Частота коливань електромагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі

Завантажити з Depositfiles

3.2.2 Розповсюдження електромагнітних хвиль

Серед електромагнітних полів взагалі, породжених електричними зарядами та їх рухом, прийнято відносити власне до випромінювання ту частину змінних електромагнітних полів, яка здатна поширюватися найбільш далеко від своїх джерел - зарядів, що рухаються, загасаючи найбільш повільно з відстанню. Таке випромінювання називається електромагнітними хвилями.

Електромагнітні хвилі здатні поширюватися практично у всіх середовищах. У вакуумі (просторі, вільному від речовини і тіл, що поглинають або випромінюють електромагнітні хвилі) електромагнітні хвилі поширюється без згасань на скільки завгодно великі відстані, але в ряді випадків досить добре поширюється і в просторі, заповненому речовиною (дещо змінюючи при цьому свою поведінку).

Для вимірювання відстаней використовуються електромагнітні хвилі багатьох діапазонів, зазначених у табл. 3.1, крім ультрафіолетового випромінювання в оптичному діапазоні, коротких радіохвиль та іонізуючих випромінювань.

При вимірі відстаней з допомогою електромагнітних хвиль, як у дальність дії, і на точність сильний вплив надають умови поширення. Під цим розуміється цілий комплекс факторів: властивості самих хвиль, характер поверхні, що підстилає, час доби, метеорологічні умови атмосфери і т.д.

Світлові хвилі та хвилі УКХ діапазону поширюються майже прямолінійно.

Дифракція сантиметрових хвиль, що використовуються в радіодалекомірах і УКХ системах, настільки мала, що не призводить до обгинання поверхні Землі. Таке обгинання незначною мірою існує тільки за рахунок рефракції .

(Дифракція – це явище відхилення від законів геометричної оптики під час поширення хвиль. Зокрема це відхилення від прямолінійності поширення світлового променя. Рефракція або заломлення – це зміна напряму поширення електромагнітного випромінювання, що виникає на межі розділу двох прозорих для цих хвиль середовищ або в товщі середовища з властивостями, що безперервно змінюються).

Максимальна дальність дії систем УКХ діапазону обмежується межами прямий видимості . Межі прямої видимості на фізичній поверхні Землі залежить від висоти підйому антен і рельєфу місцевості. Якщо враховувати лише кривизну сферичної Землі (без рельєфу) та знехтувати рефракцією, то гранична відстань прямої видимості між двома пунктами визначаються висотами пунктів
і
наступним чином:

де виражається за кілометри, а висоти – за метри.

При обліку рефракційного викривлення траєкторії (при нормальній рефракції) коефіцієнт 3.57 у рівнянні (3.29) замінюється на 4.12 для радіохвиль, і 3.83 для оптичних хвиль, тобто. рефракція збільшує відстань прямої видимості приблизно на 15% для радіохвиль, і 7% для хвиль оптичного діапазону.

Якщо, наприклад, антени далекоміра і відбивача встановлюються на звичайний дерев'яний штатив, тобто.
, то відстань прямої видимості, розрахована за формулою (3.29), становитиме
. Якщо ж антени буде піднято на висоту
, то відстань прямої видимості складе вже
.

Для оптичних хвиль, крім прямої видимості, потрібна також наявність оптичної видимості (прозорості) .

Поширення довгих та середніх радіохвиль має специфічні особливості. Найбільш суттєва особливість – відбиття від верхніх, сильно іонізованих шарів атмосфери, що знаходяться на висотах понад 60 км.

Це призводить до того, що в точку прийому може потрапити не лише пряма хвиля, що розповсюджується вздовж поверхні Землі (поверхнева хвиля), а й хвиля, відбита від іоносфери, - так звана просторова хвиля (рис. 3.11). У зоні зустрічі поверхневої та просторової хвиль відбувається їх інтерференція, через що поверхнева хвиля, що передає корисний сигнал, отримує спотворення амплітуди та фази, і якщо приймальна апаратура знаходиться в такій зоні, то вимірювання можуть бути дуже утруднені, а часто й неможливі.

Просторова хвиля, відбита від іоносфери, може поширюватися значно більші відстані, ніж поверхнева хвиля, на яку форма Землі з її рельєфом створює перешкоди. Через дифракцію ці перешкоди можуть огинатися поверхневою хвилею, і дальність її поширення залежить від поглинаючих властивостей земної поверхні. Для просторової хвилі спостерігається також часткове поглинання її іоносферою та земною поверхнею при багаторазовому відображенні від іоносферних шарів. Поглинання земною поверхнею залежить від довжини хвилі, її поляризації та електричних характеристик конкретної поверхні, що підстилає.

