Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков. Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами. Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны. Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении. Период(T) — время одного полного колебательного движения Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте: Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
«УКВ», «ДВ», «СВ»
Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км). Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня. Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м). Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м). Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м). Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями. Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне: Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м). Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях. Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах. Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м). Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
AM — FM
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона. АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания. Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.
На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.
Еще термины
Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля. Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала. Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».
Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление. Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения. Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.
В Уроке 1.5 мы уже знакомились с переменным током и напряжением.
Основными характеристиками переменного тока и напряжения являются амплитуда, частота и фаза. Мы говорили о переменном токе частотой 50 Гц, который используется в энергетике.
Но существуют в природе и на практике широко применяются токи и напряжения других частот.
Из физики известно, что вокруг провода с током существует электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света (С) и составляет 300 000 километров в секунду, или 3 х 10 8 метра в секунду. Основной принцип распространения электромагнитного поля заключается в том, что всякое изменяющееся электрическое поле (Е) вызывает появление изменяющегося магнитного поля (Н) сдвинутого относительно него в пространстве и во времени. Изменяющееся магнитное поле в свою очередь вызывает появление изменяющегося электрического поля также сдвинутого уже относительно него в пространстве и во времени.
Электрическое и магнитное поле имеет амплитуду и направление, поэтому их удобно условно отображать векторами.
Векторы электрического и магнитного поле взаимно перпендикулярны.
Направление распространения энергии электромагнитного поля перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектор электрического и магнитного поля и определяется вектором Умова-Пойтинга (Р).
При характеристике и анализе колебаний электромагнитного поля кроме амплитуды, частоты и фазы используют еще такую величину как «длина волны», обозначается λ (лямбда).
Чтобы определить длину волны в метрах, нужно скорость света С = 3 х 10 8 м/сек разделить на частоту в Герцах.
Чем выше частота, тем меньше длина волны.
Токи и напряжения более высоких частот вырабатываются уже не механическими генераторами, как в энергетике, а электронными генераторами или другими не механическими способами. При этом вырабатываемые токи и напряжения часто называют колебаниями.
В зависимости от частоты эти колебания ведут себя по – разному, и соответственно используются на практике по – разному.
Например, электромагнитные колебания выше 3 кГц способны распространяться в свободном пространстве на значительные расстояния, и их называют радиоволнами, иногда просто волны. Именно к радиоволнам в качестве характеристики используют выше приведенную нами величину «длина волны». Вот как выглядит условная картинка распространения радиоволн:
Колебания выше 300 ГГц называют излучением. Для наглядности ниже на графике изображено, как изменяются свойства колебаний в зависимости от частоты:
График дает приблизительную картину, а в таблице приведены более точные значения распределения частот в конкретных примерах:
Излучение атомов и молекул при тепловых и электрических воздействиях
12
7,5х10 14 Гц —
3х10 16 Гц
(380 – 10) нм
Ультрафиолетовое излучение
Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов
13
3х10 16 Гц –
Способ распространения радиоволн в свободном пространстве зависит от частоты (длины волны).
Например, метровые и более длинные волны при распространении огибают препятствия.
Дециметровые и более короткие волны распространяются прямолинейно, как луч света, и отражаются от препятствий, находящихся на их пути. Предел их распространения ограничен горизонтом. Для более дальнего распространения нужно поднимать антенны, или ставить ретрансляторы. Дальность распространения для этих волн определяется формулой:
Для длинных и сверхдлинных волн нужны очень мощные передатчики при работе на большие расстояния.
Короткие волны, даже при небольших мощностях передатчиков (десятки ватт), могут распространяться вокруг земного шара. Это, так называемый эффект Кабанова, когда волны отражаются от земли и ионосферы. При пере отражении они распространяются как в волноводе между Землей и ионосферой. Так как состояние ионосферы зависит от солнечной активности, а также других явлений, то и угол отражения этих волн сильно изменяется. Поэтому на коротких волнах мы слышим частые затухания, а иногда и полные пропадания сигнала.
Для сантиметровых волн, например, спутниковый сигнал, даже мокрая листва деревьев, непреодолимое препятствие. Многие замечали, как в дождь или тем более снег, портится, а то и совсем пропадает сигнал от спутника.
