Счетчики посетителей MegaCount – Принцип передачи информации по радиоволнам
В данной статье постараемся разобраться в принципах передачи информации по радиоканалу
1) Что такое радиоволны и откуда они берутся
Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания переносящие через пространство энергию излучаемую генератором электромагнитных колебаний, электромагнитные колебания в свою очередь возникают при изменении полярности электрического поля, например, когда в проводнике проходит переменный электрический ток. Скорость распространения радиоволн в вакууме равна со скорости света 299 792 458 м/с или 300 000 км/c или 1080 миллионов километров в час. Чтобы примерно представить эту скорость приведем некоторые сравнения, так радиоволна может преодолеть длину экватора Земли за 134 мс, от Земли до Луны радиоволна доберется за 1,225 секунды а от Земли до Солнца за 8,3 минуты.
Для того чтобы понять как возникают радиоволны в генераторе электромагнитных колебаний рассмотрим схему простейшего идеального колебательного контура.
Рисунок ниже показывает простейший замкнутый колебательный контур состоящий из заряженного конденсатора и катушки индуктивности (1), заряженный конденсатор начинает разряжаться через индуктивность, в которой возникает электромагнитная индукция и накапливается энергия (2), в этот момент обкладки конденсатора полностью разряжены, далее ток течет через индуктивность и перетекает на обратные обкладки конденсатора полностью заряжая их энергией (3), зарядившись конденсатор вновь обратно начинает разряжаться через индуктивность (4) и так далее в обратном порядке (5) каждый раз заряжаясь и перезаряжаясь с определенной частотой колебаний.
Для того, чтобы получить открытый колебательный контур, необходимо раздвинуть обкладки конденсатора, в этом случае мы получаем открытый контур излучающий электромагнитные волны в пространство (А), раздвинув обкладки конденсатора в разные стороны (B) получим открытый колебательный контур в котором электромагнитные – радиоволны излучаются в пространство.
Если индуктивность заменим на обычный генератор электрического сигнала (С) получим антенну постоянно излучающую радиоволны в пространство с частотой колебаний генератора. На рисунке (D) показано схематичное изображение антенны.
Основной характеристикой радиоволн является частота, которая показывает, как часто в генераторе электромагнитных колебаний меняется направления электрического тока, а значит частота излучаемых радиоволн.
Если представить процесс изменения электромагнитного поля в виде графика изменения, получим картину представленную на рисунке ниже, видно изменение поля в течении времени – постоянный перезаряд обкладок конденсатора с переходными процессами.
Основные параметры радиоволн это амплитуда и длина волны, длина волны в свою очередь связана с частотой.
Амплитуда – соответствует величине напряженности электрического и магнитного поля.
Длина волны – соответствует расстоянию между двумя гребнями волны, двумя точками волны находящихся в одной фазе, связана со скоростью изменения напряженности электромагнитного поля.
Частота – количество волн за определенный период времени, измеряется в герцах [Гц]. Один герц, равен одному колебанию электрического сигнала, за 1 секунду времени [формула расчета частоты f=c/λ f – частота в герцах, с – скорость света, равная 300 000 000 м/сек., λ – длина волны в метрах]
2) После того как мы разобрались, что из себя представляют радиоволны, давайте разберемся, как можно передавать информацию по радиоволнам, представим что перед нами стоит задача передать некоторую последовательность бит 010101, логическую единицу можно пометить отличным уровнем амлпитуды или отличной частотой или сдвигом фазы. Поэтому основные из некоторых методов представления информации это амплитудная модуляция, частотная модуляция, фазовая модуляция.
Изменение амплитуды – называется амплитудной модуляцией, AM modulation
Основной принцип – изменение уровня напряженности электромагнитного поля передающей стороной.
Для обозначения нуля берем уровень амплитуды на базовом значении, а для обозначения единицы будем увеличивать амплитуду на небольшое значение.
На графике видно как меняется амплитуда радиоволны в зависимости от битовой последовательности, нулю соответствует базовая амплитуда, а единицы более высокое значение. Амплитудная модуляция получила меньшее распространение в виду технической сложности реализации и малой устойчивостью к помехам, так например источник электромагнитного излучения не связанный с принимающей и передающей стороной может внести помехи в передачу, например разряд молнии кратковременно поднимет амплитуду и на выходе появится ложный сигнал в виде шума.
Изменение частоты – называется частотной модуляцией, FM modulation
Основной принцип – изменение частоты радиоизлучения.
Для обозначения нуля берем базовое значение частоты, а для обозначения единицы будем изменять значение частоты в большую сторону. На графике видно как меняется частота в зависимости от битовой последовательности, нулю соответствует базовое значение частоты, а единице более высокая частота отличная от базовой. Частотная модуляция получила большее распространение в виду простоты реализации – необходимо только увеличивать частоту путем изменения частотных характеристик колебательного контура.
Так же данная модуляция более помехозащищенная, внешние шумы могут увеличит амплитуду сигнала, но частота при этом останется той же, после прохождения через ряд фильтров мы получим исходную последовательность.
Изменение фазы – называется фазовой модуляцией Phase-shift keying (PSK)
Основной принцип – скачкообразное изменение сдвига фазы несущей волны
Для обозначения нуля берем отсутствие сдвига по фазе а для обозначения логической единицы, в исходной цифровой последовательности, меняем фазу гармонической посылки на 180°. На графике видно как происходит сдвиг фазы при передачи логической единицы. Фазовая модуляция так же получила широкое распространение в виду хорошей помехозащищенности и простоты реализации. Излучаемая мощность передатчика с фазовой модуляцией всегда находиться на одном уровне, в отличие от амплитудной и частотной модуляции, что уменьшает основные требования к компонентам микроэлектроники.
3) После того как мы разобрались что такое радиоволны и как по ним можно передавать информацию, давайте разберемся с аппаратной реализацией передачи и приема информации.
В качестве примера возьмем передачу голоса от передатчика к приемнику, информацию будем передавать используя частотную модуляцию.
