Что такое радиоволна в физике

Естествознание. 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 13. Радиоволны и особенности их распространения

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Антенна – устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Интерференция волн – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких волн при их наложении друг на друга.

Рефракция – это явление преломления в тропосфере, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах, когда источник и приёмник волны находятся не на расстоянии прямой видимости.

Радиоволны – это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».

Ионосферная радиоволна – радиоволна, распространяющаяся в результате отражения от ионосферы или рассеяния на ней.

Радиопередатчик – это электронное устройство для формирования радиочастотного сигнала, подлежащего излучению.

Радиоприёмник – это устройство, соединенное с антенной и служащее для выделения сигналов из радиоизлучения.

Станция ретрансляции – станции, принимающие и передающие сигнал.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

VIII Международная студенческая электронная научная конференция.URL: https://www.scienceforum.ru/2016/1382/19939

Теоретический материал для самостоятельного изучения:

Если мы захотим представить современный мир без радиосвязи, то не сможем это сделать. Радиоволны окутывают наши тела и пространство вокруг нас.

Радиосвязь ускорила нашу жизнь. Исполнилась мечта людей об оперативной и быстрой передаче информации.

Английский физик и химик, член Лондонского королевского общества Вильямс Крукс создал прибор для изучения «сил отталкивания, возникающих в нагретых телах» который получил название радиометра.

Генрих Герц (1857–1894), немецкий ученый физик, профессор физики университета в Бонне, доказал существование электромагнитных волн. В 1888 году им был открыт способ получения и регистрации радиоволн.

В 1894г. сэр Оливер Джозеф Лодж (один из изобретателей радио и электрической свечи зажигания) смог усовершенствовать радиокондуктор, добавив специальный прерыватель (trembler), который встряхивал опилки после прохождения искрового разряда. Датчик получил название когерер.

Гульельмо Маркони в 1894 году задумался об использовании электромагнитных волн для передачи сообщений.

Построив станции беспроводного телеграфа в противоположных точках земного шара – одну в Англии, на полуострове Корнуолл, а другую в Канаде, на острове Ньюфаундленд, он, находясь в Канаде, 16 декабря 1901 г. принял первый трансатлантический радиосигнал с расстояния почти в 2100 миль.

В настоящее время исследования радиоволн ведутся во многих ведущих институтах мира.

Радиоволны – это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».

При излучении электромагнитных волн при смене частоты колебаний зарядов меняется длина волны и приобретается различные свойства. При данном процессе происходит выделение энергии.

Электромагнитные волны обладают способностью распространения. Движению зарядов свойственно ускорение, скорость которых меняется с течением времени и является главным условием для излучения электромагнитных волн. Мощность волны напрямую связана с силой ускорения и прямо пропорциональна ей.

Показатели, отражающие особенности электромагнитного излучения:

Современный радиопередатчик содержит: генератор незатухающих электрических колебаний; незамкнутую проволочную цепь– антенну, (являющуюся излучателем волн). Антенны имеют различную форму, благодаря чему от них получают направленное излучение. По всем горизонтальным направлениям одинаково дает излучения простая вертикальная антенна.

Антенна, которая состоит из двух вертикальных проводов, совершающих колебания в одинаковой фазе и расстояние между которыми равно полуволне, в результате интерференции сильно излучает в направлениях, перпендикулярных к плоскости проводов и практически не излучает в их плоскости.

С новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн.

Длина волны λ – минимальное расстояние между двумя точками, находящимися в одинаковом волновом состоянии.

Частота f – число волновых движений (длин волн), образующихся в одну

Скорость распространения с – скорость распространения волнового

процесса от источника энергии.

Эти характеристики связаны между собой формулой:

где с = 3·10 8 м/с – постоянная величина.

Дифракция – это свойство радиоволны огибать препятствие, которое встречается на их пути.

