Last ned fra Depositfiles
3.2.2 Utbredelse av elektromagnetiske bølger
Blant elektromagnetiske felt generelt, generert av elektriske ladninger og deres bevegelse, er det vanlig å tilskrive stråling den delen av vekslende elektromagnetiske felt som er i stand til å forplante seg lengst fra kildene - bevegelige ladninger, som falmer saktest med avstanden. Slik stråling kalles elektromagnetiske bølger.
Elektromagnetiske bølger kan forplante seg i nesten alle medier. I et vakuum (et rom fritt for materie og kropper som absorberer eller sender ut elektromagnetiske bølger), forplanter elektromagnetiske bølger seg uten demping over vilkårlig store avstander, men i noen tilfeller forplanter de seg ganske godt i et rom fylt med materie (selv om de endrer oppførselen deres noe) .
For å måle avstander brukes elektromagnetiske bølger i nesten alle områder som er angitt i tabellen. 3.1, bortsett fra ultrafiolett stråling i det optiske området, korte radiobølger og ioniserende stråling.
Ved måling av avstander med elektromagnetiske bølger påvirkes både rekkevidde og nøyaktighet sterkt av forplantningsforholdene. Dette forstås som et helt kompleks av faktorer: egenskapene til selve bølgene, naturen til den underliggende overflaten, tidspunktet på dagen, atmosfærens meteorologiske forhold, etc.
Lysbølger og VHF-bånd forplanter seg nesten rettlinjet.
Diffraksjon centimeterbølger som brukes i radioavstandsmålere og VHF-systemer er så små at de ikke omslutter jordoverflaten. En slik konvolutt eksisterer i liten grad bare pga brytning .
(Diffraksjon - dette er fenomenet avvik fra lovene til geometrisk optikk under forplantningen av bølger. Spesielt er dette et avvik fra rettheten til forplantningen av en lysstråle. Refraksjon eller brytning - dette er en endring i forplantningsretningen til elektromagnetisk stråling som skjer ved grensesnittet mellom to medier som er transparente for disse bølgene eller i tykkelsen til et medium med kontinuerlig skiftende egenskaper).
Maksimal rekkevidde for VHF-systemer er begrenset av siktelinjen
. Begrensninger for siktlinje på jordens fysiske overflate avhenger av høyden på antennene og terrenget. Hvis vi bare tar hensyn til krumningen til den sfæriske jorden (uten relieff) og neglisjerende brytning, bestemmes den begrensende siktlinjeavstanden mellom to punkter av høydene til punktene 
og 
på følgende måte:
hvor er uttrykt i kilometer og høyder er i meter.
Når man tar hensyn til brytningskurvaturen til banen (for normal brytning), erstattes koeffisienten 3,57 i ligning (3,29) med 4,12 for radiobølger, og 3,83 for optiske bølger, dvs. brytning øker siktlinjeavstanden med omtrent 15 % for radiobølger og med 7 % for optiske bølger.
I tilfelle at for eksempel avstandsmåler- og reflektorantennene er montert på et konvensjonelt trestativ, dvs. 
, da vil siktlinjeavstanden beregnet ved formel (3.29) være 
. Hvis antennene er hevet til en høyde 
, da vil siktlinjeavstanden være 
.
For optiske bølger, i tillegg til siktlinje, tilstedeværelsen av optisk synlighet (gjennomsiktighet) .
Utbredelsen av lange og mellomstore radiobølger har spesifikke egenskaper. Den viktigste egenskapen er refleksjonen fra de øvre, sterkt ioniserte lagene av atmosfæren, som ligger i høyder på mer enn 60 km.
Dette fører til at ikke bare en direkte bølge som forplanter seg langs jordoverflaten (overflatebølge) kan nå mottakspunktet, men også en bølge som reflekteres fra ionosfæren, den såkalte himmelbølgen (fig. 3.11). I sonen der overflate- og rombølgene møtes, oppstår interferensen deres, på grunn av hvilken overflatebølgen som sender det nyttige signalet mottar amplitude- og faseforvrengninger, og hvis mottaksutstyret er plassert i en slik sone, kan målinger være svært vanskelige, og ofte umulig.
En himmelbølge som reflekteres fra ionosfæren kan forplante seg til mye større avstander enn en overflatebølge, som jordens form med sin relieff skaper hindringer for. På grunn av diffraksjon kan disse hindringene omsluttes av en overflatebølge, og rekkevidden av dens utbredelse avhenger av de absorberende egenskapene til jordoverflaten. For en himmelbølge blir dens delvise absorpsjon av ionosfæren og jordoverflaten også observert under multippel refleksjon fra de ionosfæriske lagene. Absorpsjon av jordoverflaten avhenger av bølgelengden, polarisasjonen og de elektriske egenskapene til en bestemt underliggende overflate.
