Реферат
на тему:
Радіохвилі
Радіохвилі – це електромагнітні коливання, що розповсюджуються в
просторі із швидкістю світла (300 000 км/сек). До речі світло також
відноситься до електромагнітних хвиль, що і визначає їх вельми схожі
властивості (віддзеркалення, заломлення, загасання і т.п.).
Радіохвилі переносять через простір енергію, що випромінюється
генератором електромагнітних коливань. А утворюються вони при зміні
електричного поля, наприклад, коли через провідник проходить змінний
електричний струм або коли через простір проскакують іскри, тобто ряд
швидко наступних один за одним імпульсів струму.
Електромагнітне випромінювання характеризується частотою, довжиною хвилі
і потужністю переносної енергії. Частота електромагнітних хвиль показує,
скільки разів в секунду змінюється у випромінювачі напрям електричного
струму і, отже, скільки разів в секунду змінюється в кожній точці
простору величина електричного і магнітного полів. Вимірюється частота в
герцах (Гц) – одиницях названих ім’ям великого німецького ученого
Генріха Рудольфа Герца. 1 Гц – це одне коливання в секунду, 1 мегагерц
(Мгц) – мільйон коливань в секунду. Знаючи, що швидкість руху
електромагнітних хвиль рівна швидкості світла, можна визначити відстань
між точками простору, де електричне (або магнітне) поле знаходиться в
однаковій фазі. Ця відстань називається довжиною хвилі. Частота
електромагнітного випромінювання в Мгц.
З формули видно, що, наприклад, частоті 1 Мгц відповідає довжина хвилі
300 м. Із збільшенням частоти довжина хвилі зменшується, із зменшенням –
здогадайтеся самі. Надалі ми переконаємося, що знання довжини хвилі дуже
важливо при виборі антени для радіосистеми, оскільки від неї
безпосередньо залежить довжина антени. Електромагнітні хвилі вільно
проходять через повітря або космічний простір (вакуум). Але якщо на
шляху хвилі зустрічається металевий дріт, антена або будь-яке інше
провідне тіло, то вони віддають йому свою енергію, викликаючи тим самим
в цьому провіднику змінний електричний струм. Але не вся енергія хвилі
поглинається провідником, частина її відображається від поверхні. До
речі, на цьому засновано застосування електромагнітних хвиль в
радіолокації. Ще однією корисною властивістю електромагнітних хвиль
(втім, як і всяких інших хвиль) є їх здатність огинати тіла на своєму
шляху. Але це можливо лише у тому випадку, коли розміри тіла менші, ніж
довжина хвилі, або порівнянні з нею. Наприклад, щоб виявити літак,
довжина радіохвилі локатора повинна бути менше за його геометричні
розміри (менше 10 м). Якщо ж тіло більше, ніж довжина хвилі, воно може
відобразити її. Але може і не відобразити – пригадаєте американський
літак-невидимку «Stealth».
Енергія, яку несуть електромагнітні хвилі, залежить від потужності
генератора (випромінювача) і відстані до нього. По науковому це звучить
так: потік енергії, що доводиться на одиницю площі, прямо пропорційний
потужності випромінювання і обернено пропорційний квадрату відстані до
випромінювача. Це означає, що дальність зв’язку залежить від потужності
передавача, але в набагато більшому ступені від відстані до нього.
Наприклад, потік енергії електромагнітного випромінювання Сонця на
поверхню Землі досягає 1 кіловата на квадратний метр, а потік енергії
середньохвильової мовної радіостанції – всього тисячні і навіть
мільйонні долі вата на квадратний метр.
Розповсюдження радіохвиль
Найпростіший випадок — це розповсюдження радіо хвилі у вільному
просторі. Вже на невеликій відстані від радіопередавача його можна
вважати крапкою. А якщо так, то фронт радіохвилі можна вважати
сферичним. Якщо ми проведемо в думках декілька сфер, що оточують
радіопередавач, то ясно, що за відсутності поглинання енергія, що
проходить через сфери, залишатиметься незмінною. Ну, а поверхня сфери
пропорційна квадрату радіусу. Означає, інтенсивність хвилі, тобто
енергія, що доводиться на одиницю площі в одиницю часу, падатиме у міру
видалення від джерела обернено пропорційно до квадрата відстані.
Звичайно, це важливе правило застосовно в тому випадку, якщо не вжиті
спеціальні заходи для того, щоб створити вузьконаправлений потік
радіохвиль.
Існують різні технічні прийоми для створення направлених радіопроменів.
