Диапазон радиоволн и их распространение

Радиоволны являются разновидностью электромагнитных колебаний. Их существование в 1864 году предсказал британский математик, механик и физик Джеймс Клерк Максвелл. Его слова оказались правдивыми и полностью соответствующими реальности. Что же собой представляет диапазон радиоволн?

Что предположил Максвелл?

Обобщив имеющиеся результаты исследований, которые были проведены до него и затрагивали область магнитных и электрических полей, ученый высказал идею, что переменные взаимно порождаются полями. Как это? Магнитные поля могут создавать электрические и наоборот. Первоначально что-то создается внешним источником, а затем оно вызывает появление своего напарника. После этого они словно отрываются от существующего первоначального источника и могут распространяться дальше по пространству. При этом принимая форму электромагнитных волн. Но он так и не смог экспериментально подтвердить свою теорию.

Опыты Герца

Впервые теоретические положения были доказаны в 1887 году. Сделал это немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Что интересно, взявшись за этот эксперимент, он не был согласен с Максвеллом, а наоборот, считал, что ученый ошибается. И в действительности электромагнитных волн не существует. Но как в этом убедиться? Согласно теории Максвелла источником для волн выступают колеблющиеся электрические частицы. Для этой цели был использован простейший контур. Состоял он из катушки индуктивности и конденсатора. Излучателем электромагнитных волн должен быть служить электрический разряд, который возникал между двумя шарами из латуни, закрепленными на концах металлических стержней. В опытной установке они играли роль конденсатора, поэтому были разделены небольшим зазором. Хотя стержни были объединены катушкой индуктивности. Непосредственно сами шары использовались для накопления электрических зарядов.

И как же проходили его эксперименты?

Это очень важно, чтобы знать, как идет распространение радиоволн различных диапазонов. В нескольких метрах от первого контура находился второй. Они никак не были соединены. Второй контур являлся незамкнутым проволочным кольцом с латунными шариками на концах и искровым зазором. Такими же, как и в первом. Это конструкция простейшего резонатора. Этот прибор позволяет улавливать электромагнитные волны. В определенные моменты между шарами первого контура проскакивали искры. Ученый рассуждал следующим образом: если волн нет, то они не должны появляться в резонаторе. Но во время опыта зафиксировалось, что между шарами второго контура также появляется ток. Значит, электромагнитные волны существуют. Энергия может быть передана без проводов. Герц осуществил серию опытов, которая в конечном итоге подтвердила теорию, выдвинутую Максвеллом. Им же было установлено, что скорость их распространения в свете равняется свету (фотонам). Более того, было установлено, что для них характерно одинаковое поведение, равно как и их подчинение законам преломления и отражения. Но вот как применить такие знания на практике, он не знал. И считал, что открыл бесполезное явление.

Как сильно ошибался Герц

Впоследствии из электромагнитных колебаний выделили диапазон радиоволн, который используется для передачи радиосигналов. Представить современный мир без него очень сложно. И это не удивительно, ведь они открыли широкие возможности для нас. Во время практических опытов было установлено, что распространение в вакууме идет со скоростью, равной свету. Вот только необходимо различать их длину (частоту). Следует отметить, что четкой границы не существует. Одна разновидность электромагнитных волн может плавно перетекать в другую. Простейшая классификация различает гамма-, рентгеновское, инфракрасное излучение, видимый свет и радиоволны. Вот последние и представляют наибольший интерес. На сегодняшний день выделяют многочисленный и разнообразный диапазон длин радиоволн. Согласно международным соглашениям весь их спектр разбили на такие группы: децимиллиметровые, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, декаметровые, гектометровые, километровые и мириаметровые. Давайте же разберемся, что все-таки собой представляет каждый конкретный диапазон частот радиоволн.

Классификационное многообразие

Если подойти с другой стороны, то можно выделить ультракороткие, средние и сверхдлинные волны. Часто рассматривается совмещенная система классификации:

1. Миллиметровые волны. Имеют длину от миллиметра до сантиметра. Их частота колеблется в диапазоне от 30 до 300 ГГц. Она классифицирована как крайне высокая. Волны такого типа используют в радиоастрономии, радиолокации и для космической связи.
2. Ультракороткие волны. Их длина колеблется в диапазоне от 1 см до 10 м. Здесь выделяется несколько групп. Так, если длина волн составляет до 10 см, а частота находится в диапазоне от 3 до 30 ГГц, то их называют сантиметровыми. Они используются для того, чтобы передавать данные посредством радиоэфира в спутниковых каналах связи для обеспечения сетей Wi-Fi. Если длина волн от 10 сантиметров до одного метра, то у них частота в 300-3000 МГц. С ними можно встретиться при использовании раций, мобильных телефонов, радиосвязи, телевидения, радиосвязи. Они называются дециметровыми волнами. И последняя группа: в нее входят те, длина которых колеблется в диапазоне от 1 до 10 м. Они называются метровыми. Как правило, используются для радиовещания, радиосвязи и телевидения на коротких дистанциях.
3. Короткие волны. К ним относят все, что находятся в диапазоне от 10 до 100 м. Их научное обозначение – декаметровые.
4. Средние волны. Они находятся в диапазоне от 100 м до 1 км. Научное обозначение – гектаметровые.
5. Длинные волны. Занимают интервал от 1 до 10 км. Научное обозначение – километровые.
6. Сверхдлинные волны. К ним относится все, что больше 10 километров. Здесь необходимо отметить наличие внутреннего разделения. Так, есть мириаметровые (от 10 до 100 км), гектокилометровые (от 100 до 1000 км), мегаметровые (от 1000 до 10 000 км), декаметровые (от 10 000 до 100 000 км).

Волны из пунктов 3, 4 и 5 нашли широкое распространение в радиовещании, а также для установления сеансов радиосвязи. Хотя и это не предел. Так, представители пункта № 6 используются для того, чтобы поддерживать связь с подводными лодками.

И отдельно стоит рассмотреть децимиллиметровые волны

Таковыми считаются все, длина которых колеблется в диапазоне от 0,1 мм до 1 мм. Почему отдельно выделены радиоволны диапазона? Длина волн обеспечивает ряд специфических свойств. Для начала следует упомянуть, что их часто называют субмиллиметровыми. Этот вид электромагнитного излучения занимает спектр частот между инфракрасным и миллиметровым диапазонами. Но при этом обладает интересным свойством. А именно, в него включается диапазон миллиметровых, сантиметров и дециметровых радиоволн. Из-за его специфических свойств, правда, применяется разве что в системах безопасности и медицине. Так, в отличие от более известного рентгеновского излучения, децимиллиметровые волны безопасны для человеческого организма. Поэтому их используют для того, чтобы сканировать органы человеческого тела. Они также применяются в аэропортах для того, чтобы просвечивать багаж пассажиров. С точки зрения физики правильное их название – терагерцевые волны. Это связано с их высокой частотой, которая находится в диапазоне 10¹¹-10¹³ Гц.

Отдельные нюансы

Вот и рассмотрено, какой диапазон у радиоволн. Теперь необходимо сосредоточиться на деталях. И первое, о чем стоит упомянуть – это о частоте. Этот показатель показывает, сколько раз в секунду меняется направление электрического тока в излучателе. И, соответственно, количество изменений в определенной точке пространства величины электромагнитного поля. Изменяется он в герцах (Гц).

Какое практическое применение частоты?

Если есть 1 герц, то это говорит, что волна осуществляет одно колебание в секунду. А что, к примеру, происходит при частоте в 1 мегагерц? Да, миллион колебаний за одну секунду! Какое же практическое применение этих знаний? Нам известно, что электромагнитные волны передвигаются со скоростью света. Благодаря этому можно посчитать, какое должно быть расстояние между определенными точками пространства, чтобы магнитное (электрическое) поле пребывало в одинаковой фазе. Оно и называется длиной волны. Рассчитывается это значение по такой формуле: 299.79/Частота электромагнитного излучения в МГц. Даже не проводя расчет из этой формулы, видим, что при частоте в 1 МГц длина волны будет составлять примерно 300 м. Здесь наблюдается диаметрально противоположная тенденция. Чем больше частота, тем короче длина, и наоборот.

Установление связи

Частота напрямую влияет на то, какого диапазона радиоволны может принимать антенна определенного устройства. Электромагнитное излучение может свободно проходить через космическое пространство или воздух. Но стоит ему только встретить металлический провод, антенну или другое подобное тело, как ему отдается переносимая энергия. При этом вызывается переменный электрический ток. Следует отметить, что поглощается не вся энергия. Часть ее отражается от поверхности и уходит обратно или рассеивается в пространстве. По такому принципу построена радиолокация.

Как они могут огибать препятствия?

Это очень интересное свойство, которым обладают радиоволны. Диапазон волн здесь играет важную роль. Когда излучение распространяется, со временем оно встречает определенное препятствие. Волна может его обогнуть. Но исключительно в тех случаях, если объект обладает меньшим размером, нежели длина волны (на худой конец они сравнимы). Рассмотрим пример с самолетом. Чтобы его засечь, радиоволна локатора не должна превышать геометрический размер летательного устройства (то есть быть меньше 10 метров). Если тело превышает его, то оно может отразить волну. Но не факт. Здесь можно вспомнить о проекте "Стелс" (невидимка).