§ 28. Практическое применение радиоволн

Определения и обозначения

Радиоволна — электромагнитная волна радиочастотного диапазона, используемая для передачи сигналов на расстояние. Иными словами, это распространяющееся электромагнитное колебание, которое может нести информацию от передатчика к приёмнику. Радиоволны нужны для связи без проводов, вещания и обнаружения объектов. Длину волны обозначают λ, частоту — ν, а скорость распространения — c.

Радиосвязь — передача информации между удалёнными объектами с помощью радиоволн. Передатчик посылает сигнал, а приёмник на другом объекте принимает его и преобразует в понятную человеку форму. Это определение помогает отличить передачу данных по радио от передачи по кабелю. Радиосвязь может быть двусторонней, например при обмене сообщениями между двумя рациями.

Радиовещание — односторонняя передача звуковой информации от передающей станции к множеству приёмников. Станция формирует программу, а радиоприёмники слушателей получают её независимо друг от друга. Такое понятие нужно, чтобы отличать массовую передачу программ от индивидуального обмена сообщениями. Приёмники не обязаны отвечать станции.

Радиолокация — обнаружение объектов и определение их положения с помощью отражённых радиоволн. Станция посылает радиосигнал и регистрирует часть волны, вернувшуюся от объекта. По задержке отражения находят расстояние, а направление излучения помогает определить, где находится объект. Радиолокация применяется, например, для наблюдения за самолётами и кораблями.

Как это устроено

В передающей антенне переменный электрический ток создаёт изменяющееся электромагнитное поле. Поле распространяется от антенны в виде радиоволны со скоростью, близкой к скорости света в воздухе. Сам сигнал может изменяться во времени, поэтому волна переносит не материальный звук или изображение, а сведения о них. Получив эти изменения, приёмник способен восстановить переданную информацию.

Звуковые колебания сами по себе имеют сравнительно низкие частоты, и антенне неудобно эффективно излучать их непосредственно. Поэтому используют высокочастотное колебание-носитель, или несущую, параметры которой меняют в соответствии с информационным сигналом. Такое изменение называют модуляцией. Высокая частота также позволяет выделить для разных передач отдельные каналы, чтобы станции не смешивались.

Приёмная антенна улавливает радиоволны, и в ней возникает слабый переменный ток с частотами принятых сигналов. Радиоприёмник настраивают на нужный канал и отделяют информационную составляющую от несущей. Затем электрический сигнал усиливают и подают на громкоговоритель либо экран. Так приёмник превращает изменения радиоволны в слышимый звук или видимое изображение.

Радиосвязь нужна, когда удалённым объектам требуется обмениваться сообщениями без проводов: так работают, например, рации. При радиовещании одна станция передаёт звуковую программу многим людям, а при телевидении передаются закодированные звуковой и видеосигналы. В обоих случаях информация сначала воздействует на несущую, а затем извлекается приёмником. Радиоволны подходят для этих задач, потому что могут распространяться на большие расстояния и приниматься соответствующими антеннами.

Радиолокатор направляет в сторону пространства короткий радиочастотный импульс. Если на пути есть объект, часть энергии отражается и возвращается к станции. Прибор измеряет промежуток от отправки импульса до получения эха: чем дальше объект, тем больше задержка. Поскольку сигнал проходит расстояние дважды, до объекта и обратно, для определения расстояния используют половину полного пути.

Основные практические применения радиоволн

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите нужный вид применения, а затем проследите, что именно передаётся или обнаруживается. Следующие два столбца показывают, как участвует радиоволна и к какому результату приводит её использование. Так можно сравнить передачу информации с обнаружением объекта по отражению.

Разбор задач

Задача 1. Определите длину радиоволны радиостанции, работающей на частоте 100 МГц, если скорость распространения радиоволн равна 3·10⁸ м/с. Длина волны показывает расстояние, которое проходит волна за один период. Чтобы воспользоваться формулой, частоту сначала нужно выразить в герцах.

1. Переводим частоту: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 1·10⁸ Гц.
2. Используем связь длины волны и частоты: λ = c/ν.
3. Подставляем значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(1·10⁸ Гц) = 3 м.

