Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат
§ 13. Радіохвилі та їх застосування
1. Радіохвилі. Принципи радіотелефонного зв'язку
Електромагнітні хвилі дуже різноманітні, тому що їх властивості залежать від довжини хвилі. Герц у своїх дослідах отримав хвилі довжиною приблизно від 60 см до 6 м. У подальших дослідах інші фізики (наприклад, російський учений Π. М. Лебедев) отримали та дослідили ЕМХ з довжиною хвилі кілька міліметрів. Усі зазначені хвилі належать до діапазону радіохвиль (радіохвилями називають ЕМХ з довжиною хвилі приблизно від 0,1 мм до 100 000 км).
Радіохвилі прийнято ділити на діапазони відповідно до довжини хвилі (частоти). Кілька таких діапазонів показано на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Діапазони радіохвиль: УКХ — ультракороткі, КХ — короткі, СХ — середні, ДХ — довгі хвилі
Кожен із діапазонів радіохвиль має свої особливості поширення в атмосфері Землі. Перш ніж перелічити ці особливості, нагадаємо: на висоті 60-100 км над поверхнею Землі починається шар сильнойонізованого газу (йоносфера). Йонізацію цього шару зумовлено електромагнітним випромінюванням Сонця та потоками заряджених частинок від нього. Саме тому характеристики йоносфери (зокрема, висота її нижньої межі) можуть суттєво змінюватися (наприклад, протягом доби). Йоносфера суттєво впливає на умови поширення радіохвиль.
Зверніть увагу!
Саме радіохвилі використовують нині для радіомовлення та телебачення, стільникового зв’язку та зв’язку з космічними апаратами (як на навколоземній орбіті, так і поблизу Нептуна або Плутона), для радіолокації та точного визначення координат і швидкостей транспортних засобів (система навігації GPS).
Довгі хвилі сильно поглинаються йоносферою. Вони можуть поширюватися, огинаючи Землю, але їх інтенсивність швидко зменшується з відстанню.
Середні хвилі теж сильно поглинаються йоносферою (особливо вдень, коли нижня межа йоносфери опускається); уночі можуть відбиватися від йоносфери.
Короткі хвилі поширюються на великі відстані завдяки відбиванням від йоносфери та Землі (навіть за малої потужності передавача). Проте поширення цих радіохвиль залежить від стану йоносфери.
Ультракороткі хвилі поширюються прямолінійно, зазвичай не відбиваються від йоносфери. Ці хвилі проходять через йоносферу.
Перші системи радіозв’язку, винайдені О. С. Поповим і Г. Марконі, здійснювали так званий радіотелеграфний зв’язок (літери та цифри було закодовано послідовностями точок та тире, тобто коротких і довгих сигналів передавача). Проте вже у другому десятилітті XX століття почався перехід до використання радіотелефонних систем зв’язку, які дозволяли передавати голос людини, музику тощо.
Для здійснення радіотелефонного зв’язку перш за все потрібно перетворити звукові коливання на електричні. Цю функцію виконує мікрофон.
Здавалося б, лишається передати отримані електричні коливання на антену передавача й отримати в просторі електромагнітну хвилю. Проте це практично неможливо: річ у тім, що частоти звукових коливань (до 20 кГц) занадто малі для утворення електромагнітної хвилі помітної потужності (потужність випромінюваної хвилі пропорційна четвертому ступеню частоти). Для випромінювання частота електричних коливань в антені має хоча б у десятки (а краще — у тисячі) разів перевищувати частоту звукових коливань. Як же поєднати переваги високочастотних коливань (ВЧ-коливань), які добре випромінюються, і низькочастотних коливань (НЧ-коливань), які можна перетворити на звук?
Цей процес називають модуляцією. Найпростішим типом модуляції є амплітудна модуляція — зміна зі звуковою частотою амплітуди ВЧ-коливань. На рис. 13.2 схематично показано ВЧ- і НЧ-коливання, а також їх «гібрид» — амплітудно-модульовані коливання (АМК).
Рис. 13.2. Коливання, які застосовують у радіотелефонному зв’язку: а — високочастотні; б — низькочастотні; в — амплітудно-модульовані
Ці коливання в антені передавача спричиняють утворення ЕМХ, яка несе інформацію про НЧ-коливання. Ця хвиля викликає слабкі електромагнітні коливання в антені радіоприймача. Після підсилення (яке для простоти не показано на рис. 13.3) необхідно «видобути» з отриманих АМК низькочастотний сигнал (НЧ-сигнал), який власне й потрібен. Цей процес називають детектуванням. Після відповідного підсилення електромагнітні НЧ-коливання можна перетворити на звук за допомогою динаміка (гучномовця).