Властивість далекого поширення просторової хвилі при багаторазовому відображенні від іоносфери успішно використовується в радіозв'язку, радіомовленні та дальню радіонавігацію. Однак для радіогеодезичних цілей використання просторової хвилі неможливо, Оскільки геометрія її проходження не піддається суворому обліку. Тому для точних вимірів повинна використовуватися тільки поверхнева хвиля .

Виходячи з вищесказаного, для цілей геодезичних вимірювань придатні тільки хвилі оптичного та УКХ діапазону .

Геодезичні далекоміри оптичного діапазону хвиль використовуються головним чином вимірювання відстаней до 10 км.

Геодезичні далекоміри радіодіапазону використовуються для вимірювання відстаней близько кількох десятків кілометрів.

Проте в даний час практично всі виробники геодезичних далекомірів припинили випуск радіодалемірів, і зосередили свої зусилля на світломірах або електронних тахеометрах, складовоюяких є світлодіальномір. Така ситуація пояснюється тим, що в практиці геодезичних робіт набули поширення технології, що надаються глобальними супутниковими навігаційними системами, завдяки яким з'явилася можливість високоточного визначення координат точок земної поверхні. Але саме для вирішення цього завдання і були призначені радіодалекоміри. Виміряне за допомогою радіодальномірів відстань між точками використовувалося для обчислення координат визначеної точки. Використання приймачів ДПС дозволяє виключити проміжну операцію з вимірювання відстані між точками, а отримувати відразу координати визначеної точки.

Електромагнітні хвилі є поширенням електромагнітних полів у просторі та часі.

Як було зазначено вище, існування електромагнітних хвиль було теоретично передбачено великим англійським фізиком Дж.Максвеллом в 1864 року. Він проаналізував всі відомі на той час закони електродинаміки і зробив спробу застосувати їх до електричного і магнітного полів, що змінюються в часі. Він увів у фізику поняття вихрового електричного поля і запропонував нове трактування закону електромагнітної індукції, відкритої Фарадеєм у 1831 р.: будь-яка зміна магнітного поляпороджує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, силові лінії якого замкнуті.

Висловив гіпотезу про існування і зворотного процесу: електричне поле, що змінюється в часі, породжує в навколишньому просторі магнітне поле. Максвелл вперше описував динаміку нової формиматерії - електромагнітного поля, і вивів систему рівнянь (рівнянь Максвелла), що пов'язує характеристики електромагнітного поля з його джерелами - електричними зарядами та струмами. У електромагнітній хвилі відбуваються взаємні перетворення електричного та магнітного полів. Рис.2 а, б ілюструють взаємне перетворення електричного та магнітного полів.

Малюнок 2 - Взаємне перетворення електричного та магнітного полів: а) Закон електромагнітної індукції у трактуванні Максвелла; б) Гіпотеза Максвелла. Електронне поле, що змінюється, породжує магнітне поле

Розподіл електромагнітного поля на електричне та магнітне залежить від вибору системи відліку. Дійсно, навколо зарядів, що знаходяться в одній системі відліку, існує лише електричне поле; однак ці ж заряди рухатимуться щодо іншої системи відліку і породжуватимуть у цій системі відліку, крім електричного, ще й магнітне поле. Таким чином, теорія Максвелла пов'язала воєдино електричні та магнітні явища.

Якщо збудити за допомогою зарядів, що коливаються, змінне електричне або магнітне поле, то в навколишньому просторі виникає послідовність взаємних перетворень електричних і магнітних полів, що поширюються від точки до точки. Обидва ці поля є вихровими, причому вектори розташовані у взаємно перпендикулярних площинах. Процес поширення електромагнітного поля схематично показано на рис.3. Цей процес, що є періодичним у часі та просторі, є електромагнітною хвилею.

Рисунок 3 – Процес поширення електромагнітного поля

Ця гіпотеза була лише теоретичним припущенням, які мають експериментального підтвердження, проте її основі Максвеллу вдалося записати несуперечливу систему рівнянь, що описують взаємні перетворення електричного і магнітного полів, т. е. систему рівнянь електромагнітного поля.

Отже, з теорії Максвелла випливає низка важливих висновків - основних властивостей електромагнітних хвиль.

Існують електромагнітні хвилі, тобто. електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі і в часі.

У природі електричні та магнітні явища виступають як дві сторони єдиного процесу.