Один із способів рішення цієї задачі полягає у використанні правильних
грат антен. Антени повинні бути розташовані так, щоб послані ними хвилі
відправлялися в потрібному напрямі “горб до горба”. Для цієї ж мети
використовуються дзеркала різної форми.
Радіохвилі, мандрівні в космосі, відхилятимуться від прямолінійного
напряму — відображатися, розсіватися, заломлюватися — в тому випадку,
якщо на їх шляху зустрінуться перешкоди, сумірні з довжиною хвилі і
навіть дещо менші.
Найбільший інтерес представляє для нас поведінка хвиль, що йдуть близько
із земної поверхні. У кожному окремому випадки картина може бути вельми
своєрідною, залежно від того, яка довжина хвилі.
Кардинальну роль грають електричні властивості землі і атмосфери. Якщо
поверхня здатна проводити струм, то вона “не відпускає” від себе
радіохвилі. Електричні силові лінії електромагнітного поля підходить до
металу (ширше — до будь-якого провідника) під прямим кутом.
Тепер уявіть собі, що радіопередача відбувається поблизу морської
поверхні. Морська вода містить розчинені солі, тобто є електролітом.
Морська вода — чудовий провідник струму. Тому вона “тримає” радіохвилю,
примушує її рухатися уздовж поверхні моря.
Але і рівнинна, а так само лісиста місцевості є хорошими провідниками
для струмів не дуже високої частоти. Іншими словами, для довгих хвиль
ліс рівнина поводяться як метал.
Тому довгі хвилі утримуються всією земною поверхнею і здатна осягнути
земну кулю. До речі кажучи, цим способом можна визначити швидкість
радіохвиль. Радіотехнікам відомо, що на те, щоб осягнути земну кулю,
радіохвиля витрачає 0.13 с. А як же гори? Ну що ж, для довгих хвиль вони
не так вже високі, і радіохвиля завдовжки в кілометр більш менш здатна
осягнути гору.
Що ж до коротких хвиль, то можливість дальнього радіоприйому на цих
хвилях зобов’язана наявності над Землею іоносфери. Сонячні промені
володіють здатністю руйнувати молекули повітря у верхніх областях
атмосфери. Молекули перетворюються на іони і на відстанях 100-300 км від
землі утворюють декілька заряджених шарів. Отже для коротких хвиль
простір, в якому рухається хвиля, — це шар діелектрика, затиснутого між
двома провідними поверхнями.
Оскільки рівнинна і лісиста поверхні не є хорошими провідниками для
коротких хвиль те вони не здатні їх утримати. Короткі хвилі
відправляються у вільну подорож, але натикаються на іоносферу, що
відображає їх, як поверхня металу.
Іонізація іоносфери не однорідна і, звичайно, різна вдень і вночі. По
цьому шляху коротких радіохвиль можуть бути самими різними. Вони можуть
дістатися до вашого радіоприймача і після багатократних віддзеркалень із
Землею і іоносферою. Доля короткої хвилі залежить від того, під яким
кутом потрапляє вона на іоносферний шар. Якщо цей кут близький до
прямого, то віддзеркалення не відбудеться і хвиля піде в світовий
простір. Але частіше має місце повне віддзеркалення і хвиля повертається
на Землю.
Для ультракоротких хвиль іоносфера прозора. Тому на цих довжинах хвиль
можливий радіоприйом в межах прямої видимості або за допомогою
супутників. Направляючи хвилю на супутник, ми можемо ловити відбиті від
нього сигнали на величезних відстанях.
Супутники відкрили нову епоху в техніки радіозв’язку, забезпечивши
можливість радіоприйому і телевізійного прийому на ультракоротких
хвилях.
Цікаві можливості надає передача на сантиметрових, міліметрових і
субміліметрових хвилях. Хвилі цієї довжини можуть поглинатися
атмосферою. Але, виявляється, є ”вікна”, і, підібравши потрібним чином
довжину хвилі, можна використовувати хвилі, що залізають в оптичний
діапазон. Ну, а достоїнства цих хвиль нам відомі: у малій хвилевий
інтервал можна “вкласти” величезне число передач, що не перекриваються.
Як розповсюджуються радіохвилі
Радіохвилі випромінюються через антену в простір і розповсюджуються у
вигляді енергії електромагнітного поля. І хоча природа радіохвиль
однакова, їх здібність до розповсюдження сильно залежить від довжини
хвилі.
Земля для радіохвиль представляє провідник електрики (хоч і не дуже
хороший). Проходячи над поверхнею землі, радіохвилі поступово слабшають.
