Bazele comunicațiilor radio

The Third Industrial Revolution: A Radical New Sharing Economy (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Bazele comunicațiilor radio

AC Circuite electrice


Intrebarea 1

Ce reprezintă formularul RF al acronimului, referitor la electronice legate de radio "# 1"> Dezvăluiți răspunsul Ascundeți răspunsul

"RF" înseamnă radiofrecvență, care implică o frecvență de curent alternativ (AC) mult mai mare decât cea întâlnită în curent alternativ sau circuite audio.

Note:

Cereți studenților dvs. să elaboreze frecvențele posturilor de radio difuzate preferate ca exemplu de frecvențe radio. Arătați-le un generator tipic de semnal de tip benchtop (non-RF) pentru compararea intervalului de frecvență și ar trebui să înceapă să înțeleagă conceptul.

intrebarea 2

Știm în acest moment că orice circuit alcătuit din inductanță (L) și capacitate (C) este capabil să rezoneze : atingerea valorilor mari ale tensiunii AC și curentului dacă este "excitat" la frecvența corespunzătoare. Circuitul așa-numit rezervor este cel mai simplu exemplu al acestui lucru:

Cu cât rezistența este mai redusă (R), cu atât este mai bună capacitatea de a rezona.

De asemenea, știm că orice bucată de sârmă conține atât inductanță, cât și capacitate, distribuită pe lungimea sa. Aceste proprietăți nu sunt neapărat intenționate - ele există fie că le-am dori sau nu să le fie:

Având în vedere că rezistența electrică a unei bucăți continue de metal este de obicei destul de scăzută, descrieți ce înseamnă aceste proprietăți naturale ale inductanței și capacității în ceea ce privește funcția firului ca element electric.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Faptul că o bucată de sârmă conține atât inductanță cât și capacitate înseamnă că are capacitatea de a rezona la fel ca orice circuit al rezervorului!

Următoarele întrebări: evaluați calitativ frecvența pe care o presupuneți că o lungime de sârmă ar rezona la. Credeți că ar fi o valoare foarte mică (zeci de hertzi), o valoare foarte mare (mii, milioane sau miliarde de hertzi) sau undeva între "toți">

f r = 1


2 π


LC

Note:

Dacă elevii dvs. au dificultăți în a ști de unde să înceapă cu întrebarea de urmărire, cereți-i să estimeze calitativ distribuția L și C pentru o bucată de fir, să zicem, de 10 picioare lungime. Datorită lipsei oricărui material de bază cu permeabilitate ridicată și a lipsei oricărui dielectric cu permițabilitate ridicată (doar aer), răspunsurile pentru ambele ar trebui să fie "foarte mici". Apoi, întrebați-le din nou cum vor evalua calitativ frecvența rezonantă a sârmei.

Întrebarea 3

Aici este prezentată o antenă cu un sfert de undă simplă, compusă dintr-o singură sârmă care se proiectează vertical de la un terminal al unei surse de tensiune RF, celălalt terminal conectat la pământ:

Re-trageți această ilustrație, arătând inductanța echivalentă și capacitatea expusă de această antenă. Afișați aceste proprietăți utilizând simbolurile reale ale inductorului și condensatorului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarele întrebări: cum ați aștepta ca inductanța și capacitatea acestei antene să se refere la lungimea sa fizică "note ascunse"> Note:

Nu fi surprins dacă unii dintre elevii dvs. întreabă dacă o antenă este sau nu capabilă să rezoneze, deoarece posedă atât inductanță, cât și capacitate. De fapt, acesta este punctul subversiv al acestei întrebări: să-i facem pe studenți să înțeleagă că chiar și o pereche simplă de fire poate fi considerată un sistem rezonant și apoi să ceară întrebarea a ceea ce se întâmplă la rezonanță! Următoarea întrebare sugerează o relație între dimensiunea fizică și frecvența rezonantă, prin întrebarea ce se întâmplă atât cu L cât și cu C ca modificări ale lungimii. Explorați aceste idei cu elevii dvs. și urmăriți-i să obțină o înțelegere surprinzător de profundă a modului în care o antenă funcționează pe baza cunoștințelor lor despre circuitele rezonante LC.