Для передачи сигналов высокой частоты между антенной и устройством нужны специальные экранированные кабели. При использовании обычных проводов сигнал ослабнет или вообще не будет передан. Дело в том, что если использовать обычные провода, то энергия высокочастотных колебаний перейдет в энергию электромагнитного поля не достигнув антенны.
На сантиметровых волнах и более коротких вместо специальных экранированных кабелей используют волноводы. Это специальные металлические трубы прямоугольного или круглого сечения строго определенных размеров и длины. Их цель донести энергию от устройства до антенны (если работает передатчик) и обратно (если работает приемник) с минимальными потерями.
На еще более высоких частотах используют оптоволоконные кабели.
Когда длина имеет значение: почему одни фотоны убивают, а другие нет
Почти в каждом школьном кабинете физики висела разноцветная диаграмма с картинками, которая гордо называлась «Спектр электромагнитного излучения». Условная синусоида начиналась слева, с радиоволн. Расстояние между соседними «горбами» в этой части было наибольшим. Частота колебаний является обратной длине волны величиной. Если длина волны есть расстояние между двумя «горбами» волны, то время, за которое она проходит это расстояние, определяется как расстояние, деленное на скорость. Время же есть единица, деленная на частоту. К правому концу диаграммы волна «сжималась», подобно пружине: длина волны уменьшалась, а частота увеличивалась. В левой части диаграммы располагались некие «гамма-лучи».
Почему одни волны короче или длиннее других? Причина в источнике этих волн — колеблющемся электрическом заряде. Чем быстрее колеблется заряд, тем меньше длина электромагнитного излучения. Если бы электромагнитное поле было водой в озере, а заряд — рыболовным поплавком, то круги на воде условно изобразили бы электромагнитные волны. Чем быстрее дергается поплавок, тем чаще отходят от него водные круги — колебания, и меньше расстояние между ними — длина волны.
Радиоволны порождаются колебаниями в проводниках с током, видимый свет — переходами электронов внутри атома, рентгеновские и гамма-лучи возникают, когда заряды движутся в электрическом поле атомного ядра, либо из-за процессов в самом ядре. Если говорить грубо, то, чем меньше «масштаб» взаимодействия, тем короче электромагнитная волна.
Волны или фотоны?
Физики называют фотоны переносчиками электромагнитного взаимодействия. Частицами. Стоит только свыкнуться с этой мыслью и нарисовать в воображении чрезвычайно быстрые «шарики», как те же физики начинают утверждать, что взаимодействие между зарядами осуществляется через колебания электромагнитного поля — волны. Ученые не сошли с ума, а вот фотоны «раздвоением личности» страдают, проявляя то волновые свойства, то свойства частицы.
Какую «личность» примерит на себя фотон зависит от объектов, с которыми он взаимодействует. Длина волны радиосигнала измеряется километрами. На его пути возникают дома, фонарные столбы, люди — объекты, намного меньшие, чем длина волны. Значит, излучение будет огибать их или отклоняться от первоначального направления при «встрече», то есть проявлять волновые свойства, подобно великану, который огромным шагом переступает целый город. Видимый свет имеет длину волны такую, что может «врезаться» в атомный электрон лоб-в-лоб и вытолкнуть его из атома. В этом случае он ведет себя как частица или бильярдный шар, ударившийся о другой шар.
Чем меньше длина волны излучения, тем меньше в мире остается препятствий, которые волна может «обойти», а значит, хочешь-не хочешь, взаимодействовать придется. Рентгеновское и гамма-излучение настолько коротковолновые, что все в мире, даже крошечные электроны — серьезное препятствие для них, как забор для мухи. Правда, до «забора» в виде атомного электрона или ядра фотоны могут долго лететь через вещество.
Преобладающая часть атома — это пустота. Огромная равнина с редкими заборами: по одному на каждый гектар. Когда длина волны излучения меньше расстояния между электронами и ядром, фотон словно «протискивается» сквозь атом. Чем меньше при этом плотность вещества, тем меньше вероятность попадания волны/фотона в атом. По этому принципу работает рентгеновская диагностика: более плотные кости задерживают рентгеновские лучи сильнее. Но часть фотонов пролетает все тело и рисует знакомые снимки.