Передатчик – трансмиттер – transmitter
Состоит из генератора колебаний, так же называемым осциллятором и из модулятора, который изменяет базовую частоту радиоволны. Работает следующим образом:
– Для генерации базовой частоты радиоволны используем LC колебательный контур состоящий из конденсатора С2 и индуктивности L1, этим мы создаем базовую частоту на выходе антенны.
– Голос оказывая давления на микрофон и создает в нем незначительные электрические колебания которые поступая на Базу транзистора приоткрывает в нем переход Коллектор-Эмиттер. Чем больше громкость, тем больше уровень электрических колебаний создается на выходе микрофона и тем больше открывается переход транзистора.
– Открытый переход транзистора изменяет частотные характеристики колебательного контура в связи с чем на выходе антенны будет меняться частота в зависимости от поступающего сигнала, в данном случае происходит частотная модуляция голосового сигнала
Приемник – ресивер – receiver
Состоит из принимающего устройства и демодулятора.
Для получения голосового сигнала переданного нашим передатчиком нам необходимо демодулировать сигнал, работает это следующим образом:
– Подстроечным конденсатором С2 настраиваем колебательный контур состоящий из конденсатора С2 и индуктивности L1, так что бы в нем возникла частота колебаний равная базовой частоте передающего сигнала.
– Принятое антенной изменение частоты отличное от базовой вызывает в контуре резонанс, который незначительно повышает напряжение на базе транзистора, приоткрывая переход Коллектор-Эмиттер, чем больше уровень резонанса тем больше открыт транзистор, открытый транзистор в свою очередь меняет характеристики принимающего контура после транзистора и на выходе микрофона появляется звук переданный нашим передатчиком
О том что такое радиоволны, как работает колебательный контур
Бросьте на гладкую водяную поверхность камень, и на ней появятся волны, кругами расходящиеся во все стороны. Это — водяные волны, они создаются в воде и в ней же распространяются.
Звуковые волны в открытом пространстве создаются в воздухе и в нем же распространяются: удалите воздух, и звуки исчезнут. Из чего же созданы и в чем распространяются радиоволны?
В некоторых книгах дается такое пояснение по интересующему нас вопросу:
Радиоволны — это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».
Попробуем воспользоваться этой формулировкой в качестве исходной в наших объяснениях природы радиоволн. Позвольте напомнить Вам из школьных уроков по физике, что вокруг всякого проводника с электрическим током существует магнитное поле, а вокруг тела с электрическим зарядом — электрическое поле.
Даже, если Вы забыли это, то, вероятно, замечали, что гребенка или расческа, которой Вы только что привели в порядок Ваши волосы, стремится притянуть к себе легкие предметы вроде кусочков папиросной бумаги, шерстинок и пр.
Эта же самая гребенка до использования ее по прямому назначению не обладала свойствами притягивать посторонние предметы.
Объяснение простое: от трения о волосы гребенка приобрела электрический заряд, отчего вокруг гребенки возникло электрическое поле. Оно-то и действует на легкие предметы, притягивая их.
Полем вообще называют форму материи, в которой обнаруживается действие каких-либо сил. Например, в поле земного тяготения обнаруживается притяжение к земле.
Форма материи, в пределах которой сказывается действие электрических сил, называется электрическим полем. Сильнее заряд — и поле сильнее. Нет заряда — нет поля.
У нас в руке медный провод, по которому течет ток, а на столе — обычный компас. Стрелка компаса ориентирует Вас в пространстве, указывая север.
Поднесите к компасу этот провод, расположите его вдоль стрелки, и стрелка отклонится в сторону (рис. 1). Увеличьте ток — стрелка отклонится еще больше. Уменьшите ток— отклонение стрелки уменьшится. Выключите ток — стрелка опять укажет север. Значит, не сам провод влияет на стрелку компаса, а ток, протекающий по нему.
Объяснение простое: ток создает вокруг провода магнитное поле, и это поле действует на стрелку компаса.
Рис. 1. Ток, идущий по проводу, отклоняет стрелку компаса.
Форма материи вокруг магнита или проводника с током, где обнаруживается действие магнитных сил, называется магнитным полем. Сильнее ток — сильнее магнитное поле. Нет тока — нет поля.
Если электрический ток периодически через равные промежутки времени меняет не только свою величину, но й направление, то такой ток называется переменным. Переменный ток создает и переменное магнитное поле.
То же самое можно сказать и о переменном электрическом поле. Если вызвавший его заряд периодически меняет не только свою величину, но и полярность, ток такое поле называется переменным электрическим полем.
Переменные электрическое и магнитное ПОЛЯ неотделимы друг от друга. Если возникло переменное электрическое поле, то оно всегда создает вокруг себя переменное магнитное поле и, наоборот, переменное магнитное поле обязательно создаст переменное электрическое поле.
Электромагнитные волны, т. е.
взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля, распространяются в воздухе или в безвоздушном пространстве, а также во многих других веществах со скоростью света, равной 300 000 км/сек.
Электрическая искра. Достаточно где-либо проскочить электрической искре, как сейчас же вокруг нее возникнут радиоволны. Вы случайно замкнули провода — короткая вспышка, и в пространство выброшен поток радиоволн.
Искрят щетки электродвигателя, работает электросварочный агрегат, искрит дуга трамвая или ролик троллейбуса, работает автомобильный мотор с системой электрического зажигания — безразлично: все это наводняет пространство радиоволнами.
Именно из-за этих волн от искровых разрядов, будь то разряды атмосферного электричества или же искрение электроустановок, происходят все те трески, которые Вы, вероятно, не один раз проклинали, слушая интересную радиопередачу.
Только удалившись с радиоприемником куда-либо далеко за город, где нет помех радиоприемнику от трамваев, электрических лифтов, электромедицинских кабинетов и подобных им устройств, можно вести прием в относительной «электрической тишине».
Вот почему приемные радиоцентры выносятся из городов в уединенные места.