Întrebarea 4

Se prezintă aici o antenă dipolă simplă, formată din două fire de lungime egală care se proiectează de la bornele unei surse de tensiune RF:

Re-trageți această ilustrație, arătând inductanța echivalentă și capacitatea expusă de această antenă. Afișați aceste proprietăți utilizând simbolurile reale ale inductorului și condensatorului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarele întrebări: cum ați aștepta ca inductanța și capacitatea acestei antene să se refere la lungimea sa fizică "note ascunse"> Note:

Nu fi surprins dacă unii dintre elevii dvs. întreabă dacă o antenă este sau nu capabilă să rezoneze, deoarece posedă atât inductanță, cât și capacitate. De fapt, acesta este punctul subversiv al acestei întrebări: să-i facem pe studenți să înțeleagă că chiar și o pereche simplă de fire poate fi considerată un sistem rezonant și apoi să ceară întrebarea a ceea ce se întâmplă la rezonanță! Următoarea întrebare sugerează o relație între dimensiunea fizică și frecvența rezonantă, prin întrebarea ce se întâmplă atât cu L cât și cu C ca modificări ale lungimii. Explorați aceste idei cu elevii dvs. și urmăriți-i să obțină o înțelegere surprinzător de profundă a modului în care o antenă funcționează pe baza cunoștințelor lor despre circuitele rezonante LC.

Întrebarea 5

Un fizician scoțian numit James Clerk Maxwell a făcut o predicție teoretică uimitoare în secolul al XIX-lea, pe care a exprimat-o cu aceste două ecuații:

((│) ⌡E · d l = - d Φ B


dt

((│) ⌡B · d l = μ 0 I + μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Prima ecuație precizează că un câmp electric ( E ) va fi produs în spațiu deschis printr-un flux magnetic în schimbare ((d Φ B ) / dt)). A doua stare de ecuație decât un câmp magnetic ( B ) va fi produsă în spațiu liber fie printr-un curent electric (I), fie printr-un flux electric în schimbare ((d Φ E ) / dt)). Având în vedere această relație complementară, Maxwell a motivat, a fost posibil ca un câmp electric să se schimbe pentru a crea un câmp magnetic în schimbare, care ar crea apoi un alt câmp electric în schimbare și așa mai departe. Acest ciclu de cauză și efect ar putea continua, ad infinitum, cu câmpuri electrice și magnetice în schimbare rapidă care radiază în spațiu liber fără a fi nevoie de fire pentru a le transporta sau a le îndruma. Cu alte cuvinte, câmpurile complementare ar fi auto-sustinatoare în timpul călătoriei.

Explicați semnificația predicției lui Maxwell, mai ales că se referă la electronică.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Ceea ce a prezis James Clerk Maxwell a fost existența undelor electromagnetice, cel mai mic tip de frecvență la care ne referim frecvent ca valuri radio .

Următoarea întrebare: numește omul de știință care a confirmat experimental Maxwell predicția undelor electromagnetice.

Note:

Nu numai că această întrebare se referă la conceptul de undă radio la conceptele pe care studenții ar trebui să le cunoască deja (câmpuri electrice și magnetice), dar introduc și o bucată de istorie științifică uimitoare. Că undele radio au fost anticipate mai întâi matematic, mai degrabă decât descoperite accidental prin experiment, sunt atât uimitoare, cât și iluminante.

S-ar putea să observați că unul sau mai mulți dintre elevii dvs. mai luminoși observă că predicția lui Maxwell se referă la o schimbare într-un tip de câmp la o magnitudine statică a celuilalt (adică E α ((dΦ B ) / dt) și B α ((dΦ E ) / dt)) și că acest lucru face dificilă înțelegerea modului în care un câmp în schimbare ar putea crea un alt domeniu schimbător . Dacă cineva întreabă această întrebare, evidențiați-i că există un set de funcții matematice similare legate unul de celălalt prin derivate și sunt:

sint = - d


dt

costul costului = d


dt

Sint

Arată ceva familiar (omiterea termenului μ 0 I din a doua ecuație)?

((│) ⌡E · d l = - d Φ B


dt

((│) ⌡B · d l = μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Din moment ce stim ca fluxul electric este legat de campul electric prin geometrie (Φ E = ∫ E · d A ) si fluxul magnetic este legat de campul magnetic si prin geometrie (Φ B = ∫ B · d A ), putem scrie urmatoarele proportionalities:

Φ E α - d Φ B


dt

Φ B α d Φ E


dt

Acum, lucrurile arata asemanatoare cu relatia sinus / cosinus derivat? Astfel, dacă fluxul electric Φ E oscilează ca undă sinusoidală, fluxul magnetic Φ B va oscila ca undă cosinus, și așa mai departe.

