收音机的原理

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收音机的原理-以及优缺点
收音机是怎样接收到远方电台所传来的讯号的呢？
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john019

收音机的原理--电磁波



收音机的原理：
收音机是怎样接收到远方电台所传来的讯号的呢？
你注意到当收听 FM 电台时，天线的指向会影响接收的效果。
当在有着金属外壳的汽车内时，也不易收到讯号。所以汽车都需要将天线装在车外。
试试看！拿着收音机靠近一大片金属附近时，会发生怎样的情形！
无线电话是不是也有类似的情况？



收音机以及无线电话等通讯装置都是借着 『无线电波--电磁波』来传递讯号的。
这些无线电波又是怎么产生的呢？又是如何能传播很远的距离呢？
无线电波的发射端都有着和接收端一样的天线。



静止的电荷会产生静电场。（库仑定律）
运动的电荷（电流）则会在附近空间形成产生磁场。（安培定律）
随着时间变化的磁场会在附近空间建立电场（法拉地定律）
随着时间变化的电场则会在附近空间形成磁场。



发射端藉由发射器来变化 以改变发射天线上电荷的分布，
于天线两端产生的电位差（天线内形成的电场）使得金属天线内的电子朝向一端运动，
而形成 正电荷在一端，负电荷在另一端的分布情形。（为何只需要电子动即可？）
但是这样的电荷分布所形成的电场，只有邻近的天线才容易感受到影响。
这样的信号不仅不易侦测与接收。信号的强弱也与距离及方位有关。
若是让发射天线上的正负电荷分别在天线两端形成某特定频率周期性的分布变化
（也只需要让天线内的电子在小区域内（平均位置附近）作简谐运动即可，
电子流动时的平均飘移速度是很慢的。例如提供正弦交流变化的电压），
则接收天线上也会（感应）接收到相同频率的信号。
（信号的强弱仍然与距离及方位有关，但信号的频率则与距离及方位无关）
发射天线上两端正负电荷的分布随着时间变化，
则附近空间的电场也会因而随着时间产生变化。
只是天线上电荷的分布变化，向外传递时需要时间（电磁波以光速传播）
较远的地方，较晚感受到发射天线的变化。
也就是空间距离不同的地点，电磁场的变化会有时间上的延迟。
于是形成『电磁』波。讲的详细明确一点：
当发射器使得天线上的电荷加速时，于是在邻近空间形成变化的电场。
这变化的电场于是在邻近空间又形成变化的磁场。（马克斯威尔称为位移电流）
变化的磁场又在邻近空间形成变化的电场（法拉第定律）。如此继续周而复始。
所形成的电磁场随着空间的变化，在时间上会有所延迟，于是形成『电磁波』。
参考 java 物理动画： 电磁波的行进




这样的一个周期性变化的信号可以藉由 电感以及电容 组成的共振线路来提供。
将导线绕成螺旋状的线圈便可 形成一个 电感：
当电流流经线圈时，会在线圈内形成磁场。
若是电流随着时间发生改变，则线圈内的磁场也会因而发生变化。
当线圈内的磁通量 将 发生变化前，便会在线圈上形成感应电动势（未卜先知？）
（感应电动势 = 沿着线圈感应电场与路径向量内积的总和）。
感应电动势的产生，是由于自然界(空间)的另外一种『惯性』：
不希望 磁通量 发生变化的特性。
因此当 磁通量将会有较最大的变化量时，也会产生较大的感应电动势，
想要抵销磁通量的变化。
简单的说 感应电动势正比于 磁通量的变化量。
电感 等于 单位时间内 想有单位电流的变化时，所产生的感应电动势。
好厉害！当线圈的电流将要发生改变前，电感便会形成感应电动势来减缓电流的变化。
可不是电流已经发生改变了以后，才形成感应电动势来减缓其变化。
因此 我们说 电感两端电压的变化超前电流的变化。
对于 交流正弦的磁通量变化，所产生的感应电动势 也会是 正弦函数，
不过相差了 90度 相角（余弦）。
至于 感应电动势（电场）的方向如何决定呢？它的存在是为了
想要阻止电感上的电流发生变化，因此必然与电感上原来的电动势方向相反。
如此与原有外加的电动势相加，才能造成抵销的效果。
想一想：如果感应电动势 与电感线圈上原有的电动势方向并非相反而是相同。
则当电感上 电流（磁通量）将发生变化时，所感应的电动势与原有的电动势相加。
则会造成 更大的感应电流，于是又形成更大的感应电动势。又 ...
如此循环，则可以源源不断的 增加电流与磁场，而不需要外界提供任何能量。
由于 能量不可能 无中生有（只能从一种形式转换成另一种形式）
因此 感应电动势 必然需要与 原有的电动势方向相反。
否则便违反 能量守恒定律。
简单的说：电感不希望流经它的电流发生变化。