Но и здесь не всегда можно укрыться от помех. Гигантский искровой разряд, каким является молния, создает настолько сильный ураган радиоволн, что в грозу из громкоговорителя вырывается оглушительная «артиллерийская канонада».
Радиоволны от молний сигнализируют о приближении грозы. Первым человеком, сумевшим принимать радиосигналы молнии, был русский ученый, изобретатель радио Александр Степанович Попов. Один из своих приборов, названный им «грозоотметчиком», он использовал для того, чтобы следить за далекими грозами и предсказывать их приближение.
Люди взяли у природы ее рецепт «изготовления» радиоволн.
Все первые радиопередатчики создавали мощные потоки сильно трещащих искр. Радиоволны, порождаемые искрами, переносили в пространство различные сообщения без всяких соединительных проводов.
Эти первые радиостанции так и назывались — «станции искрового телеграфа». Известно, что радиотелеграфисты мощной московской искровой радиостанции (на Ходынке), идя на дежурство, еще километра за полтора-два до здания на слух, по треску искр — этих маленьких молний, могли читать сообщения, передаваемые знаками телеграфной азбуки.
Название «радиостанция» появилось значительно позже. Современная радиотехника почти полностью отказалась от весьма несовершенных искровых станций. Но пучок искр до сих пор остается в эмблеме на погонах связистов.
Как создаются радиоволны. Нам предстоит ознакомиться с тем, как создаются радиоволны современными радиопередающими станциями.
Краткое определение сущности создания радиоволны таково: Проводник с переменным током высокой частоты при некоторых условиях способен излучать в окружающее пространство радиоволны.
Это определение станет понятным, когда будет раскрыт внутренний смысл каждого слова. «Проводник»— но какой, всякий ли? Дальше мы увидим, что нет, далеко не всякий. «Переменный ток высокой частоты» — как это понимать? Что значит «при некоторых условиях?» При каких именно? «Излучать— как?
Начнем с выяснения, что такое переменный ток.
Рис. 2. Затухающие колебания маятника.
Рис. 3. Незатухающие колебания маятника.
Знакомясь с электромагнитным полем, мы получили краткую справку о том, что переменным называется ток, периодически меняющий не только свою величину, но и направление.
Следует еще раз подчеркнуть что слово «переменный» относится именно к направлению. Как бы ни менял свою величину электрический ток, его нельзя назвать переменным, если он не меняет направления.
Переменный ток течет попеременно то в одну сторону, то в обратную, как бы повторяя колебательные движения качелей или часового маятника. Недаром существует технический термин «электрические колебания».
Чему учит маятник. К концу маятника часов я прикрепляю легкое перышко или волосок, смоченный жидкой краской, затем толкаю маятник и подношу к перышку листок бумаги. Перышко начинает вычерчивать на листке прямую линию — след колебаний маятника; чем больше размахи маятника, тем больше ее длина.
Теперь я начинаю равномерно передвигать листок бумаги в направлении, перпендикулярном плоскости колебаний маятника. Прочерчиваемая линия растянется, развернется в волнообразный график (рис. 2). Колебания маятника зарегистрированы — получился график колебаний или, как его называют, осциллограмма.
Осциллограмма свидетельствует о том, что размахи маятника быстро уменьшались, и вскоре маятник остановился. Трение в точке подвеса маятника и в точке касания перышка с бумагой, а также сопротивление воздуха сделали свое дело. Колебания быстро затухли. Перед нами график затухающих колебаний.
Иную картину представляет график, показанный на рис. 3. Сила тяжести гирь преодолевала действие на маятник всех тормозящих усилий. Поэтому маятник отщелкивал удар за ударом, не уменьшая размахов.
Можно было бы целый день вытягивать из-под такого маятника бумажную ленту, и все время вычерчивалась бы на ней волнообразная кривая незатухающих колебаний.
У всякой профессии свой язык. Электрик или радист не скажет «размах» там, где речь идет о колебаниях: не размах, а амплитуда. Уважая профессиональные привычки, мы должны сказать так: у затухающих колебаний амплитуды убывают, у незатухающих — остаются неизменными.
Колебательный контур. Не только маятник или качели, но и электрический ток можно заставить совершать затухающие или незатухающие колебания.
Для этого служит очень простое электрическое устройство — колебательный контур. Это своего рода «электрический маятник». Но в отличие от колебаний обычного маятника электрические колебания в контуре совершаются невероятно быстро.
На каждое колебание затрачивается ничтожно малая доля секунды, поэтому число колебаний в секунду очень велико.
Колебательный контур состоит всего из двух основных частей: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка представляет собой некоторое число витков медной проволоки, а конденсатор (самый простои) — две металлические пластинки, разделенные слоем диэлектрика.
Рис. 4. Чем больше площадь пластин конденсатора и чем ближе одна к другой, тем больше емкость.
Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены одна к другой, тем при прочих равных условиях большей электрической емкостью обладает конденсатор (рис. 4). На величину емкости влияет и вещество диэлектрика.
Конденсатор с бумагой в качестве диэлектрика «впитает» в себя в 2 раза больше электричества, чем такой же конденсатор, но с воздухом вместо бумаги.
Слюдяной конденсатор «сгустил» бы в себе («конденсатор» по-русски означает «сгуститель») в 6 раз больший заряд, чем такой же воздушный конденсатор.
Если присоединить концы катушки к пластинам конденсатора, получится колебательный контур (рис. 5). Но такой «мертвый» контур ничем не интересен. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, его нужно «оживить».
Маятник мы отводим вбок или даем ему толчок, и он начинает мерно раскачиваться из стороны в сторону. Колебательный контур тоже можно «подтолкнуть».
К нему необходимо подвести некоторое количество электрической энергии, чтобы электроны пришли в колебательное движение. Для этого конденсатор следует зарядить от какого-либо источника тока (рис. 6,а), а затем подключить к нему катушку индуктивности.
Электрическое напряжение U на пластинах конденсатора и сообщит электронам тот электрический «толчок», который необходим для возбуждения колебаний в контуре. Конденсатор станет разряжаться через катушку, и в цепи потечет ток (рис.