Egenskapen til langdistanseutbredelse av en himmelbølge med flere refleksjoner fra ionosfæren er vellykket brukt i radiokommunikasjon, kringkasting og langdistanseradionavigasjon. men for geodetiske radioformål bruk av himmelbølger umulig, siden geometrien til passasjen ikke er gjenstand for streng vurdering. Derfor, for nøyaktige målinger skal kun overflatebølgen brukes .
Basert på ovenstående, for geodetiske målinger er kun optiske og VHF-bølger egnet .
Geodetiske avstandsmålere i det optiske bølgelengdeområdet brukes hovedsakelig til å måle avstander opp til 10 km.
Geodetiske radioavstandsmålere brukes til å måle avstander i størrelsesorden flere titalls kilometer.
Men i dag har nesten alle produsenter av geodetiske avstandsmålere sluttet å produsere radioavstandsmålere, og har fokusert innsatsen på lysavstandsmålere eller elektroniske totalstasjoner, som lysavstandsmåleren er en integrert del av. Denne situasjonen forklares av det faktum at i praksisen med geodetisk arbeid har teknologier levert av globale satellittnavigasjonssystemer blitt utbredt, takket være at det har blitt mulig å bestemme koordinatene til punkter på jordens overflate med høy nøyaktighet. Men det var nettopp for denne oppgaven at radioavstandsmålere ble designet. Avstanden mellom punktene målt ved hjelp av radioavstandsmålere ble deretter brukt til å beregne koordinatene til punktet som ble bestemt. Bruken av GNSS-mottakere gjør det mulig å eliminere den mellomliggende operasjonen med å måle avstanden mellom punkter, og umiddelbart motta koordinatene til punktet som bestemmes.
Elektromagnetiske bølger er forplantning av elektromagnetiske felt i rom og tid.
Som nevnt ovenfor, ble eksistensen av elektromagnetiske bølger teoretisk spådd av den store engelske fysikeren J. Maxwell i 1864. Han analyserte alle lovene for elektrodynamikk kjent på den tiden og gjorde et forsøk på å bruke dem på tidsvarierende elektriske og magnetiske felt. Han introduserte konseptet med et elektrisk virvelfelt i fysikken og foreslo en ny tolkning av loven om elektromagnetisk induksjon oppdaget av Faraday i 1831: enhver endring i magnetfeltet genererer et elektrisk virvelfelt i det omkringliggende rommet, hvis kraftlinjer er stengt.
Han la frem en hypotese om eksistensen av den omvendte prosessen: et tidsvarierende elektrisk felt genererer et magnetisk felt i det omkringliggende rommet. Maxwell var den første som beskrev dynamikken til en ny form for materie – et elektromagnetisk felt, og utledet et system av ligninger (Maxwells ligninger) som forbinder egenskapene til et elektromagnetisk felt med dets kilder – elektriske ladninger og strømmer. Gjensidige transformasjoner av elektriske og magnetiske felt skjer i en elektromagnetisk bølge. Fig. 2 a, b illustrerer gjensidig transformasjon av elektriske og magnetiske felt.
Figur 2 - Gjensidig transformasjon av elektriske og magnetiske felt: a) Loven om elektromagnetisk induksjon i Maxwells tolkning; b) Maxwells hypotese. Et elektrisk felt i endring genererer et magnetisk felt
Inndelingen av det elektromagnetiske feltet i elektrisk og magnetisk avhenger av valg av referansesystem. Det er faktisk bare et elektrisk felt rundt ladninger som hviler i én referanseramme; de samme ladningene vil imidlertid bevege seg i forhold til en annen referanseramme og generere i denne referanserammen, i tillegg til elektrisk, også et magnetfelt. Dermed koblet Maxwells teori sammen elektriske og magnetiske fenomener.
Hvis et vekslende elektrisk eller magnetisk felt eksiteres ved hjelp av oscillerende ladninger, oppstår en sekvens av gjensidige transformasjoner av elektriske og magnetiske felt i det omkringliggende rommet, som forplanter seg fra punkt til punkt. Begge disse feltene er virvel, og vektorene og er lokalisert i gjensidig vinkelrette plan. Prosessen med forplantning av det elektromagnetiske feltet er skjematisk vist i fig. Denne prosessen, som er periodisk i tid og rom, er en elektromagnetisk bølge.
Figur 3 - Prosessen med elektromagnetisk feltutbredelse
Denne hypotesen var bare en teoretisk antagelse som ikke hadde eksperimentell bekreftelse, men på grunnlag av den klarte Maxwell å skrive ned et konsistent system av ligninger som beskriver de gjensidige transformasjonene av elektriske og magnetiske felt, dvs. et system av ligninger for det elektromagnetiske feltet .
Så en rekke viktige konklusjoner følger av Maxwells teori - hovedegenskapene til elektromagnetiske bølger.
Det er elektromagnetiske bølger, dvs. elektromagnetiske felt som forplanter seg i rom og tid.
I naturen fungerer elektriske og magnetiske fenomener som to sider av en enkelt prosess.
