Elektromagnetické kmitání a vlnění

Elektromagnetické kmitání – střídavý proud a napětí

Elektromagnetický oscilátor

• nejjednodušší oscilátor je obvod LC
• kondenzátor se nabije připojením stejnosměrného proudu a jeho energie představuje energii oscilátoru, pak ho připojíme k cívce, kondenzátor se začne vybíjet a energie se zmenšuje, zvětšuje se proud v cívce a tím i magnetické pole okolo – Energie elektrického pole kondenzátoru se mění v energii magnetického pole cívky. kondenzátor se vybije za – proud je největší
• proud se začíná zmenšovat (kondenzátor je vybit), to vede ke vzniku indukovaného napětí, kondenzátor se znovu nabijí (polarita napětí je opačná)
• v je dokončena přeměna energie magnetického pole na elektrické pole cívky
• v druhé polovině periody se děj opakuje (opačným směrem)
• tento děj vysvětluje fázové posuny v R, L, C obvodech
• elektromagnetické kmitání oscilačního obvodu je tlumené

Perioda kmitání elektromagnetického oscilátoru

• perioda je v obvodu zanedbatelného odporu závislá jen na parametrech L a C – vlastní kmitání elektromagnetického oscilátoru

Thomsonův vztah pro periodu ;

• vychází z toho, že napětí na cívce a kondenzátoru se rovná , kde je úhlová frekvence vlastního kmitání elektromagnetického oscilátoru

Perioda (frekvence) vlastního oscilačního obvodu závisí jen na jeho parametrech – indukčnost L a kapacitě C obvodu a nezávisí na podmínkách, za nichž bylo kmitání oscilačního obvodu vzbuzeno.

• napětí kondenzátoru nemá vliv na periodu kmitání, určuje amplitudu napětí

Nucené kmitání elektromagnetického oscilátoru

• netlumené kmitání
• vznikne po připojení elektromagnetického oscilátoru ke zdroji harmonického napětí
• oscilátor kmitá s frekvencí zdroje (nezávisí na parametrech oscilačního obvodu)
• připojením zdroje se nahradí ztráty energie (kondenzátor se nabije na původní energii)
• napětí harmonický průběh nemá
• pokud je frekvence zdroje stejná jako frekvence vlastního kmitání nastane rezonance
• rezonanční křivka – závislost amplitudy napětí na úhlové rychlosti
• při malém tlumení je rezonanční křivka úzká (křivka 1) a amplituda napětí při rezonanci je značná – v obvodu vznikne nucené kmitání jen v malém intervalu v okolí rezonance
• při větším tlumení je křivka širší (křivka 2), nucené kmitání vznikne ve větším intervalu, ale dosahuje menší amplitudy
• rozsáhlé využití v technice: rozhlasový přijímač (ladění – změny parametrů obvodu – kapacita oscilátoru tak, aby byl v rezonanci s frekvencí, s kterou vysílá stanice), rezonancí se zesiluje signál

Elektromagnetické vlnění – zdrojem je elektromagnetické kmitání

Vznik elektromagnetického vlnění

• přenášení energie elektromagnetického kmitání
• přenos probíhá se zpožděním (velkou rychlostí, ale přece konečnou)
• Maxwell – elektromagnetické vlnění má stejnou rychlost jako světlo (světlo je elektromagnetické vlnění) ve vakuu je rychlost nebo-li
• napětí ve vodičích závisí na čase a na vzdálenosti od zdroje
• vlnová délka elektromagnetického vlnění je
• rovnice postupného elektromagnetického vlnění:
• uvažujeme, že od zdroje ke spotřebiči je všude stejné napětí jelikož rozměry zdroje jsou ve srovnání s vlnovou délkou střídavého proudu (f = 50 Hz) zanedbatelné
• proto opoždění bereme, jen pokud jsou rozměry srovnatelné nebo větší než vlnová délka

Elektromagnetická vlna

• pokud není stejné napětí v celém vodiči, není zde ani stejně rozložen náboj, proto mezi dvěma vodiči vzniká elektrické pole s různou intenzitou E, kterou můžeme vyjádřit sinusoidou v závislosti na čase
• pokud na konci připojíme rezistor, dochází zde ke přeměně elektrické energie například na vnitřní, proud má stejnou fázi jako napětí, v místech s největším napětím je největší proud
• vzniká magnetické pole s indukcí B, která je kolmá na intenzitu elektrického pole, závislost indukce na čase znázorníme sinusoidou kolmou na nákresnu
• graf závislosti intenzity a indukce na čase znázorňuje elektromagnetic­kou vlnu
• vedením dvěma vodiči vzniká elektrické a magnetické pole, které se nazývá elektromagnetic­ké pole
• pokud k dvouvodičovému vedení není připojen spotřebič, konec má velký odpor blížící se nekonečnu – napětí dosahuje největší hodnoty, zatímco proud je nulový a vzniká fázový rozdíl 90o – stojaté elektromagnetické vlnění na konci má napětí kmitnu a proud uzel, o od konce je situace opačná, proud zde má kmitnu a napětí uzel, mezi B a E je fázový rozdíl 90o
• periodicky dochází k přeměně energie elektrického pole na energii magnetického pole a zpět

Elektromagnetický dipól

• anténa – vodivá tyč určité délky umístěna nad zemí = elektromagnetic­ký dipól
• jednoduchý dipól se označuje jako půlvlný dipól – délka je rovna polovině vlnové délky elektromagnetic­kého vlnění
• na koncích dipólu vzniká elektrické pole a periodicky dosahuje největších hodnot – zasahuje do okolí dipólu, v odchýlených částech dipólu vznikají proudy, které mají v každém okamžiku souhlasný směr, proudy tvoří magnetické pole, které zasahuje rovněž do okolí kolem dipólu
• vzniká tedy, pole se dvěmi neoddělitelnými složkami (elektrickou a magnetickou) pole elektromagnetické
• jednoduchá anténa vyzařuje do okolí energii v podobě elektromagnetického vlnění a to nejvíce v kolmém směru a ve směru osy antény vůbec