6,6).
С появлением тока скажется тормозящее влияние катушки — ее индуктивность, которая зависит от числа витков, размеров и формы катушки. Индуктивность — это электрическая инерция.
Рис. 5. Колебательный контур состоит из конденсатора С, катушки L и соединительных проводов.
Рис. 6. Получение переменного тока в контуре.
Она противодействует всякому изменению тока, подобно тому как инерция тела препятствует изменению его скорости. Вследствие противодействия катушки электрической инерции ток будет нарастать постепенно и достигнет наибольшей величины Iмакс, как раз в тот момент, когда конденсатор полностью израсходует свой электрический заряд, т. е. разрядится.
Теперь, казалось бы, ток должен исчезнуть. На самом же деле благодаря электрической инерции он не прекратится и будет протекать в ту же сторону за счет энергии, которая сосредоточилась в катушке.
Но ток станет постепенно убывать. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться в обратном направлении: пластина, имевшая положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, а пластина, имевшая отрицательный заряд,— положительно.
Когда энергия полностью сосредоточится в конденсаторе, ток в контуре прекратится (рис. 6,в), но процесс на этом не остановится. Зарядившийся конденсатор опять начнет разряжаться: в контуре потечет ток, но уже в обратном направлении (рис. 6,г).
Он возрастет до максимальной величины, а затем снова упадет до нуля.
В этот момент завершится полный цикл изменения тока в контуре, т. е. закончится одно электрическое колебание (рис. 6,д). После этого все изменения тока станут повторяться, подобно тому как повторяются перемещения маятника. В контуре возникнут электрические колебания.
Колебания в контуре, происходящие без какого-либо влияния со стороны, чрезвычайно кратковременны. Это объясняется тем, что электрический ток нагревает провода катушки. Энергия электрических колебаний превращается в тепло, которое рассеивается. Потери
эти неизбежны, поэтому колебания в контуре быстро затухают. Амплитуда их становится все меньше и меньше, и, наконец, колебания практически прекращаются.
Они длятся очень малую долю секунды.
Затухающими колебаниями пользовались в первые годы развития радиотехники. Но теперь они не применяются. Уже много лет назад были разработаны способы получения незатухающих колебаний, на применении которых и основывается современная радиотехника. Незатухающие колебания — это колебания с неослабевающей силой. Амплитуда их не меняется.
Для того чтобы получить незатухающие колебания, нужно особое устройство, которое «подбрасывает» колебательному контуру все новые и новые порции энергии. В часах роль этого устройства выполняет гиря или пружина. Как это делается в колебательном контуре, мы узнаем дальше.
Период и частота. В здании Исаакиевского собора в Ленинграде под куполом подвешен длинный маятник, служащий для доказательства вращения Земли вокруг своей оси. Длина маятника 98 м.
На одно полное колебание, т. е. на движение маятника от отвеса в одну сторону, переход в противоположную сторону и возвращение к отвесу, затрачивается 20 сек.
Маятник же часов-ходиков в течение секунды успеет сделать два колебания. Словом, чем длиннее маятник, тем медленнее совершает он колебания, тем больше период его колебаний.
Период – это время одного полного колебания.
От десятков секунд до десятых долей секунды— таковы пределы (диапазон) изменений периодов колебаний маятников.
Колебания в электрическом контуре могут совершаться тоже с разными периодами, но диапазон их гораздо более широкий. Никакой маятник не сможет в 1 сек совершить несколько тысяч колебаний, тогда как для электрического тока такие колебания считаются медленными.
Период электрических колебаний определяется тем, насколько быстро конденсатор может заряжаться и разряжаться, а катушка— управляться со своим магнитным полем.
Число колебаний в секунду называется частотой колебаний. Единица измерения частоты называется «герц». Один герц (сокращенно 1 гц) — это одно полное колебание в секунду, т. е. один период в секунду.
Частота электрических колебаний в контуре определяется величинами индуктивности катушки и емкости конденсатора.
Чем больше индуктивность, тем сильнее скажется ее тормозящее действие на изменении электрического тока в контуре и тем медленнее будут совершаться колебания. Так же влияет на частоту колебаний и емкость.
С увеличением емкости конденсатора возрастает время, необходимое для его заряда и разряда. Значит, период колебаний будет продолжительнее, а число колебаний в секунду меньше.
Следовательно, изменяя индуктивность и емкость контура, можно менять частоту происходящих в нем электрических колебаний, подобно тому как скрипач, перемещая пальцы по грифу скрипки и удлиняя или укорачивая струны, изменяет тон, т. е. меняет частоту звуковых колебаний.
В радиотехнике приходится иметь дело с электрическими колебаниями, частота которых достигает многих тысяч и миллионов герц. Оперировать всякий раз с такими большими числами так же неудобно, как неудобно выражать путь от Москвы до Ленинграда в миллиметрах или вес поклажи грузового автомобиля в граммах. Общепринято пользоваться более крупными кратными единицами: килогерц (кгц) — тысяча герц и мегагерц (Мгц) — миллион герц.
Излучение радиоволн становится практически возможным лишь в том случае, если частота колебаний не ниже нескольких десятков тысяч герц. Вот почему для излучения радиоволн нужен не просто переменный ток, а переменный ток высокой частоты.
При помощи колебательного контура можно получить электрические колебания практически любой частоты — от долей герца до многих сотен и тысяч мегагерц. Для этого надо только подобрать соответствующие емкости и индуктивности колебательного контура.
Открытый колебательный контур. Не следует думать, что достаточно создать в колебательном контуре высокочастотные колебания, для того чтобы он стал излучать в окружающее пространство радиоволны. Вот тут-то и приходится вспомнить «некоторые условия», о которых мы в свое время лишь упомянули.
Эффект излучения радиоволн тем ощутительнее, чем большее пространство охватывается электрическим и магнитным полями контура. Конденсатор же по размерам очень невелик и поле его, хотя и сильное, очень собрано, сжато.
