История создания радио

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ОмГТУ)

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра "Средства связи и информационная безопасность"

Реферат

на тему "История создания радио"

"Средства связи с подвижными объектами"

Омск 2011

Содержание

Введение

1. Первый радиоприемник

2. Электронная эмиссия

3. Радиолампа в радиоприемнике

4. Ламповый радиоприёмник

5. Полупроводник как основа технической базы

6. Транзистор, полупроводниковый диод в радиоприемнике

7. Транзисторный радиоприемник

Заключение

Литература

Введение

Радио -- технология беспроводной передачи информации посредством электромагнитных волн радиодиапазона.

Технические методы и средства, с помощью которых это делается, составляют предмет радиотехники. Научным фундаментом которой является радиофизика. Радиофизика началась с уравнений, сформулированных в 1873 году Максвеллом. Рождение теории Максвелла было подготовлено длительным процессом постепенного накопления результатов многочисленных экспериментов.

Их история начинается с датского профессора Г. Эрстеда, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Далее английский физик М. Фарадей доказал, что магнитное поле рождает электрический ток. Максвелл пришел к выводу, что изменяющиеся электрические и магнитные поля, взаимно порождают друг друга, образуют единое переменное электромагнитное поле -- электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве со скоростью света. Это дало толчок для создания радио.

Также открытия физических явлений и их исследование дало начало постройке элементной базы, которая дала толчок в развитии и в создании радио. И уже теория начала применяться для решения практических задач.

История открытия радио, в которой сплелись имена многих исследователей разных стран, еще раз подтверждает важный закон истории науки, о котором писал Ф. Энгельс в 1894 г., за год до открытия радио, говоря, что, если время для открытия созрело, "это открытие должно было сделано".

1. Первый радиоприемник

Александр Степанович Попов создал первый радиоприемник в 1895. Первый радиоприемник А. С. Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри, называемая когерер. Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал "легкую встряску", сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал. На рисунке 1 представлен схема радиоприемник А. С. Попова.

[2]

Рис.1

2. Электронная эмиссия

Электронная эмиссия - это эффект вырывания электрона с поверхности металла при сообщении электрону энергии равной или больше чем работа выхода.

Работа выхода - это работа, которую необходимо совершить для вырывания электрона из металла в вакууме.

Различают 4 вида электронной эмиссии [5].

1. Термоэлектронная эмиссия. Испускание электронов нагретым металлом.

2. Фотоэлектронная эмиссия. Испускание электрона под действием излучения.

3. Вторичная электронная эмиссия. Испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов.

4. Автоэлектронная эмиссия. Испускание электронов с поверхности металла под действием сильного внешнего электрического поля.

Термоэлектронная эмиссия была открыта в середине 19 века Т.Эдисоном. Он наблюдал течения тока в вакууме между наколенным электродом и положительно заряженным электродом.

Фотоэлектронная эмиссия или фотоэмиссия была открыта Густавом Герцем в 1887. Он обнаружил, что при излучении ультрафиолетовым светом электродов, которым подана разность потенциалов, происходит испускание электронов.

Вторичная электронная эмиссия была открыта Л.Остином и Г.Штарке в 1902.

Автоэлектронная эмиссия была открыта в 1897 г. Р. Вудом.

радио электромагнитный полупроводник транзистор

3. Радиолампа в радиоприемнике

В радиолампе используется термоэлектронная эмиссия. Одной из таких ламп является диод. Он был создан Д. А. Флемингом в 1904.

Диод состоит из катода, анода и нагревательной нити. Анод заряжается положительно относительно катода и при подогретом катоде происходит испускание электронов. Ток в диоде может двигаться в одном направлении от катода к аноду. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и для детектирования.

Ток в диоде зависит от напряжения, однако, при увеличении напряжении на аноде, анодный ток в лампе достигает предела. На рисунке 2 показан график зависимости анодного тока (тока в диоде) от напряжения (подающегося на электроды). Точка S это точка где наступает насыщение лампы, то есть при увеличении напряжения анодный ток возрастать не будет, достигается предел анодного тока.

[1]

Рис.2

В 1906 инженер Л. Де Форест предложил ввести ещё один электрод между анодом и катодом. Данный электрод назвали сеткой. А лампу триод. При увеличении числа сеток название лампы менялось. При 2 сетках называлась тетрод при 3 сетках пентод и так далее. При подаче на сетку положительного напряжение ток в лампе уменьшается, а при подаче отрицательного напряжения ток в ламе усиливается. Лампы, имеющие сетку, могут усиливать ток. Такие лампы имеют две основные характеристики: крутизна лампы и коэффициент усиления.

