Физика радио самыми простыми словами.

Здравствуйте, мои Уважаемые Читатели! Сегодня (возможно) будет совсем скучно.
Дело в том, что рано или поздно, если Вас радио зацепило, Вы решите сдать экзамен на радиолюбительскую лицензию. Вот тут-то и понадобятся самые базовые знания физики электричества и радио. Ведь не сдавать же экзамен тупо вызубрив ответы? Поэтому давайте углубимся в дебри... Так, краем глаза :)

Известно, что радио - электромагнитный процесс. И чтобы голос далекого друга принять и услышать, надо этот голос как-то в эфир передать. Известно, что радиоволна является электромагнитной волной. Следовательно, все радио - взаимодействия производятся с использованием электрических сигналов. Вот и получается, что, для начала, из звука милого голоса надо каким-то образом сделать сделать электрический сигнал. Для решения задачи преобразования звуковой волны, распространяющейся в воздухе (голоса), в сигнал электрический, человеческий гений изобрёл микрофон.

1. Получение электрического сигнала из голоса.
Микрофон создает из звука, распространяемого в воздухе, подобный ему (звуку) электрический сигнал. В микрофоне есть тонкая мембрана (диафрагма), к ней приклеена катушка провода, рядом закреплен магнит. Звук голоса - это колебания воздуха. Эти колебания качают мембрану микрофона, а если двигать катушку провода в магнитном поле (вспоминаем школу), в ней возникает электрический ток. Мембрана колеблется в такт звукам голоса. Вместе с ней в поле постоянного магнита колеблется и катушка... По тонким и гибким проводам, подключенным к этой катушке, очень слабый электрический сигнал звуковой частоты поступает на выход микрофона. Готово! Электрический сигнал из звука получен!
Ниже - схема классического микрофона в разрезе. Микрофоны бывают и иных конструкций, но это уже совсем другая история (с).

Если к выходу микрофона подключить прибор, который визуализирует электрические сигналы (он называется ОСЦИЛЛОГРАФ), мы увидим примерно такую картинку:

Электрические колебания, полученные в результате преобразования голоса в звук, занимают полосу частот от 100 до 3000 Герц. 1 Герц - это единица измерения частоты. Названа в честь великого физика.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Герц,_Генрих_Рудольф
Например, комар машет крыльями с частотой 1000 герц, то есть 1000 раз в секунду, а шмель - 200. Ну а наши голосовые связки колеблются в диапазоне частот 100 - 3000 герц, если мы конечно не оперные певцы - у них диапазон шире. Это сигналы звуковой частоты.

2. Перенос электрического сигнала на радиочастоту.
Полученный электрический сигнал надо отправить в эфир, чтобы голос наш долетел до доброго друга на другом конце земли. Для этого его надо усилить (мощность сигнала от микрофона - примерно 1/100 000 доля ватта, это очень мало. Для сравнения посмотрите на мощности динамиков всяких там бубмбоксов), и отправить в антенну.

Первопроходцы радио так и делали - подключали микрофон к усилителю, усилитель к антенне и ...??? И ничего. Дальность радиосвязи была метров 10. И все... Оказалось, что электрические сигналы звуковой частоты создают радиоволны очень большой длины, которые очень сильно ослабляются атмосферным воздухом.

Попробуем вычислить длину волны для сигнала с частотой 1000 герц (1 килогерц). Это очень просто. Надо скорость распространения радиоволны (а она равна скорости света - 300 тысяч километров в секунду) поделить на частоту. Поделили? Получилось 300 километров? Правильно.

Теперь посмотрим на любой старый приемник. Там на шкале написаны длины волн. Самая длинная - 2 км. А наиболее популярные длины волн у радиолюбителей - 80, 40, 20, 15 и 10 метров. Какая же должна быть частота чтобы попасть на длину волны 40 метров?

Не утомляя расчетами - скажу. Примерно 7 100 000 герц (7,1 Мегагерц). Это - сигнал радиочастоты. К радиочастотам относятся частоты от в диапазоне от 30 Килогерц (длина волны 10 километров) до 3 Терагерц (длина волны 0,1 миллиметра).
https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоволны

Что же придумали товарищи ученые? Они взяли генератор электрического сигнала с частотой
7 100 000 герц (сигнал радиочастоты, в диапазоне коротких волн), и пропустили полученный от генератора сигнал через модулятор - простой прибор, который изменяет напряжение проходящего через него сигнала радиочастоты в такт сигналу звуковой частоты. В результате, получился МОДУЛИРОВАННЫЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ СИГНАЛ радиочастоты (правильный термин: амплитудно-модулированный сигнал).
На экране осциллографа сигнал радиочастоты, модулированный сигналом звуковой частоты выглядит так:

Мелкие волны - это сигнал радиочастоты. А пологая волна - это звук нашего голоса, сигнал звуковой частоты.

Радиосигнал готов. Усиливаем его усилителем до приличной мощности, ватт до 10 минимум, а лучше до ста, или ещё больше - и в антенну! Пусть летит по эфиру, со скоростью света, в антенну приемника нашего далекого друга. Ну и во все антенны во всем мире тоже. Пути радиоволн неисповедимы (с).

3. Радиоприем и демодуляция сигнала.
Чтобы наш далекий друг услышал наш сигнал, надо этот радиосигнал принять, и преобразовать из электрической формы в звуковую. Для этого надо проделать действия, описанные выше, но в обратном порядке: поймать слабый радиосигнал (его мощность не превышает одной миллионной доли ватта) антенной, усилить его немного, примерно до мощности 1/100 ватта, демодулировать (вычленить сигнал звуковой частоты из сигнала радиочастоты, модулированного сигналом звуковой частоты), еще усилить (примерно до 0,5 - 1 ватта) и подать в динамик (динамическую головку) - прибор который преобразует относительно мощный сигнал звуковой частоты в звук.

Для демодуляции сигнала используют радиоэлемент (радиодеталь) с односторонней проводимостью, который называется ДИОД.

В составе диодного детектора. Диод пропускает ток только в одну сторону - от минуса к плюсу. Эта способность диода позволяет выделить сигнал звуковой частоты из модулированного сигнала радиочастоты. Вот наименее заумная картинка, которая иллюстрирует работу диодного демодулятора (детектора). Сверху - сигнал до детектирования, снизу - после.

А вот и схема собственно диодного детектора, с иллюстрацией того, как происходит демодуляция (детектирование). Подробное описание работы диодного детектора широко доступно.

В общем, диодный детектор вычищает из принятого антенной сигнала все, что относится к радиочастоте, и оставляет только сигнал звуковой частоты. Если интересно разобраться в деталях - отвечу в комментах.

Усиливаем полученный сигнал звуковой частоты - и подаем на динамик (динамическую головку). А в динамике что? Правильно! Большая мембрана, к ней приклеена катушка, и рядом расположен магнит.

Только мы не снимаем электрический сигнал с катушки - а наоборот, подаем сигнал на нее! Катушка начинает двигаться в магнитном поле с частотой подаваемого на нее сигнала, и мы слышим звук голоса нашего далекого друга:))

Ну, или мяуканье кота, если вдруг кот помяукает в микрофон радиопередатчика.

Всем удачи, и 73!

P.S. Все картинки - из сети. Спасибо неведомым авторам за помощь в подготовке поста!