Шпаргалка по физике

 

 

17. Переменный ток. Принцип действия электрогенератора.

 

Переме́нный ток — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.

Под переменным током также подразумевают  ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае мгновенные значения тока и напряженияизменяются по гармоническому закону.

В устройствах-потребителях постоянного тока переменный ток  часто преобразуется выпрямителями для получения постоянного тока.

Переменный  ток получают путем вращения рамки  в магнитном поле. Принцип действия — явление электромагнитной индукции (появление индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока). В генераторах переменного тока вращается якорь из магнита (электромагнита) с несколькими полюсами (2, 4, 6 и т. д.), а с обмоток статора снимается переменное напряжение.

Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.

Генера́тор переме́нного то́ка (устаревшее «альтерна́тор») — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первую динамо-машину построил Pixii Ипполит Пикси в 1832.

Пройдя  ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились  дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.

Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.

Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко  где увидеть, из-за большей универсальности  использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.

 

 

 

18. Электромагнитное поле, его свойство.

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой черезтензор электромагнитного поля.

Электромагнитное  поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной  формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонентанапряжённости магнитного поля (или — магнитной индукции)^{[~ 1]}, а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом — в определённом отношении ещё более важным.

Действие  электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредствомсилы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и  его взаимодействия с заряженными  частицами (а также квантовые  поправки к классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение  электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами)^{[~ 2]}. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Главное свойство электрического поля — это способность  действовать на электрические заряды (как неподвижные, так и движущиеся) с некоторой силой. По действию на заряд устанавливается присутствие поля, распределение его в пространстве, изучаются все его характеристики.

 

 

 

19. Электромагнитные волны; скорость их распространения.

Джеймс Максвелл [1] в 1860-1865 создал теорию электромагнитного поля (ЭМП), которую он сформулировал в виде системы уравнений, описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений: 
1-е – уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея [2]; 
2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 
3-е – закон сохранения количества электричества; 
4-е – вихревой характер магнитного поля. 
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим  английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытойФарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые  линии которого замкнуты.

Максвелл  высказал гипотезу о существовании  и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось  записать непротиворечивую систему  уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е.систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют  электромагнитные волны, то есть  распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы   и   перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла  о конечной скорости распространения  электромагнитных волн находился в  противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

 

 

20.  Принципы радиосвязи.

Когда-то радио называли «беспроводным  телеграфом» или «газетой без  бумаги» за то, что информация передавалась от передатчика к приёмнику без  посредства какой-либо среды. Даже вакуум не является препятствием для радиоволн! Да и что там может препятствовать, если это пустота. Одно время пытливые умы человечества занимал противоположный вопрос: а нет ли в вакууме чего-нибудь такого, что мы никак не ощущаем, а именно оно-то и способствует передаче радиоволн в так называемой пустоте?! Казалось, что эта гипотетическая среда, наполняющая всё мировое пространство, помогла бы объяснить не только некоторые электромагнитные, но и механические, и оптические явления! И назвали эту среду ЭФИРОМ. 
Много «копий» было сломано в жарких научных спорах по поводу того, есть ЭФИР или нет. В настоящее время физикой не признаётся существование эфира в классическом его понимании. Но, в то же время, существует теория о том, что вакуум – это не пустота, а неисчерпаемый океан энергии, которую только надо научиться извлекать. Кстати, великий Никола Тесла был сторонником существования эфира, и действие некоторых своих изобретений приписывал именно его свойствам. Например, автомобиль без ДВС [13], вместо которого Тесла вставил некий чёрный ящик и ездил на нем целую неделю без всякой подзарядки. Но это совсем другая история… 
Отголоском былых теорий и споров осталась фраза «В эфире радиостанция…», и никто не задумывается над тем, ГДЕ именно в данный момент эта радиостанция?!