Величина изменения анодного тока при увеличении напряжения на сетке называется крутизной лампы.[1]

Коэффициент усиления - это число, которое показывает во сколько раз изменение анодного напряжения больше изменения напряжения на сетке, которое производит то же действие на анодный ток.[1]

Также радиолампы имеют свои недостатки, в первую очередь - это нить накала. Она имела два недостатка, первый: из-за нагревания и охлаждения она очень быстро выходила из строя, второй: для начала работы лампы надо было ждать нагревания нити. И ещё один недостаток ламп - это их размеры. Самая большая радиолампа имела размер 2,5 метра, которая использовалась для трансляции, а самая меленькая имела размер 5 см.

4. Ламповый радиоприемник

На рисунке 3 представлена схема лапового радиоприемника. Он имеет пять радиоламп, четыре из которых - это триоды. Две из них усиливают модулированный высокочастотный ток, называются усилителями высокой частоты (УВЧ), две другие усиливают звуковую частоту, называются усилители низкой частоты (УНЧ), пятая - диод, который детектирует высокочастотные колебания - детектор (Д).

[1]

Рис.3

Модулированные колебания поступают на антенну, проходят через УВЧ, после чего они детектируются. После этого сигнал усиливается на УНЧ и поступает на громкоговоритель.

Модулированные колебания - колебания, получившиеся в результате сложения высокочастотных электромагнитных колебаний с низкочастотными (звуковыми) колебаниями.

Детектирование используется в радиоприемниках для того, чтобы сделать из модулированных колебаний (рисунок 4) ток одного направления или выпрямленный высокочастотный импульс (рисунок 5).

[1]

Рис.4

[1]

Рис.5

5. Полупроводник как основа технической базы

В 60-е годы 18 века благодаря трудам 4 ученым: Джозефа Пристли, Джамбатисты Беккариа, Джона Кантона, Генри Кавендиша - было отмечено, что есть особый класс веществ, которые проводят ток лучше, чем диэлектрики, но хуже чем проводники. В 1833 Фарадей обнаруживает странное поведение сопротивления некоторых веществ при изменении температуры и высказывает предположение, что есть особый класс веществ. Первое десятилетие 20 века Кенигсберг вводит понятие класса полупроводников и указывает его отличительные признаки. В 20-30 годы 20 века закладываются основы физики полупроводников.

Полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками из-за своего удельного сопротивления. Проводники - это вещества, в которых существуют свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему вещества. Диэлектрики - это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители заряда.

Полупроводниками являются 12 химических элементов и многие органические соединения.[3] Органические соединения -- класс соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).

Сопротивления полупроводников очень сильно зависит от температуры. На рисунке 6 представлен график зависимости сопротивления от температуры.

[3]

Рис.6

На графике представлены две кривые: кривая 1 показывает зависимость сопротивления от температуры для металлов, кривая 2 показывает зависимость сопротивления от температуры для полупроводников. На рисунке 7 показана структура полупроводниковых кристаллов кремния.

[3]

Рис.7

Образование кристаллов служит то, что атомы сближаются настолько близко, что их внешние электронные оболочки перекрывают друг друга. Такое взаимодействие оболочек приводит к тому, что валентные электроны соседних атомов становятся общими и, двигаются по орбитам, на каждой из которых может присутствовать не более 2-х электронов. Общие электроны, связывающие между собой атом, образуют ковалентную связь. На рисунке 8 представлено кристаллическая решетка кремния при воздействии на неё температуры. При температуре выше абсолютного нуля часть электронов за счет теплового колебания атомов может получить энергию достаточную для того, чтобы покинуть атомы, и происходит разрыв электронной пары. При абсолютном нуле чистый полупроводник без примесей обладал бы свойствами идеального изолятора, так как все валентные электроны в полупроводнике будут связаны и свободных электронов не будет. Также разрыв электронной пары может произойти под влиянием электромагнитных полей или при рентгеновском или радиоактивном излучении.

[3]

Рис.8

В связи с тем, что электронная пара терпит разрыв, появляется электрон, который перемещается по всему объему проводника и называется он свободный. Место, которое покинул электрон, становится пустым, называется - дырка. Она может быть заполнена валентными электронами из соседних связей. Если создать электрическое поле, то оно упорядочит движение электронов и дырок, что приведет к электрическому току. Ток в полупроводнике равен сумме дырочного тока и электронного. Данный вид проводимости в полупроводнике получил название собственной проводимости.

Отмечают ещё два вида проводимости.[3] Они встречаются, когда в полупроводник добавляют примесь.

1) Электронная проводимость получила название n-типа

2) Дырочная проводимость получила название p-типа

Они получили широкое применение для создания полупроводниковых элементов.

