"Физика. Колебания и волны (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Радиоволны переносят энергию и информацию без проводов, но распространяются не всегда одинаково. Длинные волны способны огибать поверхность Земли, а короткие волны могут возвращаться к поверхности после взаимодействия с ионосферой. Ультракороткие волны обычно идут почти прямолинейно и требуют прямой видимости между антеннами. Поэтому дальность и качество связи зависят от частоты, высоты антенн, рельефа и состояния атмосферы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Радиоволна — электромагнитная волна, с помощью которой передают энергию и информацию на расстояние. Её скорость c, длина волны λ и частота f связаны формулой λ = c/f; в вакууме скорость близка к скорости света. Эта зависимость помогает определить диапазон радиоволн и оценить, как они будут распространяться.
Земная волна — радиоволна, распространяющаяся вдоль поверхности Земли и огибающая препятствия благодаря дифракции, то есть отклонению волны от прямолинейного пути. Она взаимодействует с поверхностью и постепенно ослабевает. Понятие нужно, чтобы описывать связь, для которой сигнал идёт не только по линии прямой видимости.
Пространственная волна — радиоволна, идущая от передатчика через свободное пространство к приёмнику или направляющаяся к ионосфере и возвращающаяся к Земле. В обычных условиях она распространяется почти прямолинейно. Это понятие позволяет различать прямую радиосвязь и связь с участием атмосферы.
Ионосфера — верхние слои атмосферы, в которых есть ионизированные частицы, способные влиять на радиоволны. В зависимости от частоты и состояния этих слоёв волна может преломиться или отразиться обратно к Земле. Это объясняет возможность дальней радиосвязи за горизонтом.
Радиосигналу не нужен провод, потому что переменные электрическое и магнитное поля связаны друг с другом. Изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое. Поэтому возмущение распространяется в пространстве и переносит энергию от передатчика к приёмнику. Антенна при передаче создаёт электромагнитную волну, а при приёме преобразует её энергию в электрический сигнал.
Длина волны влияет на то, насколько заметно проявляется дифракция. Если волна длинная, препятствия и неровности поверхности сравнительно меньше по отношению к её длине, поэтому волна лучше огибает их. Короткая волна обычно распространяется ближе к прямолинейному направлению. Из-за этого за крупным препятствием или за горизонтом коротковолновой сигнал без дополнительного механизма может ослабнуть.
Земная волна ослабевает, потому что часть её энергии уходит на нагрев поверхности и другие потери при взаимодействии с ней. Величина потерь зависит от того, по какой поверхности идёт волна: вода, суша и разные типы грунта поглощают энергию неодинаково. Имеет значение и длина волны. Поэтому одинаковый передатчик может обеспечивать разную дальность над разными участками местности.
Ионосфера позволяет передавать сигнал за горизонт, когда волна, достигнув верхних слоёв атмосферы, изменяет направление и возвращается к Земле. Это происходит из-за воздействия ионизированных частиц на распространение электромагнитной волны. Так сигнал может пройти большое расстояние, хотя передатчик и приёмник не видят друг друга по прямой. Такой способ особенно важен для дальней коротковолновой связи.
Условия связи меняются, потому что частоты по-разному взаимодействуют с земной поверхностью и ионосферой, а ионизация атмосферы не постоянна. На неё влияют время суток и другие процессы в атмосфере; меняется и то, какие волны возвращаются к Земле. Высокие антенны увеличивают область прямой видимости, а рельеф может закрыть путь сигналу. Земная волна способна огибать препятствия, прямая пространственная требует видимости, а ионосферная обеспечивает дальность, но зависит от условий в атмосфере.
| Характеристика | Земная волна | Пространственная волна | Ионосферная волна |
|---|---|---|---|
| Направление распространения | Вдоль поверхности Земли | Прямолинейно от передатчика к приёмнику | С подъёмом к ионосфере и возвращением к Земле |
| Главный физический механизм | Дифракция и взаимодействие с поверхностью | Распространение в свободном пространстве | Отражение или преломление в ионосфере |
| Зависимость от длины волны и частоты | Преимущество длинных и средних волн | Особенно важна для коротких волн прямой видимости | Возможна для определённого диапазона частот |
| Влияние рельефа и препятствий | Волна может огибать препятствия | Препятствия экранируют сигнал | Рельеф влияет на точки приёма после отражения |
| Типичная область применения | Радиовещание и связь на относительно больших расстояниях | Телевидение, УКВ-, спутниковая и радиорелейная связь | Дальняя коротковолновая связь |
Сначала определите, каким путём сигнал достигает приёмника: вдоль поверхности, напрямую или через ионосферу. Затем сопоставьте механизм с частотой, рельефом и требуемой дальностью. Таблица показывает типичные случаи, но конкретная связь зависит от условий распространения.