Ответ: длина радиоволны равна 3 м. Проверка единиц даёт метры, поскольку скорость делится на частоту. Если бы мегагерцы не перевели в герцы, результат оказался бы неверным на много порядков.

Задача 2. Радиолокатор получил отражённый сигнал через 20 мкс после излучения импульса. На каком расстоянии находится объект? Время отсчитывается от отправки импульса до возвращения отражения, поэтому оно относится ко всему пути волны. Для радиоволн принимаем скорость c = 3·10⁸ м/с.

1. Переводим время в секунды: 20 мкс = 20·10⁻⁶ с = 2·10⁻⁵ с.
2. Находим полный путь импульса туда и обратно: l = ct = 3·10⁸ · 2·10⁻⁵ = 6·10³ м.
3. Делим полный путь пополам: s = l/2 = 3000 м.

Ответ: объект находится на расстоянии 3000 м, или 3 км. Делить на два нужно потому, что импульс сначала летит к объекту, а после отражения возвращается. Если не учесть обратный путь, расстояние будет завышено в два раза.

Задача 3. Объясните, почему для передачи телевизионного сигнала применяют высокочастотную несущую волну, а не передают звуковой и видеосигналы непосредственно. Сами сигналы несут информацию, но для эффективного излучения антенной их переносят на высокую частоту. При этом параметры несущей меняются в соответствии с передаваемым звуком и изображением.

1. Несущая высокой частоты позволяет антенне эффективно излучать сигнал в виде радиоволн.
2. Изменение параметров несущей кодирует звуковую и видеосоставляющие, поэтому обе могут распространяться вместе с радиосигналом.
3. Разные несущие частоты позволяют назначать передачам отдельные каналы и настраивать приёмник на нужный.

Ответ: несущая нужна для эффективной передачи на расстояние и разделения каналов. Без неё антенне было бы трудно излучать низкочастотные сигналы непосредственно. Приёмник настраивается на канал и восстанавливает из модулированной волны звук и изображение.

Типичные ошибки

• Считают, что радиоволна переносит сами звуки или изображения. Так думают, потому что в быту говорят, будто радиостанция «передаёт музыку»; фактически распространяется электромагнитный сигнал с информацией. Проверьте себя: волна может идти от передатчика к приёмнику, а звук возникает только после преобразования сигнала в громкоговорителе.

• При радиолокационном расчёте не делят путь на два. Ошибка возникает, когда измеренное время относят только к движению волны до объекта, хотя импульс успел ещё и вернуться. Проверьте, что в условии дано время между отправкой и приёмом отражения: тогда s = ct/2.

• Путают частоту радиоволны с частотой звукового сигнала. Их смешивают, потому что звук и радиосигнал относятся к одной передаче, хотя звуковая информация изменяет параметры высокочастотной несущей. Проверьте, к какой величине относится заданная частота: для λ = c/ν нужна частота самой радиоволны.

• Забывают переводить мегагерцы и микросекунды в единицы СИ. Причина обычно в том, что приставки «мега» и «микро» принимают за часть названия, а не за множители. Перед подстановкой запишите частоту в герцах, время в секундах, а затем проверьте размерность и порядок ответа.

Связь с другими темами

Для понимания применения радиоволн нужны свойства электромагнитных волн и соотношение скорости, длины волны и частоты: λ = c/ν. Полезно также знать, что переменный ток в колебательном контуре создаёт электромагнитные колебания, а антенна излучает и принимает их. Эти знания объясняют, откуда появляется радиосигнал и как он распространяется.

Практические принципы радиопередачи связывают школьную физику с радиоэлектроникой и современными средствами связи. Тот же приём переноса сигнала используют в телевидении, навигации и управлении удалёнными устройствами. Радиолокация дополняет эти применения: по отражённому сигналу получают сведения о положении объектов.

Что запомнить

• Радиоволны являются электромагнитными волнами.
• Радиосвязь передаёт информацию между удалёнными объектами без проводов.
• Для передачи информации используют модуляцию высокочастотной несущей волны.
• Радиоприёмник выделяет информационный сигнал из принятой радиоволны.
• Радиолокатор определяет расстояние до объекта по времени возвращения отражённого сигнала.
• При радиолокации радиоволна проходит путь до объекта и обратно.
• Длина волны связана с частотой формулой λ = c/ν.