Какими свойствами обладают радиоволны
Радиоволны пронизывают наши тела и каждый миллиметр пространства вокруг нас. Без них невозможно представить жизнь современного человека. Радиоволны проникли в каждую сферу нашей жизни. Уже более 100 лет они являются частью нашей жизни и невозможно представать существование человека без них.
Что это такое?
Радиоволна – электромагнитное излучение, которое распространяется в пространстве с особой частотой. Слово «радио» произошло от латинского – луч. Одна из характеристик радиоволн – частота колебаний, которая измеряется в Герцах. Так она названа в честь немецкого учёного, физика Генриха Герца. Он получил электромагнитные волны и исследовал их свойства. Колебания волны и её частота связаны друг с другом. Чем выше последняя, тем короче колебания.
История
Существует теория о том, что радиоволны возникли в момент большого взрыва. И хотя магнитные волны были всегда, человечество открыло их для себя сравнительно недавно. В 1868 году шотландец Джеймс Максвелл в своей работе описал их. Затем немецкий физик Генрих Герц доказал в теории их существование. Это произошло в 1887 году. С тех пор интерес к магнитным волнам не иссякает. Исследования радиоволн ведутся во многих ведущих институтах мира.
Сферы применения радиоволн обширны – это и радио, и средства радиолокации, телевидение, телескопы, радары, микроволновые печи и всевозможные беспроводные средства связи. Широко используют их и в косметологии. Интернет, телевидение и телефония – все современные коммуникации, невозможны без магнитных волн.
Расширенное применение радиоволн
Именно благодаря изучению этого явления, мы можем отправлять информацию на расстояния. Радиоволны формируются при прохождении по проводнику высокочастотного электрического тока. Заслугу изобретения радио многие учёные приписывают себе. И почти в каждой стране есть такой гений, кому мы обязаны этим уникальным изобретением. В нашей стране считают, что одним из изобретателей был Александр Степанович Попов.
Изобретение радио началось с устройства радиокондуктора Эдварда Бранли в 1890 году. Этот французский учёный создал свой прибор на основе идеи Генриха Герца, которая заключалась в том, что когда электромагнитная волна попадает на радиоустройство, возникает искра. Прибор Бранли использовали для приёма сигнала. Первым опробовал этот прибор на 40 метров англичанин Оливер Лодж в 1894 году. Александр Попов усовершенствовал приёмник Лоджа. Произошло это в 1895 году.
Телевидение
Применение радиоволн в телевидении имеет тот же принцип. Телевышки усиливают и передают сигнал в телевизоры, и они уже преобразуют их в изображение. Применение радиоволн в сотовой связи выглядит так же. Только требуется более плотная сеть ретросерсорных вышек. Эти вышки являются базовыми станциями, которые передают сигнал и принимают его от абонента.
Сейчас распространена технология Wi-Fi, которая была разработана в 1991 году. Ее работа стала возможной после изучения свойств радиоволн и применение их значительно расширилось.
Именно радиолокация даёт представление о том, что происходит на земле, в небе и в море, и в космосе. Принцип работы прост – радиоволна, передаваемая антенной, отражается от препятствия и возвращается назад сигналом. Компьютер обрабатывает его и выдаёт данные о размере объекта, скорости передвижения и направлении.
Радары с 1950 г. применяются также на дорогах, для контроля скорости автомобилей. Это было обусловлено растущим количеством автомобилей на дорогах и необходимым контролем над ними. Радар — это устройство для дистанционного определения скорости движущегося автомобиля. Полицейские оценили удобство использования этого устройства и через несколько лет радары были на всех дорогах мира. С каждым годом эти приборы видоизменялись, совершенствовались и на сегодняшний день их есть огромное количество видов. Делятся они на две группы: лазерные и «доплеровские».
Свойства радиоволн
Радиоволны обладают интересными особенностями:
- если радиоволна распространяется в среде, отличающаяся от воздуха, то она поглощает энергию;
- траектория волны искривляется, если она находится в неоднородной среде и называется рефракцией радиоволны;
- в однородной сфере радиоволны распространяются прямолинейно со скоростью, зависящей от параметров среды, и сопровождаются убыванием плотности потока энергии с увеличением расстояния;
- когда радиоволны переходят с одной среды в другую, они отражаются и преломляются;
- дифракцией называется свойство радиоволны огибать препятствие, которое встречается на их пути, но здесь есть одно необходимое условие – величина препятствия должна быть соизмерима с длиной волны.