Elektromagnetiske bølger sendes ut av oscillerende ladninger. Tilstedeværelsen av akselerasjon er hovedbetingelsen for stråling av elektromagnetiske bølger, dvs.
- - enhver endring i magnetfeltet skaper et elektrisk virvelfelt i det omkringliggende rommet (fig. 2a).
- - enhver endring i det elektriske feltet eksiterer et virvelmagnetisk felt i det omkringliggende rommet, hvis induksjonslinjer er plassert i et plan vinkelrett på linjene til det vekslende elektriske feltet, og dekker dem (fig. 2b).
Induksjonslinjene til det fremkommende magnetfeltet danner den "riktige skruen" med vektoren. Elektromagnetiske bølger er tverrgående - vektorer og er vinkelrett på hverandre og ligger i et plan vinkelrett på bølgenes utbredelsesretning (fig. 4).
Figur 4 - Tverrgående elektromagnetiske bølger
Periodiske endringer i det elektriske feltet (styrkevektor E) genererer et skiftende magnetfelt (induksjonsvektor B), som igjen genererer et skiftende elektrisk felt. Oscillasjoner av vektorene E og B forekommer i gjensidig vinkelrette plan og vinkelrett på bølgeutbredelseslinjen (hastighetsvektor) og faller sammen i fase på et hvilket som helst punkt. Kraftlinjene til de elektriske og magnetiske feltene i en elektromagnetisk bølge er lukket. Slike felt kalles vortex.
Elektromagnetiske bølger forplanter seg i materien med en begrenset hastighet, og dette bekreftet nok en gang gyldigheten av kortdistanseteorien.
Maxwells konklusjon om den endelige forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger var i konflikt med langdistanseteorien som ble vedtatt på den tiden, der forplantningshastigheten til elektriske og magnetiske felt ble antatt å være uendelig stor. Derfor kalles Maxwells teori kortdistanseteorien.
Slike bølger kan forplante seg ikke bare i gasser, væsker og faste medier, men også i vakuum.
Hastigheten til elektromagnetiske bølger i vakuum с=300 000 km/s. Forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger i vakuum er en av de grunnleggende fysiske konstantene.
Utbredelsen av en elektromagnetisk bølge i et dielektrikum er en kontinuerlig absorpsjon og re-emisjon av elektromagnetisk energi av elektroner og ioner av et stoff som utfører tvangssvingninger i et vekslende elektrisk felt i bølgen. I dette tilfellet avtar bølgehastigheten i dielektrikumet.
Elektromagnetiske bølger bærer energi. Når bølger forplanter seg, oppstår en strøm av elektromagnetisk energi. Hvis vi skiller ut et område S (fig. 4) orientert vinkelrett på bølgeutbredelsesretningen, vil det i løpet av kort tid Dt strømme en energi DWem gjennom området lik
DWem \u003d (vi + wm) xSDt.
Når du beveger deg fra ett medium til et annet, endres ikke frekvensen til bølgen.
Elektromagnetiske bølger kan absorberes av materie. Dette skyldes resonansabsorpsjon av energi av ladede partikler av materie. Hvis den naturlige frekvensen av oscillasjoner av partiklene til dielektrikumet avviker sterkt fra frekvensen til den elektromagnetiske bølgen, skjer absorpsjonen svakt, og mediet blir gjennomsiktig for den elektromagnetiske bølgen.
Når man kommer til grensesnittet mellom to medier, blir en del av bølgen reflektert, og en del går over i et annet medium og brytes. Hvis det andre mediet er et metall, forfaller bølgen som har gått inn i det andre mediet raskt, og mesteparten av energien (spesielt for lavfrekvente svingninger) reflekteres inn i det første mediet (metaller er ugjennomsiktige for elektromagnetiske bølger).
Forplanter seg i media, elektromagnetiske bølger, som alle andre bølger, kan oppleve brytning og refleksjon i grensesnittet mellom media, spredning, absorpsjon, interferens; ved forplantning i inhomogene medier observeres bølgediffraksjon, bølgespredning og andre fenomener.
Det følger av Maxwells teori at elektromagnetiske bølger må utøve trykk på en absorberende eller reflekterende kropp. Trykket av elektromagnetisk stråling forklares av det faktum at under påvirkning av bølgens elektriske felt oppstår svake strømmer i stoffet, det vil si den ordnede bevegelsen av ladede partikler. Disse strømmene påvirkes av Ampère-kraften fra siden av magnetfeltet til bølgen, rettet inn i stoffets tykkelse. Denne kraften skaper det resulterende trykket. Vanligvis er trykket fra elektromagnetisk stråling ubetydelig. Så for eksempel er trykket fra solstråling som kommer til jorden på en absolutt absorberende overflate omtrent 5 μPa.
