Діапазон радіохвиль та їх поширення

Радіохвилі є різновидом електромагнітних коливань. Їх існування у 1864 році передбачив британський математик, механік і фізик Джеймс Клерк Максвелл. Його слова виявилися правдивими і повністю відповідають реальності. Що ж собою представляє діапазон радіохвиль?

Що припустив Максвелл?

Узагальнивши наявні результати досліджень, які були проведені до нього і зачіпали область магнітних і електричних полів, вчений висловив ідею, що змінні взаємно породжуються полями. Як це? Магнітні поля можуть створювати електричні та навпаки. Спочатку щось створюється зовнішнім джерелом, а потім воно викликає появу свого напарника. Після цього вони ніби відриваються від існуючого первісного джерела і можуть поширюватися далі по простору. При цьому приймаючи форму електромагнітних хвиль. Але він так і не зумів експериментально підтвердити свою теорію.

Досліди Герца

Вперше теоретичні положення були доведені в 1887 році. Зробив це німецький фізик Генріх Рудольф Герц. Що цікаво, взявшись за цей експеримент, він не був згоден з Максвеллом, а навпаки, вважав, що вчений помиляється. І насправді електромагнітних хвиль не існує. Але як у цьому переконатися? Згідно теорії Максвелла джерелом для хвиль виступають коливні електричні частинки. Для цієї мети був використаний простий контур. Складався він з котушки індуктивності і конденсатора. Випромінювачем електромагнітних хвиль повинен бути служити електричний розряд, який виникав між двома кулями з латуні, закріпленими на кінцях металевих стрижнів. В дослідній установці вони грали роль конденсатора, тому були розділені невеликим проміжком. Хоча стрижні були об’єднані котушкою індуктивності. Безпосередньо самі кулі використовувалися для накопичення електричних зарядів.

І як же проходили його експерименти?

Це дуже важливо, щоб знати, як іде поширення радіохвиль різних діапазонів. У декількох метрах від першого контуру знаходився другий. Вони ніяк не були з’єднані. Другий контур був незамкнутим дротяним кільцем з латунними кульками на кінцях і іскровим проміжком. Такими ж, як і в першому. Це конструкція найпростішого резонатора. Цей прилад дозволяє вловлювати електромагнітні хвилі. У певні моменти між кулями першого контуру проскакували іскри. Науковець розмірковував таким чином: якщо хвиль немає, то вони не повинні з’являтися в резонаторі. Але під час досвіду зафіксувалося, що між кулями другого контуру також з’являється струм. Отже, електромагнітні хвилі існують. Енергія може бути передана без проводів. Герц здійснив серію дослідів, яка в кінцевому підсумку підтвердила теорію, висунуту Максвеллом. Їм було встановлено, що швидкість їх поширення у світі дорівнює світла (фотонам). Більш того, було встановлено, що для них характерно однакову поведінку, так само як і їх підпорядкування законам відбиття і заломлення. Але ось як застосувати такі знання на практиці, він не знав. І вважав, що відкрив непотрібне явище.

Як сильно помилявся Герц

Згодом з електромагнітних коливань виділили діапазон радіохвиль, який використовується для передачі радіосигналів. Уявити сучасний світ без нього дуже складно. І це не дивно, адже вони відкрили широкі можливості для нас. Під час практичних дослідів було встановлено, що поширення у вакуумі йде зі швидкістю, рівної світла. От тільки необхідно розрізняти їх довжину (частоту). Слід зазначити, що чіткої межі не існує. Одна різновид електромагнітних хвиль може плавно перетікати в інший. Найпростіша класифікація розрізняє гама-, рентгенівське, інфрачервоне випромінювання, видиме світло та радіохвилі. Ось останні і становлять найбільший інтерес. На сьогоднішній день виділяють численний та різноманітний діапазон довжин радіохвиль. Згідно з міжнародними угодами весь їх спектр розбили на такі групи: децимиллиметровые, міліметрові, сантиметрові, дециметрові, метрові, декаметровые, гектометровые, кілометрові і мириаметровые. Давайте ж розберемося, що все-таки являє собою кожен конкретний діапазон частот радіохвиль.

Класифікаційне різноманіття

Якщо підійти з іншого боку, то можна виділити ультракороткі, середні і наддовгі хвилі. Часто розглядається суміщена система класифікації:

  • Міліметрові хвилі. Мають довжину від міліметра до сантиметра. Їх частота коливається в діапазоні від 30 до 300 ГГц. Вона класифікована як дуже висока. Хвилі такого типу використовують в радіоастрономії, радіолокації і для космічного зв’язку.
  • Ультракороткі хвилі. Їх довжина коливається в діапазоні від 1 см до 10 м. Тут виділяється кілька груп. Так, якщо довжина хвиль становить до 10 см, а частота знаходиться в діапазоні від 3 до 30 ГГц, то їх називають сантиметровими. Вони використовуються для того, щоб передавати дані за допомогою радіоефіру в супутникових каналах зв’язку для забезпечення мереж Wi-Fi. Якщо довжина хвиль від 10 сантиметрів до одного метра, то у них частота в 300-3000 МГц. З ними можна зустрітися при використанні рацій, мобільних телефонів, радіозв’язку, телебачення, радіозв’язку. Вони називаються дециметровими хвилями. І остання група: в неї входять ті, довжина яких коливається в діапазоні від 1 до 10 м. Вони називаються метровими. Як правило, використовуються для радіомовлення, радіозв’язку та телебачення на коротких дистанціях.
  • Короткі хвилі. До них відносять все, що перебувають у діапазоні від 10 до 100 м. Їх наукове позначення – декаметровые.
  • Середні хвилі. Вони знаходяться в діапазоні від 100 м до 1 км Наукове позначення – гектаметровые.
  • Довгі хвилі. Займають інтервал від 1 до 10 км. Наукове позначення – кілометрові.
  • Наддовгі хвилі. До них відноситься все, що більше 10 кілометрів. Тут необхідно відзначити наявність внутрішнього поділу. Так, є мириаметровые (від 10 до 100 км), гектокилометровые (від 100 до 1000 км), мегаметровые (від 1000 до 10 000 км), декаметровые (від 10 000 до 100 000 км).
  • Хвилі підставі пунктів 3, 4 і 5 знайшли широке застосування в радіомовленні, а також для встановлення сеансів радіозв’язку. Хоча і це не межа. Так, представники пункту № 6 використовуються для того, щоб підтримувати зв’язок з підводними човнами.

    І окремо варто розглянути децимиллиметровые хвилі

    Такими вважаються всі, довжина яких коливається в діапазоні від 0,1 мм до 1 мм Чому окремо виділені радіохвилі діапазону? Довжина хвиль забезпечує ряд специфічних властивостей. Для початку варто згадати, що їх часто називають субмиллиметровыми. Цей вид електромагнітного випромінювання займає спектр частот між інфрачервоним і міліметровим діапазонами. Але при цьому володіє цікавою властивістю. А саме, в нього включається діапазон міліметрових, сантиметрів і дециметрових радіохвиль. З-за його специфічних властивостей, правда, застосовується хіба що в системах безпеки і медицині. Так, на відміну від більш відомого рентгенівського випромінювання, децимиллиметровые хвилі безпечні для людського організму. Тому їх використовують для того, щоб сканувати органи людського тіла. Вони також застосовуються в аеропортах для того, щоб просвічувати багаж пасажирів. З точки зору фізики правильне їх назва – терагерцевые хвилі. Це пов’язано з їх високою частотою, яка знаходиться в діапазоні 1011-1013 Гц.

    Окремі нюанси

    Ось і розглянуто, який діапазон у радіохвиль. Тепер необхідно зосередитися на деталях. І перше, про що варто згадати – це про частоті. Цей показник показує, скільки разів в секунду змінюється напрям електричного струму в випромінювачів. І, відповідно, кількість змін в певній точці простору величини електромагнітного поля. Змінюється він в герцах (Гц).

    Яке практичне застосування частоти?

    Якщо є 1 герц, то це говорить, що хвиля здійснює одне коливання в секунду. А що, наприклад, відбувається при частоті в 1 мегагерц? Так, мільйон коливань за одну секунду! Яке ж практичне застосування цих знань? Нам відомо, що електромагнітні хвилі пересуваються зі швидкістю світла. Завдяки цьому можна порахувати, яка має бути відстань між певними точками простору, щоб магнітне (електричне поле перебувало в однаковій фазі. Воно і називається довжиною хвилі. Розраховується це значення за такою формулою: 299.79/Частота електромагнітного випромінювання у МГц. Навіть не проводячи розрахунок з цієї формули, бачимо, що при частоті 1 МГц довжина хвилі буде становити приблизно 300 м. Тут спостерігається діаметрально протилежна тенденція. Чим більше частота, тим коротше довжина, і навпаки.

    Встановлення зв’язку

    Частота безпосередньо впливає на те, якого діапазону радіохвилі може приймати антена певного пристрою. Електромагнітне випромінювання може вільно проходити через космічний простір або повітря. Але варто йому тільки зустріти металевий дріт, антену або інше подібне тіло, як йому віддається переноситься енергія. При цьому викликається змінний електричний струм. Слід зазначити, що поглинається не вся енергія. Частина її відображається від поверхні і йде назад або розсіюється в просторі. За таким принципом побудована радіолокація.

    Як вони можуть огинати перешкоди?

    Це дуже цікава властивість, яким володіють радіохвилі. Діапазон хвиль тут відіграє важливу роль. Коли випромінювання поширюється, з часом воно зустрічає певну перешкоду. Хвиля може його обігнути. Але виключно в тих випадках, якщо об’єкт володіє меншим розміром, ніж довжина хвилі (на худий кінець, вони порівнюються). Розглянемо приклад з літаком. Щоб його засікти, радіохвиля локатора не повинна перевищувати геометричний розмір літального пристрою (тобто бути менше 10 метрів). Якщо тіло перевищує його, то воно може відбити хвилю. Але не факт. Тут можна згадати про проект «Стелс» (невидимка).