Рефракция – это явление преломления в тропосфере, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества. Проходя над поверхностью земли, радиоволны ослабевают, энергия поглощается землей. Энергия волны ослабевает и излучение распространяется во все стороны пространства, поэтому можно предположить, что чем дальше от передатчика приёмник, тем меньше энергии попадает в антенну.

Источник

Что такое радиоволны?

Краткий обзор

В данной статье объясняется что такое радиоволна, рассказывется история возникновения радиоволновой теории, классификации и применение радиоволн различной длины.

Теория

Радиоволны представляют собой электромагнитное излучение, а также микроволны, инфракрасное излучение, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Наиболее известное использование радиоволн – для общения. Телевещание, мобильная связь и радиоприемники получают радиоволны и преобразуют их в механические вибрации в динамике для создания звуковых волн, которые можно услышать.

Электромагнитное излучение передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны, увеличения энергии и частоты. Основными являются радиоволны, микроволны, инфракрасные (ИК), видимые, ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские и гамма-лучи.

По данным НАСА, радиоволны имеют самые длинные волны в электромагнитном спектре, в диапазоне от примерно 1 миллиметра до более чем 100 километров. Они также имеют самые низкие частоты: от 3 кГц до 300 ГГц.

Открытие

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, который разработал единую теорию электромагнетизма в 1870-х годах, предсказал существование радиоволн. Несколько лет спустя немецкий ученый Генрих Герц применил теории Максвелла для создания и получения радиоволн. Единица частоты волны электромагнитного излучения – один цикл в секунду – называется герцем в его честь.

Герц использовал разрядник, прикрепленный к индукционной катушке, и отдельный разрядник на приемной антенне. Когда волны, создаваемые разрядником передатчика катушки, были пойманы приемной антенной, электрические разряды начинали перескакивать через зазор между разрядниками. Герц доказал в своих экспериментах, что эти сигналы обладают всеми свойствами электромагнитных волн.

Диапазоны радиоволн

Национальное управление электросвязи и информации обычно делит радиочастотный спектр на девять полос.

Радиочастотные диапазоны НЧ и CЧ включают в себя морскую и авиационную радиосвязь, а также коммерческую связь. Большинство радиостанций в этих диапазонах используют амплитудную модуляцию, чтобы перевести полученные данные в слышимый сигнал на радиоволновую частоту. Мощность или амплитуда сигнала изменяются или модулируются со скоростью, соответствующей частотам слышимого сигнала, такого как голос или музыка. Когда сигнал частично заблокирован, громкость звука соответственно уменьшается.

ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазоны включают FM-радио, широкополосный телевизионный сигнал, радиослужбы общественного вещания, мобильные телефоны и GPS. Эти полосы обычно используют частотную модуляцию, чтобы перевести звуковой сигнал или сигнал данных на несущую волну. В этой схеме амплитуда сигнала остается постоянной, а частота изменяется немного выше или ниже со скоростью и величиной, соответствующей звуку или сигналу данных. Это приводит к лучшему качеству сигнала, чем с амплитудной модуляцией, поскольку факторы окружающей среды не влияют на частоту так, как они влияют на амплитуду, и приемник игнорирует изменения амплитуды, пока сигнал остается выше минимального порога.

Коротковолновая радиостанция

По данным Национальной ассоциации коротковолновых радиовещателей (NASB), радиоволны с короткой волной используют частоты в диапазоне ВЧ, от примерно 1,7 МГц до 30 МГц. В этом диапазоне коротковолновый спектр разделен на несколько сегментов, некоторые из которых отведены регулярным радиовещательным станциям, таким как «Голос Америки», Британская вещательная корпорация и «Голос России». По данным NASB, во всем мире есть сотни коротковолновых станций. Около 25 частных коротковолновых станций лицензированы в Соединенных Штатах Федеральной комиссией по связи.

По словам NASB, коротковолновые станции можно услышать на тысячи миль, потому что сигналы отражаются от ионосферы и возвращаются назад, на сотни или тысячи миль от места их происхождения.

