Являются ли радиоволны материей – Знание школьникам: глобальная ошибка в теории излучения радиоволн!: blagin_anton — LiveJournal

Являются ли радиоволны материей – Знание школьникам: глобальная ошибка в теории излучения радиоволн!: blagin_anton — LiveJournal

Posted on

Материальны ли свет и звук? Или: Надо ли начинать курс физики с понятия «материя»?

Вначале – цитата из школьного учебника физики за 9-й класс (Кикоины) за 1998 год. По нему я учил школьников, а по предшествовавшему изданию когда-то учился сам. Это самые первые слова введения: «Всё, что реально существует в мире, на Земле и вне Земли, называют материей. Материальны окружающие нас тела и вещества, из которых они состоят. Звук, свет, радиоволны, хотя их телами не называют, тоже материальны – они реально существуют.»

Теперь – цитата из шведского учебника физики,  7-9 класс, 2000 год. Второй параграф называется «Материя – что это?»: «…Сама вода состоит всегда из одних и тех же маленьких частиц, хотя форма её меняется. Другие предметы состоят из подобных маленьких «строительных камней». Под материей мы понимаем все предметы, построенные из подобных маленьких «строительных камней». Всё, что ты можешь взять или взвесить есть материя. Железо, камень, стекло, пластик и дерево есть примеры материи. Но ты не можешь взять или взвесить теплоту, которая растапливает лёд, ты не можешь взвесить свет из карманного фонарика или звук от твоей гитары. Теплота, свет и звук не есть материя.»

Я почему-то думал, что начинать физику с объяснения, что такое материя – это чисто советское наследие. Оказывается – не так.

Можно углубиться в схоластический вопрос, кто прав, русские или шведы? В курсе обществоведения, который я изучал в 10 классе в 1986 году было чётко написано, что материя – это вещество и поле. А основных полей, как известно, четыре. Свет и радиоволны (как формы электромагнитного поля), в этой традиции материальны. Но насколько правильно в этой традиции говорить о материальности звука? Звук ведь есть просто форма движения частиц. Шрек на экране телевизора тоже получается материальным, так как он есть тоже форма движения луча по экрану. Можно, наверное, сказать, что звук существует не как материальная сущность, а как материальное явление. Как я думаю, такое расширенное понимание материи идёт от Ленина. Но пока мне не ясно, на какую традицию опираются шведы и вообще западный мир, когда пишут, что свет и звук – это не материя.

Перейдём от схоластике к педагогике. Я совершенно не убеждён, что изучение физики надо начинать с введения понятия «материя». Понятия в физике (и науке вообще) нужны для того, чтобы на основе них строить какую-нибудь теорию. Которая, в свою очередь отображает какой-то кусок действительности, и которую можно проверить в опыте. Понятие «материи» не входит ни в какую физическую теорию. Без этого понятия любой физик может обойтись. Школьнику это понятие тоже вроде бы ничего не добавляет. Никак предмет физики это понятие не объясняет и не определяет. Это получается объяснение более-менее известного и понятного через менее известное и понятное. О котором, как я показал, ни у философов, ни у педагогов общего мнения нет. Нигде далее в школьно курсе физики оно не встречается. При введении этого понятия в курсе физики у ученика может сложится впечатление, что утверждения «свет – материален» (у росийского) или «свет – не материален» (у шведского) – это не аналитические суждения («по определию»), а положения, доказанные современной наукой.

Теория радиоволн: ликбез / Habr

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

image

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:
image
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).
image
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).
image
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).
image
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).
image
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:

image
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

image
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
image
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.
image
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.

Радиоволны и распространение радиоволн

В данной статье расскажем вам про радиоволны и свойства их распространения.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Никола ТеслаНачнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром.

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

электромагнитная волна – синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ. Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в мощности колебаний и длине волны. В частности Тесла имел дело с радиоволнами. Фактически он и является изобретателем радио, а не Маркони с Поповым. Последние смогли описать радиоволны, поэтому их и считают изобретателями радио. Тесла был первооткрывателем, но у него в те времена не было научных объяснений, которые намного позже появились у Попова и Маркони. Кроме того, они использовали радиоволны в практических полезных целях. Тесла, в своё время писал о переносе информационного сигнала с помощью передатчика и приемника, но увлёкшись молниями, дойти до изобретения их практических устройств просто не успел. Резонный вопрос, а что же колеблется в электромагнитных волнах? Отвечу, далеко не углубляясь в ядерную физику, это фотоны – сгустки энергии, обладающие электромагнитным полем, но не обладающие массой. Именно эти свойства позволяют фотонам быть переносчиками энергии. Учёные-ядерщики и дальше «раскладывают» фотоны на составляющие элементы. Мы не будем продолжать этот ход мыслей, пожелаем им успехов, потому что это не по теме статьи. Если Вы противник считать что «эфир», это – электромагнитные волны, тогда попытайтесь принять, что «эфир» это – фотоны, а электромагнитные волны, это по своей сути — направленный поток фотонов.

Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну. Первым действующим источником радиоколебаний, изобретённым человеком и используемым с очевидным и рациональным успехом, был радиопередатчик-радиоприёмник Маркони (или Попова), использующий в качестве высокочастотного генератора – высоковольтный накопитель с искровым разрядником, подключенным на антенну — обыкновенный вибратор Герца.

картинка-схема передатчика и приемника Попова - Марконисхема передатчика и приемника Попова — Маркони

 

Свойства распространения электромагнитных волн

 

Дальность распространения электромагнитной волны зависит от частоты колебания переменного электрического тока (электромагнитного колебания). На частотах от единиц до тысяч Герц, соответствующих звуковому диапазону волн, электромагнитная волна, созданная в пространстве с помощью индуктивности, распространяется на расстояние, не превышающее одного-двух десятков метров, поэтому полезного практического применения не имеет. На частотах от сотен килогерц и выше, что соответствует диапазонам радиоволн, электромагнитная волна способна распространяться более чем на тысячи километров.

фотография высоковольтной линии электропередачДальность распространения электромагнитной волны так же зависит от мощности протекающего по проводнику тока. Как было указано ранее, низкочастотная электромагнитная волна полезного практического применения не имеет, но зато имеет вредное влияние. В качестве примера вредного влияния можно привести влияние высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) с напряжением в несколько десятков тысяч вольт на радиоприёмник проезжающего мимо автомобиля. Вокруг высоковольтных проводов формируется мощное электромагнитное поле, которое значительно превосходит по амплитуде электромагнитные колебания удалённых радиостанций и в приемнике вместо радиостанции слышен низкочастотный гул сетевого напряжения. Другой случай, когда происходит «глушение» радиоприёмника вблизи силовых линий электропередач при сетевом напряжении всего в 380 вольт, но токе свыше 100 ампер. В первом случае у нас большое напряжение, а во втором — большой ток. Из учебника физики средней школы известно, что мощность электрического тока в проводнике связана с напряжением и током через выражение Р=U*I. А чем больше мощность, тем дальше распространение электромагнитного поля и как следствие – электромагнитной волны, образуемой электромагнитным полем. Этим и объясняется влияние мощности на дальность распространения.

фотография высоковольтной линии электропередачПочему волна, про которую здесь пишется, называется электромагнитной? Потому, что она состоит из электрического и магнитного синусоидального колебания. Эти два вида колебаний ориентированы в пространстве друг относительно друга перпендикулярно – ровно на 90 градусов.
Когда электрическая волна «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную горизонтальную поляризацию.

Когда электрическая волна «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную вертикальную поляризацию.

Если электрическая волна (соответственно и магнитная волна) имеет наклон относительно линии горизонта – угол не равный нулю или 90 градусов, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную наклонную поляризацию.

круговая поляризация ЭМВСуществует так же другой вид поляризации, используемый для повышения дальности передачи (приема) и лучшей помехозащищённости радиоприёмной аппаратуры – круговая поляризация – вид поляризации электромагнитной волны, при котором за один период электромагнитного колебания радиоволна делает полный оборот на 360 градусов. Один из видов круговой поляризации – эллиптическая поляризация — «приплюснутая» в одной из плоскостей круговая поляризация.

Все указанные виды поляризации определяются устройством и ориентированием радиоантенны.

Практическая важность поляризации заключается в том, что если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой, или её вообще не будет.

Примером использования поляризации света – как вида электромагнитных колебаний является 3D-кинотеатр. Принцип действия систем 3D-видеоизображения основан на следующем: Фильм снимается на кинокамеры (видеокамеры) разнесённые в пространстве, как два глаза человека. При его показе в кинотеатре, два независимых проектора закрываются поляризационными светофильтрами, точно такие же светофильтры в виде плёнок стоят в очках кинозрителей. Правый проектор и правый глаз зрителя прикрыты светофильтром с вертикальной поляризацией, а левый проектор и глаз – фильтром с горизонтальной поляризацией. Таким образом, правый глаз видит картинку от правого проектора, а левый глаз от левого. В качестве фильтров могут использоваться и другие варианты разделения световых волн, но статья не об этом, поляризация света – один из способов селекции электромагнитных волн.

 

Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек. В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра – 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Типичным примером этому является микроволновая печь, разогревающая молекулы воды, содержащиеся в подогреваемой пище. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Немаловажным, являются свойства радиоволн распространяться в зависимости от их длины волны. Напомню, длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света):

формула частоты колебаний

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

 

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

 

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ», включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ».

