Фізика. 9 клас. Головко

§ 27. Сучасні засоби зв’язку та комунікацій. Радіолокація

• Поширення радіохвиль. Радіолокація

• Сучасні засоби зв’язку та комунікацій

ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ. РАДІОЛОКАЦІЯ. Під час використання електромагнітних хвиль у процесах радіозв’язку як джерело, так і приймач найчастіше розташовують поблизу земної поверхні. Істотний вплив на їх поширення справляють шари іонізованого газу верхньої частини атмосфери на висоті 100—300 км над поверхнею Землі, які називають іоносферою. Зберігаючи здатність пропускати видиме світло, інфрачервоне випромінювання й метрові радіохвилі, іоносфера відбиває довгі хвилі. Земна куля нібито оточена сферичним «дзеркалом», і поширення радіохвиль здійснюється між двома поверхнями — Землею й іоносферою (рис. 27.1).

Рис. 27.1. Поширення радіохвиль різної довжини

Поширення радіохвиль суттєво залежить від їхньої довжини. Короткі хвилі (λ = 10 м — 100 м) багаторазово відбиваються від іоносфери й поверхні Землі. Довгі (λ > 1 км) — «ковзають» уздовж неї. Ультракороткі (λ < 10 м) проникають крізь іоносферу.

Стійкий радіозв’язок між віддаленими наземними пунктами поза прямою видимістю здійснюється завдяки відбиттю хвиль від іоносфери та їхній здатності огинати випуклу поверхню Землі. Ефективніше долають перешкоди довгі хвилі.

Короткі хвилі поширюються на значні відстані лише завдяки багаторазовому відбиванню від іоносфери й поверхні Землі. Вони виявляються «замкненими» у своєрідному сферичному хвилеводі, стінками якого є нижня межа іоносфери й земна поверхня. Тоді хвилі, що випромінюються радіостанцією, наприклад, у центрі Азії, досягають приймачів у Південній Америці.

Ультракороткі радіохвилі проникають крізь іоносферу й майже не огинають поверхні Землі. Тому вони забезпечують радіозв’язок між окремими об’єктами в межах прямої видимості, а також із космічними кораблями.

Щоб забезпечити цілодобовий зв’язок доводиться використовувати хвилі різної довжини. Вивчення добових і сезонних змін стану іоносфери дає змогу не лише пояснити, а й передбачити умови проходження радіохвиль, тобто здійснювати радіопрогнози.

На явищі відбиття радіохвиль від будь-яких об’єктів базується процес радіолокації — виявлення й точне визначення положення літаків, кораблів, айсбергів тощо. Її здійснюють за допомогою установок, які називаються радіолокаційними станціями (РЛС), або радарами. Радіолокатори відрізняються діапазонами радіохвиль, кодом зондувального сигналу, спектром використовуваних каналів, кількістю та видом вимірюваних координат, місцем розташування тощо.

Радіолокатори — це установки імпульсної дії. Передавач випромінює хвилі короткочасними імпульсами, тривалість яких становить мільйонні частки секунди, а проміжок часу між ними — майже в 1000 разів більший. Сучасна радіолокаційна станція — це складний радіотехнічний механізм. Принцип її роботи можна пояснити за допомогою блок-схеми, зображеної на рис. 27.2.

Рис. 27.2. Структурна схема радіолокаційної станції

У момент відправлення імпульсу антена перемикається в режим передавання. Одночасно з його випромінюванням короткочасний сигнал відтворюється на екрані індикатора.

Після відправлення імпульсу антенний перемикач з’єднує її з приймачем. Відбитий від перешкоди сигнал приймається нею, багаторазово підсилюється і подається на екран. Виникає вторинне вертикальне відхилення на певній відстані від першого. Знаючи швидкість руху електронного променя в електронно-променевій трубці, можна визначити час проходження радіохвиль від антени до цілі й навпаки.

Оскільки швидкість радіохвиль в атмосфері практично не змінюється й становить с = 3 • 10⁸ м/с, то відстань до цілі визначається як:

Відстань між позначками на екрані індикатора, що відповідають максимальним значенням відхилень, пропорційна часові проходження сигналу й, отже, відстані до цілі. Це дає змогу проградуювати шкалу безпосередньо в кілометрах.

Внаслідок розсіювання радіохвиль до приймача надходить лише незначна частина випромінюваної енергії. Тому прийнятий сигнал підсилюють у трильйони (10¹²) разів.

Радіолокація застосовується насамперед із метою забезпечення протиповітряної оборони країни (ППО) — виявлення ворожих ракет, літаків, кораблів тощо. Дальність дії сучасних радіолокаторів досягає кількох сотень кілометрів. На їхню ефективність майже не впливають погодні умови й час доби. Вітчизняну радіолокаційну станцію «Малахіт» було прийнято на озброєння в січні 2012 р. Вона вирізняється цифровим обробленням сигналів, інтеграцією із сучасними автоматичними системами управління, висока стійкість до різноманітних перешкод. Робоча дальність комплексу становить до 400 км (рис. 27.3).