Рассмотрим  рис. 10. 
Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты (1). С УНЧ [14] сигнал поступает в модулятор М. ГВЧ [15] вырабатывает незатухающие колебания ВЧ (2), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями НЧ и поступают в антенну (3). Антенна излучает в окружающее пространство (в ЭФИР!) ЭМВ, амплитуда которых также модулирована по НЧ. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции. 
Итак, радиоволна «запущена» в эфир. Теперь надо её «поймать».

В антенне  приёмника радиоволны (реально ведь передатчиков много) возбуждают переменные ЭДС [16] индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся осень слабым и его усиливает УВЧ [17] приёмника. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала (4), сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал (5). УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания. 
Так осуществляется радиосвязь с амплитудной модуляцией. 
Существует радиосвязь с частотной модуляцией (ЧМ или FM), когда амплитуда несущей остаётся постоянно, за то меняется её частота.

Применение радиосвязи 
В наш технический век радиосвязь так глубоко проникла в повседневную жизнь, что многие люди не только не понимают, но даже не пытаются задумываться над тем, откуда что берётся, как и почему оно работает. 
Приведу несколько примеров. 
5.1. Мобильная связь  
Абсолютное большинство современных людей не мыслят своей жизни без мобильного телефона. Но редко кто из них догадывается о том, что мобильный телефон – это аппарат, совмещающий в себе функции приёмника и передатчика, а мобильная связь осуществляется с помощью тех же обыкновенных РАДИОВОЛН.

5.2. Радиотелефонная связь  
Там, где используют рации – различные приёмопередающие устройства (полиция, скорая помощь, МЧС и т.п.), связь также осуществляется с помощью радиоволн. 

5.3. Приём телевизионных сигналов с помощью антенн, которые устанавливаются на крышах домов , постепенно уходит в прошлое. Тем не менее, те же самые радиоволны переносят изображение 

5.4. Спутниковые телевидение, телефонная связь, Интернет – всё это существует, благодаря радиоволнам, которые излучаются передатчиком, ретранслируются спутником и достигают приёмника

5.5. Беспроводные мышь, клавиатура  и гарнитура (рис. 19) также содержат миниатюрные приёмопередатчики, работающие в радиоволновом диапазоне.

5.6. GPS, ГЛОНАСС – глобальные системы позиционирования, с помощью которых можно определить не только своё место положения (рис. 20), но и многое другое – работают также в радиоволновом диапазоне.

5.7. Biuetooch, Wi-Fi, беспроводные компьютерные сети – это также передатчики и приёмники радиоволн (рис. 21).

5.8. Различные радиоуправляемые  модели (рис. 22)обязательно имеют блок управления (передатчик) и приёмник в  самой модели. 

 

 

 

21. Радиолокация.

А.С. Попов ещё в 1900 году обнаружил отражение ЭМВ от кораблей и указал на возможность использования этого эффекта в радиолокации. Позднее было обнаружено, что практически все вещества отражают радиоволны. Результат отражения зависит не только от рода вещества, но и от длины волны. 
Суть радиолокации заключается в следующем (рис. 11). Передатчик вырабатывает высокочастотный импульс и с помощью специальной параболической антенны посылает его в направлении объекта, например, самолёта. Радиоволна, достигая объекта, отражается от него во все стороны. Часть отражённой волны, энергия которой очень мала, улавливает приёмная параболическая антенна. Зная время t между моментом излучения и моментом приёма сигнала, легко рассчитать Rрасстояние до объекта:   , где с – скорость распространения радиоволны [18]. 
Разумеется, это самая примитивная схема радиолокации. В настоящее время анализ принятого сигнала выполняется специализированным компьютером, который определяет не только расстояние, но и скорость, тип объекта, автоматически анализирует «свой-чужой», сравнивает с базой данных и выдает его тактико-технические характеристики и т.д. Имеются мобильные радиолокационные комплексы и мощные стационарные системы, отслеживающие одновременно сотни объектов вблизи поверхности Земли и в космосе над половиной территории РОССИИ. 
Справка: я когда-то давно учился в Минском высшем зенитно-ракетном училище ПВО (тогда ещё СССР) на факультете СНР – станций наведения ракет. Поэтому о радиолокации знаю не понаслышке.