Виды волн
Радиоволны делятся на три категории: короткие, средние и длинные. К первым относят волны с длиной от 10 до 100 м, что позволяет создавать направленные антенны. Они могут быть земными и ионосферными. Применение коротким радиоволнам нашлось в связи и вещании на большие расстояния.
Длина средних волн обычно варьируется от 100 до 1000 м. Частоты, характерные для них — 526-1606 кГц. Применение средних радиоволн реализовано во многих каналах вещания России.
Длинная – это волна от 1000 до 10 000 м. То, что выше этих показателей, называют сверхдлинными волнами. Эти волны имеют свойства малого поглощения при прохождении через сушу и море. Поэтому основное применение длинных радиоволн — в подводной и подземной связи. Особым их свойством является устойчивость к напряжённости электрического тока.
Заключение
Наконец, стоит отметить, что изучение радиоволн идёт и по сей день. И, возможно, принесёт людям ещё немало сюрпризов.
Источник
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.
PS:
Надеюсь, информация описанная мной будет полезна и принесет некоторое понимание по данной теме.
Источник
Как распространяются радиоволны
Подробности
Категория: Радио
Опубликовано 12.07.2015 20:33
Просмотров: 7721
Если бы Максвелл не предсказал существование радиоволн, а Герц не открыл их на практике, наша действительность была бы совсем другой. Мы не могли бы быстро обмениваться информацией при помощи радио и мобильных телефонов, исследовать далёкие планеты и звёзды с помощью радиотелескопов, наблюдать за самолётами, кораблями и другими объектами с помощью радиолокаторов.
Каким же образом радиоволны помогают нам в этом?
Источники радиоволн
Источниками радиоволн в природе являются молнии – гигантские электрические искровые разряды в атмосфере, сила тока в которых может достигать 300 тысяч ампер, а напряжение – миллиарда вольт. Молнии мы наблюдаем во время грозы. Кстати, они возникают не только на Земле. Вспышки молний были обнаружены на Венере, Сатурне, Юпитере, Уране и других планетах.
Практически все космические тела (звёзды, планеты, астероиды, кометы и др.) также являются естественными источниками радиоволн.
В радиовещании, радиолокации, спутниках связи, стационарной и мобильной связи, различных системах навигации применяются радиоволны, полученные искусственным путём. Источником таких волн служат высокочастотные генераторы электромагнитных колебаний, энергия которых передаётся в пространство с помощью передающих антенн.
Свойства радиоволн
Радиоволны – это электромагнитные волны, частота которых находится в интервале от 3 кГц до 300 ГГц, а длина – от 100 км до 1 мм соответственно. Распространяясь в среде, они подчиняются определённым законам. При переходе из одной среды в другую наблюдается их отражение и преломление. Присущи им и явления дифракции и интерференции.
Дифракция, или огибание, происходит, если на пути радиоволн встречаются препятствия, размеры которых меньше длины радиоволны. Если же их размеры оказываются бόльшими, то радиоволны отражаются от них. Препятствия могут иметь искусственное (сооружения) или природное (деревья, облака) происхождение.
Отражаются радиоволны и от земной поверхности. Причём, поверхность океана отражает их примерно на 50% сильнее, чем сýша.
Если препятствие является проводником электрического тока, то какую-то часть своей энергии радиоволны отдают ему, а в проводнике создаётся электрический ток. Часть энергии расходуется на возбуждение электротоков на поверхности Земли. Кроме того, радиоволны расходятся от антенны кругами в разные стороны, подобно волнам от брошенного в воду камешка. По этой причине радиоволны со временем теряют энергию и затухают. И чем дальше от источника находится приёмник радиоволн, тем слабее сигнал, дошедший до него.
Интерференция, или наложение, вызывает взаимное усиление или ослабление радиоволн.
Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света (кстати, свет – это тоже электромагнитная волна).
Как и любые электромагнитные волны, радиоволны характеризуются длиной и частотой волны. С длиной волны частота связана соотношением:
f = c/λ,
где f – частота волны;
λ – длина волны;
c – скорость света.
Как видим, чем больше длина волны, тем меньше её частота.