Întrebarea 6

În 1887, un fizician german numit Heinrich Hertz a demonstrat cu succes existența undelor electromagnetice . Examinați următoarea schemă a aparatului pe care îl folosea și explicați ce semnificație descoperirea lui Hertz are de a face cu studiul dvs. de electronică:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Experimentul lui Hertz a demonstrat empiric descoperirea teoretică a lui James Clerk Maxwell, care a concluzionat cu ani în urmă că "undele electromagnetice" compuse din câmpuri electrice și magnetice care oscilează perpendicular unul pe altul trebuie să fie capabile să radieze prin spațiul gol. Aceasta este baza radiocomunicațiilor: generarea acestor unde electromagnetice în scopul comunicării informațiilor pe distanțe lungi fără fire.

Note:

Un experiment ca acesta nu este dificil de configurat. Asigurați-vă că furnizați măsurile de siguranță adecvate împotriva șocurilor electrice, deoarece transmițătoarele cu jet de spațiu (așa cum au ajuns să fie numite) necesită tensiuni substanțial ridicate pentru a funcționa.

Întrebarea 7

Având în vedere predicția lui James Clerk Maxwell despre undele electromagnetice generate de auto-susținerea schimbării câmpurilor electrice și magnetice în spațiu deschis, ce fel de dispozitiv sau colecție de dispozitive credeți că ar trebui să creați unde electromagnetice oscilând la o frecvență în intervalul atins printr-un circuit electric "# 7"> Reveal răspuns Ascunde răspunsul

În mod ideal, veți avea nevoie de un dispozitiv care produce atât câmpuri electrice, cât și câmpuri magnetice în spațiu: ceva care posedă atât capacitate cât și inductanță într-o formă neecranată, unde câmpurile electrice și magnetice ar fi deschise spațiului. Cu alte cuvinte, veți avea nevoie de o antenă .

Note:

Scopul acestei întrebări este de a raporta conceptul de capacitate distribuită și inductanță de-a lungul unei bucăți de sârmă simplă până la natura undelor electromagnetice (câmpurile electrice și magnetice oscilante). Dacă elevii sugerează utilizarea condensatoarelor și inductoarelor, ele sunt aproape de marcă. Din păcate, aceste dispozitive sunt concepute, de obicei, să conțină câmpurile respective pentru a preveni radiația în spațiu. Aici dorim ca câmpurile să radieze de dispozitiv, deci folosim un fir deschis (sau o serie de fire deschise).

Întrebarea 8

Deși antenele cu transmițătoare radio posedă, în mod ideal, numai inductanță și capacitate (fără rezistență), în practică acestea se dovedesc a fi foarte disipative. Cu alte cuvinte, ele tind să acționeze ca rezistoare mari la transmițătoarele la care sunt conectate. Explicați de ce este acest lucru. În ce formă se manifestă energia disipată (căldură, lumină sau altceva)?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

În mod ideal, 100% din energia de intrare a unei antene lasă sub formă de radiație electromagnetică.

Note:

Deși studenții ar putea avea pe mulți să asocieze conceptul de "disipare" exclusiv cu rezistențe, acest lucru nu este complet corect. Tot ceea ce se înțelege prin "disipare" este dispersarea energiei; adică energia care părăsește un circuit electric și nu se întoarce. Cu rezistoare, acest lucru are loc sub formă de căldură, dar acest lucru nu este singurul tip de disipare! În motoarele electrice, cea mai mare parte a energiei este disipată sub forma energiei mecanice, care merge în muncă (și, desigur, căldură). Becurile difuzează energia sub formă de lumină, nu doar de căldură.

Întrebarea 9

O polenă de cristal poate fi spulberată dacă este expusă la sunet de înaltă intensitate. Este nevoie de un volum mai mic pentru a sparge paharul dacă sunetul este la o asemenea frecvență încât să rezoneze cu frecvența naturală a calciului. Asta înseamnă că va fi transferul maxim de energie în pahar dacă undele sonore sunt transmise exact la frecvența rezonantă a calotei.

Cum se corelează acest fenomen cu recepția undelor radio, deoarece știm că o antenă radio acționează efectiv ca o rețea rezonantă LC (inductanță / capacitate)?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

O antenă radio va primi energia electromagnetică într-un mod mai eficient dacă va fi dimensionat (reglat) cu frecvența exactă a undelor radio dorite.

