Виды радиоволн и их применение

Специфика различных видов электромагнитных волн

Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.

Замечание 2

На частоты ниже оптического диапазона законы геометрической оптики уже не распространяются, а высокочастотное электромагнитное поле либо пронизывает вещество насквозь, либо разрушает его.

Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т.к. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.

Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.

В 1800 г. В. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.

Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).

В. Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.

Определение 3

Гамма-излучением называется излучение, возникающее при возбуждении атомных ядер и взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение имеет наименьшую длину волны, следовательно, корпускулярные свойства у него наиболее выражены. Его принято рассматривать в качестве потока гамма-квантов. Существует перекрытие рентгеновских и гамма-волн в области длин 10-10-10-14 м.

Пример 1

Условие: объясните, что выступает в качестве излучателя для разных видов электромагнитных волн.

Решение

Электромагнитные волны всегда излучаются движущимися заряженными частицами. Они движутся ускоренно в атомах и ядрах, значит, именно там будет находиться источник волн. Радиоволны испускаются молекулами и атомами (единственный вид излучения, который можно воссоздать искусственным путем). Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекулах (здесь имеют место тепловые колебания, усиливающиеся с ростом температуры). Видимый свет создается отдельными возбужденными атомами. Ультрафиолетовый свет также является атомарным. Рентгеновские лучи создаются за счет взаимодействия электронов с высокой кинетической энергией с ядрами атомов, а также за счет собственного возбуждения ядер. Гамма-лучи образуются за счет возбужденных ядер и взаимном превращении элементарных частиц.

Пример 2

Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.

Решение

К видимому диапазону относятся волны, воспринимаемые человеческим глазом. Границы зрения индивидуальны и находятся в пределе λ=,38-,76 мкм.

В оптике используются два основных вида частот. Первая из них – круговая – может быть определена как ω=2πT (Т — период колебания волны). Вторая определяется как ν=1T.

Значит, мы можем связать одну частоту с другой при помощи следующего соотношения:

ω=2πν.

Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна c=3·108 мс, запишем:

λ=сT→T=λc.

В этом случае для границ видимого диапазона получим:

ν=cλ, ω=2πcλ.

Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:

ν1=3·108,38·10-6=7,9·1014 (Гц); v2=3·108,76·1016=3,9·1014 (Гц);ω1=2·3,14·7,9·1014=5·1015 (с-1); ω2=2·3,14·3,9·1014=2,4·1015 (с-1).

Ответ: 3,9·1014 Гц.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Частотная зависимость

Радиоволны на разных частотах распространяются в атмосфере разными механизмами или способами:

Радиочастоты и их основной способ распространения
Группа Частота Длина волны Распространение через
ELF Чрезвычайно низкая частота 3–30 Гц 100 000–10 000 км Направляется между Землей и слоем D ионосферы.
SLF Сверхнизкая частота 30–300 Гц 10 000–1 000 км Направляется между Землей и ионосферой .
УНЧ Ультра низкая частота 0,3–3 кГц (300–3000 Гц) 1000–100 км Направляется между Землей и ионосферой .
VLF Очень низкая частота 3–30 кГц (3000–30 000 Гц) 100–10 км Направляется между Землей и ионосферой .
LF Низкая частота 30–300 кГц (30 000–300 000 Гц) 10–1 км

Направляется между Землей и ионосферой.

MF Средняя частота 300–3000 кГц ( 300000–3000000 Гц) 1000–100 м Наземные волны .

Ионосферная рефракция слоя E, F в ночное время, когда поглощение слоя D ослабевает.

HF Высокая частота ( короткая волна ) 3–30 МГц (3 000 000–30 000 000 Гц) 100–10 м Ионосферная рефракция в
слое Е.

F1, F2 слой ионосферной рефракции.

УКВ Очень высокая частота 30–300 МГц (30     000 000–300 000 000 Гц) 10–1 м Распространение в прямой видимости .

