Кто открыл радиоволны
история развития радиоволн
История освоения радиоволн
Радиоволны открыты в историческом масштабе времени совсем недавно, немногим более ста лет назад.
В первой половине XIX в. английский исследователь Майкл Фарадей, открывший и описавший многие законы электричества и магнетизма, высказал теорию, что электромагнитные взаимодействия распространяются на расстояние не мгновенно, а с некоторой, пусть и очень большой, скоростью. Отсюда следовал вывод, что эти взаимодействия, или поля, могут существовать независимо от источника, их породившего. Так было положено начало открытию электромагнитных волн.
Через 100 лет другой английский ученый Максвелл составил систему уравнений, которые обобщают известные опытные законы электричества. Эти уравнения до сих пор служат основой. Из уравнений Максвелла следовало, что могут существовать независимые от источников быстропеременные электромагнитные поля, переносящие энергию и распространяющиеся в вакууме со скоростью с =3×108 м/с. Эта скорость удивительно точно совпала со скоростью света, что позволило предположить, что свет - это тоже электромагнитные волны, хотя и очень малой длины.
Практически электромагнитные волны удалось получить_ талько через 20 лет, в 1886 г., немецкому ученому и экспериментатору Генриху Герцу. Он осуществил их передачу и прием, а также исследовал отражение и преломление.
Исторически первым излучателем электромагаитных волн был диполь Герца. Он состоит из двух стержней с шарами или дисками на концах, обладающих некоторой емкостью. В то же время стержни, как и любой проводник, обладают индуктивностью. Диполь представляет собой последовательный колебательный контур и имел некоторую резонансную частоту.
Диполь Герца
Знаменитый изобретатель в области электротехники Никола Тесла сконструировал в 1891 г. резонансный трансформатор, позволяющий получать очень высокие напряжения высокой частоты, и высказал мысль о возможности передачи электромагнитной энергии вдоль поверхности земли без проводов. Построенная им в 1893 г. установка для передачи высокочастотной энергии без проводов содержала передающий и приемный резонансные трансформаторы, оснащенные высоко поднятыми антеннами. Практического применения с целью передачи энергии эта установка не получила, вероятно, из-за очень низкого КПД. Но идея передачи сигналов с помощью электромагнитных колебаний уже носилась в воздухе.
Ряд исследователей стремились укоротить длину волны генерируемых колебаний, уменьшая размеры разрядника и совершенствовали приемник, ведь сначала электромагнитные волны регистрировались наблюдением микроскопических искр в зазоре приемного вибратора, а для их возникновения нужна была очень большая напряженность поля.
Француз Бранли изобрел когерер, прототип современного детектора. Название «когерер» принадлежит Лоджу, построившему на его основе приемник с батареей и гальванометром, включенным в цепь когерера. К 1894 году приемник обнаруживал электромагнитное излучение искрового вибратора Герца на расстоянии около 40 метров.
Позже Попову удалось создать значительно более чувствительный приемник электромагнитных колебаний на основе когерера. Несколько позже аналогичный приемник был изготовлен молодым итальянцем Маркони.
Благодаря работе многих изобретателей дальность радиосвязи возросла с сотен метров до сотен километров.
Свойства и диапазоны радиоволн
Радиоволна содержит два переменных во времени и в пространстве поля: электрическое Е и магнитное Н. Оба они перпендикулярны друг другу и направлено распространения. Поля не могут существовать независимо: колебания электрического порождают магнитное, а колебания магнитного - электрическое, только так, поддерживая друг друга, они и распространяются в пространстве, «оторвавшись» от источника.
Волна распространяется вдоль оси X и путь, проходимый волной за один период колебаний Т, называется длиной волны λ - сТ. Период обратно пропорционален частоте колебанийƒ: Т = 1/ƒ. Отсюда следует формула, связывающая частоту колебаний и длину волны: λ = с / ƒ.
Кроме частоты колебаний радиоволна характеризуется поляризацией - направлением вектора электрического поля Е в пространстве. Радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно.
Амплитуда колебаний характеризует напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н. напряженности полей могут быть любыми – они зависят от мощности источника. Поток мощности, переносимый волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения, называется вектором Пойтинга: П=ЕН
Поскольку электрическое поле порождает магнитное и наоборот, между амплитудами полей существует прямо пропорциональная зависимость. Уравнения Максвелла дают простую связь: Е=WH, где W – волновое сопротивление пространства. Это соотношение полностью эквивалентно закону Ома в электротехнике. С учетом этого плотность потока мощности можно связать с напряженностью электрического поля: П=Е2/120π. Напряженностью магнитного поля пользуются редко.
studfiles.net
Радиоволны: их диапазон, длина, частота, история открытия, применение
Радиоволны это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек) . Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т. п.) .