Note:

Analogia unui cățel spulberat de undele sonore îi ajută pe elevi să se identifice cu un concept care altfel este abstract: recepția undelor electromagnetice de către o antenă. Cereți studenților dvs. să se refere la potrivirea frecvențelor cu transmiterea undelor radio, precum și recepția acestora.

Întrebarea 10

Undele radio sunt compuse din câmpuri electrice și magnetice oscilante, care radiază departe de sursele de curent alternativ de înaltă frecvență la (aproape) viteza luminii. O măsură importantă a undelor radio este lungimea lor de undă, definită ca distanța parcursă de undă într-un singur ciclu complet.

Să presupunem că un transmițător radio funcționează la o frecvență fixă ​​de 950 kHz. Se calculează lungimea de undă aproximativă (λ) a undelor radio emise de turnul emițătorului, în unitatea metrică de măsurare. De asemenea, scrieți ecuația pe care ați rezolvat-o pentru λ.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

λ ≈ 316 metri

Vă voi lăsa să găsiți ecuația pe cont propriu!

Note:

Opresc intenționat viteza luminii, precum și ecuația de timp / distanță / viteză, astfel încât elevii vor trebui să facă niște cercetări simple pentru a calcula această valoare. Nici unul dintre aceste concepte nu depășește nivelul elevilor de liceu din învățământul la nivel înalt și nu ar trebui să reprezinte nici o dificultate pentru studenții de la colegiu care să le poată găsi pe cont propriu.

Întrebarea 11

Antena de radio posedă atât capacitate parazită, cât și inductanță distribuită, distribuită pe toată lungimea sa:

În mod ideal, o antenă prezintă numai aceste proprietăți electrice, fără rezistență. Ce înseamnă acest lucru despre comportamentul electric al unei antene, mai ales în comparație cu comportamentul altor circuite LC pe care le cunoașteți cu "# 11"> Răspuns dezvăluiți Ascundeți răspunsul

O antenă radio are o frecvență rezonantă, la fel ca un circuit LC.

Următoarele întrebări: ce variabilă fizică determină frecvența rezonantă a unei antene?

Note:

Este important ca studenții să poată să coreleze informațiile noi cu ceea ce înțeleg deja. Prin compararea unei antene cu un circuit LC (rezonant), elevii ar trebui să poată prezice ceva despre comportamentul antenei și de ce este important să se potrivească o antenă cu frecvența de transmisie.

Întrebarea 12

Atunci când se efectuează teste pe un emițător radio, este adesea necesar să se facă acest lucru fără a transmite, de fapt, un semnal printr-o antenă. În astfel de scenarii, un rezistor echivalent este conectat la ieșirea emițătorului în locul unei antene reale. Dacă este ales corect, rezistorul "arată" la fel ca o antenă din perspectiva transmițătorului.

Explicați modul în care acest lucru este posibil, deoarece antenele reale sunt construite pentru a avea cât mai puțină rezistență posibilă. Cum poate un rezistor să înlocuiască în mod adecvat o antenă, care nu este nimic asemănător unui rezistor în construcție sau scop?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Deși o antenă are puțină rezistență reală, ea radiază energia în spațiu, la fel cum un rezistor disipează energia sub formă de căldură. Singura diferență semnificativă este că radiația unei antene este sub formă de unde electromagnetice la aceeași frecvență ca și ieșirea emițătorului.

Note:

Întrebați-vă elevilor ce criterii cred că trebuie să îndeplinească un rezistor pentru a servi în mod corespunzător ca o antenă "inactivă". Discutați impedanța, factorul Q, puterea, etc.

Întrebarea 13

Se calculează lungimea teoretică pentru o antenă "pe jumătate de undă", presupunând o frecvență de transport a transmițătorului de 105, 3 MHz:

De asemenea, calculați lungimea antenei practice având în vedere efectul ", ceea ce face ca lungimea electrică a antenei să fie ușor diferită de lungimea sa fizică (presupune un factor K de 0, 95).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

(((λ) / 2)) teoretic = 1.425 metri

(((λ) / 2)) practic = 1.353 metri

Note:

Aici, elevii trebuie să înțeleagă relația matematică dintre lungimea antenei și frecvența de operare, atât teoretică cât și practică.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →