Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Fale radiowe zostały odkryte w 1886 roku przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza. Zbadał ich właściwości i dowiódł, że są to fale elektromagnetyczne, których istnienie przewidywały równania Maxwella. Sam naukowiec nie zdawał sobie sprawy ze znaczenia swojego odkrycia. Kiedy dziennikarz zapytał go, do czego mogą służyć fale radiowe, które odkrył, odpowiedział kategorycznie: „Chyba nic”. A jednak dzisiaj nie wyobrażamy sobie życia bez urządzeń wykorzystujących fale radiowe.

Fale radiowe to promieniowanie elektromagnetyczne o najdłuższych długościach fal, tj. najniższe częstotliwości. Ich długość mierzona jest w metrach, a nawet kilometrach. Fale radiowe, podobnie jak inne rodzaje fal elektromagnetycznych, rozchodzą się w próżni z prędkością światła c ≈ 300 000 000 m/s .

Limit pasma fal radiowych jest warunkowy. Przyjmuje się, że są to fale o długości większej niż 0,3 m i częstotliwości mniejszej niż 1000 MHz. Mikrofale o wyższej częstotliwości są czasami nazywane falami radiowymi.

Pierwsze zastosowania fal radiowych w radiu i telewizji

Najwcześniejsze zastosowania fal radiowych są oczywiste - radio i telewizja.

Dzisiaj nadawcy w Europie i większości świata wykorzystują pasmo UKF (VHF), nadając programy w zakresie częstotliwości 87,5-108 MHz.

Historia wynalezienia radia jest dość dramatyczna. Początkowa zasługa za to przypadła Marconiemu, który w 1909 roku otrzymał Nagrodę Nobla za wynalezienie radia. Jednak Nikola Tesla, inżynier pochodzenia serbskiego, twierdził, że Marconi wykorzystał swoje wcześniejsze prace w swoim wynalazku. Długie postępowanie sądowe doprowadziło Teslę do bankructwa. Dopiero po jego śmierci w 1943 roku Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych uznał prawa patentowe Tesli i teraz jest uznawany za wynalazcę radia.

Jak działa radio?

Nadajnik radiowy składa się z dwóch głównych elementów: oscylatora i modulatora.

  • Generator generuje falę nośną, która jest sinusoidą o częstotliwości radiowej.
  • Modulator zmienia falę nośną zgodnie z przesyłanym do niego sygnałem modulującym, czyli przesyłanym dźwiękiem. Sygnał modulujący jest tworzony w mikrofonie, który przetwarza fale dźwiękowe na sygnał elektryczny o częstotliwości odpowiadającej częstotliwości fal dźwiękowych.

Sygnał modulujący może zmienić falę nośną na dwa sposoby:

    zmiana częstotliwości - nazywa się to modulacją częstotliwości (fale modulowane w ten sposób nazywane są FM),
  1. poprzez wprowadzenie zmian amplitudy - nazywa się to modulacją amplitudy (fale modulowane w ten sposób nazywane są AM).

Na podstawie międzynarodowych umów nadawczych transmisja z modulacją częstotliwości (FM) jest stosowana na falach ultrakrótkich, a modulacja amplitudy (AM) na falach długich, średnich i krótkich.

Modulowane fale są odbierane przez radio. W odbiorniku zachodzi proces odwrotny: modulacje odbieranej fali zamieniane są na sygnał elektryczny. W głośniku sygnał ten powoduje wibracje membrany, co z kolei powoduje wibracje powietrza i tworzenie fali akustycznej.

Jak działa telewizja?

Sposób działania telewizji jest bardziej złożony. W szerokim znaczeniu telewizja to cyfrowe kodowanie obrazu i dźwięku oraz ich transmisja za pomocą fal radiowych w zakresie 50 - 220 MHz.

Wynalazcą telewizji, dzięki której od kilku pokoleń możemy uczestniczyć w wydarzeniach na całym świecie, był szkocki inżynier John Logie Baird. Pierwsza transmisja telewizyjna z Londynu do Nowego Jorku miała miejsce 27 stycznia 1928 roku.Prawdziwa popularność telewizji przyszła po II wojnie światowej.

Wykorzystanie fal radiowych w spektroskopii

Fale radiowe z zakresu 60 - 900 MHz są wykorzystywane w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (w skrócie MR). Zasada tej metody opiera się na oddziaływaniu pól magnetycznych z momentami magnetycznymi jąder atomowych. Zwykle są to jądra wodoru, tj. protony.

Jądra wodoru pochłaniają energię fal radiowych o określonej częstotliwości, a następnie oddają ją, emitując fale o tej samej częstotliwości. Sygnały te są odbierane przez urządzenie i można dokładnie określić miejsce emisji. Zarejestrowany sygnał zależy od rodzaju cząsteczki i różni się dla tłuszczów, białek, wody i innych związków bogatych w wodór, co pozwala na rozróżnienie typów i gęstości tkanek. W ten sposób można badać budowę chemiczną substancji. Dla chemików rezonans magnetyczny jest niezawodną metodą identyfikacji związków organicznych. W biochemii metoda ta służy do oznaczania zawartości wody i suchej masy w żywności.

Wykorzystanie fal radiowych w medycynie

W medycynie rezonans magnetyczny (MRI) jest jedną z najdokładniejszych metod nieinwazyjnego badania narządów wewnętrznych człowieka (ryc. 1).

Ta metoda pozwala na ocenę budowy anatomicznej całego ciała lub poszczególnych narządów z dokładnością zaledwie do kilku milimetrów. Narządy i tkanki można szczegółowo badać w dowolnej płaszczyźnie, nawet trójwymiarowo. MR może wykryć niepokojące zmiany (takie jak rak) i dostarcza wielu informacji na ich temat. Jest to bardzo czuła i bezpieczna metoda obrazowania. W badaniu tym nie wykorzystuje się szkodliwego promieniowania jonizującego (promieni rentgenowskich), jak ma to miejsce w przypadku innych metod obrazowania.

Ryż. 1. Maszyna do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Zastosowanie fal radiowych w astronomii

Detekcja fal radiowych odgrywa ważną rolę w badaniach astronomicznych.Jest to jedyny zakres promieniowania elektromagnetycznego, inny niż światło widzialne, które swobodnie przenika do atmosfery. Fale radiowe pochodzące z kosmosu niosą informacje o egzotycznych obiektach. Na przykład pulsary to gwiazdy neutronowe, które regularnie emitują impulsy radiowe. Fale radiowe nie są pochłaniane przez pył, co uniemożliwia obserwację wielu obiektów w świetle widzialnym.

Konstrukcja radioteleskopu składa się z czaszy parabolicznej, czyli reflektora skupiającego fale radiowe w ognisku, w którym znajduje się odbiornik (ryc. 2).

Ryż. 2. Radioteleskop

Sygnały radiowe z dużych odległości są bardzo słabe. Do rejestracji takich sygnałów potrzebne są ogromne anteny radiowe. Największa na świecie antena radioastronomiczna FAST znajduje się w Chinach. Znajduje się w naturalnym zagłębieniu, a jego misa ma średnicę 500 m.

Radioteleskopy są często łączone w większe systemy, które działają jak interferometry. Zwiększa to użyteczną czułość i rozdzielczość.

Przykładem jest bardzo duża sieć radioteleskopów w Meksyku (szczegóły w Wikipedii - Very Large Array) (ryc. 3). Sieć radioteleskopów wykorzystuje zjawisko interferencji fal radiowych do wzmacniania sygnału odbieranego z kosmosu. Odległości między teleskopami są rzędu kilku metrów, co odpowiada długości fali radiowej.

Ryż. 3. Bardzo duża tablica w Meksyku

W regionach o słabo rozwiniętej infrastrukturze telekomunikacyjnej dobrze sprawdziła się łączność satelitarna wykorzystująca fale radiowe o częstotliwości kilkudziesięciu megaherców. Komunikacja między telefonami odbywa się za pośrednictwem stacji przekaźnikowej, zwanej transponderem, znajdującej się na sztucznym satelicie Ziemi. Sygnały są przesyłane z telefonu do transpondera za pomocą fali o wyższej częstotliwości i zwracane z powrotem za pomocą fali o niższej częstotliwości.

Referencje

    Ellingson, Stephen W. (2016). Inżynieria systemów radiowych. Cambridge University Press.
  1. Edwards, Steven A. „Heinrich Hertz i promieniowanie elektromagnetyczne”. Amerykańskie Stowarzyszenie Postępu Nauki
  2. M. P. Dołuchanow. Rozchodzenie się fal radiowych. M.: Sow. radio, 1972.
  3. B. V. Nikolsky, TI Nikolskaya. Elektrodynamika i rozchodzenie się fal radiowych. M.: Nauka, 1989. S. 467.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria:

Budynek