Рис. 27.3. Українська радіолокаційна станція «Малахіт»

Радіолокаційні установки використовуються також у цивільній авіації, метеорології, картографії тощо. В аеропортах за допомогою локаторів відстежують злет і приземлення літаків. Наземна служба передає пілотам необхідні дані, убезпечуючи здійснення польотів. Кораблі й літаки також облаштовано радіолокаторами, що використовуються для навігаційних цілей. На їхньому екрані відображається картина розташування об’єктів, які відбивають і розсіюють радіохвилі. Оператор отримує радіолокаційну карту місцевості.

СУЧАСНІ ЗАСОБИ ЗВ’ЯЗКУ ТА КОМУНІКАЦІЙ. У нашій країні нині створюється Єдина автоматизована система зв’язку, безупинно розбудовуються, удосконалюються й знаходять різні сфери застосування новітні комунікаційні технології. Під супутниковими технологіями розуміють створення та експлуатацію відповідних систем зв’язку, радіонавігаційних і диспетчерських систем управління транспортом. Використовуючи такі системи, здійснюється обмін інформацією, забезпечується персональний супутниковий зв’язок.

Сучасні бездротові засоби зв’язку складаються з мобільної телефонії, стаціонарних радіотелефонів, смартфонів, Wi-Fi-технологій тощо. Активно розвивається супутниковий зв’язок, який залежно від виду послуг поділяють на системи пакетного передавання даних, мовного (радіотелефонного) зв’язку та визначення місцезнаходження користувачів.

Щоб забезпечити мобільний зв’язок на великих відстанях, застосовують мережу ретрансляторів. Зони їх роботи утворюють шестикутники, схожі на стільник. Саме тому мобільні телефони називають також стільниковими.

В основу стільникового телефонного зв’язку покладено використання комп’ютерних систем, що пов’язують номери абонентів й адреси найближчих ретрансляторів. Під час з’єднання такою системою визначається оптимальний шлях зв’язку між абонентами — послідовність передавання сигналів через обрані ретранслятори. Стільниковий телефон постійно приймає сигнал одного ретранслятора, з яким він зв’язаний. Під час переміщення абонента здійснюється перереєстрація — прив’язка до іншого найближчого ретранслятора.

Прозорість іоносфери для ультракоротких хвиль дає змогу здійснювати різні види радіозв’язку зі штучними супутниками Землі й космічними кораблями (телефонний зв’язок, радіоуправління, телебачення, а також телеметрія — передавання на Землю показників різних вимірювальних приладів). Супутники зв’язку приймають сигнал і передають його іншій наземній станції, що перебуває на значній відстані від першої, і так знову й знову (рис. 27.4).

Рис. 27.4. Космічний теле- й радіозв’язок

Часто абонентові необхідно знати місцезнаходження (координати) певного об’єкта на місцевості. З цією метою використовують глобальні супутникові системи позиціонування (наприклад, GPS — Global Positioning Systems).

Інтеграція телекомунікацій (телефонних мереж і бездротових з’єднань), комп’ютерів, програмного забезпечення, накопичувальних та аудіовізуальних систем, що дають змогу створювати, одержувати доступ, зберігати, передавати та змінювати інформацію, здійснюється засобами інформаційно-комунікаційних технологій. Комп’ютерна мережа — це дві або більше електронні системи, з’єднані за допомогою спеціального обладнання. Вона забезпечує обмін інформацією, колективне опрацювання даних, спільне користування програмами, принтерами, модемами тощо. Із розвитком сучасних технологій виникли глобальні мережі.

Бездротову технологію передавання інформації радіоканалами зв’язку, яку було розроблено й уперше застосовано в локальних мережах великих корпорацій і компаній Кремнієвої долини США, назвали Wi-Fi-технологією (від Wireless Fidelity — бездротова якість). Зв’язок із мобільним абонентом було здійснено через «точки доступу», що належали до кабельної інфраструктури компанії. Проте згодом цим терміном дедалі частіше стали називати технології бездротових локальних мереж (рис. 27.5).

Рис. 27.5. Емблема й схема роботи Wi-Fi

Зазвичай Wi-Fi-мережа містить не менше однієї точки доступу та може легко масштабуватися. За способом об’єднання в єдину систему можна виокремити автономні точки доступу (самостійні, децентралізовані, «розумні»), централізовані, безконтролерні, але керовані тощо. За способом організації й управління — бездротові локальні мережі зі статичним, динамічним та багатошаровим налаштуваннями радіоканалів.

Наявність Wi-Fi-зон (точок) дає змогу під’єднатися, наприклад, до офісної, домашньої або всесвітньої мережі Інтернет, а також підтримувати з’єднання кількох комп’ютерів між собою. Дальність поширення інформації такими мережами залежить від потужності передавача, наявності та виду перешкод, типу антени тощо.