Оно занимает небольшой объем пространства. То же следует сказать и о магнитном поле: оно собрано, сжато вокруг витков катушки.
Рис. 7. Раздвигая пластины конденсатора, получим открытый колебательный контур.
Такой колебательный контур, у которого емкость и индуктивность сосредоточены, вследствие чего поля ограничены небольшим объемом, называется замкнутым колебательным контуром.
Применяя его в качестве излучателя радиоволн, можно ожидать не большего успеха, чем от попытки нагреть большую комнату раскаленным добела гвоздем.
Итак, чтобы усилить эффект излучения радиоволн, надо увеличить размеры электромагнитного поля.
Сразу же напрашивается решение раздвигать пластины конденсатора, и тогда в электрическое поле будут включаться все новые и новые части пространства. Но при раздвижении пластин уменьшается емкость конденсатора.
Контур начнет создавать колебания иной частоты. Есть выход:одновременно с раздвижением пластин увеличивать их размеры, и тогда емкость конденсатора остается неизменной
На рис.
7 показано, как постепенное раз-движение пластин приводит к созданию открытого колебательного контура. Емкость у него образована двумя большими пластинами, удаленными одна от другой на значительное расстояние.
Опыт показал, что вместо сплошной пластины лучше применять две длинные проволоки, так как они создают конденсатор вполне достаточной емкости.
Для большего охвата пространства электрическим полем одну проволоку на мачтах поднимают высоко вверх, а другую располагают у самой земли. Если по такому открытому колебательному контуру начнет протекать ток высокой частоты, излучение радиоволн обеспечено.
Когда А. С. Попов»начал применять радиоволны для целей связи без проводов, он нашел необходимым увеличить размеры открытого колебательного контура. Одну проволоку он поднял на высокой мачте вверх, а другую зарыл в землю.
Земля — достаточно хороший проводник и по своему действию вполне заменяет одну из пластин конденсатора. Емкость открытого колебательного контура была образована поднятой вверх проволокой и землей, разделенными слоем воздуха.
Провод, поднятый кверху, получил название «антенна». В переводе на русский язык с греческого это слово означает усики (насекомого). Это название дано было по внешнему сходству.
Честь изобретения первой в мире антенны принадлежит также А. С. Попову.
Мы уже знаем, что не могут раздельно существовать переменные магнитное и электрическое поля. Поэтому при циркулировании в открытом колебательном контуре токов высокой частоты в окружающем пространстве будет возникать электромагнитное поле.
Сила или, лучше сказать, напряженность этого поля будет тем большей, чем сильнее вызвавший его ток, чем. больше амплитуда колебаний тока в контуре.
Колебательный ток с небольшой амплитудой создаст вокруг антенны электромагнитное поле небольшой напряженности. Наоборот, ток с большой амплитудой создаст сильное электромагнитное поле. Чем больше напряженность поля, тем на более далеком расстоянии оно способно действовать.
Излучение радиоволн. Мы вплотную подошли едва ли не к самому сложному явлению, с которым имеет дело радиотехника,— к возникновению излучения радиоволн.
Нам нужно «заставить» перемещаться переменное электромагнитное поле антенны.
Опираясь на формулировку, приведенную в начале статьи, мы можем поставить знак равенства между перемещающимися электромагнитными полями и радиоволнами. Останется пояснить, в силу каких причин электромагнитное поле «покидает» антенну и «отправляется» в самостоятельное путешествие.
Электромагнитное поле антенны «дышит» с частотой вызвавшего его тока. Следуя за всеми изменениями тока в антенне, поле как бы втягивается в антенну, когда ток в ней уменьшается до нуля, и как бы разбухает, когда ток достигает максимального значения.
Ток в антенне не ждет. Счет идет на микросекунды. Электромагнитное поле должно поспевать вслед за током «втягиваться» и «разбухать». Тем участкам электромагнитного поля, которые находятся у самой поверхности провода антенны, не потребуется много времени на то, чтобы быстро «всосаться» обратно в антенну при «втягивании», т. е. в моменты прекращения в ней тока.
Но участкам, находящимся на периферии огромного электромагнитного поля, придется поспешить.
Может получиться, в действительности так и получается, что периферийные участки поля еще не успевают «втянуться» в антенну, как навстречу им начнет двигаться, «разбухая», новое поле. Оно не пропустит к антенне остатки уже «втянутого» поля (рис. 8).
Рис. 8. Антенна излучает радиоволны толчками, отгоняя.
«Запоздавшее» поле будет отброшено антенной. С каждым «вздохом» электромагнитного поля антенна будет толчками отбрасывать в пространство «опоздавшую» его часть.
Оттесняя друг от друга в стороны, отброшенные части электромагнитного поля будут вынуждены отходить все дальше от антенны, перемещаясь в пространстве. Так происходит излучение радиоволн.
Будь электромагнитное поле более «аккуратным», успевай оно своевременно «втянуться» в антенну, никакого излучения не получилось бы. У замкнутого колебательного контура поле очень небольшое.
Почти все оно успевает аккуратно следовать за всеми изменениями тока. Не происходит почти никаких запозданий! Но зато практически не получается излучения радиоволн.
Длина волны. Скорость, с какой волны увеличивают расстояние между собой и антенной, нам уже известна: 300 000 км в секунду. Такую огромную скорость -как нельзя лучше характеризует слово «излучение».
Неслучайно все отрасли техники, использующие «перемещающиеся электромагнитные поля», получили приставку «радио»: радиосвязь, радиопеленгация, радионавигация, радиолокация и пр. Слово «радио» происходит от латинского слова «радиус», означающего «луч».
С каждым новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн. Но сколько%бы волн ни излучалось, скорость их распространения строго постоянна. Через секунду после начала излучения «голова» первой волны окажется на расстоянии 300 000 км от антенны.
Все остальные волны займут промежуточное положение между «головной» волной и антенной радиостанции. На долю каждой волны придется тем меньшее расстояние, чем больше волн излучает за секунду антенна, т.