两片平行金属板便可以形成一个电容，
当加上电位差于两端时，会在平行金属板间建立电场。
任意两金属间，当加上一个电位差时。藉由电子的运动使得两金属体上分别形成正负电荷的分布。
金属板上电荷增加，于是在附近空间形成电场，于是金属板间也会形成电位差。
当电位差逐渐增加时，流到金属板上电流便会逐渐减少。直到两者相等时，不再有电流充电。
电容可以想成是 一种储存电荷（电能）的装置，
当电容两端的电压增加时，所能够储存的电荷也与电压等比例的增加。
于是 定义 电容两端加上单位电压时，所能储存的电荷便是其电容值。
电容：电荷的容量
由于电容两端的电压（电位差）与所储存的电荷量成正比。
若是想改变电容两端的电压 则必先有电流的形成，经过一段时间的充/放 电后，电压才会改变。
我们说 电容两端电流的变化超前 电压变化。
（对正弦变化的电流而言，则电容电压会是余弦函数，两者相位差 90度 )



若是我们将 电容与电感 串接在一起，然后两端加上电位差时。
由于线路上即将会形成电流的变化，于是会在电感两端形成感应电动势。
此感应电动势与刚接通瞬间电源电压相同。但电感本身也具有电阻值，于是形成电流。
接下去 电流开始增加：
此电流便会在电容两端充电，而逐渐形成电位差，
电感两端形成感应电动势 ，于是电感两端的电位差便逐渐减少，
当电感电压逐渐减少的同时时，电流逐渐增加使得电容电压逐渐增加，
当电感电压为零时，电流也增至最大，此时电容两端的电压等于电源的电压。
接下去电流开始减少：
此电流继续使电容充电，电容两端电压大于电源电压。
由于电流的减少使得电感两端形成 负的电位差。
电容电压 加上 电感电压 仍然等于电源电压。
当回路电流变为零，此时电感两端有最大的负电压，电容两端有最大的正电压。
接下去和刚开始时类似，只是 电流方向相反。最后回复到刚开始一样的情形。
于是以特定的频率 周而复始继续的变化。
此特定的频率由 电容与电感值所决定。
由于线路中存在电阻，能量会逐渐损耗，实际的 最大电流/电压都会逐渐减少。
若要变化继续维持，可以加上交流变化的正弦电压讯号。
此时 若是所外加的正弦电压频率 会影响 最大的电压或电流大小。
当 外加的电压信号频率 与 原来振荡频率越接近时，其电压/电流也会越大。
这种现象称为 共振。（请参考 Java 动画 ：RLC 交流振荡线路）
由以上分析可知 电感电容两端的电压有可能大于 电源的电压。
善加运用 不是就可以用来 放大信号吗？