De første eksperimentene for å bestemme strålingstrykket på reflekterende og absorberende kropper, som bekreftet konklusjonen av Maxwells teori, ble utført av den fremragende fysikeren ved Moskva-universitetet P.N. Lebedev i 1900. Oppdagelsen av en så liten effekt krevde av ham ekstraordinær oppfinnsomhet og dyktighet i å sette opp og gjennomføre et eksperiment. I 1900 lyktes han med å måle lett trykk på faste stoffer, og i 1910 på gasser. Hoveddelen av P.I. Lebedev, for å måle lett trykk, var lette skiver 5 mm i diameter, opphengt på en elastisk tråd (fig. 5) inne i et evakuert kar.
Figur 5 - Eksperiment P.I. Lebedev
Skivene var laget av forskjellige metaller og kunne endres under eksperimenter. Lys fra en sterk lysbue ble rettet inn på skivene. Som et resultat av lysets virkning på skivene, ble tråden vridd og skivene avbøyd. Resultatene av eksperimentene til P.I. Lebedev var helt i samsvar med Maxwells elektromagnetiske teori og var av stor betydning for godkjenningen.
Eksistensen av elektromagnetisk bølgetrykk lar oss konkludere med at en mekanisk impuls er iboende i et elektromagnetisk felt Dette forholdet mellom massen og energien til et elektromagnetisk felt i en volumenhet er en universell naturlov. I følge den spesielle relativitetsteorien er det sant for alle kropper, uavhengig av deres natur og indre struktur.
Siden trykket fra lysbølgen er veldig lite, spiller den ingen nevneverdig rolle i de fenomenene vi møter i hverdagen. Men i kosmiske og mikroskopiske systemer som er motsatte i skala, øker rollen til denne effekten kraftig. Dermed balanseres gravitasjonstiltrekningen til de ytre lagene av stoffet i hver stjerne til sentrum av en kraft, et betydelig bidrag til dette er gitt av lystrykket som kommer fra dypet av stjernen og utover. I mikrokosmos manifesteres lystrykket, for eksempel i fenomenet lysrekyl av atomet. Det oppleves av et opphisset atom når det sender ut lys.
Lett trykk spiller en betydelig rolle i astrofysiske fenomener, spesielt i dannelsen av komethaler, stjerner, etc. Lystrykket når en betydelig verdi på de stedene hvor strålingen fra kraftige kvantelysgeneratorer (lasere) er fokusert. Dermed kan trykket av fokusert laserstråling på overflaten av en tynn metallplate føre til sammenbrudd, det vil si til utseendet til et hull i platen. Dermed har det elektromagnetiske feltet alle egenskapene til materielle kropper - energi, begrenset forplantningshastighet, momentum, masse. Dette antyder at det elektromagnetiske feltet er en av eksistensformene til materie.
Oppdagelsen av elektromagnetiske bølger er et bemerkelsesverdig eksempel på samspillet mellom eksperiment og teori. Den viser hvordan fysikk har kombinert tilsynelatende helt forskjellige egenskaper - elektrisitet og magnetisme - og avslører i dem forskjellige aspekter av det samme fysiske fenomenet - elektromagnetisk interaksjon. I dag er det en av de fire kjente grunnleggende fysiske interaksjonene, som også inkluderer de sterke og svake kjernefysiske interaksjonene og tyngdekraften. Teorien om elektrosvak interaksjon er allerede konstruert, som beskriver elektromagnetiske og svake atomkrefter fra et enhetlig ståsted. Det er også den neste samlende teorien - kvantekromodynamikk - som dekker de elektrosvake og sterke interaksjonene, men dens nøyaktighet er noe lavere. beskrive alle Grunnleggende interaksjoner fra en enhetlig posisjon er ennå ikke oppnådd, selv om det utføres intensiv forskning i denne retningen innenfor rammen av slike områder av fysikk som strengteori og kvantetyngdekraft.
Elektromagnetiske bølger ble teoretisk spådd av den store engelske fysikeren James Clark Maxwell (sannsynligvis for første gang i 1862 i hans verk "On Physical Lines of Force", selv om en detaljert beskrivelse av teorien dukket opp i 1867). Han forsøkte flittig og med stor respekt å oversette til et strengt matematisk språk Michael Faradays litt naive bilder som beskrev elektriske og magnetiske fenomener, samt resultatene fra andre vitenskapsmenn. Etter å ha bestilt alle elektriske og magnetiske fenomener på samme måte, oppdaget Maxwell en rekke motsetninger og mangel på symmetri. I følge Faradays lov genererer vekslende magnetiske felt elektriske felt. Men det var ikke kjent om vekslende elektriske felt genererer magnetiske felt. Maxwell klarte å kvitte seg med motsetningen og gjenopprette symmetrien til de elektriske og magnetiske feltene ved å introdusere et tilleggsbegrep i ligningene, som beskrev utseendet til et magnetfelt når det elektriske feltet endret seg. På den tiden, takket være Oersteds eksperimenter, var det allerede kjent at likestrøm skaper et konstant magnetfelt rundt lederen. Det nye begrepet beskrev en annen kilde til magnetfeltet, men det kan tenkes på som en slags imaginær elektrisk strøm, som Maxwell kalte forspenningsstrømå skille fra vanlig strøm i ledere og elektrolytter - ledningsstrøm. Som et resultat viste det seg at vekslende magnetiske felt genererer elektriske felt, og vekslende elektriske felt genererer magnetiske. Og så skjønte Maxwell at i en slik kombinasjon kan oscillerende elektriske og magnetiske felt bryte ut fra lederne som genererer dem og bevege seg gjennom vakuum med en viss, men veldig høy hastighet. Han regnet ut denne hastigheten, og den viste seg å være omtrent tre hundre tusen kilometer i sekundet.