Нечастые Е ионосферный (Е с ) рефракцией . Необычно ионосферная рефракция в слое F2 во время высокой активности солнечных пятен до 50 МГц и редко до 80 МГц. Иногда тропосферные каналы или метеоритное рассеяние

УВЧ Сверхвысокая частота 300–3000 МГц (300     000 000–3 000 000 000 Гц) 100–10 см Распространение в прямой видимости . Иногда тропосферный воздуховод .
СВЧ Сверхвысокая частота 3–30 ГГц (3     000 000 000–30 000 000 000 Гц) 10–1 см Распространение в прямой видимости . Иногда .
EHF Чрезвычайно высокая частота 30–300 ГГц (30     000 000 000–300 000 000 000 Гц) 10–1 мм Распространение в пределах прямой видимости , ограниченное атмосферным поглощением до нескольких километров (миль)
THF Чрезвычайно высокая частота 0,3–3 ТГц (300     000 000 000–3 000 000 000 000 Гц) 1–0,1 мм Распространение в пределах прямой видимости , ограниченное атмосферным поглощением до нескольких метров.

Открытие и эксплуатация [ править ]

Радиоволны были впервые предсказаны математической работой, выполненной в 1867 году шотландским физиком-математиком Джеймсом Клерком Максвеллом . Его математическая теория, теперь называемая уравнениями Максвелла , предсказывала, что связанное электрическое и магнитное поле может перемещаться в пространстве как « электромагнитная волна ». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн очень короткой длины. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц продемонстрировал реальность электромагнитных волн Максвелла, экспериментально генерируя радиоволны в своей лаборатории показав, что они проявляют те же волновые свойства, что и свет: стоячие волны , рефракция , дифракция и поляризация . Итальянский изобретатель Гульельмо Маркони разработал первые практичные радиопередатчики и приемники примерно в 1894–1895 годах. Он получил Нобелевскую премию по физике 1909 года за свои радиоработы. Радиосвязь начала использоваться в коммерческих целях примерно в 1900 году. Современный термин « радиоволна » заменил первоначальное название « волна Герца » примерно в 1912 году.

Примечания [ править ]

  1. Эллингсон SW (2016). . Издательство Кембриджского университета. С. 16–17. ISBN
  2. «Глава 1: Терминология и технические характеристики — Термины и определения». . Женева: ITU . 2016. с. 7. ISBN
  3. ↑ Harman PM (1998). Натурфилософия Джеймса Клерка Максвелла . Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета. п. 6. ISBN 0-521-00585-X.
  4. Рубин, Дж. . Juliantrubin.com . Проверено 8 ноя 2011 .
  5. . 1728.org . 1728 Программные системы . Дата обращения 15 января 2018 .
  6. . НРАО . Архивировано из 28 марта 2014 года . Дата обращения 15 января 2018 .
  7. Ellingson, Steven W. (2016). . Издательство Кембриджского университета. С. 16–17. ISBN
  8. ^ Сейболд Дж. С. (2005). . Введение в радиочастотное распространение . Джон Уайли и сыновья. С. 3–10. ISBN
  9. ^ Brain, M (7 декабря 2000 г.). . HowStuffWorks.com . Проверено 11 сентября 2009 года .
  10. Кухня R (2001). (2-е изд.). Newnes. стр.  -65. ISBN
  11. VanderVorst A, Rosen A, Kotsuka Y (2006). . Джон Вили и сыновья. С. 121–122. ISBN
  12. ↑ Graf RF, Sheets W (2001). . Newnes. п. 234. ISBN
  13. Старейшина Дж. А., Кэхилл Д. Ф. (1984). . Биологические эффекты радиочастотного излучения . Агентство по охране окружающей среды США . С. 5.116–5.119.
  14. ↑ Hitchcock RT, Patterson RM (1995). . Серия изданий по охране труда и технике безопасности. Джон Вили и сыновья. С. 177–179. ISBN
  15. . www.iarc.fr (пресс-релиз). ВОЗ . 31 мая 2011 . Дата обращения 9 января 2019 .
  16. . monographs.iarc.fr . МАИР . 9 ноя 2018 . Дата обращения 9 января 2019 .
  17. Baan, R; Гросс, Й; Лауби-Секретан, B; и другие. (2014). . monographs.iarc.fr (плакат конференции). МАИР . Дата обращения 9 января 2019 .
  18. Kimmel WD, Герка D (2018). . Рутледж. п. 6,67. ISBN
  19. Национальная ассоциация вещателей (1996). . НАБ , Департамент науки и технологий. п. 186. ISBN.

