Fale elektromagnetyczne

Temat: Fale elektromagnetyczne – ich wytwarzanie, przesył i wykorzystanie do
przesyłania informacji odbieranej w radioodbiornikach
Mirosław Kwiatek
Jak wiadomo, natężenie PE jest (wprost) proporcjonalne do szybkości zmian wywołującego je
PM. Czyli warunkiem uzyskania fali EM o dużych wartościach amplitud E i B (aby przesłać
falą energię jak najdalej bo energia jest po drodze tracona stopniowo) jest dostatecznie duża
częstotliwość (źródła) drgań. Jak wynika z zależności:
1
f~
LC
trzeba więc maksymalnie zmniejszyć L oraz C.
‘Wyprostujmy’ oscylacyjny obwód LC. Tzn. – oddalmy maksymalnie okładki kondensatora
(a wtedy możemy je nawet usunąć jako nie spełniające swej roli w znacznym oddaleniu) a
cewkę doprowadźmy do wyjściowego stanu prostoliniowego przewodu (popatrzmy na
odpowiedni rysunek).
Okazuje się, że (też) prostoliniowy kawałek przewodnika ma małą ale niezerową
indukcyjność. Indukcyjność ta zależy od długości i średnicy (a nie zależy od stałych
materiałowych!) Zwiększa się ze wzrostem długości a maleje ze wzrostem średnicy
Mamy wzór techniczny (uwaga na jednostki!) z logarytmem naturalnym:
4xl
L = 0,002 x l x (ln
-x)
d
[l] = cm
[d] = cm
[L] = H
x = 1 przy wysokiej f
x = 0.75 dla niskiej (akustycznej) f
Zgięcie drutu powoduje zmniejszenie L bo dla kręgu jednozwojowego:
x = 2,45 dla w. cz.
x = 2,20 dla m. cz.
Ale w cewkach (wielozwojowych) następuje zwiększenie L bo indukcyjność wzajemna M
zwojów jest
Przykładowo, dla 4 m odcinka prostego drutu o średnicy 1 mm mamy: L = 7 H
Kawałek przewodu prostoliniowego ma też małą (i niezerową) pojemność. Wynosi ona
9pF/m
Załóżmy, że kawałek odcinka ma 0,75 m. Wtedy jego:
C = 9 x 0,75 = 7,3 pF
7
L = 7 x 0,75 = 7 x 2,4 = 14,8 H
Weźmy jednak dla uproszczenia tylko rzędy wielkości do obliczeń;
Taki odcinek przewodu ma częstotliwość drgań elektromagnetycznych rzędu:
1
1
1
109
6
f=
=
-6
-12 = 6 x 10-9 = 10 = 100 x 10 = 100 MHz
2 LC
2x 10 x 10
Taki prostoliniowy odcinek przewodu nazywa się dipolem elektrycznym. Wypromieniowane
pola elektryczne leżą w płaszczyznach przechodzących przez dipol a pola magnetyczne – w
płaszczyznach prostopadłych. Wypromieniowywanie następuje we wszystkich kierunkach
(ale anteny mogą być też kierunkowe).
Taki odcinek przewodu mógłby być anteną dla nadajnika UKF (FM) albo – dla odbiornika
radiowego (jak wiemy z życia codziennego do radia, szczególnie zabytkowego, wystarczy
często przyłączyć ‘kawałek druta’ aby poprawić albo umożliwić odbiór)
Dlaczego nasz dipol miał długość akurat 0,75 m? Okazuje się, że długości anten są równe
ćwiartce długości fali, które wypromieniowują. W naszym przypadku długość fali wynosi:
c
=
gdzie c jest prędkością światła. Mamy więc:
f
300 000 000 m/s
 = 100 000 000 Hz = 3 m.

Stąd: 4 = 0,75 m
Aby precyzyjnie dobrać długość anteny odbiornika radiowego dipol ma budowę
teleskopową, tzn można go skracać lub wydłużać (jak np. w lunecie). Jak było powyżej
wspomniane, wydłużenie przewodu spowoduje wzrost indukcyjności L a więc zmalenie
częstotliwości czyli wzrost długości fali
Sprawdźmy jeszcze jaka jest długość anteny w telefonie komórkowym GSM. System GSM

wykorzystuje częstotliwość 1 GHz czyli 1000 MHz więc l = … = 0,3 m czyli 4 = 7,5 cm
Poprzedni obwód nazwać możemy zamkniętym a ‘rozprostowany’ – otwartym. Obwód
zamknięty (dobrze wytwarza drgania ale) słabo promieniuje energię w postaci fal EM (W
obwodzie zamkniętym energia jest skupiona: energia PE w kondensatorze a energia PM – w
zwojnicy).
Z kolei obwód otwarty dobrze promieniuje ale trudno w nim drgania wytworzyć.
Dlatego w nadajniku radiowym są oba rodzaje obwodów (popatrzmy na odpowiedni
rysunek).
Fale EM nadają się dobrze do wykorzystania jako tzw. fale nośne za pośrednictwem których
transportuje się drgania o częstotliwości akustycznej czyli małej (do 20 kHz). Mówimy o tzw.
modulacji. Może być modulacja amplitudy AM, modulacja częstotliwości FM i modulacja
fazy. Większość dzisiejszych stacji radiowych wykorzystuje FM ale do wytłumaczenia
(łącznie z narysowaniem! ;-) najłatwiejsza jest AM (popatrzmy na odpowiednie rysunki)
W odbiorniku radiowym występuje też otwarto-zamknięty obwód drgający wychwytujący
fale radiowe (popatrzmy na odpowiedni rysunek). Transportowane drgania akustyczne muszą
jakoś ‘wysiąść’. Umożliwia to ‘niepozorna’ dioda, która przepuszcza prąd płynący do
słuchawki tylko w jednym kierunku (Gdyby diody nie było to membranie słuchawki w tym
samym czasie prąd ‘kazałby’ odchylać się i na zewnątrz i w głąb słuchawki z tą samą
amplitudą. Oczywiście byłoby to niemożliwe, membrana pozostałaby nieruchoma więc
dźwięku by nie było). Proces dekodowania nazywa się detekcją (a dioda – detektorem. Pierwsze
detektory w historii radioodbiorników były z PbS – kryształku galeny – współpracującym z ostrzem metalowym; Stąd pierwsze odbiorniki
radiowe nazywały się kryształkowymi)
Oczywiście zamiast słuchawki może być głośnik ale wtedy przed nim musi być dodatkowo
wzmacniacz
Kondensator włączony równolegle do słuchawki poprawia pracę słuchawki/odbiór (dla
dużych częstotliwości stanowi mały opór więc prąd o częstotliwości nośnej nie będzie płynął
przez słuchawki lecz przez kondensator).
Fale EM radiowe najdłuższe są rzędu 1,5 km (moduluje się ich systemem AM) więc ich
częstotliwości są rzędu:
300 000 000 m/s
f=
= 2 x 105 Hz czyli 200 kHz
1500 m
2007-07-09