6. Транзистор, полупроводниковый диод в радиоприемнике

В 1947 году Бардин, Шокли, Браттейн создали первый полупроводниковый триод - транзистор.

Транзистор - это полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для усиления, генерирования и преобразований электрических колебаний различных частот. Транзистор представляет собой пластинку германия или кремния или другого полупроводникового материала, в объеме которого искусственно создано две области противоположные по электрической проводимости. Пластинка и две области в ней образуется два p-n перехода, каждый из которых обладает такими же свойствами, что и полупроводниковый диод. На рисунке 9 показана схема транзистора.

[2]

Рис.9

Если пластинка n-типа, а область p-типа то такой транзистор имеет структуру p-n-p,если же наоборот, то n-p-n. Пластинка называется базой Б, область меньшего объема - эмиттером Э, а область большего объема - коллектором К. Электронно-дырочный переход между К и Б называют коллекторным, между Э и Б эмиттерным.

На рисунке 10и 11 показано схематическое изображение транзисторов p-n-p и n-p-n типов.

[2]

Рис.10

[2]

Рис.11

Стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый радиоэлемент, обладающий способностью хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо в противоположном направлении. Данное свойство используют для выпрямления тока и для детектирования. Диод состоит из двух переходов n-типа и p-типа.

На рисунке 12 показана схема полупроводникового диода

[2]

Рис.12

При подаче отрицательного тока на n-переход и при подаче на p-переход положительного тока электроны в n-области будут двигаться в границе p-области, в то время как дырки будут двигаться к отрицательной области. Такое включение называется прямым. При подаче же тока наоборот произойдет скопление дырок на p-переходе и скопление электронов на n-переходе, произойдет уменьшение сопротивления. Такое включение называется обратным (данное включение можно ещё использовать для создания емкости в диоде из-за накопления в разных концах зарядов они создают собственно электрическое поле)[4].

Преимущество полупроводниковых радиоэлементов перед радиолампами в том, что они нехрупкие, в них отсутствует нить накала, они имеют малые габариты. Но в усилителях звука транзисторы дают шум, который не зависит от уровня сигнала. Он возникает из-за теплового движения свободных носителей зарядов в полупроводниках.

7. Транзисторный радиоприемник

На рисунке 13 представлена схема простейшего рефлекторного транзисторного радиоприемника. Транзистор VT1 служит усилителем высоких частот. Диод VD1 служит детектором.

[2]

Рис.13

На базу транзистора VT1 поступает радиосигнал, где он усиливается и идет на нагрузочный резистор R2. С резистора он поступает на диод, через разделительный конденсатор С3, где он детектируется. Колебания звуковой частоты преобразуется телефоном BF1. Из этого рисунка можно сделать вывод, что транзисторные радиоприемники имели гораздо меньшие габариты, чем ламповые. Функции транзистора такие же что у лампы.

Заключение

Изобретение радио является одним из величайших достижений человеческой культуры конца девятнадцатого столетия. Появление этой новой отрасли техники не было случайностью. Оно подготовлялось всем предшествующим развитием науки и отвечало требованиям эпохи.

Радио - это не только радиотелефонная и радиотелеграфная связь, радиовещание и телевидение, но и радиолокация и радиоастрономия, радиоуправление и многие другие области техники, которые возникли и успешно развиваются благодаря выдающимся учёным и изобретателям, одним из которых был наш соотечественник А.С. Попов. Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи.

В своём реферате я не стал акцентировать внимание на датах и событиях, лишь кратко обозначив значимые открытия и события в радиофизике и радиотехнике, повлиявшие на дальнейшее развитие радио. Я попытался показать этапы развития радио через развитие отдельных основных технических средств и методов, с помощью которых происходит радиосвязь.

Роль радио в эпоху новых технологий по-прежнему велика. Развитие новых технологий продолжается и в радиотехнике и в радиофизике.

Литература

1. Айсберг. Е. Радио?.. Это очень просто! - М.: Энергия, 1967. -208с.

2. Зубаков. Б. В., Чумаков. С. В. Энциклопедический словарь юного техника. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Педагогика, 1988. -464с.

3. Левинштейн М. Е. Знакомство с полупроводниками. - М.: Наука, 1984. -240с.

4. Эймишен Ж.-П. Электроника?.. Нет ничего проще! - М.: Энергия, 1970. - 248с.

5. Добрецов Л.Н. Эмиссионная электроника. - М.: Наука, 1966.-564с.

6. Чуянов В. А. Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 1984. - 352с.

7. Шапкин В. И. Радио: открытие и изобретение. -- М.: ДМК ПРЕСС, 2005.

Размещено на Allbest.ru