Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke staženíEnglish translation

Polák Z.

V článku uvádím jak pomocí radiopřijímače, televizního přijímače a videomagnetofonu můžeme předvést většinu podstatných experimentů k problematice šíření elektromagnetických vln. Jak snadno a jednoduše ukázat principy přenosu zvukového signálu, absorpce, odrazu, polarizace i určení vlnové délky elektromagnetických vln.

S čím budeme provádět experimenty

Existuje celá řada profesionálních souprav pro demonstraci vlastností elektromagnetických vln. S úspěchem na naší škole používáme jak mikrovlnnou soupravu s frekvencí 10 GHz s výkonem několika mW dodávanou někdejším n.p. Komenium tak i modernizovanou soupravu s Lecherovým vedením na frekvenci 433 MHz  s výkonem až 10 W vyráběnou p. Hubeňákem z Hradce Králové. Kromě experimentů na těchto speciálně vyvinutých zařízeních předvádíme řadu doplňkových pokusů s předměty běžného vybavení domácností, které velmi dobře propojují ve škole získané poznatky s každodenní zkušeností. K takovým pokusům budeme potřebovat přenosný rozhlasový přijímač, analogový televizor, videomagnetofon a několik dalších věcí.

Pokusy s rozhlasovým přijímačem

K experimentům je vhodné malé tranzistorové rádio s příjmem středních vln. Čím jednodušší, tím lepší. Jde o to, že lepší rádia jsou vybavena účinnějšími obvody pro vyrovnávání citlivosti na sílu signálu, což je pro nás nevýhodné. Naopak potřebujeme, aby změna síly signálu se projevila změnou hlasitosti reprodukce. Pro příjem signálu je přijímač vybaven anténou. Liší se podle toho, kterou složku elektromagnetické vlny (dále jen EMV) budeme využívat. Drátová anténa využívá elektrickou složku a feritová anténa magnetickou složku. Feritová anténa je cívka s dlouhým dalece přečnívajícím jádrem z magneticky měkkého feritu. Používá se pro dlouhé a střední vlny, kde by drátová anténa s optimální délkou čtvrtiny vlnové délky musela být velmi dlouhá. Naopak pro krátké a velmi krátké vlny je výhodnější drátová, neboť běžně využívané pásmo VKV pracuje s vlnovou délkou cca 3 m a délka prutové antény pak vychází cca přijatelných 0,75m. Následující pokusy budeme provádět na rozsahu středních nebo dlouhých vln.

Určení polohy vysílače

Feritová anténa je v přijímačích vždy vodorovně, protože magnetická složka EMV je převážně orientována rovnoběžně se zemí. Přijímač bude získávat nejsilnější signál, jestliže magnetické indukční čáry budou procházet ve směru orientace feritové tyčky. Naopak signál bude nejslabší, pokud podélná osa feritky bude kolmá k indukčním čarám, tedy pokud osa feritky bude směřovat k vysílači respektive ležet v téže rovině jako anténa vysílače. Natáčením přijímače nalezneme směr s nejslabším příjmem. Vysílač leží v podélné ose antény. Zaměřením ze dvou různých míst lze určit přesně jeho polohu. Nebo opačně, zaměřením dvou různých známých vysílačů, určit svou polohu.

Pro ověření směru polohy českých vysílačů poslouží následující tabulka:

Stanice mají časová omezení vysílání. Více o vysílání a vysílačích, např. v [1].

Rádio ve Faradayově kleci

Malé rádio vložíme do elektricky vodivé krabice, případně přikryjeme kovovým, pletivem nebo alobalem. Příjem se velmi zeslabí, nebo dokonce zanikne. Postačí krabice od nápoje v krabici tetrapack, od džusu nebo od mléka. Variantou tohoto pokusu je volat na mobil zabalený do alobalu. Při dostatečně silné vrstvě bude nedostupný.

Citlivost rádia na rušení

V blízkosti rádia spusťte levnou nabíječku dobíjecích baterií se spínaným zdrojem. V podstatě každý spínaný zdroj je zdrojem rušení.Čím levnější, tím větší rušení. Kvalitní značkové zdroje jsou tak odrušené, že prakticky nic neslyšíte.

Spusťte v těsné blízkosti přijímače dálkové ovladač TV. Proudové impulsy napájející IR diodu jsou opět zdrojem silného rušení.

Vlastní rozhlasové vysílání

Budeme potřebovat RC generátor na dostatečně vysoké frekvenci nejméně 200kHz, lépe však okolo 1 MHz. Velmi dobrý je BM344, ale vyhoví i školní BK124, modulá-tor a zdroj nízkofrekvenčního signálu např. kazetový magnetofon. Modulátor je přípravek, který lze sestavit na prkénku hřebíčkovou konstrukcí. Schema zapojení viz obr. 2.