Електромагнітні хвилі випромінюються зарядами, що коливаються. Наявність прискорення - основна умова випромінювання електромагнітних хвиль, тобто.

- будь-яка зміна магнітного поля створює в навколишньому просторі вихрове електричне поле (рис.2).
- будь-яка зміна електричного поля збуджує в навколишньому просторі вихрове магнітне поле, лінії індукції якого розташовані в площині, перпендикулярній лініям напруженості змінного електричного поля, і охоплюють їх (рис.2б).

Лінії індукції магнітного поля, що виникає, утворюють з вектором «правий гвинт». Електромагнітні хвилі поперечні - вектори та перпендикулярні один одному і лежать у площині, перпендикулярній до напряму поширення хвилі (рис. 4).

Малюнок 4 - Поперечні електромагнітні хвилі

Періодичні зміни електричного поля (вектора напруженості Е) породжують магнітне поле, що змінюється (вектор індукції В), яке в свою чергу породжує змінне електричне поле. Коливання векторів Е і В відбуваються у взаємно перпендикулярних площинах і перпендикулярно до лінії поширення хвилі (вектору швидкості) і в будь-якій точці збігаються по фазі. Силові лінії електричного та магнітного полів у електромагнітній хвилі є замкнутими. Такі поля називають вихровими.

Електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю, і це вкотре підтвердило справедливість теорії близькодії.

Висновок Максвелла про кінцеву швидкість поширення електромагнітних хвиль перебував у суперечності з прийнятою на той час теорією далекодії, в якій швидкість поширення електричного та магнітного полів приймалася нескінченно великою. Тому теорію Максвелла називають теорією близькодії.

Такі хвилі можуть поширюватися не тільки у газах, рідинах та твердих середовищах, а й у вакуумі.

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі =300000 км/с. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі є одним із фундаментальних фізичних постійних.

Поширення електромагнітної хвилі в діелектриці є безперервним поглинанням і перевипромінюванням електромагнітної енергії електронами та іонами речовини, що здійснюють вимушені коливання в змінному. електричному поліхвилі. При цьому в діелектриці відбувається зменшення швидкості хвилі.

Електромагнітні хвилі переносять енергію. При поширенні хвиль з'являється потік електромагнітної енергії. Якщо виділити майданчик S (рис. 4), орієнтований перпендикулярно напрямку поширення хвилі, то за малий час Дt через майданчик протікає енергія ДWем, рівна

ДWем = (wе + wм) хSДt.

При переході з одного середовища до іншого частота хвилі не змінюється.

Електромагнітні хвилі можуть поглинатися речовиною. Це пов'язано з резонансним поглинанням енергії зарядженими частинками речовини. Якщо власна частота коливань частинок діелектрика дуже відрізняється від частоти електромагнітної хвилі, поглинання відбувається слабко, і середовище стає прозорим для електромагнітної хвилі.

Потрапляючи на межу поділу двох середовищ, частина хвилі відбивається, а частина проходить в інше середовище, переломлюючись. Якщо другим середовищем є метал, то хвиля, що пройшла в другу середу, швидко загасає, а більша частинаЕнергія (особливо у низькочастотних коливань) відображається в першу середу (метали є непрозорими для електромагнітних хвиль).

Поширюючись у середовищах, електромагнітні хвилі, як і будь-які інші хвилі, можуть зазнавати заломлення та відображення на межі поділу середовищ, дисперсію, поглинання, інтерференцію; при поширенні у неоднорідних середовищах спостерігаються дифракція хвиль, розсіювання хвиль та інші явища.

З теорії Максвелла випливає, що електромагнітні хвилі повинні чинити тиск на ті, що поглинають або відображають. Тиск електромагнітного випромінювання пояснюється тим, що під дією електричного поля хвилі в речовині виникають слабкі струми, тобто впорядкований рух заряджених частинок. На ці струми діє сила Ампера з боку магнітного поля хвилі, спрямовану товщу речовини. Ця сила створює результуючий тиск. Зазвичай тиск електромагнітного випромінювання дуже мало. Так, наприклад, тиск сонячного випромінювання, що приходить на Землю, на поверхню, що абсолютно поглинає, становить приблизно 5 мкПа.