Це пов’язано з тим, що електромагнітні хвилі порушують в поверхні землі
електрострум, на що і витрачається частина енергії. Тобто енергія
поглинається землею, причому тим більше, чим коротше довжина хвиля (вище
частота). Крім того, енергія хвилі слабшає ще і тому, що випромінювання
розповсюджується на всі боки простори і, отже, чим далі від передавача
знаходиться приймач, тим менша кількість енергії доводиться на одиницю
площі і тим менше за неї потрапляє в антену.
Передачі довгохвильових мовних станцій можна приймати на відстані до
декількох тисяч кілометрів, причому рівень сигналу зменшується плавно,
без стрибків. Середньохвильові станції чутні в межах тисячі кілометрів.
Що ж до коротких хвиль, то їх енергія різко убуває у міру видалення від
передавача. Цим пояснюється той факт, що на зорі розвитку радіо для
зв’язку в основному застосовувалися хвилі від 1 до 30 км. Хвилі коротше
100 метрів взагалі вважалися непридатними для телекомунікації.
Проте подальші дослідження коротких і ультракоротких хвиль показали, що
вони швидко затухають, коли йдуть у поверхні Землі. При напрямі
випромінювання вгору, короткі хвилі повертаються назад.
Ще в 1902 англійського математика Олівер Хевісайд (Oliver Heaviside) і
американський інженер-електрик Артур Едвін Кеннеллі (Arthur Edwin
Kennelly) практично одночасно передбачили, що над Землею існує
іонізований шар повітря – природне дзеркало, що відображає
електромагнітні хвилі. Цей шар був названий іоносферою. Іоносфера Землі
повинна була дозволити збільшити дальність розповсюдження радіохвиль на
відстані, що перевищують пряму видимість. Експериментально це припущення
було доведено в 1923. Радіочастотні імпульси передавалися вертикально
вгору і приймалися сигнали, що повернулися. Вимірювання часу між
посилкою і прийомом імпульсів дозволили визначити висоту і кількість
шарів віддзеркалення.
Відобразившись від іоносфери, короткі хвилі повертаються до Землі,
залишивши під собою сотні кілометрів «мертвої зони». Долетівши до
іоносфери і назад, хвиля не «заспокоюється», а відображається від
поверхні Землі і знов спрямовується до іоносфери, де знову
відображається і т.д. Так, багато разів відображаючись, радіохвиля може
кілька разів осягнути земну кулю.
Встановлено, що висота віддзеркалення залежить в першу чергу від довжини
хвилі. Чим коротша хвиля, тим на більшій висоті відбувається її
віддзеркалення і, отже, більше «мертва зона». Ця залежність вірна лише
для короткохвильової частини спектру (приблизно до 25–30 Мгц). Для
коротших хвиль іоносфера прозора. Хвилі пронизують її наскрізь і йдуть в
космічний простір.
Радіохвилі УКВ діапазону по властивостях більшою мірою нагадують
світлові промені. Вони практично не відображаються від іоносфери, дуже
трохи огинають земну поверхню і розповсюджуються в межах прямої
видимості. Тому дальність дії ультракоротких хвиль невелика. Але в цьому
є певна перевага для радіозв’язку.
Оскільки в діапазоні УКВ хвилі розповсюджуються в межах прямої
видимості, то можна розташовувати радіостанції на відстані 150–200 км
один від одного без взаємного впливу. А це дозволяє багато разів
використовувати одну і ту ж частоту сусіднім станціям.
Властивості радіохвиль діапазонів ДЦВ і 800 Мгц ще ближчі до світлових
променів і тому володіють ще однією цікавою і важливою властивістю.
Пригадаємо, який влаштований ліхтарик. Світло від лампочки, розташованої
у фокусі рефлектора, збирається у вузький пучок променів, який можна
послати в будь-якому напрямі. Приблизно те ж саме можна виконати і з
високочастотними радіохвилями. Можна їх збирати дзеркалами-антенами і
посилати вузькими пучками. Для низькочастотних хвиль таку антену
побудувати неможливо, оскільки дуже великі були б її розміри (діаметр
дзеркала повинен бути набагато більше, ніж довжина хвилі). Можливість
направленого випромінювання хвиль дозволяє підвищити ефективність
системи зв’язку.
Пов’язано це з тим, що вузький промінь забезпечує менше розсіювання
енергії в побічних напрямах, що дозволяє застосовувати менш могутні
передавачі для досягнення заданої дальності зв’язку. Направлене
випромінювання створює менше перешкод іншим системам зв’язку, що
знаходяться не в створі променя.