FM-стерео

По мере роста популярности двухканальной стереофонической музыки спрос на стерео-радиовещание тоже вырос. Однако одноканальные (монофонические или моно) радиостанции уже широко используются и, вероятно, останутся таковыми в обозримом будущем. Проблема заключалась в том, чтобы создать систему, которая могла бы производить стереомузыку, но все же быть совместимой с существующими моноприёмниками.

Очень высокие частоты

СВЧ и КВЧ представляют собой самые высокие частоты в радиодиапазоне и иногда считаются частью микроволнового диапазона. Молекулы в воздухе, как правило, поглощают эти частоты, что ограничивает их диапазон и применение. Однако их короткие длины волн позволяют передавать сигналы в узких волнах с помощью параболических антенн, поэтому они могут быть эффективны для ближней связи с высокой пропускной способностью между фиксированными местоположениями. СВЧ, который меньше влияет на воздух, чем КВЧ, используется для устройств малого радиуса действия, таких как Wi-Fi, Bluetooth и беспроводной USB. Кроме того, волны СВЧ имеют тенденцию отскакивать от объектов, таких как автомобили, лодки и самолеты, поэтому эта полоса часто используется для радара.

Астрономические источники радиоволн

Космос изобилует радиоисточниками. К ним относятся планеты, звезды, газовые и пылевые облака, галактики, пульсары и даже черные дыры. Эти источники позволяют астрономам узнать о движении и химическом составе этих источников, а также о процессах, вызывающих эти выбросы.

По словам Роберта Паттерсона, профессора астрономии в Университете штата Миссури, астрономы используют большие радиотелескопы для картирования холодных нейтральных водородных облаков в галактиках. Эти облака представляют особый интерес, поскольку они выстраиваются вдоль спиральных рукавов галактик, таких как Млечный Путь, позволяя ученым отображать структуру облаков.

Специфические радиочастоты, соответствующие резонансным частотам общих атомов и молекул, зарезервированы FCC для исключительного использования радиоастрономами для предотвращения создания помех поскольку радиотелескопы чрезвычайно чувствительны к ним. Список этих частот можно найти на веб-сайте Национальной астрономии и ионосферы.

Согласно NASA, радиоастрономы часто объединяют несколько меньших радиотелескопов в массив, чтобы сделать более четкое или более высокое разрешение радио изображения. Например, радиотелескоп с очень большим массивом (САР) в Нью-Мексико состоит из 27 антенн, расположенных в огромном Y образце до 22 миль (36 км) в поперечнике.
По данным НАСА, радиотелескоп видит небо совсем не так, как кажется в видимом свете. Вместо того, чтобы видеть похожие на точки звезды, такой телескоп захватывает удаленные пульсары, звездообразующие области и остатки сверхновых.

Источник

Радиоволны

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре (например, в волноводных устройствах, в интегральных схемах СВЧ и др.), 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 других бесчисленных приложениях.

В зависимости от значения частоты (длины волны) радиоволны относят к тому или иному диапазону радиочастот (диапазону длин волн). Можно также вести классификацию радиоволн по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара.

Связанные понятия

1—2 мм, частота 300 ГГц).

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Радиоастрономия — раздел астрономии, изучающий космические объекты путём исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн (от миллиметровых до километровых).

1 МэВ), что соответствует длинам волн от

Астрономические радиоисточники (радиоисточники) — это объекты, находящиеся в космическом пространстве, и имеющие сильное излучение в радиодиапазоне. Такие объекты представляют одни из самых экстремальных и энергетических процессов во вселенной. Радиоисточники исследуются посредством регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.

Источник

Радиосвязь

Что такое радиоволны

ЛикБез > О Радиосвязи

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны.
Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.
Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.
Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Пример распределения спектра между различными службами [1].

Источник

Теория радиоволн: ликбез

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.

Источник