Главные задачи электротехники и радиотехники

Электротехника и радиотехника являются науками, изучающими физические процессы в электромагнитном поле и технические методы использования его энергии для практических целей.

Электромагнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно характеризуется связанными между собой электрическими и маг­нитными явлениями, которые следует рассматривать как две стороны единого процесса.

Радиотехника, возникшая и первоначально развивавшаяся как часть электротехники, имеет с ней много общих черт, что дает основа­ние для изучения в этой книге как электрических цепей, применяемых и в электротехнике, и в радиотехнике, так и тех цепей, которые пред­назначены для решения специфических задач радиотехники. Однако назначение современной радиоаппаратуры и физические процессы, положенные в ее основу, во многом отличаются от целей и принципов действия электротехнических устройств.

Главной задачей электротехники является передача и использование электромагнитного поля для приведения в действие мощных машин, механизмов, источников света, тепла и для других энергетических преобразований.

Основная задача современной радиотехники заключается в использовании электромагнитного поля для передачи на расстояние различного рода информации, т. е. сообщений о тех или иных процессах, фактах, событиях и т.п. Аналогичные цели преследует и электропроводная связь, однако, в отличие от нее, радиотехника осуществляет передачу информации без посред­ства проводов между отправителем и получателем сообщений. С этой целью радиотехника использует свободно распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, называемое полем излу­чения.

Рассмотрим несколько подробнее основные задачи, являющиеся общими для электротехники и радиотехники, а затем остановимся на тех конкретных особенностях, которые отличают их друг от друга.

Из сказанного выше следует, что как в электротехнике, так и в ра­диотехнике должны изучаться методы передачи электромагнитного поля из одной точки пространства в другую и способы последующего преобразования энергии поля в какой-либо иной вид энергии (механи­ческую, акустическую, тепловую и т.п.).

Обычно говорят о передаче энергии из одного пункта в другой. Однако эти слова следует понимать условно; в действительности речь идет о перемещении в пространстве определенного вида материи, являющейся носителем энергии. В самом деле, энергия наряду с мас­сой является неотъемлемым свойством материи, мерой ее движения. Нет материи, не обладающей, массой, так же как не может быть энер­гии, не связанной с тем или иным материальным объектом. В электро­технике и радиотехнике таким видом материи, несущим электромаг­нитную энергию, и является электромагнитное поле.

Итак, общими для электротехники и радиотехники являются три основные научно-технические проблемы.

1. Генерирование электромагнитного поля посредством устройств, называемых генераторами, или передающими уст­ройствами.

2. Передача электромагнитного поля от генератора к потребителю через разделяющую их среду, которая может быть названа линией передачи.

3. Преобразование и использование отправленного передающим устройством электромагнитного поля и несомой им энергии в терри­ториально отдаленном пункте для тех или иных практических целей при помощи специального приемного устройства.

В электротехнике электромагнитное поле передается из одной точки пространства в другую вдоль проводов, соединяющих эти точки. Благодаря наличию проводов удается осуществить высокую степень концентрации электромагнитного поля и носимой им энергии в пространстве диэлектрика, окружающего провода. Поэтому прием­ного пункта достигает почти вся энергия, поступающая на вход ли­нии, соединяющей генератор с потребителем. Лишь относительно небольшая часть ее расходуется (бесполезно теряется) в соединительной линии. Эти замечательные свойства переноса электромагнитного поля вдоль проводов позволяют осуществить в электротехнических системах эффективную передачу на значительные расстояния мощных электромагнитных полей, энергия которых используется для приве­дения в действие мощных машин, приборов, источников света, тепла и т. п.

Радиотехника позволяет решить проблему передачи элект­ромагнитного поля без помощи соединительных проводов. Излучаемое электромагнитное поле, распространяясь в свободном пространстве, рассеивается в значительном объеме, и только небольшая часть энер­гии поля достигает места приема. Поэтому переданная без проводов энергия не может быть непосредственно использована для приведения в действие сколько-нибудь мощных механизмов. Она служит для передачи сигналов, несущих ту или иную информацию. Характер и форма сигналов соответствуют передаваемому сообщению; их источ­ником является отправитель информации. Так, например, речевые сигналы производятся голосовыми связками говорящего человека.

Первичные сигналы, несущие передаваемое сообщение, преобра­зуются в электрические (вторичные) сигналы, т. е. в электрические колебания, изменяющиеся во времени по тому же закону, что и пер­вичные сигналы.

В радиотехнике сигналы того или иного назначения (телеграф­ные, телефонные, телевизионные и т. п.) передаются от отправителя к получателю без проводов. Главная цель, которая здесь преследуется, состоит в том, чтобы принятые сигналы были по возможности совер­шенно подобны отправленным (неискаженная передача) и чтобы дей­ствие неизбежных внешних помех было минимальным. Энергетиче­ские соображения при этом отодвигаются на второй план. Даже нич­тожно малая энергия принятого сигнала оказывается достаточной для приведения в действие очень чувствительных приборов современ­ного радиоприемного устройства. В нем осуществляется обратное преобразование электрических сигналов в исходные. Так, при приеме речевых сигналов телефон на выходе приемника преобразует электри­ческие колебания в звуковые, которые воспринимаются ухом человека.