! Головне в цьому параграфі

За допомогою електромагнітних хвиль здійснюються радіомовлення, радіолокація, космічний та мобільний зв’язок тощо.

Радіолокація — виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль. В її основу покладено властивість електромагнітних хвиль відбиватися від металевих предметів або будь-яких тіл, що проводять електричний струм.

Поширення радіохвиль суттєво залежить від їхньої довжини. Короткі хвилі відбиваються від іоносфери й поверхні Землі. Довгі— «ковзають» уздовж неї. Ультракороткі проникають крізь іоносферу.

Сучасні бездротові засоби зв’язку складаються з мобільної телефонії, стаціонарних радіотелефонів, смартфонів, Wi-Fi-технологій.

Під супутниковими технологіями розуміють створення та експлуатацію відповідних систем зв’язку, радіонавігаційних і диспетчерських систем управління транспортом.

Інтеграція телефонних мереж, бездротових з’єднань, комп’ютерів, програмного забезпечення, накопичувальних та аудіовізуальних систем здійснюється засобами інформаційно-комунікаційних технологій.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Що ви знаєте про особливості поширення середніх і довгих радіохвиль?
• 2. Які особливості поширення коротких та ультракоротких хвиль?
• 3. Яку роль у процесі поширення радіохвиль відіграє іоносфера?
• 4. Чи є істотні відмінності між умовами поширення радіохвиль на Землі й на Місяці?
• 5. Що називають радіолокацією? Які хвилі використовують у радіолокації?
• 6. Що таке радар і в якому режимі він працює?
• 7. Як визначають відстань до об’єкта в радіолокації?
• 8. Що таке стільниковий зв’язок?
• 9. У чому полягає сутність Wi-Fi-технологій?

Вправа до § 27

• 1 (п). Світловий рік — це відстань, на яку поширюється світлова хвиля впродовж року (365 діб). Виразіть її в кілометрах.
• 2 (п). Чому збільшення дальності радіозв’язку з космічними кораблями у 2 рази потребує підвищення потужності передавача в 4 рази?
• 3 (с). Порівняйте час поширення звуку від Києва до Львова (близько 540 км) і світла від Місяця до Землі (приблизно 380 000 км)?
• 4 (с). Скільки разів радіохвилі можуть обігнути Землю навколо екватора, довжина якого близько 40 000 м за одну секунду?
• 5 (с). Обчисліть відстань до об’єкта, якщо відбитий від нього радіосигнал повернувся через 3 мкс.
• 6 (д). Вітчизняна радіолокаційна станція «Малахіт», яку було прийнято на озброєння Збройних сил України в січні 2012 р., випромінює імпульс електромагнітних хвиль, що містить N = 937,5 коливань. Визначте його тривалість, якщо довжина випроміненої хвилі становить 1 см.
• 7 (д). Радіолокатор працює в імпульсному режимі, випромінюючи 1000 імпульсів за 1 с. Тривалість одного становить 10^-6 с. Визначте найбільшу й найменшу дальність виявлення цілі таким локатором.
• 8 (в). Обчисліть глибину розвідки на поверхні моря кожного з радіолокаторів корабля, якщо один із них розташовано на висоті 8 м над рівнем моря, другий — 15 м, а третій — 25 м.
• 9 (в). Київська телевежа — суцільнометалева просторова ґратована споруда висотою 380 метрів побудована у 1968—1973 рр. — найвища решітчаста вільностояча конструкція світу. Її висота над поверхнею Землі становить 380 м. На якій граничній відстані від неї можна здійснювати телепередачу якщо висота приймальної антени — 10 м?

Виконуємо навчальний проєкт разом

Шановні друзі! Ви ознайомилися з особливостями виникнення, поширення та застосування механічних й електромагнітних хвиль. Досягнення фізики в цій галузі дали людству можливість створити принципово нові засоби телекомунікацій — від безпровідного телеграфу, радіо й телебачення до інформаційно-комунікаційних технологій, супутникового та стільникового зв’язку. Радіотехнічні прилади й способи дослідження проникли майже в усі сфери життєдіяльності людини, їх використовують у техніці, медицині, на виробництві. Застосовуючи високочастотні електричні коливання, лікують хворих, загартовують сталь, здійснюють космічний зв’язок тощо.

Сьогодні актуальними є проблеми, пов'язані із ефективним використанням електромагнітної енергії, розробленням інформаційно-комунікаційних технологій та зменшенням негативного впливу електромагнітного випромінювання, вібрацій і шумів на живі організми.

У розділі «Механічні та електромагнітні хвилі» вам пропонуються такі навчальні проєкти:

— інформаційні: електромагнітні хвилі в природі й техніці; інфра- та ультразвуки в техніці; застосування рентгенівського та гамма-випромінювання;

— дослідницькі: вплив електромагнітного випромінювання на організм людини; вібрації і шуми та їх вплив на живі організми; звуки в житті людини.