При прийомі радіохвиль також можуть використовуватися достоїнства
направленого випромінювання. Наприклад, багато хто знайомий з
параболічними супутниковими антенами, що фокусують випромінювання
супутникового передавача в крапку, де встановлений приймальний датчик.
Застосування направлених приймалень антен в радіоастрономії дозволило
зробити безліч фундаментальних наукових відкриттів. Можливість
фокусування високочастотних радіохвиль забезпечила їх широке
застосування в радіолокації, радіорелейному зв’язку, супутниковому
віщанні, бездротовому
Необхідно відзначити, що із зменшенням довжини хвилі зростає їх
загасання і поглинання в атмосфері. Зокрема на розповсюдження хвиль
коротше 1 см починають впливати такі явища як туман, дощ, хмари, які
можуть стати серйозною перешкодою, що сильно обмежує дальність зв’язку.
Ми з’ясували, що хвилі радіодіапазону володіють різними властивостями
розповсюдження, і кожна ділянка цього діапазону застосовується там, де
краще всього можуть бути використані його переваги.
Джерела
Радіовипромінювання Сонця. Зареєстровано радіовипромінювання Сонця з
довжиною хвилі від декількох міліметрів до 30 м. Особливо сильно
випромінювання в метровому діапазоні; воно народжується у верхніх шарах
атмосфери Сонця, в його короні, де температура близько 1 млн. К.
Короткохвильове випромінювання Сонця відносно слабо; воно виходить з
хромосфери, розташованої над видимою поверхнею Сонця – фотосферою.
Галактичні радіоджерела. Вже перші спостереження Г.Ребера показали, що
радіовипромінювання Чумацького Шляху неоднорідний – воно сильніше у
напрямі центру Галактики. Подальші дослідження підтвердили, що основні
джерела радіохвиль відносно компактні; їх називають точковими або
дискретними. Зареєстровані вже десятки тисяч таких джерел.
Випромінювання космічних радіоджерел буває двох типів: теплове і
нетеплове (звичайно синхротронне). Теплове випромінювання народжується в
гарячому газі від випадкового (теплового) руху заряджених частинок –
електронів і протонів. Його інтенсивність в широкому діапазоні спектру
майже постійна, але на довгих хвилях вона швидко зменшується. Таке
випромінювання характерний для емісійних туманностей. Решта джерел має
нетеплове випромінювання, інтенсивність якого росте із збільшенням
довжини хвилі. У цих джерелах випромінювання виникає при русі дуже
швидких електронів в магнітному полі. Швидкості електронів близькі до
швидкості світла, і це не може бути слідством простого теплового руху.
Для розгону електронів до таких швидкостей в лабораторії використовують
спеціальні прискорювачі – синхротрони. Як це відбувається в природних
умовах, не зовсім ясно. Синхротронне випромінювання сильно поляризоване.
Це дозволяє виявляти його в космічних джерелах і по напряму поляризації
визначати орієнтацію їх магнітного поля. Таким методом досліджені
міжзоряні магнітні поля в нашій і сусідніх галактиках.
Одним з найважливіших досягнень радіоастрономії стало відкриття активних
процесів в ядрах галактик. Радіоспостереження указували на це ще в
1950-х років, але остаточне підтвердження з’явилося в 1962, коли за
допомогою 5-метрового оптичного телескопа обсерваторії Маунт-Паломар
(США) були незалежно виявлені бурхливі процеси в ядрі галактики М 82.
Іншим найважливішим відкриттям радіоастрономії вважаються квазари – дуже
далекі і активні позагалактичні об’єкти. Спочатку вони здавалися
рядовими точковими джерелами. Потім деякі з них були ототожнені із
слабкими зірками (звідси назва «квазар» – квазізоряне радіоджерело).
Зсув ліній в їх оптичних спектрах указує на те, що квазари віддаляються
від нас з швидкістю, близькою до швидкості світла і, відповідно до
закону Хаббла, відстані до них складають мільярди світлових років.
Знаходячись на таких гігантських відстанях, вони помітні лише тому, що
випромінюють з величезною потужністю – близько 1041 Вт. Це значно більше
потужності випромінювання цілої галактики, хоча розмір області генерації
енергії у квазарів істотно менше за розмір галактик і деколи не
перевершує розміру Сонячної системи. Загадка квазарів дотепер не
розкрита.
Ототожнення джерел. Зірки – слабкі джерела радіохвиль. Довгий час єдиною
зіркою на «радіонебі» було Сонце, і те лише завдяки його близькості. Але
в 1970-х роках Р.Хелмінг і К. Уейд з Національної радіоастрономічної
обсерваторії США відкрили радіовипромінювання від газових оболонок,
скинутих Новою Дельфіна 1967 і Нової Змії 1970. Потім вони виявили
радіовипромінювання червоного надгіганта Антареса і рентгенівського
джерела в Скорпіоні.