Sjokkert over resultatet skriver Maxwell til William Thomson (Lord Kelvin, som spesielt introduserte den absolutte temperaturskalaen): «Hastigheten til tverrbølgesvingninger i vårt hypotetiske medium, beregnet ut fra de elektromagnetiske eksperimentene til Kohlrausch og Weber, er så sammenfallende. nøyaktig med lysets hastighet, beregnet fra optiske eksperimenter av Fizeau at vi vanskelig kan nekte konklusjonen at lys består av tverrgående vibrasjoner av samme medium, som er årsaken til elektriske og magnetiske fenomener". Og videre i brevet: "Jeg mottok ligningene mine mens jeg bodde i provinsene og ikke mistenkte at forplantningshastigheten til magnetiske effekter funnet av meg var nær lysets hastighet, så jeg tror at jeg har all grunn til å vurdere den magnetiske og lysende medier som ett og samme medium. ..."
Maxwells ligninger går langt utover omfanget av et skolefysikkkurs, men de er så vakre og konsise at de bør plasseres på et iøynefallende sted i fysikkklasserommet, fordi de fleste naturfenomenene som er viktige for mennesker kan beskrives med bare noen få linjer av disse ligningene. Slik komprimeres informasjon når tidligere forskjellige fakta kombineres. Her er en av typene av Maxwells ligninger i differensialrepresentasjon. Beundre.
Jeg vil understreke at en nedslående konsekvens ble oppnådd fra Maxwells beregninger: svingningene til de elektriske og magnetiske feltene er tverrgående (noe han selv understreket hele tiden). Og tverrgående vibrasjoner forplanter seg bare i faste stoffer, men ikke i væsker og gasser. På det tidspunktet ble det pålitelig målt at hastigheten på tverrgående vibrasjoner i faste stoffer (ganske enkelt lydhastigheten) er jo høyere, jo grovt sett jo hardere mediet (jo større Youngs modul og lavere tetthet) og kan nå flere kilometer i sekundet. Hastigheten til den tverrgående elektromagnetiske bølgen var nesten hundre tusen ganger høyere enn lydhastigheten i faste stoffer. Og det skal bemerkes at stivhetskarakteristikken er inkludert i ligningen for lydhastigheten i et solid under roten. Det viste seg at mediet som elektromagnetiske bølger (og lys) passerer gjennom har monstrøse elastiske egenskaper. Et ekstremt vanskelig spørsmål oppsto: "Hvordan kan andre kropper bevege seg gjennom et så solid medium og ikke føle det?" Det hypotetiske mediet ble kalt - eter, og tilskrev det samtidig merkelige og generelt sett gjensidig utelukkende egenskaper - enorm elastisitet og ekstraordinær letthet.
Maxwells arbeid forårsaket sjokk blant moderne vitenskapsmenn. Faraday skrev selv med overraskelse: "Først ble jeg til og med redd da jeg så en slik matematisk kraft påført spørsmålet, men så ble jeg overrasket over å se at spørsmålet tåler det så godt." Til tross for at Maxwells synspunkter veltet alle ideene kjent på den tiden om utbredelsen av tverrbølger og om bølger generelt, forsto fremsynte forskere at sammenfallet av lysets hastighet og elektromagnetiske bølger er et grunnleggende resultat, som sier at det er her hovedgjennombruddet venter på fysikken.
Dessverre døde Maxwell tidlig og levde ikke for å se pålitelig eksperimentell bekreftelse av beregningene hans. Internasjonal vitenskapelig oppfatning endret seg som et resultat av eksperimentene til Heinrich Hertz, som 20 år senere (1886–89) demonstrerte generering og mottak av elektromagnetiske bølger i en serie eksperimenter. Hertz oppnådde ikke bare det korrekte resultatet i det stille i laboratoriet, men forsvarte lidenskapelig og kompromissløst Maxwells synspunkter. Dessuten begrenset han seg ikke til eksperimentelle bevis på eksistensen av elektromagnetiske bølger, men undersøkte også deres grunnleggende egenskaper (refleksjon fra speil, refraksjon i prismer, diffraksjon, interferens, etc.), og viste den fullstendige identiteten til elektromagnetiske bølger med lys.