е. чем выше частота колебаний тока в антенне.
Если частота тока равна 1 Мгц то это значит, что за секунду антенна излучает 1 000 000 волн. Все они занимают в пространстве, считая по прямой линии в сторону от излучающей антенны, 300 000 км. На долю каждой волны придется 300 000 : 1 000 000 = 0,3 км = 300 м.
Это расстояние есть путь, который успеет пройти волна, излучаемая радиостанцией за время одного колебания тока в антенне, т. е. за один период колебаний (рис. 9) Оно называется длиной волны, которая обозначается греческой буквой (ламбда).
При понижении частоты колебаний каждая волна займет больше места в пространстве. Если к примеру частота колебаний тока в антенне равна 100 кгц и, следовательно, антенна излучает в секунду 100 000 волн, то каждая волна «растянется» в пространстве на 300 000 : 100 000 = 3 кж = 3 000 м.
Наоборот, при повышении частоты колебаний тока в антенне волны должны будут «сжаться». При частоте 100 Мгц длина волны составит лишь 300 000 : 100 000 000 = 0,003 км = 3 м.
Таким образом, чем меньше частота, тем больше длина волны (ламбда2 на рис. 9). И, наоборот, чем больше частота, тем короче волна (ламбда1 на рис. 9).
Рис. 9. Путь, который успевает пройти излучаемая радиостанцией волна за время одного периода колебаний тока в антенне, называется длиной волны.
Длина волны ламбда и частота f обратно пропорциональны друг другу. Поэтому длину электромагнитной волны ламбда всегда можно вычислить, если разделить скорость распространения этой волны, равную 300 000 км в секунду, на частоту f.
Для того чтобы длина волны получилась в метрах, как ее обычно принято выражать, скорость распространения также следует брать в метрах (300 000 000 м). Следовательно, можно написать:
Если же частоту выражать в килогерцах, то в этих формулах для получения длины волны в метрах скорость распространения надо брать в километрах (300000 км), т. е.
Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.
Что говорят нам о Вселенной радиоволны? · Frontiers for Young Minds
Abstract
Радиоастрономия зародилась в 1933 году, когда инженер по имени Карл Янски случайно обнаружил, что радиоволны исходят не только от изобретений, которые мы создаем, но и от природных материалов в космосе.
С тех пор астрономы строили все более совершенные телескопы, чтобы находить эти космические радиоволны и узнавать больше о том, откуда они исходят и что они могут рассказать нам о Вселенной. В то время как ученые могут многое узнать из видимого света, который они обнаруживают с помощью обычных телескопов, они могут обнаруживать различные объекты и события, такие как черные дыры, формирующиеся звезды, планеты в процессе рождения, умирающие звезды и многое другое, используя радиотелескопы. Вместе телескопы, которые могут видеть различные виды волн — от радиоволн до волн видимого света и гамма-лучей — дают более полную картину Вселенной, чем любой тип телескопа сам по себе.
Когда вы смотрите на ночное небо, вы видите яркие огни звезд. Если вы живете в темном месте вдали от городов, вы можете увидеть их тысячи. Но отдельные точки, которые вы видите, — это все рядом с звездами. Еще около 100 миллиардов звезд существуют только в нашей галактике, которую называют Млечный Путь.
По мнению астрономов, помимо Млечного Пути существует еще около 100 миллиардов галактик (каждая со своими 100 миллиардами звезд). Почти все эти звезды невидимы для вашего глаза, который не может видеть тусклый свет далеких звезд. Ваши глаза пропускают и другие вещи. Видимый свет, который могут видеть ваши глаза, — это лишь крошечная часть того, что астрономы называют « электромагнитный спектр », весь спектр различных световых волн, которые существуют. Электромагнитный спектр также включает гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Поскольку человеческий глаз может видеть только видимый свет, мы должны построить специальные телескопы, чтобы уловить остальную часть этого «спектра», а затем превратить их в изображения и графики, которые мы сможем увидеть.
Что такое радиоволна?
Свет состоит из мельчайших частиц, называемых « фотонов ». Фотоны в видимом свете имеют среднее количество энергии.
Когда у фотонов немного больше энергии, они становятся ультрафиолетовым излучением, которое вы не можете видеть, но которое может дать вам солнечный ожог. С большей энергией фотоны становятся рентгеновскими лучами, которые проходят сквозь вас. Если фотоны обладают еще на больше энергии, они становятся гамма-лучами, исходящими из звезд при их взрывах.
Но когда фотоны имеют немного меньшую энергию, чем фотоны видимого света, они известны как инфракрасное излучение. Вы можете почувствовать их как тепло. Наконец, мы называем фотоны с наименьшей энергией «радиоволнами». Радиоволны исходят из странных мест в космосе — самых холодных и старых мест и звезд с наибольшим количеством материала, набитого в маленьком пространстве. Радиоволны сообщают нам о частях Вселенной, о существовании которых мы даже не знали бы, если бы использовали только наши глаза или телескопы, которые видят видимые фотоны.
Длина волны и частота
Радиоастрономы используют эти радиофотоны для изучения невидимой Вселенной.
Фотоны движутся волнами, как будто они катаются на американских горках, которые снова и снова используют одни и те же два участка пути [1]. Размер волны фотона — его длина волны — говорит вам о его энергии. На рис. 1 показаны волны с двумя разными длинами волн. Если волна длинная, у нее не так много энергии; если он короткий, в нем много энергии. Радиоволны не обладают большой энергией, а это значит, что они распространяются большими волнами с большой длиной волны. Радиоволны могут иметь ширину в сотни футов или всего несколько сантиметров.
- Рисунок 1. Фотоны распространяются волнами. Длина каждой волны называется длиной волны.
Астрономы также говорят о том, сколько из этих волн каждую секунду проходит через точку — радиоволну с « частотой ». Вы можете думать о частоте, представляя пруд с водой. Если бросить камень в воду, по пруду пойдет рябь. Если вы стоите в воде, волны бьют вам по щиколотку. Количество волн, которые врезаются в вас за одну секунду, говорит вам о частоте этих волн.