А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т. е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии.
Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц это одно колебание в секунду.
1 мегагерц (МГц) миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается как отношение скорости света взятой в метрах к частоте электромагнитного излучения взятой в МГц.
Такое соотношение показывает, например, что на частоте 1 МГц длина волны составляет 300 метров.С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением частоты длина волны увеличивается.
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
330 кГц Очень низкие частоты (ОНЧ) Мириаметровые 10010 км30300 кГц Низкие частоты (НЧ) Километровые 101 км3003000 кГц Средние частоты (СЧ) Гектометровые 10.1 км330 МГц Высокие частоты (ВЧ) Декаметровые 10010 м30300 МГц Очень высокие частоты (ОВЧ) Метровые 101 м3003000 МГц Ультра высокие частоты (УВЧ) Дециметровые 10.1 м330 ГГц Сверхвысокие частоты (СВЧ) Сантиметровые 101 см30300 ГГц Крайне высокие частоты (КВЧ) Миллиметровые 101 мм
3003000 ГГц Гипервысокие частоты (ГВЧ)
info-4all.ru
Радиоволны: применение и свойства
Радиоволны пронизывают наши тела и каждый миллиметр пространства вокруг нас. Без них невозможно представить жизнь современного человека. Радиоволны проникли в каждую сферу нашей жизни. Уже более 100 лет они являются частью нашей жизни и невозможно представать существование человека без них.
Что это такое?
Радиоволна - электромагнитное излучение, которое распространяется в пространстве с особой частотой. Слово «радио» произошло от латинского - луч. Одна из характеристик радиоволн - частота колебаний, которая измеряется в Герцах. Так она названа в честь немецкого учёного, физика Генриха Герца. Он получил электромагнитные волны и исследовал их свойства. Колебания волны и её частота связаны друг с другом. Чем выше последняя, тем короче колебания.
Существует теория о том, что радиоволны возникли в момент большого взрыва. И хотя магнитные волны были всегда, человечество открыло их для себя сравнительно недавно. В 1868 году шотландец Джеймс Максвелл в своей работе описал их. Затем немецкий физик Генрих Герц доказал в теории их существование. Это произошло в 1887 году. С тех пор интерес к магнитным волнам не иссякает. Исследования радиоволн ведутся во многих ведущих институтах мира.
Сферы применения радиоволн обширны - это и радио, и средства радиолокации, телевидение, телескопы, радары, микроволновые печи и всевозможные беспроводные средства связи. Широко используют их и в косметологии. Интернет, телевидение и телефония - все современные коммуникации, невозможны без магнитных волн.
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.
Телевидение
Применение радиоволн в телевидении имеет тот же принцип. Телевышки усиливают и передают сигнал в телевизоры, и они уже преобразуют их в изображение. Применение радиоволн в сотовой связи выглядит так же. Только требуется более плотная сеть ретросерсорных вышек. Эти вышки являются базовыми станциями, которые передают сигнал и принимают его от абонента.
Сейчас распространена технология Wi-Fi, которая была разработана в 1991 году. Ее работа стала возможной после изучения свойств радиоволн и применение их значительно расширилось.
Именно радиолокация даёт представление о том, что происходит на земле, в небе и в море, и в космосе. Принцип работы прост - радиоволна, передаваемая антенной, отражается от препятствия и возвращается назад сигналом. Компьютер обрабатывает его и выдаёт данные о размере объекта, скорости передвижения и направлении.
Радары с 1950 г. применяются также на дорогах, для контроля скорости автомобилей. Это было обусловлено растущим количеством автомобилей на дорогах и необходимым контролем над ними. Радар — это устройство для дистанционного определения скорости движущегося автомобиля. Полицейские оценили удобство использования этого устройства и через несколько лет радары были на всех дорогах мира. С каждым годом эти приборы видоизменялись, совершенствовались и на сегодняшний день их есть огромное количество видов. Делятся они на две группы: лазерные и «доплеровские».