Det er merkelig at syv år før Hertz, i 1879, viste den engelske fysikeren David Edward Hughes (Hughes - DE Hughes) også for andre store forskere (blant dem var også den geniale fysikeren og matematikeren Georg-Gabriel Stokes) effekten av forplantning av elektromagnetiske bølger i luften. Som et resultat av diskusjoner kom forskerne til den konklusjon at de ser fenomenet Faradays elektromagnetiske induksjon. Hughes var opprørt, trodde ikke på seg selv, og publiserte resultatene først i 1899, da Maxwell-Hertz-teorien ble allment akseptert. Dette eksemplet viser at i vitenskapen er vedvarende formidling og propaganda av de oppnådde resultatene ofte ikke mindre viktig enn selve det vitenskapelige resultatet.
Heinrich Hertz oppsummerte resultatene av sine eksperimenter på følgende måte: "Eksperimentene beskrevet, ser det ut til for meg, eliminerer i det minste tvil om identiteten til lys, termisk stråling og elektrodynamisk bølgebevegelse."
Kapittel 1
HOVEDPRAMETRE FOR ELEKTROMAGNETISKE BØLGER
Hva er en elektromagnetisk bølge, er det lett å forestille seg følgende eksempel. Hvis du kaster en småstein på overflaten av vannet, dannes det bølger som divergerer i sirkler på overflaten. De beveger seg fra kilden til deres forekomst (forstyrrelse) med en viss forplantningshastighet. For elektromagnetiske bølger er forstyrrelser elektriske og magnetiske felt som beveger seg i rommet. Et tidsvarierende elektromagnetisk felt forårsaker nødvendigvis et vekslende magnetfelt, og omvendt. Disse feltene henger sammen.
Hovedkilden til spekteret av elektromagnetiske bølger er solstjernen. En del av spekteret av elektromagnetiske bølger ser det menneskelige øyet. Dette spekteret ligger innenfor 380...780 nm (fig. 1.1). I det synlige spekteret oppfatter øyet lys annerledes. Elektromagnetiske oscillasjoner med forskjellige bølgelengder forårsaker følelsen av lys med forskjellige farger.
En del av spekteret av elektromagnetiske bølger brukes til radio- og TV-kringkasting og kommunikasjon. Kilden til elektromagnetiske bølger er en ledning (antenne) der elektriske ladninger svinger. Prosessen med dannelse av felt, som begynte nær ledningen, fanger gradvis, punkt for punkt, hele rommet. Jo høyere frekvensen av vekselstrømmen som går gjennom ledningen og genererer et elektrisk eller magnetisk felt, desto mer intense blir radiobølgene med en gitt lengde skapt av ledningen.
Elektromagnetiske bølger har følgende hovedegenskaper.
1. Bølgelengde lv, - den korteste avstanden mellom to punkter i rommet, der fasen til en harmonisk elektromagnetisk bølge endres med 360 °. En fase er en tilstand (stadium) av en periodisk prosess (fig. 1.2).
I terrestrisk fjernsynskringkasting brukes meter (MB) og desimeterbølger (UHF), i satellitt - centimeterbølger (CM). Etter hvert som frekvensområdet til CM fylles ut, vil området av millimeterbølger (Ka-bånd) bli mestret.
2. Bølgeoscillasjonsperiode T- tiden hvor én fullstendig endring i feltstyrken inntreffer, dvs. tiden hvor punktet til radiobølgen, som har en eller annen fast fase, beveger seg en bane lik bølgelengden lb.
3. Hyppigheten av oscillasjoner av det elektromagnetiske feltet F(antall feltoscillasjoner per sekund) bestemmes av formelen
Frekvensenheten er hertz (Hz) - frekvensen der en svingning oppstår per sekund. I satellittkringkasting må man forholde seg til svært høye frekvenser av elektromagnetiske oscillasjoner målt i gigahertz.
For direkte satellitt-tv-kringkasting (SNTV) langs Space-Earth-linjen brukes C-båndets lavområde og en del av Ku-området (10,7 ... 12,75 GGi). Den øvre delen av disse områdene brukes til å overføre informasjon over jord-rom-linjen (tabell 1.1).
4. Hastighet for bølgeutbredelse MED - hastighet for suksessiv forplantning av en bølge fra en energikilde (antenne).
Forplantningshastigheten til radiobølger i fritt rom (vakuum) er konstant og lik lysets hastighet C= 300 000 km/s. Til tross for en så høy hastighet, beveger en elektromagnetisk bølge seg langs jord-rom-jord-linjen på 0,24 s. På bakken kan radio- og TV-sendinger mottas nesten øyeblikkelig når som helst. Når man forplanter seg i virkelig rom, for eksempel i luft, avhenger hastigheten til en radiobølge av egenskapene til mediet, den er vanligvis mindre MED på verdien av brytningsindeksen til mediet.
Frekvensen til elektromagnetiske bølger F, hastigheten på deres utbredelse C og bølgelengden l er relatert av forholdet
lv=C/F, og siden F=1/T , så lv=C*T.