Рис. 13.3. Схема радіотелефонного зв’язку
Спочатку зупинимося на мікрофоні. Одним із найпростіших був вугільний мікрофон, який колись використовували, наприклад, у телефонних апаратах. Цей мікрофон містить вугільний порошок, розміщений між двома металевими пластинами в герметичній капсулі. Стінки капсули або одну з пластин з’єднано з мембраною. Під дією звуку мембрана коливається, змінюючи тиск на вугільний порошок; унаслідок цього змінюється площа контакту між окремими частинками порошку, а отже, його електричний опір. Тому сила струму в резисторі (рис. 13.4) та напруга на ньому коливатимуться «у такт» з коливаннями тиску на мембрану. Інакше кажучи, залежність цих величин від часу відтворюватиме залежність від часу тиску звукової хвилі.
Рис. 13.4. Вугільний мікрофон
Кращі характеристики може забезпечити, наприклад, електродинамічний мікрофон, дія якого ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: коливання його мембрани спричиняють рух котушки в полі постійного магніту. Унаслідок цього в котушці виникає змінна ЕРС індукції.
Розгляньмо тепер процес модуляції. Ви вже знаєте, що отримати ВЧ-коливання можна за допомогою генератора на транзисторі. Очевидно, що амплітуда отриманих ВЧ-коливань залежить, зокрема, від напруги джерела струму. Якщо послідовно з джерелом струму приєднати джерело змінної напруги, то це еквівалентно змінам напруги джерела струму та спричиняє відповідні «синхронні» зміни амплітуди ВЧ-коливань. Саме це й потрібно. На рис. 13.5 показано, що джерелом змінної напруги є трансформатор, на первинну обмотку якого подається змінна напруга від мікрофона.
Рис. 13.5. Схема амплітудної модуляції
Розгляньмо також детектування (виділення НЧ-сигналу з АМК). Для цього можна застосувати напівпровідниковий діод. Якщо на вхід кола (рис. 13.6) подаються АМК, то діод «відрізає від’ємну частину» від графіка коливань. У колі існуватиме пульсуючий струм (рис. 13.7).
Рис. 13.6. Схема детектування прийнятого сигналу
Рис. 13.7. Пульсуючий струм — проміжний результат детектування
Щоб отримати з нього НЧ-сигнал, слід «згладити» високочастотні пульсації (інакше мембрана динаміка просто не встигатиме реагувати на швидкі зміни сили струму). Згладжування здійснюють за допомогою фільтра, найпростіший варіант якого — конденсатор, приєднаний паралельно до навантаження (наприклад, динаміка). Конденсатор почергово заряджається під час «сплесків» струму та розряджається через навантаження, коли діод не пропускає струм. Якщо електроємність конденсатора доволі велика, напруга на ньому та на навантаженні змінюється за період ВЧ-коливань дуже незначно (рис. 13.8). Більш досконалі фільтри дозволяють провести згладжування ще краще.
Рис. 13.8. Низькочастотний сигнал після детектування та згладжування пульсацій
На рис. 13.9 наведено схему найпростішого радіоприймача. Горизонтальна риска внизу приймальної антени означає заземлення (з’єднання антени із Землею суттєво підвищує чутливість радіоприймача). Застосування коливального контуру, власну частоту якого можна змінювати за допомогою конденсатора зі змінною електроємністю, дозволяє налагодити радіоприймач для приймання сигналу з певною високою частотою. В антені одночасно виникають електромагнітні коливання, спричинені багатьма різними радіохвилями від різних передавачів, але завдяки резонансу найбільшою буде амплітуда коливань, частота яких збігається з власною частотою коливального контуру. Зазначимо, що найпростіший радіоприймач навіть не потребує джерела живлення — звук виникає тільки за рахунок енергії радіохвилі, яка надходить до приймальної антени. Зрозуміло, що виникає слабкий звук.
Рис. 13.9. Схема найпростішого радіоприймача
Дізнаємося більше
Амплітудна модуляція радіосигналу має істотний недолік: сигнал слабо захищений від перешкод. Зміну амплітуди сигналу можуть спричинити атмосферні розряди, робота технічних пристроїв тощо. Випромінювання від цих джерел накладається на сигнал від передавача та перш за все змінює амплітуду сигналу. «Очистити» прийнятий сигнал від перешкод дуже важко: як можна розрізнити, які зміни амплітуди зумовлено модуляцією в передавачі, а які є результатом перешкод?