Пионеры радио
Первый радиоастроном не собирался быть первым радиоастрономом. В 1933 году человек по имени Карл Янски работал над проектом для Bell Laboratories, лаборатории в Нью-Джерси, названной в честь Александра Грэма Белла, изобретшего телефон. Там инженеры разрабатывали первую телефонную систему, которая работала через Атлантический океан. Когда люди впервые пытались звонить по этой системе, они слышали шипение на заднем фоне в определенное время дня. Лаборатории Белла считали, что шум вреден для бизнеса, поэтому послали Карла Янски выяснить, что его вызывает. Вскоре он заметил, что шипение началось, когда середина нашей галактики поднялась в небе, и закончилось, когда она зашла (все в небе восходит и заходит точно так же, как Солнце и Луна).
- Рис. 2. Основатель радиоастрономии Карл Янский стоит с построенной им антенной, которая обнаружила первые радиоволны, идентифицированные как исходящие из космоса. Источник: НРАО.
Вдохновленный исследованиями Дженкси, человек по имени Гроте Ребер построил радиотелескоп на своем заднем дворе в Иллинойсе. Он закончил телескоп диаметром 31 фут в 1937 году и использовал его, чтобы осмотреть все небо и увидеть, откуда исходят радиоволны. Затем по данным, собранным им со своего радиотелескопа, он составил первую карту «радионеба» [2].
Radio Telescope Talk
Вы можете видеть видимый свет, потому что фотоны видимого света распространяются небольшими волнами, а ваш глаз мал.
Но поскольку радиоволны большие, ваш глаз должен быть большим, чтобы их обнаружить. Таким образом, в то время как обычные телескопы имеют диаметр в несколько дюймов или футов, радиотелескопы намного больше. Телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии имеет ширину более 300 футов, и его можно увидеть на рисунке 3. Телескоп Аресибо в джунглях Пуэрто-Рико имеет ширину почти 1000 футов. Они выглядят как гигантские версии тарелок спутникового телевидения, но работают как обычные телескопы.
- Рисунок 3. Хотя такие инструменты, как показанный здесь телескоп Грин-Бэнк, могут не выглядеть как традиционные телескопы, они работают почти так же, но обнаруживают радиоволны вместо видимого света. Затем они превращают эти радиоволны, невидимые человеческому глазу, в изображения и графики, которые могут интерпретировать ученые. Источник: НРАО.
Чтобы использовать обычный телескоп, вы наводите его на объект в космосе. Затем свет от этого объекта попадает на зеркало или линзу, которая отражает этот свет на другое зеркало или линзу, которая затем снова отражает свет и направляет его в ваш глаз или камеру.
Когда астроном наводит радиотелескоп на что-то в космосе, радиоволны из космоса достигают поверхности телескопа. Поверхность, которая может быть металлической с отверстиями, называемой сеткой, или сплошным металлом, например алюминием, действует как зеркало для радиоволн. Он направляет их на второе «радиозеркало», которое затем направляет их в то, что астрономы называют «приемником ». Приемник делает то же, что и камера: он превращает радиоволны в картинку. На этой картинке показано, насколько сильны радиоволны и откуда они исходят в небе.
Radio Vision
Когда астрономы ищут радиоволны, они видят объекты и события, отличные от тех, которые они видят, когда ищут видимый свет. Места, которые кажутся темными для наших глаз или для обычных телескопов, ярко светятся в радиоволнах. Места, где формируются звезды, например, полны пыли. Эта пыль не пропускает к нам свет, поэтому вся область выглядит как черная клякса. Но когда астроном направляет на это место радиотелескопы, они видят прямо сквозь пыль: они видят, как рождается звезда.
Звезды рождаются в гигантских облаках газа в космосе. Во-первых, этот газ слипается. Затем из-за гравитации к комку притягивается все больше и больше газа. Сгусток становится все больше и больше и горячее и горячее. Когда он становится достаточно большим и горячим, он начинает сталкивать атомы водорода, мельчайшие существующие атомы, друг с другом. Когда атомы водорода сталкиваются друг с другом, образуется гелий, атом немного большего размера. Затем этот сгусток газа становится официальной звездой. Радиотелескопы делают снимки этих молодых звезд [3].
Радиотелескопы тоже раскрывают секреты ближайшей звезды. Свет, который мы видим от Солнца, исходит от поверхности, что составляет около 9000°F. Но над поверхностью температура достигает 100 000°F. Радиотелескопы помогают нам узнать больше об этих горячих частях, которые излучают радиоволны.
На планетах нашей Солнечной системы тоже есть радиолюбители. Радиотелескопы показывают нам газы, вращающиеся вокруг Урана и Нептуна, и то, как они движутся.
Северный и южный полюса Юпитера освещаются радиоволнами. Если мы пошлем радиоволны в направлении Меркурия, а затем поймать радиоволны, которые отражаются с помощью радиотелескопа, мы можем сделать карту почти так же хорошо, как Google Earth [4].
Когда они смотрят намного дальше, радиотелескопы показывают нам одни из самых странных объектов во Вселенной. Большинство галактик имеют в центре сверхмассивные черные дыры. Черные дыры — это объекты, у которых большая масса сжата в крошечном пространстве. Эта масса придает им такое сильное притяжение, что ничто, даже свет, не может ускользнуть от их притяжения. Эти черные дыры поглощают звезды, газ и все, что подходит слишком близко. Когда эта несчастная штука чувствует гравитацию черной дыры, она сначала вращается вокруг черной дыры. По мере приближения он движется все быстрее и быстрее. Огромные струи или столбы электромагнитного излучения и материи, которые не проникают в черную дыру (иногда выше, чем ширина целой галактики), формируются над и под черной дырой.
- Рисунок 4. Галактики со сверхмассивными черными дырами в своих центрах могут выбрасывать струи вещества и излучения, подобные тем, что показаны здесь, которые превышают ширину галактики. Источник: НРАО.