В.Бааде і Р.Мінковській з обсерваторій Маунт-Вілсон і Маунт-Паломар
(США) ототожнили багато яскравих радіоджерел з оптичними об’єктами.
Наприклад, яскраве джерело в Лободі опинилося пов’язаний з дуже далекою
і слабкою галактикою незвичайної форми, що стала прототипом
радіогалактик. Могутнє радіоджерело в Тільці вони ототожнили із залишком
вибуху найновішої зірки, відміченої в китайському літописі 1054. Могутнє
джерело в Касіопеї також виявилося залишком найновішої, такої, що
спалахнула всього років 300 тому, але не відміченої ніким.
У 1967 Е.Х’юиш, Дж. Бел і їх колеги з Кембріджа (Англія) відкрили
незвичайні змінні радіоджерела – пульсари. Випромінювання кожного
пульсара представляє строго періодичну послідовність імпульсів; у
відкритих пульсарів періоди лежать в інтервалі від 0,0016 з до 5,1 с.
Через 2 роки У.Кокки, М.Дісней і Д.Тейлор виявили, що радіопульсар в
Крабовидній туманності співпадає із слабкою оптичною зіркою, яка, як і
пульсар, змінює свою яскравість з періодом 1/30 с. Серед більше 700
відомих зараз пульсарів ще тільки один – в сузір’ї Вітрил (Vela) –
демонструє оптичні спалахи. З’ясувалося, що феномен пульсара пов’язаний
з нейтронними зірками, що утворилися в результаті гравітаційного колапсу
ядер масивних зірок. Маючи діаметр близько 15 км і масу як у Сонця,
нейтронна зірка швидко обертається і як маяк періодично «освітлює»
Землю. Поступово швидкість обертання пульсара сповільнюється, період між
імпульсами зростає, а їх потужність падає. Іноді спостерігаються різкі
збої періоду, коли у нейтронної зірки відбувається перебудова структури,
звана «зіркотрусом».3.4.Фонове випромінювання. Окрім ототожнених і
неототожнених дискретних джерел, спостерігається сумарний фон від
мільйонів далеких галактик і хмар міжзоряного газу нашої Галактики. З
підвищенням чутливості і що вирішує здібності радіотелескопів з цього
фону вдається виділити все більше дискретних джерел.
Радіовипромінювання планет. У 1956 К.Мейер з Військово-морської
лабораторії США відкрив випромінювання Венери на хвилі 3 см. У 1955
Б.Бурке і К.Франклін з інституту Карнеги у Вашингтоні виявили короткі
сплески радіовипромінювання від Юпітера на хвилі 13,5 м. Подальші
дослідження в Австралії показали, що сплески випромінювання від Юпітера
приходять в ті моменти, коли певні зони його поверхні звернені до Землі.
У дециметровому діапазоні окрім теплового випромінювання спостерігалося
і синхротронне, що указувало на наявність у Юпітера могутнього
магнітного поля, яке пізніше було дійсно виявлене космічними зондами.
Дослідження, радіолокацій планет, дозволяють точно визначати їх відстань
від Землі, швидкість їх добового обертання і властивості поверхні.
Радіолокація Венери дозволила вивчити топографію її поверхні, закритої
від оптичних телескопів щільним хмарним шаром.
Випромінювання водню. Нейтральний атомарний водень – можливо,
найпоширеніший елемент в міжзоряному просторі. Він здатний випромінювати
радіолінію з довжиною хвилі 21 см, яка була передбачена 1944
нідерландським теоретиком Х. Ван де Хюлстом і виявлена в 1951 Х.Юеном і
Э.Парселом з Гарвардського університету (США). Існування вузької лінії в
радіодіапазоні виявилося дуже корисним: вимірюючи її доплеровское зсув,
можна дуже точно визначати променеву швидкість спостережуваної хмари
газу. При цьому приймальна апаратура радіотелескопу сканує деякий
діапазон довжин хвиль в районі лінії 21 см і відзначає піки
випромінювання. Кожен такий пік – це лінія випромінювання водню, зміщена
по частоті із-за руху однієї з хмар, що потрапили у поле зору антени
телескопа.
Завдяки радіохвилям пізнається, і наш всесвіт, і відкриваються
елементарні частинки матерії. Навіть живі істоти випускають радіохвилі,
а тварини такі тваринні, як риба молот використовують їх для полювання.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
