其原理大致为:由燃料驱动线圈转动,由于线圈切割磁感线,从而发动机输出电能,实现由内能向机械能,再由机械能向电能的转化。
但由于线圈切割磁感线的过程中,线圈与磁感线的角度随着线圈的转动而变化,所以发电机所输出的电源并不是稳定不变的,而是按正弦规律变化。
电能在第二次工业革命之后,几乎成为了人类工业发展最为重要的能源。而由于获得电能的装置——发电机输出的电源按正弦规律变化,故正弦函数,成为了研究电学、设计电路、电器、电气装备的重要理论依据和数学工具。
此所谓“经济基础决定上层建筑”——发电机所产生电源的特点,直接决定了设计电源的“使用者”,即用电器时应当遵循的规则。
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05 神奇的波浪
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到了20世纪40年代,随着电话、电报、电台等无线通讯技术的诞生,关于电磁波的研究更是被推到了风口浪尖。而电磁波的产生,以收音机电台为例,是来自于RC振荡电路的。
RC振荡的原理属于模拟电子电路的研究范畴,较为复杂,在这里给出一个相对简单的介绍:
RC振荡器是一个将直流信号转变为交流信号(即符合正弦规律的信号)的电路,且能通过内部的运算机制实现交流信号幅度和频率的改变。不同的幅度和频率可被用来代表不同信息,再结合远距离传输,从而达到通信的目的。
可以发现,RC振荡器所输出的信号,同样满足正弦的变化规律。这样的信号,就是我们所熟悉的电磁波。
电磁波具有传输速度快、穿透能力强、能量衰减小等诸多优点,以电磁波为通信的物理载体,是再合适不过的了。而再复杂的电磁波,也能用最简单的sin/cos组合表示并模拟出来。而找到这样的sin/cos组合,就需要借助一个数学工具——傅立叶变换。
要理解傅立叶变换,对于大家而言可能比较困难。这里我给大家举一个简单的例子,看完这个例子过后,大家会对傅立叶变换的思想有一个初步的认识。
这张图是印尼爪哇岛某处的海滩,大家可以看到图中前浪推后浪的景象。同样,大家应该也观察到,水面的波纹形状是比较复杂的。
尽管波纹形状看起来复杂,但实际上,他们是由许许多多简单的“波纹”叠加而成的。什么是叠加?前浪拍,后浪推,两者碰撞,形成了新的“波浪”,而这新的“波浪”又与其他波浪之间碰撞,形成了丰富多样波纹规律,这就是叠加。
我们可以把这个现象抽象成以下形式:
这是波浪A
这是波浪B