Ved å erstatte verdien av hastigheten С= 300 000 km/s i den siste formelen, får vi
lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)
For høye frekvenser kan bølgelengden til den elektromagnetiske oscillasjonen bestemmes av formelen lv (m) = 300 / F (MHz) Når du kjenner bølgelengden til den elektromagnetiske oscillasjonen, bestemmes frekvensen av formelen F (MHz) = 300 / lv (m)
5. Polarisering av radiobølger. De elektriske og magnetiske komponentene til det elektromagnetiske feltet er henholdsvis karakterisert av vektorene E og H som viser verdien av feltstyrkene og deres retning. Polarisering er orienteringen til den elektriske feltvektoren E bølger i forhold til jordoverflaten (fig. 1.2).
Typen av polarisering av radiobølger bestemmes av orienteringen (posisjonen) til senderantennen i forhold til jordoverflaten. Både bakkenett og satellitt-TV bruker lineær polarisering, dvs. horisontal H og vertikal V (fig. 1.3).
Radiobølger med en horisontal elektrisk feltvektor kalles horisontalt polarisert, og med vertikal - vertikalt polarisert. Polarisasjonsplanet til de siste bølgene er vertikalt, og vektoren H(se fig. 1.2) er i horisontalplanet.
Hvis senderantennen er montert horisontalt over bakken, vil også de elektriske feltlinjene være horisontale. I dette tilfellet vil feltet indusere den største elektromotoriske kraften (EMF) i horisontalen
Fig 1.4. Sirkulær polarisering av radiobølger:
LZ- venstre; RZ- Ikke sant
paraplymontert mottaksantenne. Derfor kl H polarisering av radiobølger, må mottakerantennen være orientert horisontalt. I dette tilfellet vil det teoretisk ikke være mottak av radiobølger på en vertikalt plassert antenne, siden EMF indusert i antennen er null. Motsatt, med den vertikale posisjonen til senderantennen, må mottaksantennen også plasseres vertikalt, noe som vil tillate deg å få den høyeste EMF i den.
I TV-kringkasting fra kunstige jordsatellitter (AES), i tillegg til lineære polarisasjoner, er sirkulær polarisering mye brukt. Dette skyldes, merkelig nok, luftens tetthet, siden det finnes et stort antall kommunikasjonssatellitter og satellitter for direkte (direkte) TV-kringkasting i baner.
Ofte gir de i tabeller over satellittparametere en forkortelse for typen sirkulær polarisering - L og R. Sirkulær polarisering av radiobølger skaper for eksempel en konisk spiral på matingen til senderantennen. Avhengig av spiralens viklingsretning er sirkulær polarisering venstre eller høyre (fig. 1.4).
Følgelig må en polarisator installeres i irradiatoren til den terrestriske satellitt-TV-antennen, som reagerer på den sirkulære polarisasjonen av radiobølger som sendes ut av den senderende satellittantennen.
La oss vurdere spørsmålene om modulering av høyfrekvente oscillasjoner og deres spektrum under overføring fra en satellitt. Det er tilrådelig å gjøre dette sammenlignet med bakkebaserte kringkastingssystemer.
Skillet mellom bilde- og lydbærefrekvensene er 6,5 MHz, resten av det nedre sidebåndet (til venstre for bildebæreren) er 1,25 MHz, og lydkanalens bredde er 0,5 MHz
(Fig. 1.5). Med dette i bakhodet antas TV-kanalens totale bredde å være 8,0 MHz (i henhold til D- og K-standardene som er vedtatt i CIS-landene).
Den sendende TV-stasjonen har to sendere. En av dem overfører elektriske bildesignaler, og den andre - henholdsvis lyd ved forskjellige bærefrekvenser. En endring i en eller annen parameter for en bærerhøyfrekvent oscillasjon (effekt, frekvens, fase, etc.) under påvirkning av lavfrekvente oscillasjoner kalles modulasjon. To hovedtyper av modulasjon brukes: amplitude (AM) og frekvens (FM). I TV overføres bildesignaler fra AM, og lyd fra FM. Etter modulering forsterkes elektriske oscillasjoner i kraft, deretter kommer de inn i senderantennen og utstråles av den ut i rommet (eter) i form av radiobølger.
8 terrestrisk fjernsynskringkasting, av en rekke årsaker er det umulig å bruke FM til å overføre bildesignaler. Det er mye flere plasser på lufta på SM, og en slik mulighet finnes. Som et resultat opptar satellittkanalen (transponderen) et frekvensbånd på 27 MHz.
Fordeler med frekvensmodulering av et underbæresignal:
mindre følsomhet for interferens og støy sammenlignet med AM, lav følsomhet for ikke-lineariteten til de dynamiske egenskapene til signaloverføringskanaler, samt stabilitet for overføring over lange avstander. Disse egenskapene forklares av konstanten til signalnivået i overføringskanalene, muligheten for frekvenskorreksjon av pre-forvrengning, som gunstig påvirker signal-til-støy-forholdet, på grunn av hvilket FM kan redusere sendereffekten betydelig ved sending informasjon over samme avstand. For eksempel bruker bakkebaserte kringkastingssystemer 5 ganger kraftigere sendere til å overføre bildesignaler på samme TV-stasjon enn til å overføre lydsignaler.