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

подразделение на поддиапозоныДля передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию, что на английском звучит — amplitude modulation, и у буржуев обозначаются как — «АМ». Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит — frequency modulation, и у буржуев обозначаются как — «FМ» (по нашему «ЧМ»).

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).

длинноволновый диапазонСуществует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее(лучше по прямой) радиоволна распространяется.

Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.

Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.

Короткие волны распространяются «скачками», периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности.

Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна.

Простым примером использования длинноволнового диапазона является радиосвязь с подводными лодками. Для того, чтобы не быть замеченной противником выходя на связь с командованием флота, лодка всплывает на очень короткое время. Но если бы волны, используемые для связи с подводной лодкой распространялись бы «скачками», то не в любой точке земного шара была бы связь. А на практике, в каком бы месте земного шара лодка бы не всплыла, связь появляется сразу. Конечно в последнее время с развитием техники, подводные лодки используют различные диапазоны, в том числе космическую связь (через спутники связи) на СВЧ-диапазоне.

Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

От одного и того же радиопередающего устройства радиоволны отраженные от земной поверхности могут встретиться с неотражёнными волнами, или волнами, отражёнными от другого участка земной поверхности, или верхних слоёв атмосферы. В этом случае, происходит синфазное сложение радиоволн, или противофазное вычитание. В результате, в вертикальной плоскости пространства образуется изрезанная косекансная диаграмма направленности антенны. При синфазном переотражении радиоволн от земной поверхности на этих участках образуются зоны максимального переотражения – зоны Френеля. Если радиопередатчик имеет всенаправленную антенну (например штыревую), то зоны Френеля будут представлять из себя много колец на поверхности земли различного диаметра, в центре которых находится антенна. Диаметр колец может быть от десятков метров, до нескольких километров.

Для Вашей эрудиции: До военной агрессии в Югославии, американцы придавали большое значение противорадиолокационным ракетам, как средству уничтожения радаров противника. Противорадиолокационная ракета имеет самонаводящуюся радиоголовку, которая наводит ракету на сигнал радара. Но после этой своей миротворческой операции по превращению Югославии в марионеточное государство, они стали перевооружаться на ракеты с тепловыми головками самонаведения. Оказалось, что головки самонаведения противорадиолокационных ракет наводились на зоны Френеля, которые у вращающегося радара всё время меняются, в результате чего вычислитель ракеты не правильно определял координаты радара, и в лучшем случае ракета падала в одну из зон Френеля. Так, купленный у Советского Союза ещё в 80-х годах радар метрового диапазона волн, более 50 суток войны надежно обеспечивал Югославские ПВО информацией о полётах американцев. С его помощью был сбит не один чудо-самолёт-невидимка звёздно-полосатых. А по телевизору как обычно – врали, что американцы потерь не несут.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Влияние типа используемой антенны на качество и направленность приема (излучения) радиоволн

 

картинка-схема вибратора ГерцаКуда и как будет распространяться радиоволна, определяется размерами и формой антенны-излучателя радиоволн. Самой простой радиоантенной является Вибратор Герца. Это элементарный «кубик», который является основой для построения всех типов антенн.

Вибратор Герца – это два проводника, расходящиеся в противоположные стороны от «точки подключения энергии». По своей сути это «развернутый» колебательный контур. Для лучшего излучения радиосигнала, расстояние от конца одного проводника до конца другого должно быть равно половине длины волны излучаемого (или принимаемого) электромагнитного колебания. Это необходимо для того, чтобы на концах вибратора была максимальная разность потенциалов напряжения сигнала, а в центре вибратора – максимальная амплитуда тока. Правда необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая намного меньше чем в вакууме. В зависимости от частоты сигнала и металла, из которого изготовлен вибратор коэффициент укорочения может быть в пределах от 0,65 до 0,85. То есть вибратор должен быть равен половине длины волны, помноженной на коэффициент укорочения.

Для уменьшения габаритов антенны иногда используется вибратор, по длине равный одной четвёртой длины волны. Могут использоваться и другие соотношения, но при этом, качество приёма (передачи) и направленные свойства антенны изменяются.

Диаграмма направленности полуволнового вибратораДиаграмма направленности полуволнового вибратора имеет форму тороида вращения – форму «бублика». Если вибратор расположить горизонтально относительно земли, то зоны максимального приема (передачи) будут на линии перпендикулярной вибратору, а зоны минимального приема по торцовым сторонам вибратора. Но учтите, это без учёта влияния переотражения от земли. Если учитывать влияние переотражения от земной поверхности, проекция диаграммы направленности антенны (ДНА) вибратора окажется слегка вытянутой в направлениях максимумов.
На рисунке изображены тороид вращения и проекция диаграммы направленности антенны на горизонтальную поверхность с учётом влияния земли.