Радиоволны разбиваются на следующие диапазоны: сверхдлинные, длинные, средние, короткие, ультракороткие, миллиметровые и децимиллиметровые волны.
Распространение радиоволн
Радиоволны разной длины распространяются в пространстве не одинаково.
Сверхдлинные волны (длина волны от 10 км и более) легко огибают большие препятствия вблизи поверхности Земли и очень слабо поглощаются ею, поэтому энергии они теряют меньше других радиоволн. Следовательно, затухают они также гораздо медленнее. Поэтому в пространстве такие волны распространяются на расстояния до нескольких тысяч километров. Глубина их проникновения в среду очень велика, и их используют для связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине, а также для различных исследований в геологии, археологии и инженерном деле. Способность сверхдлинных волн легко огибать Землю позволяет исследовать с их помощью земную атмосферу.
Длинные, или километровые, волны (от 1 км до 10 км, частота 300 кГц – 30 кГц) также подвергаются дифракции, поэтому способны распространяться на расстояния до 2 000 км.
Средние, или гектометровые, волны (от 100 м до 1 км, частота 3000 кГц – 300 кГц) хуже огибают препятствия на поверхности Земли, сильнее поглощаются, поэтому гораздо быстрее затухают. Они распространяются на расстояния до 1 000 км.
Короткие волны ведут себя иначе. Если мы настроим автомобильный радиоприёмник в городе на короткую радиоволну и начнём двигаться, то по мере удаления от города приём радиосигнала будет всё хуже, а на расстоянии примерно 250 км он прекратится совсем. Однако спустя некоторое время радиотрансляция возобновится. Почему так происходит?
Всё дело в том, что радиоволны короткого диапазона (от 10 м до 100 м, частота 30 МГц – 3 МГц) у поверхности Земли затухают очень быстро. Однако волны, уходящие под большим углом к горизонту, отражаются от верхнего слоя атмосферы – ионосферы, и возвращаются обратно, оставляя позади себя сотни километров «мертвой зоны». Далее эти волны отражаются уже от земной поверхности и снова направляются к ионосфере. Многократно отражаясь, они способны несколько раз обогнуть земной шар. Чем короче волна, тем больше угол отражения от ионосферы. Но ночью ионосфера теряет отражательную способность, поэтому в тёмное время суток связь на коротких волнах хуже.
А ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые с длиной волны короче 10 м), не могут отражаться от ионосферы. Распространяясь прямолинейно, они пронизывают её и уходят выше. Это их свойство используют для определения координат воздушных объектов: самолётов, стай птиц, уровня и плотности облаков и др. Но и огибать земную поверхность ультракороткие волны тоже не могут. Из-за того что они распространяются в пределах прямой видимости, их применяют для радиосвязи на расстоянии 150 – 300 км.
По своим свойствам ультракороткие волны близки к световым волнам. Но световые волны можно собрать в пучок и направить его в нужное место. Так устроены прожектор и фонарик. Точно так же поступают и с ультракороткими волнами. Их собирают специальными зеркалами-антеннами и узкий пучок посылают в нужном направлении, что особенно важно, например, в радиолокации или спутниковой связи.
Миллиметровые волны (от 1 см до 1 мм), самые короткие волны радиодиапазона, схожи с ультракороткими волнами. Они также распространяются прямолинейно. Но серьёзной помехой для них являются атмосферные осадки, туман, облака. Кроме радиоастрономии, высокоскоростной радиорелейной связи они нашли применение в СВЧ технике, используемой в медицине и в быту.
Субмиллиметровые, или децимиллиметровые, волны (от 1 мм до 0,1 мм) по международной классификации также относятся к радиоволнам. В природных условиях они почти не существуют. В энергии спектра Солнца занимают ничтожно малую долю. Поверхности Земли не достигают, так как поглощаются парами воды и молекулами кислорода, находящимися в атмосфере. Созданные искусственными источниками, применяются в космической связи, для исследования атмосфер Земли и других планет. Высокая степень безопасности этих волн для организма человека позволяет применять их в медицине для сканирования органов.
Субмиллиметровые волны называют «волнами будущего». Вполне возможно, что они дадут учёным возможность изучать строение молекул веществ совершенно новым способом, а в будущем, может быть, даже позволят управлять молекулярными процессами.
Как видим, каждый диапазон радиоволн применяется там, где особенности его распространения используются с максимальной пользой.
Источник