Частота передатчика равна 100 МГц. Требуется найти длину волны и объяснить, почему результат важен для оценки распространения. Используем связь λ = c/f и скорость радиоволн c ≈ 3·10⁸ м/с. Переведём частоту в герцы: 100 МГц = 1·10⁸ Гц.
Ответ: длина волны равна 3 м. Это сравнительно короткая волна, поэтому сигнал обычно распространяется почти прямолинейно, а препятствия могут его экранировать. Для связи особенно важны высота антенн и прямая видимость; одной длины волны недостаточно, чтобы точно определить дальность.
Антенны расположены на высотах h₁ = 25 м и h₂ = 100 м; радиус Земли R = 6,4·10⁶ м. Нужно оценить максимальную дальность прямой радиосвязи. Путь к горизонту для каждой антенны находим из геометрии касательной к шару: при малой высоте dᵢ ≈ √(2Rhᵢ), а затем складываем расстояния.
Ответ: максимальная дальность геометрической прямой видимости — примерно 54 км. Реальная связь может иметь меньшую дальность из-за рельефа, зданий и ослабления сигнала. При расчёте предполагается, что между антеннами нет препятствий.
Коротковолновая радиостанция может быть слышна за горизонтом, тогда как телевизионный сигнал УКВ обычно пропадает за пределами прямой видимости. Короткие волны в данном сравнении связаны с ионосферным распространением: при подходящих условиях атмосфера возвращает часть сигнала к Земле. Для телевизионного УКВ-сигнала такой механизм обычно не обеспечивает аналогичную связь.
Ответ: дальняя коротковолновая связь возможна благодаря взаимодействию с ионосферой, а УКВ-телевидение обычно требует прямой видимости. Это разные механизмы распространения, поэтому сравнивать их только по мощности передатчиков неверно. Условия ионосферной связи меняются, так что она не гарантирована всегда.
Ошибка — считать, что любая радиоволна идёт строго по прямой. Так думают, перенося на все диапазоны поведение УКВ, хотя длинные волны огибают препятствия, а ионосфера меняет направление некоторых волн. Проверьте себя: укажите механизм распространения и частоту, прежде чем делать вывод о пути сигнала.
Земную волну иногда путают с волной, которая распространяется внутри грунта. В действительности она идёт над поверхностью и взаимодействует с ней, из-за чего часть энергии поглощается. Чтобы проверить себя, уточните, где проходит волна: вдоль поверхности, а не сквозь толщу Земли.
Неверно утверждать, что ионосфера одинаково отражает любые радиоволны. Её действие зависит от частоты и состояния ионизированных слоёв, поэтому одна и та же трасса может работать по-разному. Перед выводом о дальней связи проверьте, подходит ли частота для ионосферного распространения.
Ещё одна ошибка — забывать о радиогоризонте и полагать, что большая мощность полностью устранит экранирование Землёй или препятствиями. Мощность может улучшить приём, но не отменяет геометрического ограничения прямой видимости. Проверьте расчёт по высотам антенн и учтите рельеф между ними.
Для понимания распространения радиоволн нужны знания об электромагнитных волнах, связи скорости, частоты и длины волны, а также об отражении, преломлении и дифракции. Эти идеи применяются при изучении радиосвязи, радиолокации, телевидения, спутниковых и радиорелейных систем. С географией тему связывают форма Земли и радиогоризонт, а с астрономией — строение атмосферы и её верхних слоёв.
Почему радиосигнал иногда принимается за горизонтом?
Длинные волны могут огибать поверхность Земли, а некоторые короткие волны преломляются или отражаются в ионосфере и возвращаются к Земле. Поэтому сигнал достигает приёмника, который не находится в прямой видимости передатчика.
Какие радиоволны лучше огибают земную поверхность?
Лучше огибают препятствия длинные волны: их дифракция выражена сильнее. Такое распространение зависит также от свойств поверхности, поскольку часть энергии земной волны поглощается Землёй.
Почему телевизионная и мобильная связь зависят от высоты антенн?
Сигналы этих диапазонов обычно распространяются почти прямолинейно, поэтому Земля и препятствия могут закрыть путь от передатчика к приёмнику. Чем выше антенны, тем дальше отодвигается радиогоризонт и тем больше область прямой видимости.
Всегда ли ионосфера отражает радиоволны?
Нет, её воздействие зависит от частоты волны и состояния ионизированных слоёв атмосферы. Для одних частот волна может вернуться к Земле, а для других — пройти через ионосферу или ослабнуть.
Почему дальность радиосвязи меняется в течение суток и при разной погоде?
Ионизация верхних слоёв атмосферы меняется со временем суток, поэтому меняются условия отражения и преломления радиоволн. На связь также влияют частота, высота антенн и препятствия; обычная погода у поверхности не всегда является главным фактором.
§ 5.14. Распространение радиоволн