Коротковолновое излучение опасно не только из-за того, что проникает куда угодно, в том числе, в человеческие ткани. Дело в том, что частота излучения прямо пропорциональна его энергии. Эта связь выводится в квантовой теории. Энергией определяется количество взаимодействий с атомами вещества — сколько из них фотон может «испортить» или ионизировать на своем пути, пока обессиленный не упадет после столкновения с последним «забором».
Ионизация вещества означает его уничтожение. Рушатся атомы, затем молекулы, а вслед за ними и клетки. «Радиация» в знакомом смысле этого слова буквально сжигает тело изнутри. К тому же излучение может проникнуть внутрь клеток и повредить молекулы ДНК. В этом случае потомство облученного человека будет под угрозой мутаций.
Когда энергия излучения достигает той, что нарабатывается в ускорителях, фотоны, проникая в ткани тела, множатся в геометрической прогрессии. В электрическом поле ядра они превращаются в пары частиц электрон-позитрон, которые сразу же аннигилируют — исчезают, оставляя после себя пару фотонов. Энергии новорожденных фотонов хватает, чтобы снова создать электрон-позитронные пары. Начинается лавинообразный процесс.
Резюме
Свет, радиоволны, рентген, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение — одно и то же с точки зрения физики. Чем меньше длина волны, тем большая проникающая способность у волн/фотонов. Энергия излучения увеличивается с уменьшением длины волны, а значит, коротковолновое излучение вредит людям больше, чем длинноволновое. Способ взаимодействия излучения с веществом зависит от его энергии (длины волны и частоты). Чем больше энергия, тем разрушительнее для вещества процесс взаимодействия.
На рисунке показаны основные параметры волны, используемые в физике:
Определение и формула длины волн
Длина представляет собой фактическое расстояние, пройденное волной, которое не всегда совпадает с расстоянием среды, или частиц, в которых распространяется волна. Ее также определяют как пространственный период волнового процесса.
Греческая буква «λ» (лямбда) в физике используется для обозначения длины в уравнениях. Она обратно пропорциональна частоте волны.
Период Т — время завершения полного колебания, единица измерения секунды (с).
У различных длин разная скорость распространения. Например, скорость света в воде равна 3/4 от скорости в вакууме.
Частота f — количество полных колебаний в единицу времени. Измеряется в Герцах (Гц).
При одном полном колебании в секунду f = 1 Гц; при 1000 колебаний в секунду f = 1 килогерц (кГц); 1 млн. колебаний в секунду f = 1 мегагерц (1 МГц).
Зная, что скорость света в вакууме с — 300 000 км/с, или 300 000 000 м/с, то для перевода длины волны в частоту нужно 3 х 10 8 м/с поделить на длину в метрах.
Свет, который исходит от Солнца, является электромагнитным излучением, которое движется со скоростью 300 000 км/с, но длина не одинакова для любого фотона, а колеблется между 400 нм и 700 нм. Длина световой волны влияет на цвет.
Таблица показывает длину волны в зависимости от цвета:
Излучения с длиной меньше фиолетового называются ультрафиолетовым излучением, рентгеновским и гамма-лучами в порядке уменьшения. Излучения больше красного называются инфракрасными, микроволнами и радиоволнами, в порядке возрастания.
Предельная дальность связи зависит от длины. Размеры антенны часто превышают рабочую длину радиоэлектронного средства.
Рисунок показывает длину волн и частоту (нм), исходящих от различных источников:
Примеры расчета длины волны для звуковых, электромагнитных и радиоволн
Задача №1
Скорость звука в воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний равна 725 Гц?
Задача №2
Мимо неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу озера, за 6 с. прошло 4 гребня волны. Расстояние между первым и третьим гребнями равно 12 м. Определить период колебания частиц волны, скорость распространения и длину волны.
Задача №3
Голосовые связки певца, поющего тенором (высоким мужским голосом), колеблются с частотой от 130 до 520 Гц. Определите максимальную и минимальную длину излучаемой звуковой волны в воздухе. Скорость звука в воздухе 330 м/с.
В Уроке 1.5 мы уже знакомились с переменным током и напряжением.