Перші експерименти щодо визначення тиску випромінювання на відбивають і поглинаючі тіла, що підтвердили виведення теорії Максвелла, були виконані видатним фізиком Московського університету П.М. Лебедєвим в 1900 р. виявлення настільки малого ефекту зажадало від нього неабиякої винахідливості та майстерності у постановці та проведенні експерименту. У 1900 р. йому вдалося виміряти світловий тиск на тверді тіла, а 1910 р. - на гази. Основну частину приладу П.І. Лебедєва для вимірювання тиску світла становили легкі диски діаметром 5 мм, що підвішуються на пружній нитці (рис. 5) усередині судини, що відкачує.

Малюнок 5 – Експеримент П.І. Лебедєва

Диски виготовлялися з різних металів, їх можна було заміняти під час проведення експериментів. На диски прямувало світло від сильної електричної дуги. Внаслідок впливу світла на диски нитка закручувалась, і диски відхилялися. Результати дослідів П.І. Лебедєва повністю узгоджувалися з електромагнітною теорією Максвелла та мали величезне значеннядля її затвердження.

Існування тиску електромагнітних хвиль дозволяє зробити висновок про те, що електромагнітному полю властивий механічний імпульс Це співвідношення між масою та енергією електромагнітного поля в одиничному обсязі є універсальним законом природи. Згідно спеціальної теоріївідносності, воно справедливе для будь-яких тіл незалежно від їхньої природи та внутрішньої будови.

Так як тиск світлової хвилі дуже мало, воно не відіграє істотної ролі в явищах, з якими ми стикаємося в повсякденному житті. Але у протилежних за масштабами космічних та мікроскопічних системах роль цього ефекту різко зростає. Так, гравітаційне тяжіння зовнішніх шарів речовини кожної зірки до центру врівноважується силою, значний внесок у яку робить тиск світла, що йде з глибини зірки назовні. У мікросвіті тиск світла проявляється, наприклад, у явищі світлової віддачі атома. Її відчуває збуджений атом під час випромінювання ним світла.

Світловий тиск відіграє значну роль в астрофізичних явищах, зокрема в освіті кометних хвостів, зірок і т.д. Світловий тиск досягає значної величини у місцях фокусування випромінювання потужних квантових генераторів світла (лазерів). Так, тиск сфокусованого лазерного випромінюванняна поверхню тонкої металевої пластинки може призвести до її пробою, тобто появи отвору в пластинці. Таким чином, електромагнітне поле має всі ознаки матеріальних тіл - енергію, кінцеву швидкість поширення, імпульс, масу. Це говорить про те, що електромагнітне поле є однією із форм існування матерії.

Відкриття електромагнітних хвиль - чудовий приклад взаємодії експерименту та теорії. На ньому видно, як фізика поєднала, здавалося б, абсолютно різнорідні властивості - електрику та магнетизм, - виявивши в них різні сторони одного й того ж фізичного явища- Електромагнітної взаємодії. На сьогодні це одна з чотирьох відомих фундаментальних фізичних взаємодій, до яких також відносяться сильна і слабка ядерна взаємодія та гравітація. Вже побудовано теорію електрослабкої взаємодії, яка з єдиних позицій описує електромагнітні та слабкі ядерні сили. Є й наступна поєднувальна теорія - квантова хромодинаміка - яка охоплює електрослабку і сильну взаємодію, але її точність дещо нижча. Описати Усефундаментальні взаємодії з єдиних позицій поки що не вдається, хоча в цьому напрямі ведуться інтенсивні дослідження в рамках таких напрямів фізики, як теорія струн та квантова гравітація.

Електромагнітні хвилі були передбачені теоретично великим англійським фізиком Джеймсом Кларком Максвеллом (ймовірно, вперше у 1862 році в роботі «Про фізичні силові лінії», хоча докладний опистеорії вийшло 1867 року). Він старанно і з величезною повагою намагався перекласти на строгу математичну мову трохи наївні картинки Майкла Фарадея, що описують електричні та магнітні явища, а також результати інших вчених. Упорядкувавши однаково всі електричні та магнітні явища, Максвелл виявив ряд протиріч та відсутність симетрії. Відповідно до закону Фарадея змінні магнітні поля породжують електричні поля. Але не було відомо, чи породжують змінні електричні поля – магнітні. Позбутися протиріччя і відновити симетрію електричного і магнітного полів Максвеллу вдалося, ввівши до рівняння додатковий член, який описував виникнення магнітного поля за зміни електричного. На той час завдяки дослідам Ерстеда було відомо, що постійний струм створює навколо провідника постійне магнітне поле. Новий член описував інше джерело магнітного поля, але його можна було уявити як якийсь уявний електричний струм, який Максвел назвав струмом усунення, щоб відрізнити від звичайного струму у провідниках та електролітах - струму провідності. У результаті вийшло, що змінні магнітні поля породжують електричні поля, а змінні - магнітні. І тоді Максвелл зрозумів, що в такій зв'язці коливані електричне і магнітне поля можуть відриватися від провідників, що їх породжують, і рухатися через вакуум з певною, але дуже великою швидкістю. Він вирахував цю швидкість, і вона виявилася близько трьохсот тисяч кілометрів на секунду.