Массивные объекты, подобные этим черным дырам, искажают ткань пространства, называемую пространством-временем. Представьте, что шар для боулинга, который очень весит, устанавливается на батуте. Батут провисает. Тяжелые вещи в космосе заставляют пространство-время прогибаться, как батут. Когда радиоволны, исходящие от далеких галактик, проходят через этот прогиб, чтобы добраться до Земли, форма действует точно так же, как форма увеличительного стекла на Земле: телескопы видят более крупную и яркую картину далекой галактики.
Радиотелескопы также помогают решить одну из самых больших загадок Вселенной: что такое темная энергия ? Вселенная становится больше каждую секунду.
И с каждой секундой она становится все быстрее и быстрее, потому что «темная энергия» — это противоположность гравитации: вместо того, чтобы притягивать все вместе, она все больше раздвигает. Но насколько сильна темная энергия? Радиотелескопы могут помочь ученым ответить на этот вопрос, взглянув на «
Полный набор инструментов
Если бы у нас были только телескопы, улавливающие видимый свет, мы бы упустили большую часть событий во Вселенной. Представьте, если бы у врачей был только стетоскоп в качестве инструмента.
Они могли многое узнать о сердцебиении пациента. Но они могли бы узнать гораздо больше, если бы у них также был рентгеновский аппарат, сонограмма, аппарат МРТ и компьютерный томограф. С помощью этих инструментов они могли получить более полную картину того, что происходило внутри тела пациента. Астрономы используют радиотелескопы вместе с ультрафиолетовыми, инфракрасными, оптическими, рентгеновскими и гамма-телескопами по той же причине: чтобы получить полную картину того, что происходит во Вселенной.
Глоссарий
Электромагнитный спектр : ↑ Видимый свет, который мы можем видеть, является лишь крошечной частью «электромагнитного спектра». Видимый свет состоит из фотонов со средней энергией. Фотоны с большей энергией — это ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи (гамма-лучи обладают наибольшей энергией). Фотоны с меньшей энергией — это инфракрасные и радиоволны (радиоволны имеют наименьшую энергию).
Фотон : ↑ Свет состоит из частиц, называемых фотонами, которые распространяются волнами.
Длина волны : ↑ Размер волны, в которой распространяется фотон.
Частота : ↑ Количество световых волн, проходящих мимо точки за одну секунду.
Герц : ↑ 1 Гц означает, что одна волна проходит мимо точки за одну секунду. Один мегагерц означает, что каждую секунду проходит миллион волн.
Приемник : ↑ Часть радиотелескопа, которая принимает радиоволны и преобразует их в изображение.
Темная энергия : ↑ Темная энергия действует как противоположность гравитации и отталкивает все во Вселенной дальше друг от друга.
Megamaser : ↑ Естественный космический лазер, испускающий радиоволны вместо красного или зеленого света, как у лазерной указки.
Каталожные номера
[1] ↑ Янский, К.
Г. 1993. Радиоволны из-за пределов Солнечной системы. Природа 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
[2] ↑ Ребер, Г. 1944. Космическая статика. Астрофиз. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
[3] ↑ Макки, К.Ф., и Острикер, Э. 2007. Теория звездообразования. Анну. Преподобный Астрон. Астрофиз. 45, 565–687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
[4] ↑ Ostro, SJ 1993. Планетарная радиолокационная астрономия. Преподобный Мод. физ. 65, 1235–1279. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1235
[5] ↑ Henkel, C., Braatz, J.A., Reid, M.J., Condon, J.J., Lo, K.Y., Impellizzeri, C.M.V., et al. 2012. Космология и постоянная Хаббла: о космологическом проекте мегамазера (MCP). Симп. МАС. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
Подробнее о радиоволнах и электромагнитном излучении
Подробнее о радиоволнах и электромагнитном излученииКак НАСА общается с космическим кораблем? |
Электромагнитное излучение (включая радиоволны, свет,
космические лучи и др.
) движется через пустое пространство со скоростью 299 792 км/ч.
второй. Солнечный свет является известным примером электромагнитного излучения, которое
естественным образом излучается Солнцем. Старлайт – это то же самое из “Санз”
которые намного дальше.
Электромагнитное излучение распространяется волнами, которые «вибрируют» на разных частотах . Радиоволны находятся в диапазоне примерно от 10 кГц (или десять тысяч волн в секунду) до 100 ГГц (что составляет сто миллионов колебаний в секунду).
Хотя это не электромагнитные волны, вы можете сравнить эти скорости с другими видами волн:
- Ваш автомобиль вибрирует со скоростью около 300 ударов в секунду
- Звуковые волны можно услышать примерно от 400 до 10 000 ударов в секунду
- Даже прибой на пляже — это тип волны с гораздо более низкой частотой; менее одного в секунду.
Все вместе электромагнитные волны составляют то, что называется электромагнитным полем .
спектр . Радиоволны используются для беспроводной передачи звуковых сообщений,
или для передачи информации.
Рисунок из публикации Лаборатории реактивного движения НАСА: Основы космоса
Рабочая тетрадь летчика. http://www-b.jpl.nasa.gov/basics/
Электромагнитное излучение с частотами примерно от 10 кГц до 100 ГГц
называются радиочастотами. Радиочастоты делятся на группы
которые имеют схожие характеристики, называемые «диапазонами», такими как «S-диапазон», «X-диапазон»,
и т. д. Полосы далее делятся на небольшие диапазоны частот, называемые «каналами».
некоторые из них были зарезервированы для использования телекоммуникаций в дальнем космосе.
Многие космические аппараты используют частоты S-диапазона и X-диапазона, которые находятся в
в диапазоне от 2 до 10 ГГц. Эти частоты относятся к числу тех, которые называются
микроволны, потому что их длина волны очень короткая, всего несколько сантиметров.
Телекоммуникационные системы дальнего космоса разрабатываются для использования даже в
Ка-диапазон более высоких частот.