В электротехнике и радиотехнике широко используются процессы, при которых напряженность поля, напряжение, ток и т. д. изменяются во времени по синусоидальному закону. Промежуток времени, по исте­чении которого значения этих величин повторяются, носит название периода Т. Величина, обратная периоду

называется частотой и измеряется в герцах (циклах в секунду).

В некоторых случаях удобно пользоваться более крупными еди­ницами:

1 килогерц (кГц) = 10³Гц ; 1 мегагерц (МГц) = 10³кГц

1 гигагерц (ГГц) = 10³МГц; 1 терагерц (ТГц) = 10³ГГц.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с не­которой скоростью ,называют электромагнитной волной. За период Т электромагнитная волна распространяется на расстояние длины волны

Для вакуума и воздуха скорость и длина волны

где f — в герцах.

В ряде случаев оказывается удобным количественно характеризо­вать периодичность процесса не частотой, а длиной волны. Вместо того, чтобы говорить о частоте колебаний f, говорят об их длине волныпереход от одной величины к другой может быть произведен при помощи формулы (1.3).

Как доказывается в теории электромагнитного поля, эффективное излучение электромагнитных волн с целью последующего их распро­странения без проводов возможно лишь в том случае, если размеры излучающей системы, называемой антенной, соизмеримы с дли­ной волны электрических колебаний. Ввиду того, что практически осуществимые размеры антенных систем ограничены конструктивными (габаритными) соображениями, в радиотехнике в большинстве случаев используют достаточно короткие электромагнитные волны, т.е. до­статочно высокие частоты колебаний.

Электромагнитные волны, используемые для передачи информа­ции радиотехническими методами, называются радиоволнами.

Наиболее низкими частотами, которые находят применение в ра­диотехнике для беспроводной передачи сигналов, являются частоты порядка 5—10 кГц. Им соответствуют волны длиной 6000—30000 м.

С точки зрения эффективности излучения радиоволн желательно применять возможно более высокие частоты. Однако при выборе и оценке величины, радиочастот необходимо учитывать их некоторые специфические особенности. Важнейшими из них являются условия распространения радиоволн при их движении вдоль (или внутри) земли и в пространстве, ее окружающем, а также методы генерирова­ния и использования колебаний различных частот.

Таблица 1.1

Примечание. Частоты, соответствующие длинным и средним волнам, иногда называют умеренно высокими, а частоты, соответствующие ультра­коротким волнам — сверхвысокими (СВЧ).

Современная радиотехника имеет дело с чрезвычайно широким диапазоном частот, которые можно классифицировать согласно табл. 1.1.

Приведенную в таблице классификацию радиочастот и соответствую­щих им волн нельзя считать твердо установившейся. Для развития радиотехники характерно освоение все новых диапазонов. В частности, включение в таблицу радиоволн колебаний инфракрасного и световогодиапазонов стало возможным благодаря успехам, достигнутым в последние годы электроникой и радиотехникой.

Если для осуществления эффективного излучения радиоволн необходимы очень высокие частоты, то для решения многих других радиотехнических задач требуются как постоянные токи (f = 0), так и токи низких частот. Таким образом, для радиотехники харак­терно использование самых различных колебаний, имеющих частоты, лежащие в пределах от нуля до величин, превышающих миллиарды герц.

Естественно, что электротехника, имеющая дело с передачей энер­гии вдоль проводов, свободна от высказанных выше требований в от­ношении частоты колебаний. Наряду с постоянными токами чаще всего здесь находят применение колебания стандартной частоты 50 Гц (в США – 60 Гц). Наибольшие частоты, с которыми мы встречаемся в электротехнике, не превышают немногих сотен или тысяч герц.

Столь большое количественное различие в частотах, используемых в электротехнике и радиотехнике, приводит к тому, что технические приемы, которые с успехом применяются в электротехнических си­стемах, оказываются совершенно непригодными в радиотехнике. Более того, многие физические представления, основанные на неко­торых допущениях и удовлетворительно характеризующие явления при низких частотах, становятся несправедливыми при переходе к высоким частотам. Количественные изменения приводят к необходимости качественного изменения ряда представлений и методов осуществления технических устройств. Эти отличия заставляют говорить о радиотехнике как о большой самостоятельной отрасли науки.

В последние годы в развитии радиотехники наметились тенденции, которые, возможно, приведут к некоторому уменьшению отмеченных выше различий между электротехникой и радиотехникой. Так следует отметить, что в настоящее время проводятся опыты применения для подземной и подводной радиосвязи весьма низких частот, которые уже мало отличаются от используемых в электротехнике. С другой стороны создание генераторов, излучающих узкий пучок световых лучей (лазеров), открывает новые пути для построения систем беспроводной передачи не только сигналов, несущих информацию, но и значительного количества энергии при высоком коэффициенте полезного действия.

Роль электротехники и радиотехники в современной жизни не ограничивается решением задач передачи электромагнитной энергии на расстояние; электротехнические и в особенности радиотехниче­ские методы находят все более широкое применение в современной науке, технике и промышленности. Успехи радиотехники привели к возникновению такой широкой науки как радиоэлектро­ника, которая развивает методы радиотехники и электроники (науки об электронных приборах и их применениях) для решения многих разнообразных задач, возникающих в самых различных отраслях науки и техники. Наконец, радиотехника положила начало разви­тию некоторых новых наук, в числе которых может быть названа радиоастрономия, чрезвычайно расширившая возможности познания и изучения вселенной, радиоспектроскопия, играющая большую роль визучении строения атома всовременной физике, и другие.