Значно кращі можливості захисту від перешкод надають інші типи модуляції: частотна та фазова.
Розгляньмо, наприклад, принцип частотної модуляції. Як свідчить її назва, під час частотної модуляції НЧ-сигнал викликає зміну частоти ВЧ-коливань, а не амплітуди. На рис. 13.10 схематично показано частотно-модульований сигнал (ЧМ-сигнал) — насправді зміни частоти набагато менші. Унаслідок перешкод у сигналу може змінюватися й амплітуда. Проте за допомогою спеціальних пристроїв амплітуду прийнятого сигналу «вирівнюють», тим самим звільнюючи його від переважної більшості перешкод. Детектування ЧМ-сигналу дозволяє отримати НЧ-сигнал, інформацію про який було «записано» у змінах частоти високочастотного сигналу.
Рис. 13.10. Схематичний графік частотно-модульованого сигналу
2. Досліджуємо електромагнітні хвилі
Сучасна техніка дозволяє відтворити в шкільному кабінеті фізики класичні досліди Герца та дослідити властивості електромагнітних хвиль (на прикладі радіохвиль). На рис. 13.11 схематично показано головні необхідні для цього пристрої: генератор 1 радіохвилі надвисокої частоти з рупорною антеною та радіоприймач 2 теж з рупорною антеною, налаштований на приймання радіохвиль від генератора 1.
Рис. 13.11. Прилади для дослідження електромагнітних хвиль: 1 — генератор; 2 — приймач
Довжина електромагнітної хвилі становить 3 см, хвиля модулюється звуковим сигналом. У приймачі 2 відбувається детектування сигналу, отримані електромагнітні коливання звукової частоти після підсилення надходять до динаміка. Отже, про приймання сигналу свідчить характерний звук.
Ця система дозволяє спостерігати низку властивостей радіохвиль (РХ).
Можливість отримання напрямлених пучків РХ. Якщо трохи повернути один із рупорів так, щоб вони не «дивилися» один на одного, звук практично зникне. Отже, РХ від генератора не потрапляє до приймача.
Відбивання. Якщо між генератором 1 і приймачем 2 поставити металеву пластинку, навіть тонку, звук від динаміка практично зникне. Проте можна переконатися, що це не свідчить про поглинання РХ у пластині: якщо направити рупори генератора і приймача під однаковим кутом угору (рис. 13.12), то звук зникне, але він відновиться, якщо над рупорами розмістити горизонтально ту саму металеву пластинку.
Рис. 13.12. Відбивання електромагнітних хвиль
У цьому випадку до рупора приймача приходить відбита РХ. Змінюючи кути нахилу пластинки та рупорів, можна переконатися — виконується такий самий закон відбивання, що й для світла. Зазначимо, що металевий рупор утворює напрямлений пучок РХ саме завдяки їх відбиванню від стінок рупора.
Заломлення. Призма з діелектрика (парафіну) змінює напрям пучка РХ так само, як скляна призма змінює напрям пучка світла (рис. 13.13). Зазначимо, що саме для спостереження цього явища Герцу знадобилася асфальтова призма масою 1,2 т!
Рис. 13.13. Заломлення електромагнітних хвиль
Поглинання. Якщо направити рупори генератора та приймача один на одного і помістити між ними товсту діелектричну пластинку, то звук значно послабиться. Головну роль у цьому послабленні відіграє поглинання РХ діелектриком (хоча спостерігається й відбивання РХ на межі діелектрика з повітрям).
Рис. 13.14. Ґратки з металевих стрижнів
3. Цифровий формат інформації
Усі ви безумовно багато разів чули про «цифровий звук», «цифрове телебачення» тощо. Ідеться про окремі випадки запису, зберігання та передачі інформації. Ці процеси можуть бути аналоговими або цифровими. Розглянута вище схема радіотелефонного зв’язку є прикладом передачі аналогових сигналів. При цьому якість передачі тим вища, чим ближча форма кінцевого сигналу до форми початкового.
Найвищу ж якість зберігання та передачі сигналів забезпечують цифрові системи. Будь-яка інформація кодується в таких системах числами, які, у свою чергу, можна представити послідовністю лише двох цифр — нуля та одиниці (які відповідають запису числа у двійковій системі числення).
Розгляньмо як приклад роботу з «цифровим звуком».