Свойства радиоволн
Радиоволны обладают интересными особенностями:
- если радиоволна распространяется в среде, отличающаяся от воздуха, то она поглощает энергию;
- траектория волны искривляется, если она находится в неоднородной среде и называется рефракцией радиоволны;
- в однородной сфере радиоволны распространяются прямолинейно со скоростью, зависящей от параметров среды, и сопровождаются убыванием плотности потока энергии с увеличением расстояния;
- когда радиоволны переходят с одной среды в другую, они отражаются и преломляются;
- дифракцией называется свойство радиоволны огибать препятствие, которое встречается на их пути, но здесь есть одно необходимое условие - величина препятствия должна быть соизмерима с длиной волны.
Виды волн
Радиоволны делятся на три категории: короткие, средние и длинные. К первым относят волны с длиной от 10 до 100 м, что позволяет создавать направленные антенны. Они могут быть земными и ионосферными. Применение коротким радиоволнам нашлось в связи и вещании на большие расстояния.
Длина средних волн обычно варьируется от 100 до 1000 м. Частоты, характерные для них — 526-1606 кГц. Применение средних радиоволн реализовано во многих каналах вещания России.
Длинная – это волна от 1000 до 10 000 м. То, что выше этих показателей, называют сверхдлинными волнами. Эти волны имеют свойства малого поглощения при прохождении через сушу и море. Поэтому основное применение длинных радиоволн — в подводной и подземной связи. Особым их свойством является устойчивость к напряжённости электрического тока.
Заключение
Наконец, стоит отметить, что изучение радиоволн идёт и по сей день. И, возможно, принесёт людям ещё немало сюрпризов.
fb.ru
Карта сайта
ЧТО ТАКОЕ РАДИОВОЛНЫ
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати, свет это тоже электромагнитные волны, обладающие схожими с радиоволнами свойствами (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны в метрах рассчитывается по формуле:
или примерно ,где f – частота электромагнитного излучения в МГц.
Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что длина волны напрямую влияет на длину антенны для радиосвязи.
Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волн встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Еще одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить. Вспомните военную технологию снижения заметности «Stealth», в рамках которой разработаны соответствующие геометрические формы, радиопоглощающие материалы и покрытия для уменьшения заметности объектов для локаторов.
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРА
Радиоволны, используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.
Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.
Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:
| Диапазон частот | Наименование диапазона частот | Наименование диапазона волн | Длина волны |
| 3–30 кГц | Очень низкие частоты (ОНЧ) | Мириаметровые | 100–10 км |
| 30–300 кГц | Низкие частоты (НЧ) | Километровые | 10–1 км |
| 300–3000 кГц | Средние частоты (СЧ) | Гектометровые | 1–0.1 км |
| 3–30 МГц | Высокие частоты (ВЧ) | Декаметровые | 100–10 м |
| 30–300 МГц | Очень высокие частоты (ОВЧ) | Метровые | 10–1 м |
| 300–3000 МГц | Ультравысокие частоты (УВЧ) | Дециметровые | 1–0.1 м |
| 3–30 ГГц | Сверхвысокие частоты (СВЧ) | Сантиметровые | 10–1 см |
| 30–300 ГГц | Крайневысокие частоты (КВЧ) | Миллиметровые | 10–1 мм |
| 300–3000 ГГц | Гипервысокие частоты (ГВЧ) | Децимиллиметровые | 1–0.1 мм |
Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.
Распределение спектра между различными службами.
Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:
| Термин | Диапазон частот | Пояснения |
| КВ | 2–30 МГц | Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи. |
| «Си-Би» | 25.6–30.1 МГц | Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов). |
| «Low Band» | 33–50 МГц | Диапазон подвижной наземной связи. Непонятно почему, но в русском языке не нашлось термина, определяющего данный диапазон. |
| УКВ | 136–174 МГц | Наиболее распространенный диапазон подвижной наземной связи. |
| ДЦВ | 400–512 МГц | Диапазон подвижной наземной связи. Иногда не выделяют этот участок в отдельный диапазон, а говорят УКВ, подразумевая полосу частот от 136 до 512 МГц. |
| «800 МГц» | 806–825 и 851–870 МГц | Традиционный «американский» диапазон; широко используется подвижной связью в США. У нас не получил особого распространения. |
Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.
В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.
КАК РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).
Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.
Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.
Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.
Распространение длинных и коротких волн.
Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.
Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.
Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.
Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток.
Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.
Распространение коротких и ультракоротких волн.
Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).
Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.
При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.
Параболическая направленная спутниковая антенна (фото с сайта ru.wikipedia.org).
Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает затухание и поглощение энергии в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, ограничивающей дальность связи.
Мы выяснили, что радиоволны обладают различными свойствами распространения в зависимости от длины волны и каждый участок радиоспектра применяется там, где лучше всего используются его преимущества.
viol.uz