Приголомшений отриманим результатом, Максвелл пише Вільяму Томсону (лорду Кельвіну, який, зокрема, ввів абсолютну шкалу температур): «Швидкість поперечних хвильових коливань у нашому гіпотетичному середовищі, обчислена з електромагнітних дослідів Кольрауша і Вебера, настільки точно збігається оптичних досвідів Фізо, що ми навряд чи може відмовитися від висновку, що світло складається з поперечних коливань того ж самого середовища, яке є причиною електричних та магнітних явищ». І далі в листі: «Я отримав свої рівняння, живучи в провінції і не підозрюючи про близькість знайденої мною швидкості поширення магнітних ефектів до швидкості світла, тому я думаю, що у мене є всі підстави вважати магнітне і світлоносне середовище як одне і те ж середовище ...»

Рівняння Максвелла далеко виходять за рамки шкільного курсу фізики, але вони такі красиві і лаконічні, що їх варто розмістити на видному місці в кабінеті фізики, адже більшість значущих для людини явищ природи вдається описати за допомогою кількох рядків цих рівнянь. Так стискається інформація, коли поєднуються раніше різнорідні факти. Ось один із видів рівнянь Максвелла в диференціальному поданні. Помилуйтесь.

Хочеться підкреслити, що з розрахунків Максвелла виходило бентежне наслідок: коливання електричного та магнітного полів – поперечні (що він сам весь час підкреслював). А поперечні коливання поширюються лише на твердих тілах, але не в рідинах та газах. На той час було надійно виміряно, що швидкість поперечних коливань у твердих тілах (просто швидкість звуку) тим вище, ніж, грубо кажучи, твердіше середовище (що більше модуль Юнга і менше щільність) і може досягати кількох кілометрів на секунду. Швидкість поперечної електромагнітної хвилі була майже сто разів вищою, ніж швидкість звуку в твердих тілах. А слід зауважити, що характеристика жорсткості входить до рівняння швидкості звуку у твердому тілі під коренем. Виходило, що середовище, якою йдуть електромагнітні хвилі (і світло), має жахливі характеристики пружності. Виникло вкрай важке запитання: «Як же через таке тверде середовище рухаються інші тіла і не відчувають його?» Гіпотетичне середовище назвали - ефіром, приписавши йому одночасно дивні і, взагалі кажучи, взаємовиключні властивості - величезну пружність та надзвичайну легкість.

Роботи Максвелла спричинили шок серед учених-сучасників. Сам Фарадей зі здивуванням писав: «Спочатку я навіть злякався, коли побачив таку математичну силу, застосовану до питання, але потім здивувався, бачачи, що це питання витримує настільки добре». Незважаючи на те, що погляди Максвелла перекидали усі відомі на той час уявлення про поширення поперечних хвиль і про хвилі взагалі, прозорливі вчені розуміли, що збіг швидкості світла та електромагнітних хвиль - фундаментальний результат, який говорить, що саме тут на фізику чекає основний прорив.

На жаль, Максвел помер рано і не дожив до надійного експериментального підтвердження своїх розрахунків. Міжнародна наукова думка змінилася в результаті дослідів Генріха Герца, який через 20 років (1886–89) у серії експериментів продемонстрував генерацію та прийом електромагнітних хвиль. Герц не лише у тиші лабораторії отримав правильний результат, але пристрасно і безкомпромісно захищав погляди Максвелла. Причому він не обмежився експериментальним доказом існування електромагнітних хвиль, але й досліджував їх основні властивості (віддзеркалення від дзеркал, заломлення у призмах, дифракцію, інтерференцію тощо), показавши повну тотожність електромагнітних хвиль зі світлом.

Цікаво, що за сім років до Герца, в 1879 англійський фізик Девід Едвард Юз (Хьюз - D. E. Hughes) теж продемонстрував перед іншими великими вченими (серед них був також блискучий фізик і математик Георг-Габріель Стокс) ефект поширення електромагнітних хвиль у повітрі. В результаті обговорень вчені дійшли висновку, що вбачають явище електромагнітної індукції Фарадея. Юз засмутився, не повірив собі і опублікував результати лише 1899 року, коли теорія Максвелла-Герца стала загальноприйнятою. Цей приклад говорить, що в науці наполегливе поширення та пропаганда отриманих результатів має часто не менше значення, ніж сам науковий результат.