На рис. 13.15, а наведено графік p(t) зміни тиску у звуковій хвилі. Щоб перетворити цей звуковий сигнал на послідовність цифр (тобто здійснити аналого-цифрове перетворення), потрібна дискретизація — перехід від функції часу, який неперервно змінюється, до послідовності значень тиску в дискретні моменти часу (вони відповідають певній частоті дискретизації, яка для якісного цифрового звуку не нижча від 44 кГц). Крім того, здійснюється квантування — порівняння значень тиску з певними стандартними значеннями pn та заміна реального значення p(t) найближчим стандартним значенням. Кожне ж стандартне значення кодується числом.
Таким чином, після аналого-цифрового перетворення сигнал «перетворюється» на послідовність цифр. У даному випадку це 010 100 100 101 100 100 110 101 110 111...
Рис. 13.15. Аналого-цифрове перетворення. У випадку а чорна лінія — аналоговий сигнал, червоним показано рівні квантування та їх двійковий код, синім — дискретний сигнал
Якщо тепер під час зберігання або передачі сигнал зазнає певних спотворень (у межах припустимого), то спеціальна апаратура поверне його вигляд до стандартних «сходинок», тобто здійснить корекцію помилок і надасть сигналу майже початкового вигляду. Ми не вдаємося тут до технічних хитрощів, які дозволяють зробити це найкращим чином.
На останньому етапі процесу потрібно повернутися від «сходинок» до неперервної функції часу p(t), тобто здійснити зворотне (цифро-аналогове) перетворення. Інакше кажучи, потрібно «згладити» сигнал, що не становить великих труднощів для сучасної електроніки. Різниця між вихідним і кінцевим сигналами зазвичай настільки мала, що слухачі (принаймні їх переважна більшість) не відчувають цієї різниці.
Цифрові технології є універсальними. Вони ґрунтуються на можливості обробляти величезні масиви інформації (цифр) без затримок, у реальному масштабі часу. Цим ми завдячуємо досягненням фізики твердого тіла, що спричинили створення елементної бази сучасної електроніки.
4. Телебачення. Сучасні системи зв'язку
Багато хто сьогодні не уявляє свого життя без телебачення: без новин і художніх фільмів, спортивних репортажів і гумористичних передач, науково-популярних і дискусійних програм. Ми звикли до того, що технічні можливості телебачення щороку зростають — адже ця галузь техніки динамічно розвивається. Останнім часом відбувається «поєднання» телебачення з інтернетом.
Для передач телевізійних програм застосовують радіохвилі УКХ-діапазону.
Річ у тім, що для передачі рухомих зображень необхідно щосекунди передавати набагато більше інформації, ніж для передачі звуку. А для цього потрібно збільшувати частоту ЕМХ, які є носіями цієї інформації.
На передавальній станції перш за все треба перетворити світлові сигнали (зображення) на послідовність електричних сигналів (так званий відеосигнал). Потім необхідно модулювати за допомогою цих сигналів ВЧ-коливання, отримані за допомогою генератора. Передавальна антена випромінює модульовану ЕМХ, яка переносить інформацію на великі відстані. У приймальній антені виникають модульовані ВЧ-коливання. Після детектування з цих коливань отримують відеосигнал, який урешті-решт перетворюється в зображення на екрані. Що ж до рухомих зображень, то вони виникають унаслідок зміни кадрів на екрані через малі проміжки часу (одну або дві сотих частки секунди). Якщо на сусідніх кадрах положення тіла трохи відрізняються, то це сприймається як безперервний рух (тут використовують так звану інерцію зору — збереження зорового відчуття протягом близько 0,1 с).
Технічні засоби сучасного телебачення дуже різноманітні. Сучасні телекамери зазвичай працюють так: на екрані, який містить велику кількість окремих світлочутливих елементів, утворюється чітке зображення за допомогою оптичного об’єктива. Залежно від освітленості кожного світлочутливого елемента змінюється його електричний заряд. А електронна схема періодично «читає» інформацію про заряд кожного з таких елементів. Таким чином світловий сигнал і перетворюється на електричний. Саме цей електричний сигнал після всіх перетворень і передавань має «малювати» зображення на екрані телевізійного приймача.
У телевізорі з електронно-променевою трубкою (їх уже не випускають, проте вони ще є в експлуатації) електронний пучок увесь час «подорожує» екраном телевізора, періодично «малюючи» зображення (переміщенням електронів керують за допомогою магнітного поля спеціальних котушок). Оскільки інтенсивність пучка змінюється, різні точки екрана світяться по-різному, утворюючи зображення. У кольоровому телевізорі «працюють» одночасно три електронні пучки, які викликають світіння відповідно червоних, зелених і синіх ділянок люмінофору на екрані.