Вертикальная штыревая антенна     Вертикальная штыревая антенна – это видоизменённый вибратор Герца, у которого в качестве одного проводника используется сам штырь, а в качестве другого противовес – кусок свисающего вниз провода, человек, у которого в руках мобильная рация, или поверхность земли. Диаграмма направленности штыревой антенны, это тот же торроид, находящийся в горизонтальной площади, только за счёт отражения от земли торроид приплюснут снизу. Зона максимального приёма будет во все стороны, а минимального – над штыревым вибратором. Зону минимального приема, находящуюся над антенной называют – мёртвая зона, или мёртвая воронка.

В зависимости от соотношения длины штыревой антенны к длине волны, диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости так же изменяется. На рисунке схематично изображено, влияние отношения длины штыря к длине волны на формирование диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

ДНА в зависимости от длины штыря

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

пример двух радиотелефонов переносимых радиостанцийЕсли антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны. Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

 

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора и рефлектораИменно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

антенна "волновой канал", состоящая из рефлектора, петлевого полуволнового вибратора и одного директораСледующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора. Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал», состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка, в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения, или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

 

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

 

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель». Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

Радиоастрономия

Радиоволны

Радиоволны – электромагнитные волны, частоты которых ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 миллионов километров до 0,1 миллиметра.

Анимированная схема излучения радиоволн

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.

Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в множестве других приложений.

Радиоастрономия

Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн. Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение). Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.

Составное изображение содержит рентгеновские данные «Chandra» (красный цвет), которые показывают горячий газ в скоплении Центавра, а радиоданные Очень Большого Массива Телескопов Карла Янски (синий) показывают частицы высокой энергии. Данные «Hubble» в видимом свете (зеленый) демонстрируют галактики в скоплении и за пределами кластера. Credit: X-ray: NASA/CXC/MPE/J.Sanders et al.; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA

Реликтовое излучение также было впервые обнаружено с помощью радиотелескопов. Кроме того, радиотелескопы использовались и для исследования ближайших к Земле астрономических объектов, включая наблюдения Солнца и солнечной активности, и радарное картографирование планет Солнечной системы.

Инструменты радиоастрономии

Радиотелескопы – инструменты для приёма собственного радиоизлучения космических объектов и исследования их дислокации, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов, исследующих электромагнитное излучение. На более высоких частотах работают телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.

История радиотелескопов началась в 1931 году с экспериментов Карла Янски на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех он построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30,5 метров в длину и 3,7 метров в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 метров (20,5 МГц). Антенна соединялась с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.

В 1932 году Янски уже сообщал о первых результатах, полученных на своей установке. В статье сообщалось об обнаружении «постоянного шипения неизвестного происхождения», которое трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа». В двух своих следующих работах 1933 года и 1935 года Карл Янски постепенно приходит к заключению, что помехи производит центральная область нашей Галактики.

Янски сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30,5 метров в диаметре для работы на метровых волнах, однако его предложение не получило поддержки.

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США), заинтересовался работой Янски и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янски, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее.

Меридианный радиотелескоп Гроута Ребера

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты. Развивая аппаратуру, Ребер приступил к систематическому обзору неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода на волне 1,87 метров, показывающие центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы.

После Второй мировой войны произошли существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учеными в Европе, Австралии и США. Расцвет радиоастрономии привел к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Миллиметровое и субмиллиметровое излучение открывает окно в загадочную холодную Вселенную, но эти сигналы из космоса почти целиком поглощаются водяным паром в атмосфере Земли. Поэтому телескопы, работающие в этой области астрономии, должны устанавливаться на большой высоте над уровнем моря в местах с низкой влажностью воздуха. Именно таким местом является плато Чахнантор на высоте 5000 метров, где расположена одна из самых высокогорных радиоастрономических обсерваторий на Земле.

ALMA — сверхсовременный инструмент для изучения самых холодных объектов во Вселенной. Они излучают на волнах длиной около миллиметра, между инфракрасным светом и радиоволнами, поэтому такое излучение называется миллиметровым и субмиллиметровым. ALMA состоит из 66 высокоточных антенн, расставленных на расстояния до 16 километров друг от друга. Это крупнейший из существующих глобальных наземных астрономических проектов.

Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Credit: ESO

Радиоастрономия подарила мировому научному сообществу важные знания о самых далеких галактиках и потенциально угрожающих Земле астероидах, о сверхмассивных черных дырах и слияниях галактик. Таким образом, сегодня благодаря современным радиообсерваториям мы можем смотреть не только в прошлое, разбирая свет, идущий к нам миллиарды лет, но и делать прогнозы на как ближайшее, так и на весьма отдаленное будущее, не теряясь в пыли космического пространства.