运用同样的道理，当 接收天线 感测到 电磁场的变化时，藉由改变 电容或电感值，
让 线路的振荡频率与 接收的信号频率相同时，便可以逐次完全吸收 接收到的讯号
讯号加强后，便可以驱动 喇吧 而产生声音。
当你在选择不同的电台选转按钮时，便是在 改变按钮所连接的电容值。
使得线路的共振频率（接近或）恰等于电台频率时，
将电台的讯号增强后输送到放大器去，于是该电台的讯号被特殊的加强。
若是 线路对于频率的选择性不是很狭窄，则有时候会同时放大其它电台的讯号。
（天线会接收所有电台的电磁波讯号）
通常 收音机电台的发射天线是直立的，也就是电场在垂直方向变化。
由于地表本身是个良导体，所以当天线上的电子向上方加速时，
也会在地面上感应电荷重新分布，其结果类似地面下方也有另一个正电荷向下加速。
有点像 照镜子的作用。所以天线直立时，其等效长度 加倍。
当天线的长度恰好能形成驻波时，信号的强度最强。（长度为半波长整数倍）。
于是当天线实际长度为发射讯号波长的 1/4 时能够产生最强的讯号。
由于天线直立，于是向四面八方传播的讯号 电场方向也大多维持向垂直的方向，
因此 接收天线的讯号 通常在 直立方向时接收效果也最好。
（汽车上的天线方向，指向那里呢？）
当天线传播电磁波时，在与天线垂直方向上传送最多的功率。
当然 天线的长度若恰为波长的 1/4时也会有最好的接收效果。
有些天线则感应磁场的讯号，绕成循环（必须形成回路），
这些天线对长波长的信号特别有效（为什么呢？）
你想这种天线开如何摆设才能有效的感应空间磁通量的变化呢？



可是以上所讲的电磁波都是电场与磁场在空间中的变化，
而声波则是 空气中压力（密度）的变化所产生。
电磁波并不是声波，电台传送的也是电磁波？那么声波是如何传送的呢？
电台 将声波的讯号 借着电磁波 传送到远方。
（好象人搭车到远方一般，电磁波的速度--光速远大于声波的速度）
这其中到底是怎么一回事呢？



声波的频率（人耳听的到）在 20 - 20,000 比起电磁波小很多。
将声波的讯号 并入电磁波内传送到远方。通常的采用的方法有两种：
调幅 (Amplitude Modulation AM)：
调整让电磁波的振幅随着声波的振幅强弱而改变（振幅随时间改变）
所传送电磁波的频率不变。
当声波压力最大时，振幅也最大，当声波压力最小时，振幅也最小。
当声波完全消失时，并没有电磁波传送出去。如图
参考 HP 公司的 AM Java 动画



调频(Frequency ModulationFM )：
调整让电磁波的频率随着声波的振幅强弱而改变（频率随时间改变）
所传送电磁波的振幅则不改变。
当声波压力最大时，频率也增加最大，当声波压力最小时，频率也减少最小。
当声波完全消失时，所传送的频率就是电台的频率。如图
通常一般 调幅（AM）电台的频率在 550kHz - 1600 kHz.
而调频（FM）电台的频率在 88MHz - 108MHz
( 88 百万赫兹到 108百万赫兹，可是电台却常说成 88 兆赫 ，很奇怪！）
参考 HP 公司的 FM Java 动画



通常我们靠着机械或电子不同的方式去改变收音机的振荡频率接收喜欢的电台。
可是 当收音机太靠近电台发射器时，即使没有调到共振频率也会接收到很强的讯号，
或者说受到电台讯号强烈的干扰。因而丧失了选台的功能。
AM 电台的讯号强弱会随时需要调整，因而不能一直都传输最高功率，
当讯号过弱和背景讯号无法区分时，便产生连续的背景声音。
而 FM 电台的讯号则可以随时都以最高功率发射，于是噪声的问题就相对较少。
所以 播送 音乐时 以 那一种电台效果较好呢？
现代的 FM 电台还播送立体声呢？ 那又是如何传送的呢？
立体声表示有两个喇叭的声音，若 A 与 B 代表两个喇叭的声波的空气压力讯号。
将 A+B 的讯号 以 20-19000 Hz的讯号调频送出，C
将 A-B 的讯号 以 19020-38000 Hz的讯号调频送出，D
19000 Hz 的讯号则代表是 立体音。
接收器接收以后再 分为 A 与 B 个别的讯号，分别送到两个音箱，重现立体音。
知道是立体讯号时，将 D 类的讯号减去 19000 Hz 然后
与 C 相加便得 A，与 C 相减便得 B。
FM 的电台还是有其缺点：
高频的讯号波长短于是 大多直线前进，于是传送距离不易超过 100km.
（为什么呢？光波直进，但声波却会转弯--不需要面对面依然听得到）
低频的无线电讯号有另一个优点便是能藉由大气层内的电离层反射回来，
尤其太阳下山后，反射效果更好，于是可以收到很遥远的讯号。

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