Генерация и прием [ править ]

Анимированная диаграмма полуволновой дипольной антенны, принимающей радиоволны. Антенна состоит из двух металлических стержней , соединенных с приемником R . Электрическое поле ( Е, зеленые стрелки ) поступающей волна толкает электроны в стержнях вперед и назад, заряжая концы попеременно положительный (+) и отрицательный (-) . Поскольку длина антенны составляет половину длины волны, осциллирующее поле индуцирует стоячие волны напряжения ( V, представленные красной полосой ) и тока в стержнях. Колебательные токи (черные стрелки)течет по линии передачи и через приемник (представлен сопротивлением R ).

Радиоволны излучаются заряженными частицами при их ускорении . Они создаются искусственно с помощью изменяющихся во времени электрических токов , состоящих из электронов, текущих вперед и назад в металлическом проводнике особой формы, называемом антенной . Электронное устройство, называемое радиопередатчиком, подает колебательный электрический ток на антенну, и антенна излучает энергию в виде радиоволн. Радиоволны принимаются другой антенной, прикрепленной к радиоприемнику . Когда радиоволны попадают на приемную антенну, они толкают электроны в металле вперед и назад, создавая крошечные колебательные токи, которые обнаруживаются приемником.

С точки зрения квантовой механики , как и другое электромагнитное излучение, такое как свет, радиоволны также можно рассматривать как потоки незаряженных элементарных частиц, называемых фотонами . В антенне, передающей радиоволны, электроны в антенне излучают энергию в виде дискретных пакетов, называемых радио-фотонами, а в приемной антенне электроны поглощают радио-фотоны. Антенна — это когерентный излучатель фотонов, как лазер , поэтому все радиофотоны находятся в фазе . Однако из соотношения Планка энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, от 10 −22 до 10 −30 джоулей.Eзнак равночасν{\ Displaystyle Е = ч \ ню}. Он настолько мал, что, за исключением определенных процессов молекулярных электронных переходов, таких как атомы в мазере, излучающем микроволновые фотоны, излучение и поглощение радиоволн обычно рассматривается как непрерывный классический процесс, управляемый уравнениями Максвелла .

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и .

В электродинамике

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

Связь с более фундаментальными науками

Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.

Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H;

Виды энергии:
Механическая  Потенциальная Кинетическая
‹› Внутренняя
Электромагнитная  Электрическая Магнитная
Химическая
Ядерная
G{\displaystyle G} Гравитационная
∅{\displaystyle \emptyset } Вакуума
Гипотетические:
Тёмная
См. также: Закон сохранения энергии

электромагнитные волны в свободном пространстве — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

Термины

  • FM-радиоволны – применяется для транспортировки коммерческих радиосигналов (88-108 МГц).
  • Радиоволны AM – используются в коммерции (540-1600кГц).
  • Радиоволны – часть электромагнитного спектра с частотами 300ГГц – 3кГц (1-100 км).

Радиоволны – электромагнитные лучи, чья длина волны превышает ИК-излучение. По частоте достигает 300ГГц – 3кГц, а длина волны: 1-100 км. Они распространяются на световой скорости. Естественным путем создаются в молнии или космических явлениях. Искусственными источниками служат радиовещание, мобильная связь, радиолокация, спутники, компьютерные сети и прочие подобные приборы. Длинные волны способны покрывать значительную часть Земли. Короткие могут отражать ионосферу и путешествовать по миру.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличаются, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Расширенное применение радиоволн

Именно благодаря изучению этого явления, мы можем отправлять информацию на расстояния. Радиоволны формируются при прохождении по проводнику высокочастотного электрического тока. Заслугу изобретения радио многие учёные приписывают себе. И почти в каждой стране есть такой гений, кому мы обязаны этим уникальным изобретением. В нашей стране считают, что одним из изобретателей был Александр Степанович Попов.

Изобретение радио началось с устройства радиокондуктора Эдварда Бранли в 1890 году. Этот французский учёный создал свой прибор на основе идеи Генриха Герца, которая заключалась в том, что когда электромагнитная волна попадает на радиоустройство, возникает искра. Прибор Бранли использовали для приёма сигнала. Первым опробовал этот прибор на 40 метров англичанин Оливер Лодж в 1894 году. Александр Попов усовершенствовал приёмник Лоджа. Произошло это в 1895 году.

Модель и рекомендация ITU

Вывод оптического инварианта — меры света, распространяющегося через оптическую систему.

В документе ITU-R pp. 676–78 раздела ITU-R атмосфера рассматривается как разделенная на сферические однородные слои; каждый слой имеет постоянный показатель преломления . С помощью тригонометрии были выведены пара формул и алгоритм.