Генріх Герц так підсумував результати своїх експериментів: «Описані експерименти, як, принаймні, здається мені, усувають сумніви щодо тотожності світла, теплового випромінювання та електродинамічного хвильового руху».

Глава 1

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Що являє собою електромагнітна хвиля, легко уявити на наступному прикладі. Якщо на водну гладь кинути камінчик, то на поверхні утворюються хвилі, що розходяться колами. Вони рухаються джерела їх виникнення (обурення) з певною швидкістю поширення. Для електромагнітних хвиль збуреннями є електричні і магнітні поля, що пересуваються в просторі. Електромагнітне поле, що змінюється в часі, обов'язково викликає появу змінного магнітного поля, і навпаки. Ці поля взаємно пов'язані.

Основним джерелом спектра електромагнітних хвиль є зірка Сонце. Частина спектра електромагнітних хвиль бачить очі людини. Цей спектр лежить у межах 380...780 нм (рис. 1.1). В області видимого діапазону очей відчуває світло по-різному. Електромагнітні коливання з різною довжиною хвиль викликають відчуття світла з різним забарвленням.

Частина спектра електромагнітних хвиль використовується для цілей радіотелевізійного вішання та зв'язку. Джерело електромагнітних хвиль – провід (антена), у якому відбувається коливання електричних зарядів. Процес формування полів, що почався поблизу дроту, поступово точку за точкою захоплює весь простір. Чим вище частота змінного струму, що проходить по дроту і породжує електричне або магнітне поле, тим інтенсивніше створювані радіохвилі заданої довжини.

Електромагнітні хвилі мають такі основні характеристики.

1. Довжина хвилі lв - найкоротша відстань між двома точками в просторі, на якому фаза гармонійної електромагнітної хвилі змінюється на 360°. Фаза – це стан (стадія) періодичного процесу (рис. 1.2).

У наземному телевізійному вішанні використовуються метрові (MB) та дециметрові хвилі (ДМВ), у супутниковому – сантиметрові хвилі (СМ). У міру заповнення частотного діапазону СМ освоюватиметься діапазон міліметрових хвиль (Ка-bаnd).

2. Період коливання хвилі Т-час, протягом якого відбувається одна повна зміна напруженості поля, тобто час, за який точка радіохвилі, що має якусь фіксовану фазу, проходить шлях, що дорівнює довжині хвилі lв.

3. Частота коливань електромагнітного поля F(кількість коливань поля в секунду) визначається за формулою

Одиницею виміру частоти є герц (Гц) - частота, коли він відбувається одне коливання в секунд. У супутниковому мовленні доводиться мати справу з дуже високими частотамиелектромагнітних коливань вимірюваних у гігагерцях.

Для безпосереднього супутникового телевізійного мовлення (СНТВ) по лінії Космос - Земля використовуються діапазон C-band low і частина діапазону Кu (10,7...12,75 ГГі). Верхня частинацих діапазонів застосовується передачі інформації по лінії Земля - Космос (табл. 1.1).

4. Швидкість поширення хвиліЗ - швидкість послідовного поширення хвилі від джерела енергії (антени).

Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі (вакуумі) стала і дорівнює швидкості світла С = 300 000 км/с. Незважаючи на таку високу швидкість, електромагнітна хвиля по лінії Земля – Космос – Земля проноситься за час 0,24 с. На землі радіотелевізійні передачі можна практично миттєво приймати у будь-якій точці. При поширенні в реальному просторі, наприклад -у повітрі, швидкість руху радіохвилі залежить від властивостей середовища, вона зазвичай менша Зна величину коефіцієнта заломлення середовища.

Частота електромагнітних хвиль F, швидкість їх поширення і довжина хвилі л пов'язані співвідношенням

lв=C/F, тому що F=1/T ,то lв = C * T.

Підставляючи значення швидкості С= 300 000 км/с останню формулу, отримуємо

lв(м)=3*10^8/F(м/c*1/Гц)

Для більших значень частот довжину хвилі електромагнітного коливання можна визначити за формулою lв(м)=300/F(МГц) Знаючи довжину хвилі електромагнітного коливання, частоту визначають за формулою F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризація радіохвиль.Електрична та магнітна складові електромагнітного поля відповідно характеризуються векторами Е та Н,які показують значення напруженостей полів та їх напрямок. Поляризацією називається орієнтування вектора електричного поля Ехвилі щодо поверхні землі (рис. 1.2).