V případě použití elektronkového generátoru BM 344 není zapotřebí ani modulátoru a lze generátor spojit přímo s výstupem pro reproduktor z magnetofonu. Viz schéma na obr. 3. Jako anténu použijeme drát dlouhý 3 - 10 m. Vysokofrekvenční generátor nastavíme na frekvenci odpovídající zvolenému vlnovému rozsahu přijímače. Příjem signálu se projeví při  naladění na frekvenci generátoru zvýšeným šumem. Pak zapneme magnetofon a hlasitostí výstupu nastavíme vhodně silný signál pro optimální modulaci, aby signál přijímaný rádiem byl silný a nezkreslený.

Pokusy s televizními vlnami

Potřebujeme klasický analogový televizní přijímač a videomagnetofon s vysoko-frekvenčním výstupem. Propojíme videomagnetofon s televizorem dvěma za sebou spojenými koaxiálními kabely. Tak aby bylo možno cestu signálu uprostřed přerušit. Pustíme video a naladíme na televizoru příslušný kanál. Je dobré, pokud televizor zobrazuje i číslo naladěného kanálu a známe tak frekvenci přenášeného signálu. Kabely rozpojíme. Signál okamžitě zmizí. Pak umožníme šíření signálu do prostoru. Ke koncovkám kabelu připojíme malé prutové antény. Signál se opět objeví.

Více energie do prostoru i silnější signál do přijímače dostaneme použitím půlvlnného dipólu, kterým zakončíme jak kabel od videa, tak i kabel k anténě televizoru. Dipól má také výrazně směrový příjem, což umožní řadu pokusů.

Vlastní televizní vysílání

Koaxiální kabel od televizního přijímače připojíme k dipólu pomocí symetrizačního členu který umožní připojení a impedanční přizpůsobení dipólu ke koaxiálnímu kabelu. Viz obr. 6. Výstup bývá zakončen přímo konektorem se středovým kolíčkem a není tedy problém jej připojit přímo ke kabelu vstupu televize. Příjem tedy máme. Nyní vysílání. Jako vysílač bude sloužit videomagnetofon. Jeho výstup zakončíme anténou a tím dostaneme signál do prostoru. I zde je nutný symetrizační člen mezi koaxiálním kabelem a dipólem. Přívod ke tomuto členu je nutno zakončit souosým konektorem s centrální dutinkou. Viz obr. 5. Máme-li zakončen kabel od výstupu videa dipólem, můžeme začít vysílat. Při všech pokusech je třeba mít dostatek prostoru, protože vlny odražené od předmětů kolem nás mohou výsledek pokusu zcela změnit.

Směrovost vysílání a příjmu dipólů

Dipóly namíříme proti sobě a vzdálíme asi na dva metry. Pozorujeme, že přenos pokračuje. Jeden z dipólů namíříme mimo. Přenos se výrazně zhorší, nebo zanikne.

Absorpce

Nastavíme antény na dobrý přenos signálu. Pak mezi ně vkládáme různé materiály, případně se mezi ně postavíme sami. Dielektrikem signál prochází, vodičem ne, člověkem špatně.

Odraz

Antény namíříme šikmo do prostoru. Přenos je nekvalitní nebo žádný. Do vhodného místa umístíme odraznou desku. Přenos se výrazně zlepší.

Polarizace vlnění

Jeden z dipólů otočíme do svislé polohy. Přenos se výrazně zhorší, nebo zcela zanikne. Budou-li oba dipóly ve svislé poloze, přenos se obnoví.

Interference a měření vlnové délky

Antény dáme asi 1,5 m od sebe tak, aby kvalita přenosu byla ještě dostatečná. Těsně za vysílací anténu umístíme vodivou odraznou desku. Příjem se výrazně zhorší. Přímá a odražená vlna jsou v protifázi. Posuneme-li odraznou desku od vysílací antény o polovinu vlnové délky, signál se opět výrazně zhorší. Tuto vzdálenost změříme a určíme tak vlnovou délku. Jestliže víme na kterém kanálu přijímáme videosignál, pak známe jeho frekvenci. Tabulka frekvencí je třeba na [2]. Známe-li frekvenci a vlnovou délku, snadno určíme rychlost šíření EMV.

Poznámka

Veškeré vysílání podléhá zákonu o provozování těchto zařízení a nelze vysílat bez povolení. Proto důrazně doporučuji co časově omezit pokusy jen na předvedení daného jevu a rozhodně nezvyšovat vyzařovaný výkon nějakými dalšími úpravami.

Literatura

[1] http://www.radiokomunikace.cz/

[2] http://pc-site.owebu.cz/?page=KKanal

[3] http://www.tydyt.cz/kabely/rozhrani/tv_kanaly.htm

[4] http://elektrika.cz/data/clanky/rtrkm021015/view

[5] http://www.antena.cz/clanky/rozdeleni-tv-a-sat-pasma-kmitocty