Области применения радиоволн

Радиоволны были открыты в 1886 году немецким физиком Генрихом Герцем. Он исследовал их свойства и доказал, что они являются электромагнитными волнами, существование которых было предсказано уравнениями Максвелла. Сам ученый не осознавал значения своего открытия. Когда журналист спросил его, для чего можно использовать открытые им радиоволны, он ответил категорично: “Nothing, I guess”. И все же… Сегодня мы не можем представить свою жизнь без устройств, использующих радиоволны.

Радиоволны – это электромагнитное излучение с самыми длинными волнами, т.е. самыми низкими частотами. Их длина измеряется в метрах и даже километрах. Радиоволны, как и другие типы электромагнитных волн, распространяются в вакууме со скоростью света c ≈ 300 000 000 м/с .

Предел диапазона радиоволн является условным. Предполагается, что это волны с длиной более 0,3 м и частотой менее 1000 МГц. Иногда к радиоволнам относят и микроволны с более высокой частотой.

Первые применения радиоволн в радио и телевидении

Самые ранние применения радиоволн очевидны – радио и телевидение.

Сегодня радиовещательные компании в Европе и большей части мира используют диапазон UKF (УКВ), передавая программы в диапазоне частот 87,5-108 МГц.

История изобретения радио довольно драматична. Первоначально заслуга в этом принадлежала Маркони, который в 1909 году получил Нобелевскую премию за создание радио. Однако Никола Тесла, инженер сербского происхождения, утверждал, что Маркони использовал в своем изобретении его предыдущие работы. Длительные судебные разбирательства привели компанию Tesla к банкротству. Только после его смерти в 1943 году Верховный суд США признал патентные права Теслы, и теперь он считается изобретателем радио.

Как работает радио?

Радиопередатчик состоит из двух основных компонентов: генератора и модулятора.

  • Генератор вырабатывает несущую волну, которая представляет собой синусоидальную волну радиочастоты.
  • Модулятор изменяет несущую волну в соответствии с переданным на него модулирующим сигналом, который представляет собой передаваемый звук. Модулирующий сигнал создается в микрофоне, который преобразует звуковые волны в электрический сигнал с частотой, соответствующей частоте звуковых волн.

Модулирующий сигнал может изменять несущую волну двумя способами:

  1. изменяя частоту – это называется частотной модуляцией (волны, модулированные таким образом, называются FM),
  2. путем введения изменений амплитуды – это называется амплитудной модуляцией (волны, модулированные таким образом, называются AM).

На основании международных соглашений в области радиовещания частотно-модулированная (FM) передача используется на ультракоротких волнах, а амплитудно-модулированная (AM) – на длинных, средних и коротких волнах.

Модулированные волны принимаются радиоприемником. В приемнике происходит обратный процесс: модуляции принятой волны преобразуются в электрический сигнал. В громкоговорителе этот сигнал заставляет вибрировать мембрану, которая, в свою очередь, заставляет вибрировать воздух и создавать акустическую волну.

Как работает телевидение?

Принцип работы телевидения более сложен. В широком смысле телевидение подразумевает цифровое кодирование изображений и звука и их передачу с помощью радиоволн в диапазоне 50 – 220 МГц.

Изобретателем телевидения, благодаря которому мы уже несколько поколений можем участвовать в событиях по всему миру, был шотландский инженер Джон Логи Бэрд. Первая телевизионная передача, из Лондона в Нью-Йорк, состоялась 27 января 1928 года. Настоящая популярность телевидения пришла после Второй мировой войны.

Использование радиоволн в спектроскопии

Радиоволны в диапазоне 60 – 900 МГц используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (сокращенно МР). Принцип этого метода основан на взаимодействии магнитных полей с магнитными моментами атомных ядер. Обычно это ядра водорода, т.е. протоны.

Ядра водорода поглощают энергию радиоволн определенной частоты, а затем отдают ее, излучая волны той же частоты. Эти сигналы улавливаются прибором, и можно точно определить место возникновения излучения. Регистрируемый сигнал зависит от типа молекулы и отличается для жиров, белков, воды и других богатых водородом соединений, что позволяет различать типы и плотность тканей. Таким образом можно изучать химическую структуру веществ. Для химиков магнитный резонанс является надежным методом идентификации органических соединений. В биохимии этот метод используется для определения содержания воды и сухих веществ в пищевых продуктах.

Использование радиоволн в медицине

В медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее точных методов неинвазивного исследования внутренних органов человека (рис. 1).

Этот метод позволяет оценить анатомические структуры всего тела или отдельных органов с точностью всего до нескольких миллиметров. Органы и ткани можно детально рассмотреть в любой плоскости, даже трехмерно. МР позволяет обнаружить тревожные изменения (например, рак) и дает много информации о них. Это очень чувствительный и безопасный метод визуализации. При этом обследовании не используется вредное ионизирующее излучение (рентгеновские лучи), как при других методах визуализации.

Аппарат магнитно-резонансной томографии
Рис. 1. Аппарат магнитно-резонансной томографии (МРТ)

Применение радиоволн в астрономии

Обнаружение радиоволн играет важную роль в астрономических исследованиях. Это единственный диапазон электромагнитного излучения, помимо видимого света, который беспрепятственно проникает в атмосферу. Радиоволны, приходящие из космоса, несут информацию об экзотических объектах. Например, пульсары – это нейтронные звезды, которые регулярно излучают радиоимпульсы. Радиоволны не поглощаются пылью, что не позволяет наблюдать многие объекты в видимом свете.

Конструкция радиотелескопа состоит из параболической тарелки, то есть рефлектора, который фокусирует радиоволны в фокус, где размещается приемник (рис. 2).

Радиотелескоп
Рис. 2. Радиотелескоп

Радиосигналы, приходящие с больших расстояний, очень слабые. Для регистрации таких сигналов требуются радиоантенны огромных размеров. Самая большая в мире радиоастрономическая антенна FAST находится в Китае. Она расположена в естественной впадине, а его чаша имеет диаметр 500 м.

Радиотелескопы часто объединяются в более крупные системы, действующие как интерферометры. Это повышает их полезную чувствительность и разрешающую способность.

Примером может служить очень большой массив радиотелескопов, расположенный в Мексике (см. подробнее в Википедии – Very Large Array ) (рис. 3). Массив радиотелескопов использует явление интерференции радиоволн для усиления сигнала, принимаемого из космоса. Расстояния между телескопами составляют порядка нескольких метров, что соответствует длине радиоволны.

Very Large Array в мексике
Рис. 3. Very Large Array в Мексике

В регионах со слабо развитой телекоммуникационной инфраструктурой хорошо зарекомендовала себя спутниковая связь, использующая радиоволны с частотой в несколько десятков мегагерц. Связь между телефонами устанавливается через ретрансляционную станцию, называемую транспондером, размещенную на искусственном спутнике Земли. Сигналы передаются от телефона к транспондеру с помощью волны более высокой частоты и возвращаются обратно с помощью волны более низкой частоты.

Список использованной литературы

  1. Эллингсон, Стивен В. (2016). Инженерия радиосистем . Издательство Кембриджского университета.
  2. Эдвардс, Стивен А. «Генрих Герц и электромагнитное излучение» . Американская ассоциация содействия развитию науки
  3. М. П. Долуханов. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1972.
  4. В. В. Никольский, Т. И. Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. С. 467.