Используя инвариант , можно напрямую получить те же результаты:

Падающий луч в точке А под углом Ф попадает в слой B под углом  & thetas . Из базовой евклидовой геометрии :

|CK|знак равноргрех⁡тызнак равноргрех⁡θ.{\ Displaystyle | CK | = R \ sin u = r \ sin \ theta.}

По закону Снеллиуса :

п1грех⁡Φзнак равноп2грех⁡ты,{\ displaystyle n_ {1} \ sin \ Phi = n_ {2} \ sin u,}

так что

п1ргрех⁡Φзнак равноп2ргрех⁡θзнак равнояNV{\ displaystyle n_ {1} R \ sin \ Phi = n_ {2} r \ sin \ theta = INV}

Ноты:

  • Одно доказательство начинается с принципа Ферма . В результате мы получаем доказательство закона Снеллиуса вместе с этой инвариантностью. Этот инвариант действителен в более общей ситуации; затем сферический радиус заменяется радиусом кривизны в точках вдоль луча. Он также используется в уравнении (4) отчета НАСА 2005 г. в приложении для отслеживания спутников.
  • Предположение об изменении показателя преломления в зависимости от широты не совсем совместимо с понятием слоев. Однако вариация индекса очень мала, на практике этот момент обычно игнорируется.

Рекомендуемый ITU алгоритм состоит из запуска луча от радиоисточника , затем на каждом шаге выбирается слой и затем вычисляется новый угол падения . Процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута высота цели. На каждом этапе пройденное расстояние dL умножается на определенный коэффициент затухания g, выраженный в дБ / км. Все приращения g  dL складываются для получения полного затухания.

Обратите внимание, что алгоритм не гарантирует, что цель действительно достигнута. Для этого пришлось бы решить гораздо более сложную краевую задачу .

Приёмники инфразвука. (часть первая)

Опубликовано: 11.10.2018

Для приёма инфразвуковой энергии использовались различные сооружения и устройства, которые мы назовём инфразвуковые приёмники. Их очень много и они очень разнообразны, что говорит о широком использовании инфразвуковых технологий в эпоху пирамид. На сегодня известно не менее 100 000 инфразвуковых стационарных приёмников во всём мире. Многие из них сохранились в работоспособном состояние или могут быть восстановлены. Далее я опишу основные типы инфразвуковых приёмников и представлю их классификацию. Инфразвуковые волновые приёмники состоят из: —Антенны (устройство для эффективной передачи энергии на заданной частоте из одной физической среды в другую). —Согласующего устройства (уравниватель скорости переноса энергетического Читать дальше …

Резюме

  • «RF» («РЧ») относится к использованию электромагнитного излучения для передачи информации между двумя цепями, которые не имеют прямого электрического соединения.
  • Изменяющиеся во времени напряжения и токи генерируют электромагнитную энергию, распространяющуюся в виде волн. Мы можем беспроводным образом передавать аналоговые и цифровые данные, манипулируя и интерпретируя эти волны.
  • ЭМИ является доминирующей формой беспроводной связи. Одной из альтернатив является использование света (например, в оптоволоконных системах), но радиосигнал более универсален, поскольку низкочастотное ЭМИ не блокируется непрозрачными объектами.

Вывод:

С помощью квантовой электродинамики можно рассматривать электромагнитное излучение не только как электромагнитные волны, но и как поток фотонов, то есть частиц, представляющих собой элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля. Сами же волны характеризуются такими признаками как длина (или частота), поляризация и амплитуда. Причем свойства частиц тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем.

Такой дуализм подтверждается формулой Планка ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.

В зависимости от диапазона частоты выделяется несколько видов электромагнитного излучения. Хотя границы между этими типами достаточно условны, ведь скорость распространения волн в вакууме одинакова (равна 299 792 458 м/с), следовательно, частота колебания обратно пропорциональна длине электромагнитной волны.

Виды электромагнитного излучения различаются способом получения:

Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания.

Различаются методами регистрации:
Видимый свет воспринимается глазом. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением. Его регистрируют тепловыми методами, а также частично фотоэлектрическими и фотографическими методами. Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию (свечение) ряда веществ. Его регистрируют фотографическими и фотоэлектрическими методами.

Также они по-разному поглощаются и отражаются одинаковыми средами:

Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно g-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волн.

Оказывают разное воздействие на биологические объекты при одинаковой интенсивности излучения:

скачать