Elektromagnetisk stråling eksisterer nøyaktig så lenge universet vårt lever. Det har spilt en nøkkelrolle i utviklingen av livet på jorden. Faktisk er dette en forstyrrelse av tilstanden til det elektromagnetiske feltet som forplanter seg i rommet.
Kjennetegn ved elektromagnetisk stråling
Enhver elektromagnetisk bølge beskrives ved hjelp av tre egenskaper.
1. Frekvens.
2. Polarisering.
Polarisering- en av hovedbølgeattributtene. Beskriver den tverrgående anisotropien til elektromagnetiske bølger. Stråling regnes som polarisert når alle bølgesvingninger skjer i samme plan.
Dette fenomenet brukes aktivt i praksis. For eksempel på kino når du viser 3D-filmer.
Ved hjelp av polarisering skiller IMAX-briller bildet, som er beregnet på forskjellige øyne. 
Frekvens er antall bølgetopper som passerer observatøren (i dette tilfellet detektoren) i løpet av ett sekund. Målt i hertz.
Bølgelengde- en spesifikk avstand mellom de nærmeste punktene for elektromagnetisk stråling, hvis svingninger oppstår i en fase.
Elektromagnetisk stråling kan forplante seg i nesten alle medier: fra tett materiale til vakuum.
Forplantningshastigheten i vakuum er 300 tusen km per sekund.
En interessant video om naturen og egenskapene til EM-bølger, se videoen nedenfor:
Typer elektromagnetiske bølger
All elektromagnetisk stråling er delt etter frekvens. 
1. Radiobølger. Det er korte, ultrakorte, ekstra lange, lange, medium.
Lengden på radiobølger varierer fra 10 km til 1 mm, og fra 30 kHz til 300 GHz.
Kildene deres kan være både menneskelige aktiviteter og ulike naturlige atmosfæriske fenomener.
2. . Bølgelengden ligger innenfor 1mm - 780nm, og kan nå opp til 429 THz. Infrarød stråling kalles også termisk stråling. Grunnlaget for alt liv på planeten vår.
3. Synlig lys. Lengde 400 - 760/780nm. Følgelig svinger den mellom 790-385 THz. Dette inkluderer hele spekteret av stråling som kan sees av det menneskelige øyet.
4. . Bølgelengden er kortere enn i infrarød stråling.
Den kan nå opptil 10 nm. slike bølger er veldig store - omtrent 3x10 ^ 16 Hz.
5. Røntgen. bølger 6x10 ^ 19 Hz, og lengden er omtrent 10 nm - 5 pm.
6. Gammabølger. Dette inkluderer all stråling, som er større enn i røntgenstråler, og lengden er mindre. Kilden til slike elektromagnetiske bølger er kosmiske, kjernefysiske prosesser.
Anvendelsesområde
Et sted siden slutten av 1800-tallet har all menneskelig fremgang vært assosiert med praktisk anvendelse av elektromagnetiske bølger.
Det første som er verdt å nevne er radiokommunikasjon. Hun gjorde det mulig for folk å kommunisere, selv om de var langt fra hverandre.
Satellittkringkasting, telekommunikasjon er en videreutvikling av primitiv radiokommunikasjon.
Det er disse teknologiene som har formet informasjonsbildet til det moderne samfunnet.
Kilder til elektromagnetisk stråling bør betraktes som store industrianlegg, samt ulike kraftledninger.
Elektromagnetiske bølger brukes aktivt i militære anliggender (radar, komplekse elektriske enheter). Dessuten har medisin ikke gjort uten bruk. Infrarød stråling kan brukes til å behandle mange sykdommer.
Røntgenstråler hjelper til med å identifisere skade på en persons indre vev.
Ved hjelp av lasere utføres en rekke operasjoner som krever smykkepresisjon. 
Betydningen av elektromagnetisk stråling i det praktiske livet til en person er vanskelig å overvurdere.
Sovjetisk video om det elektromagnetiske feltet:
Mulig negativ innvirkning på mennesker
Til tross for deres nytte, kan sterke kilder til elektromagnetisk stråling forårsake følgende symptomer:
Utmattelse;
Hodepine;
Kvalme.
Overdreven eksponering for visse typer bølger forårsaker skade på indre organer, sentralnervesystemet og hjernen. Endringer i menneskets psyke er mulige.
En interessant video om effekten av EM-bølger på en person:
For å unngå slike konsekvenser har nesten alle land i verden standarder som regulerer elektromagnetisk sikkerhet. Hver type stråling har sine egne forskriftsdokumenter (hygieniske standarder, strålesikkerhetsstandarder). Effekten av elektromagnetiske bølger på mennesker er ikke fullt ut forstått, derfor anbefaler WHO å minimere deres påvirkning.
Laster inn...