Телевізори такої конструкції мають суттєві недоліки: великі розміри та вагу, великі витрати електроенергії (зокрема, для розжарення катодів електронних гармат), мерехтіння зображення, що спричиняє надмірну втому очей.
Сучасніші моделі телевізорів (плазмові або рідкокристалічні) мають практично плоскі екрани, витрачають значно менше електроенергії, у них немає мерехтіння зображення. На рис. 13.16 показано деякі моделі телевізорів, які випускалися починаючи з 50-х років минулого століття.
Рис. 13.16. Телевізори різних поколінь: від колишнього електронно-променевого до сучасних рідкокристалічних і плазмових
Оскільки ультракороткі хвилі поширюються тільки в межах прямої видимості, сигнал навіть від дуже високої телевізійної антени можна прийняти на відстані, яка не перевищує кількох десятків кілометрів. Тому для передавання телевізійного сигналу на більші відстані протягом багатьох років доводилося будувати телевізійні ретранслятори, мережа яких покривала майже всі населені пункти. Розвиток космічної техніки дозволив реалізувати кращий варіант: ретранслятор установлюють на штучному супутнику Землі, який виводять на так звану геостаціонарну орбіту. Це колова орбіта на висоті близько 36 000 км у площині екватора. Супутник робить оберт по такій орбіті рівно за добу. Отже, він «висить» увесь час над однією точкою екватора. Тому досить навести приймальну телевізійну антену на ретранслятор один раз, щоб вона весь час приймала сигнал від цього ретранслятора.
Супутники дедалі ширше застосовують і для забезпечення мобільного зв’язку і мобільного Інтернету.
Дуже швидко розвиваються сьогодні системи стільникового зв’язку на основі стільникової мережі. Цю мережу утворюють зони покриття окремих базових станцій, які здійснюють приймання та передачу сигналів. Коли абонент переміщується, обладнання базових станцій автоматично відстежує зміну його положення та «передає» його від однієї базової станції до іншої, забезпечуючи безперервність зв’язку. Фактично кожний мобільний телефон є маленькою радіостанцією, яка приймає та передає радіотелефонні сигнали. Сучасні технології дозволили зробити цю «радіостанцію» крихітною, а потужність сигналу — мінімальною (це дуже важливо не тільки з огляду на застосування мініатюрних джерел струму, а й для зменшення впливу випромінювання на організм людини, у першу чергу на головний мозок).
Підбиваємо підсумки
Радіохвилями називають ЕМХ з довжиною хвилі приблизно від 0,1 мм до 100 000 км. Радіохвилі різних діапазонів поширюються в земних умовах по-різному. Короткі радіохвилі (довжина хвилі приблизно від 10 до 100 м) поширюються на великі відстані завдяки відбиванням від йоносфери та Землі. Ультракороткі радіохвилі (довжина хвилі менша від 10 м) поширюються прямолінійно, проходять через йоносферу.
Для радіотелефонного зв’язку застосовують модуляцію високочастотних коливань. Амплітудна модуляція — зміна зі звуковою частотою амплітуди високочастотних коливань. У радіоприймачі для відтворення низькочастотного сигналу потрібне детектування.
Для телемовлення застосовують ультракороткі радіохвилі, їх передачу на великі відстані здійснюють за допомогою супутникових ретрансляторів.
Контрольні запитання
1. Чому для радіозв’язку обов’язково потрібні високочастотні ЕМХ? 2. Чим відрізняється радіотелефонний зв’язок від радіотелеграфного? 3. Що таке модуляція сигналу? 4. Які типи модуляції ви знаєте? 5. У чому полягають переваги цифрового зберігання та передачі інформації? 6. Чому передача телевізійних програм можлива тільки в діапазоні УКХ?
Вправа № 13
1. До якого діапазону належить радіохвиля частотою 1 МГц? 1 ГГц?
2. Яку роль відіграє конденсатор змінної електроємності в найпростішому радіоприймачеві (див. рис. 13.9)?
3. Що можна сказати про сигнал, який у цифровому форматі передається послідовністю цифр 101 101 101 101 101?
4. Чи може супутникова антена у вас удома «дивитися» на північний схід? Обґрунтуйте свою відповідь.
5. З яким приблизно запізненням отримують телевізійний сигнал глядачі, що користуються супутниковими антенами?
