричну нагрівальну плитку, на яку омічний опір дорівнює 20 ом, а струм - 5 а. Потужність, що перетворюється в цій плитці в тепло, дорівнюватиме 500 вт (0,5 кВт). Щоб обчислити потужність хвиль, що біжать від випромінювача, треба помножити квадрат струму у провіднику на опір випромінювання цього провідника.
Опір випромінювання знаходиться у складній залежності від форми провідника, від його розмірів, від довжини випромінюваної електромагнітної хвилі. Але для одиночного прямолінійного провідника, у всіх точках якого йде струм одного і того ж напрямку та однакової сили, опір випромінювання (в омах) виражається відносно простою формулою:
R изл =3200(l/λ) 2
Тут l- Довжина провідника, а λ - Довжина електромагнітної хвилі (ця формула справедлива при lзначно менших, ніж λ ).
При орієнтовних прикидках цю формулу можна застосовувати для будь-яких електротехнічних конструкцій, будь-яких машин і апаратів, наприклад, для нагрівальної плитки, в якій провід не прямолінійний, а згорнутий у спіраль, покладену зигзагом. Але як lу формулу опору випромінювання треба підставляти не повну довжину провідника, а один із наведених розмірів аналізованої конструкції. Для нагрівальної плитки lприблизно дорівнює діаметру плитки.
На центральних електростанціях виробляється змінний струміз частотою 50 гц. Цьому струму відповідає електромагнітна хвиля завдовжки 6 тис. км. Не тільки електрична плитка, а й найбільші електричні машини та апарати і навіть дальні лінії електропередач мають розміри lнабагато менше, ніж довжина цієї електромагнітної хвилі. Опір випромінювання найбільших електричних машин та апаратів для струму з частотою 50 гц вимірюється нікчемними частками ома. Навіть при струмах тисячі ампер випромінюються потужності менше одного вата.
Тому на практиці при застосуванні промислового струму з частотою 50 гц не доводиться враховувати його хвильові властивості. Енергія цього струму міцно «прив'язана» до дротів. Для підключення споживача (ламп, печей, двигунів і т. д.) необхідний безпосередній контакт з токонесучими проводами.
Зі збільшенням частоти струму довжина електромагнітної хвилі зменшується. Наприклад, для струму з частотою 50 Мгц вона дорівнює 3 м. За такої хвилі навіть провідник невеликих розмірів може мати значний опір випромінювання і при відносно невеликих струмах випромінювати значну кількість енергії.
За уточненими розрахунками провідник довжиною у півхвилі (l=λ/2)має опір випромінювання R зл.близько 73 ом. При струмі, скажімо, 10, а випромінювана потужність буде 7,3 кВт. Провідник, здатний випромінювати електромагнітну енергію, називають антеною. Цей термін був запозичений електриками наприкінці минулого століття з ентомології, - антеною називається усик-щупальце у комах.
Біля джерел радіотехніки
Електромагнітні коливання, що відбуваються з частотою мільйон мільярдів герц, наш зір відчуває як світло. У тисячу разів повільніші коливання можуть відчуватися шкірою як теплові промені.
Електромагнітні коливання, частота яких знаходиться в межах від кількох кілогерц до тисяч мегагерц, не сприймаються органами почуттів, але мають велике значення в нашому житті. Ці коливання здатні поширюватися, як світло і тепло, як променів. Латиною слово «промінь» - «радіус». Від цього кореня і утворено слово «радіохвилі». Це коливання, які породжуються струмами високої частоти. Основне, найважливіше їх застосування - бездротовий телеграфний та телефонний зв'язок. Вперше у світі бездротову передачу сигналів радіохвилями практично здійснив російський учений Олександр Степанович Попов. 7 травня (25 квітня) 1895 р. на засіданні фізичного відділення Російського фізико-хімічного товариства він продемонстрував прийом радіохвиль.
У наш час за допомогою радіо можна встановити бездротовий зв'язок між будь-якими точками земної кулі. Виникли нові галузі високочастотної техніки – радіолокація, телебачення. Радіотехніка стала застосовуватися у різних галузях промисловості.
Огляд високочастотної техніки правильно починати з методів одержання змінних струмів високої частоти.
Найстаріший і найпростіший спосіб отримання високочастотних електромагнітних коливань – це розряд конденсатора через іскру. Перші радіопередавачі А. С. Попова мали іскрові генератори з такими найпростішими розрядниками у вигляді двох куль, розділених повітряним проміжком.
 |
| Машинний генератор струму підвищеної частоти. |
На початку нашого століття з'явилися удосконалені іскрові розрядники, які давали високочастотні коливання потужністю до 100 кВт. Але вони були великі втрати енергії. В даний час є досконаліші джерела струмів високої частоти (ТВЧ).
Для отримання струмів із частотою до кількох кілогерців зазвичай застосовують машинні генератори. Такий генератор складається з двох основних частин - нерухомого статора і ротора, що обертається. Обернені один до одного поверхні ротора і статора зубчасті. При обертанні ротора взаємне переміщення цих зубців спричиняє пульсацію магнітного потоку. У робочій обмотці генератора, покладеної на статорі, виникає змінна електрорушійна сила (е.д.с.). Частота струму дорівнює добутку числа зубців ротора на число його обертів за секунду. Наприклад, при 50 зубцях на роторі та швидкості його обертання в 50 об/сек виходить струм-частотою 2500 гц.
В даний час випускаються машинні генератори ТВЧ потужністю до кількох сотень кіловат. Вони дають частоти від кількох сотень герц до 10 кгц.
Один з найпоширеніших сучасних способівотримання ТВЧ - це застосування коливальних контурів, з'єднаних з електричними керованими вентилями.
Завантаження...