XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление действующей модели радио Попова
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня заинтересовала тема радиоэлектроники, поэтому я захотел изучить устройство первого радио — радио Попова. Я наткнулся на эту тему, прочитав научный журнал. Благодаря этой работе я разобрался в устройстве первого радио, а также выступил в 9х классах, чтобы помочь им разобраться в теме.
Цель проекта: изучение свойств электромагнитных волн и сборка радио Попова
Задачи проекта:
Изучение свойств электромагнитных волн
Изучение устройства и принципа работы первого радио
Сборка радио из подручных средств
Теория по радиоволнам
Электромагнитные волны или их частный случай — радиоволны — это распространяющиеся в пространстве переменное электромагнитное поле. Теоретически их существование было предсказано и обосновано в 1864 году английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом.
Любое движение заряда с ускорением в пространстве вызывает переменное электрическое поле. Это поле будет порождать переменное магнитное поле, которое приведет к появлению другого переменного электрического поля на большем расстоянии от заряда.
В окружающем заряд пространстве, захватывая всё большие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей.
Направления этих двух колеблющихся векторов — напряженности электрического поля и индукции магнитного поля — перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.
Экспериментально существование электромагнитных волн было доказано Генрихом Герцем.
Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Именно при этом условии напряженность электрического поля и индукция магнитного поля будут меняться быстро.
Так как энергия волны зависит от частоты этой волны, то из закрытого колебательного контура(в нем не могут образоваться электромагнитные волны из за того что электрическое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное в катушке и они не пересекаются) был создан открытый колебательный контур путем разведения обкладок конденсатора и уменьшения площади пластин , тем самым уменьшения электрической ёмкости конденсатора и уменьшением индуктивности катушки, путем уменьшения количества витков в катушке, то есть открытый колебательный контур это просто разрезанный провод. Частота колебаний в котором будет большой, согласно формуле Томсона (период уменьшается, частота увеличивается).
Генрих Герц передавал сигналы как раз с помощью такого провода, который разрезали пополам, с расчетом, чтобы оставался небольшой воздушный зазор. Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда она превышала предельное значение, воздух в зазоре становился проводником, проскакивала искра –переменный ток, движение заряда с ускорением. В пространстве появляется электромагнитная волна.
Регистрировать радиоволны можно с помощью приёмного вибратора, представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. В нём под действием переменного электрического поля волны возбуждаются колебания тока. Регистрировать волну можно по искорке, проскакивающей между электродами.
Такое устройство работало на маленьком расстоянии, что могло пригодиться только в эксперименте. Необходим был более чувствительный и удобный способ обнаружения радиоволны.
Когерер
На основе работ и опытов Оливера Лоджа, Генриха Герца, Эдуарда Бранли, Александр Степанович Попов создал систему беспроводной радиосвязи.
Для регистрации электромагнитных волн Попов применил когерер. Этот прибор — трубка из диэлектрика с двумя электродами, между которыми находятся металлические опилки.
Принцип работы
В обычных условиях опилки имеют окисл, который не дает проходить току через когерер. Электромагнитная волна, проходя через опилки, вызывает небольшие искры между ними. Слой окисла разрушается, опилки слипаются, образуя хороший проводник. Если когерер встряхнуть, то контакт между опилками нарушается и сопротивление возвращается к исходному.
А. С. Попов применил в своей схеме реле и звонок.
При приёме электромагнитной волны когерер теряет сопротивление, сила тока в катушке реле возрастает и контакт 3 замыкается. Электрический ток проходит через катушку электрического звонка, молоточек бьёт по чашечке и возвращается обратно, так как цепь разомкнулась. Молоточек ударяет по когереру, возвращая его сопротивление в норму. Реле размыкается и аппарат готов к приёму новой волны.
Чтобы повысить чувствительность аппарата, Попов один из выводов заземлил (2), а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую антенну (1) для беспроводной связи. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приёма.
Изготовление радио из подручных средств
Так как все компоненты этого радио доступны, я решил попробовать его сделать.
Приборы и материалы
Паяльник с принадлежностями и другой инструмент
Пластиковая основа
Когерер:
Основа фломастера
2 болта
Металлические опилки
4. Светодиод
5. Тумблер
6. 2 зажима крокодильчика
7. Отсек для батареек
Процесс изготовления
Для начала я собрал сам когерер:
Проверил работоспособность с помощью мультиметра
Максимальное сопротивление (такое большое, что прибор его не может посчитать):
После произошедшего вблизи электрического разряда — минимальное:
Далее надо собрать рабочую основу. На ней будет размещаться когерер, тумблер, светодиод, показывающий наличие электромагнитной волны и блок питания.
Тумблер и крокодильчики:
Остальные компоненты:
Схема сборки:
После включения тумблера схема начинает работать. При приёме радиоволны цепь замыкается (когерер теряет сопротивление) и светодиод загорается. Чтобы подготовить прибор к приему новой волны, надо легонько ударить пальцем по когереру.
Для улучшения дальности приделаю антенну от старого радио-приёмника:
На рисунке также есть и заземление, но его я не делаю, потому что это не обеспечит мобильность моего устройства, также мне не нужны очень хорошие результаты дальности, так как аппарат используется для показания устройства и принципа работы.
Готовый аппарат:
Однако не все оказалось так просто. Когерер не показал хороших результатов. Он работал на расстоянии меньше метра, что мне не понравилось. После нескольких экспериментов, я все-таки добился нужного результата. Сделал когерер из 2х гвоздей, стержня от шариковой ручки и использовал латунные опилки:
Изготовление передатчика
Для создания электромагнитной волны хорошо подходит обычная пьезозажигалка с подключенной антенной. Радиоволна появляется при проскакивании искры, а антенна ее усиливает.
Заключение
Благодаря этой работе я углубил свои знания в теме электромагнитные волны, разобрался в принципе работы радио Попова, сделал свою модель радио.
Выступил в 9х классах своей школы, для того чтобы ученики лучше разобрались в материале школьной программы.
Используемая литература
Мамаев, О. Когерер — зернышко, из которого выросла радиосвязь /О. Тарасов // Наука и жизнь. – 2015. - №10. – С.86-93.
Мякишев, Г.Я. Физика 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций / Г.Я. Мякишев. -Москва: Просвещение, 2021. - 432 с.