Вид поляризації радіохвиль визначається орієнтуванням (положенням) передавальної антени щодо поверхні землі. Як у наземному, і у супутниковому телебаченні застосовується лінійна поляризація, т. е. горизонтальна Нта вертикальна V (рис. 1.3).

Радіохвилі з горизонтальним вектором електричного поля називають горизонтально поляризованими, а вертикальним - вертикально поляризованими. Площина поляризації останніх хвиль вертикальна, а вектор Н(Див. рис. 1.2) знаходиться в горизонтальній площині.

Якщо передавальна антена встановлена горизонтально над поверхнею землі, електричні силові лінії поля також будуть розташовані горизонтально. У цьому випадку поле наведе найбільшу електрорушійну силу (ЕРС) в горі-

Рис. 1.4. Кругова поляризація радіохвиль:

LZ-ліва; RZ-права

зонтально розташованої приймальної антени. Отже, при Нполяризації радіохвиль приймальну антену необхідно орієнтувати горизонтально. При цьому прийом радіохвиль на вертикально розташовану антену теоретично не буде, так як наведена в антені ЕРС дорівнює нулю. І навпаки, при вертикальному положенні антени, що передає, приймальну антену також необхідно розташувати вертикально, що дозволить отримати в ній найбільшу ЕРС.

При телевізійному мовленні зі штучних супутників Землі (ІСЗ) крім лінійних поляризацій широко використовується кругова поляризація. Пов'язано це, як не дивно, з тіснотою в ефірі, тому що на орбітах знаходиться велика кількістьсупутників зв'язку та ШСЗ безпосереднього (прямого) телевізійного мовлення.

Часто у таблицях параметрів супутників дають скорочене позначення виду кругової поляризації. L та R.Кругову поляризацію радіохвиль створює, наприклад, конічна спіраль на опромінювачі передавальної антени. Залежно від напрямку намотування спіралі кругова поляризація виявляється лівою чи правою (рис. 1.4).

Відповідно в опромінювачі наземної антени супутникового телебачення повинен бути встановлений поляризатор, який реагує на кругову поляризацію радіохвиль, що випромінюються передавальною антеною ШСЗ.

Розглянемо питання модуляції високочастотних коливань та його спектр під час передачі з ШСЗ. Доцільно це зробити порівняно із наземними мовними системами.

Рознесення між несучими частотами сигналів зображення та звукового супроводу становить 6,5 МГц, залишок нижньої бічної смуги (ліворуч від несучого зображення) – 1,25 МГц, а ширина каналу звукового супроводу – 0,5 МГц

(Рис. 1.5). З урахуванням цього сумарна ширина телевізійного каналу прийнята 8,0 МГц (за стандартами D і К, прийнятих у країнах СНД).

Передавальна телевізійна станція має у своєму складі два передавачі. Один із них передає електричні сигнали зображення, а інший – звуковий супровід відповідно на різних несучих частотах. Зміна якогось параметра несучого високочастотного коливання (потужності, частоти, фази та ін.) під впливом коливань низької частоти називається модуляцією. Використовуються два основні види модуляції: амплітудна (AM) та частотна (ЧМ). У телебаченні сигнали зображення передаються з AM, а звуковий супровід з ЧС. Після модуляції електричні коливання посилюються по потужності, потім надходять у антену, що передає, і випромінюються нею в простір (ефір) у вигляді радіохвиль.

8 наземному телевізійному мовленні з низки причин неможливо застосувати ЧС передачі сигналів зображення. На СМ місця в ефірі значно більше, і така можливість існує. В результаті супутниковий канал (транспондер) займає смугу частот 27 МГц.

Переваги частотної модуляції сигналу:

менша в порівнянні з AM чутливість до перешкод та шумів, низька чутливість до нелінійності динамічних характеристик каналів передачі сигналів, а також стабільність передачі на далекі відстані. Дані характеристики пояснюються сталістю рівня сигналу в каналах передачі, можливістю проведення частотної корекції попередніх викривлень, що сприятливо впливають на відношення сигнал/шум, завдяки чому ЧС можна значно знизити потужність передавача при передачі інформації на ту саму відстань. Наприклад, в наземних мовних системах для передачі сигналів зображення на одній і тій же телевізійній станції використовуються передавачі в 5 разів більшої потужності, ніж передачі сигналів звукового супроводу.