Vlastnosti elektromagnetického vlnění

• zdrojem je elektromagnetický rozruch
• dvě neoddělitelné složky (elektrickou a magnetickou)
• je to vlnění příčné, proud fotonů, přenáší energii, síří se rychlostí světla
• je to zvláštní forma hmoty, způsobuje tlak na tělesa, jimiž prochází
• není potřeba hmotné prostředí – šíří se i ve vakuu

Polarizace elektromagnetického vlnění

• jestliže se směr vektoru B a E nemění jde o lineární polarizované elektromagnetic­ké vlně
• vlnění dipólu je polarizované tak, že E leží v rovině dipólu a B je kolmé na E

Odraz a ohyb elektromagnetické vlnění

• platí zákon odrazu, pokud dopadá pod pravým úhlem, pak interferuje
• vlnová délka má vliv na vznik stínu za překážkou a na ohyb vlnění
• je-li překážka značně větší než vlnová délka vlnění neproniká – vzniká stín vlnění, pokud jsou rozměry překážky menší než vlnová délka vlnění proniká za překážku – část se odrazí

Interference elektromagnetického vlnění

• odraz při pravém úhlu – dopadající a odrážející vlnění interferují
• výsledné vlnění závisí na rozdílu drah obou vlnění, pokud je rozdíl sudým násobkem půlvln, pak se setkávají se stejnou fází a amplituda se zvětšuje, pokud je rozdíl drah rovný lichému počtu půlvln pak se setkávají s opačnou fází a amplituda se zmenšuje

Vliv prostředí na délku elektromagnetické vlny

• rychlost elektromagnetického vlnění v jiném prostředí se vypočte: , kde je relativní permitivita a je relativní permeabilita prostředí

Šíření elektromagnetického vlnění

1. Povrchová vlna

§ krátká vzdálenost, bez odrazu, přímé šíření

2. Prostorová vlna

§ využívá se vlastnosti ionosféry, která odráží elektromagnetické vlnění krátkých vlnových délek (podmínky se mění vzhledem k počasí, vhodné podmínky, špatné podmínky na vysílání)

§ velké vzdálenosti

druhy vln:

1. dlouhé vlny DV – povrchové
2. střední vlny SV – povrchové
3. krátké vlny KV – prostorové
4. velmi krátké vlny VKV – družice

RADAR – RAdio Detecting And Randing – zjišťovaní polohy objektů

Elektromagnetická interakce

• elektrické ani magnetické pole není nutně vázáno na přítomnost nosičů náboje
• rozdíl je jen v tom, že v elektrickém poli směřují siločáry od kladného k zápornému pólu
• můžou existovat bez náboje jen pokud probíhá neustálá změny jednoho z nich a tím i druhého
• velice značná interakce mezi hmotnými objekty (chemická vazba) – příčina vzniku molekul

Přenos informací elektromagnetickým vlněním

Sdělovací soustava

• slouží k přenosu informace
• mikrofon – mechanické kmitání a vlnění (hlas) se mění na elektrické vlnění a dá se přenášet na velké vzdálenosti
• přenos buď pomocí kabelů (sdělovací vedení – SV), nebo bezdrátově (vysílač a přijímač) – radiokomunikační soustava
• přenos vyžaduje kódování – převod signálu na nějaký vhodnější pro přenos – úprava pomocí modulace
• mikrofon a reproduktor jsou elektroakustické přístroje – mění mechanické kmitání na elektrické (naopak), jiným případem jsou elektrodynamický mikrofon a reproduktor založené na elektromagnetické indukci

Vysílač

• oscilátor O je zdrojem elektromagnetických kmitů vysoké frekvence fv
• kmitání se moduluje v modulátoru M na nízkofrekvenčním signálem s frekvencí fn dva typy modulace

1. amplitudová modulace

o nízkofrekvenčním signálem se mění amplituda vysokofrekvenčních kmitů a vzniká výsledná modulovaný signál

2. frekvenční modulace

o amplituda je konstantní, mění se frekvence, složitější na přenos, jen vlny VKV

• koncový stupeň K má za úkol zesílit modulovaný vysokofrekvenční signál, aby měl potřebný výkon, vysílací anténou je vyzářen do prostoru

Přijímač

• vstupní částí je elektromagnetický dipól – anténa A
• anténa je spojena s laditelným oscilačním obvodem, který naladíme na nosnou frekvenci vysílače – rezonanční zesílení přijatého signálu, který je dále zesílen vysokofrekvenčním zesilovačem VF
• signál postupuje do demodulátoru D (polovodičová dioda), akustický signál se oddělí od vysokofrekven­ční složky
• na konec je signál zesílen v nízkofrekvenčním zesilovači NF a přiveden do reproduktoru R
• superheterodyn – přijímač, který převede vstupní signál vždy na stejnou frekvenci (přivede je do speciálního oscilátoru měnitelné frekvence

Princip televize

• 1 televizní obraz 625 řádků a je 25 snímků za sekundu (každý se kreslí nadvakrát)
• dvě vlny obraz a zvuk
• převedení obrazu na elektromagnetické vlnění – rozložení na sled řádek (řádkový rozklad) , napětí bodu se mění podle osvětlení bodu
• přidávají se synchronizační impulsy – synchronizace obrazu a zvuku
• vlny VKV
• přijímač = televizor
• signál se demoduluje a elektronovým paprskem se přenáší na stínítko obrazovky