Електромагнітне випромінювання існує рівно стільки, скільки живе наш Всесвіт. Воно зіграло ключову роль процесі еволюції життя Землі. За фактом, це обурення стан електромагнітне поля, що поширюється у просторі.

Характеристики електромагнітного випромінювання

Будь-яку електромагнітну хвилю описують за допомогою трьох характеристик.

1. Частота.

2. Поляризація.

Поляризація- Одна з основних хвильових атрибутів. Описує поперечну анізотропію електромагнітних хвиль. Випромінювання вважається поляризованим тоді, коли всі хвильові коливання відбуваються в одній площині.

Це активно використовують практично. Наприклад, кіно при показі 3D фільмів.

За допомогою поляризації окуляри IMAX поділяють зображення, яке призначене для різних очей.

Частота- Число гребенів хвилі, які проходять повз спостерігача (у даному випадку– детектора) за секунду. Вимірюється у герцах.

Довжина хвилі– конкретна відстань між найближчими точками електромагнітного випромінювання, коливання яких у одній фазі.

Електромагнітне випромінювання може поширюватися практично у будь-якому середовищі: від щільної речовини до вакууму.

Швидкість поширення у вакуумі дорівнює 300 тис. км за секунду.

Цікавий виглядпро природу та властивості ЕМ хвиль дивіться у відео нижче:

Види електромагнітних хвиль

Усі електромагнітне випромінювання ділять за частотою.

1. Радіохвилі.Бувають короткими, ультракороткими, наддовгими, довгими, середніми.

Довжина радіохвиль коливається від 10 км до 1 мм, а від 30 кГц до 300 ГГц.

Їхніми джерелами може бути як діяльність людини, так і різні природні атмосферні явища.

2. . Довжина хвилі лежить у межах 1мм - 780нм, а може сягати 429 ТГц. Інфрачервоне випромінювання ще називають тепловим. Основа всього життя на планеті.

3. Видимий світло.Довжина 400 - 760/780нм. Відповідно коливається не більше 790-385 ТГц. Сюди відносять весь спектр випромінювання, яке можна побачити людським оком.

4. . Довжина хвилі менша, ніж у інфрачервоного випромінювання.

Може сягати 10 нм. таких хвиль дуже велика - близько 3х10 ^ 16 Гц.

5. Рентгенівські промені. хвилі 6х10^19 Гц, а довжина порядку 10нм - 5пм.

6. Гамма хвилі.Сюди відносять будь-яке випромінювання, яке більше, ніж у рентгенівських променях, а довжина – менше. Джерелом таких електромагнітних хвиль є космічні, ядерні процеси.

Сфера використання

Десь починаючи з кінця XIXстоліття, весь людський прогрес був пов'язаний з практичним застосуваннямелектромагнітні хвилі.

Перше про що варто згадати – радіозв'язок. Вона дала можливість людям спілкуватися, навіть якщо вони були далеко один від одного.

Супутникове мовлення, телекомунікації – є подальшим розвиткомпримітивного радіозв'язку.

Саме ці технології сформували інформаційний вигляд сучасного суспільства.

Джерелами електромагнітного випромінювання слід розглядати як великі промислові об'єкти, і різні лінії електропередач.

Електромагнітні хвилі активно використовуються у військовій справі (радари, складні електричні пристрої). Також без застосування не обійшлася і медицина. Для лікування багатьох хвороб можуть застосовуватися інфрачервоне випромінювання.

Рентгенівські знімкидопомагають визначити ушкодження внутрішніх тканин людини.

За допомогою лазерів проводять низку операцій, що вимагають ювелірної точності.

Важливість електромагнітного випромінювання у практичному житті людини складно переоцінити.

Радянське відео про електромагнітне поле:

Можливий негативний вплив на людину

Незважаючи на свою корисність, сильні джерелаелектромагнітного випромінювання можуть викликати такі симптоми:

Втома;

Головний біль;

Нудоту.

Надмірна дія деяких видів хвиль викликають ушкодження внутрішніх органів, центральної нервової системи, мозку. Можливі зміни у психіці людини.

Цікавий вид про вплив ЕМ хвиль на людину:

Щоб уникнути таких наслідків, практично у всіх країнах світу діють стандарти, що регулюють електромагнітну безпеку. Для кожного типу випромінювань є свої регулюючі документи (гігієнічні норми, норми радіаційної безпеки). Вплив електромагнітних хвиль на людину до кінця не вивчений, тому ВООЗ рекомендує мінімізувати їхню дію.