Elektromagnetinės bangos

Elektromagnetinių bangų savybės

Elektromagnetinis laukas yra ypatinga forma judančios materijos, kuriai būdinga masė ir energija. Elektromagnetinio lauko energijos egzistavimą įrodo jau tai, kas ją priima radijo imtuvai.
Elektromagnetinių bangų sklidimo greitis priklauso nuo erdvę užpildančių medžiagų elektrinių ir magnetinių savybių.Jis apskaičiuojamas iš tokios formules:

v = 3•10’/ √ε μ (m/s).

Čia ε – medžiagos dielektrinė skverbtis,

μ – medžiagos santykinė magnetinė skverbtis.
Beorės erdvės ε = 1 , μ = 1 ir v = 3 •10’ m/s. Elektromagnetinių bangų sklidimo ore priklauso nuo oro slėgio. Esant normaliam oro slėgiui, v =2,95 •10’ m/s.
Erdvėje, užpildytoje vienalyte medžiaga, elektromagnetinės bangos sklinda tiesia linija, vadinama bangos spinduliu. Išilgai sppindulio elektrinis ir magnetinis laukai yra išsidėstę sinusoidėmis ir fazė sutampa. Elektromagnetinio lauko fazės įvairiuose taškuose yra nevienodas.
Paviršius, kuriame elektrinio ir magnetinio laukų fazės vienodos, vadinamos bangų frontu.Bangų sklidimo kryptis sutampa su šio paviršiaus spinduliais.
Elektrinio ir magnetinio laukų vektoriai yra statmeni vienas kitam, ir jie abu yra statmeni sklidimo krypčiai (greičio vektoriui). Tokios bangos vadinamos skersinėmis.
Elektrinio ir magnetinio laukų, o taip pat greičio vektorių padėtis Žemės paviršiaus atžvilgiu gali būti įvairi, priklausomai nuo greičio vektoriaus krypties ir poliarizacijos plokštumos.Poliarizacijos pllokštuma vadinama plokštuma, kurioje yra elektrinio lauko ir greičio vektoriai.
Jeigu greičio vektorius yra lygiagretus. Žemės paviršiui, tai dažniausiai bangos būna poliarizuotos vertikaliai arba horizontaliai. Vertikaliai poliarizuotų bangų elektrinio lauko vektorius yra statmenas Žemės paviršiui, o horizontaliai poliarizuotų bangų – horizontalus. Horizontaliai po

oliarizuotos bangos gali būti pakankamai aukštai nuo Žemės paviršiaus.
Žemės paviršiaus elektrinio lauko vektoriaus padėtis priklauso nuo pradinės poliarizacijos, kritimo kampo ir dirvos laidumo. Esant idealiam Žemės paviršiaus laidumui, elektrinio lauko vektoriaus horizontali dedamoji lygi nuliui. Esant bet kokiam laidumui, atsiradusios Žemėje srovės iškraipo lauko sklidimo pobudį, ir elektrinio lauko vektorius pasvyra, t.y. atsiranda ir horizontali dedamoji.
Radijo bangos neša elektromagnetinę energiją. Jos kiekį charakterizuoja energijos srauto tankis, arba Pointingo vektorius. Energijos srauto tankis, arba Pointingo vektorius yra energijos kiekis krintantis per 1 sekundę į 1m² plokštumą, kuri yra statmena sklidimo krypčiai:

Π = E H
Čia Π – Pointingo vektorius, w/m²

E – elektrinio lauko stiprumo vektorius, V/m,

H – magnetinio lauko stiprumo vektorius, A/m.
Elektrinio ir magnetinio laukų stiprumų laisvoje erdvėje santykis vadinamas laisvosios erdvės bangine varža:

Rbo =E/H

Pointingo vektoriaus kryptis rodo ellektromagnetinių bangų sklidimo kryptį,
Sklindant elektromagnetinėms bangoms, energija išsisklaido. Todėl elektrinis ir magnetinis laukai silpnėja proporcingai atstumui, o Pointingo vektorius (galingumas) mažėja proporcingai atstumo kvadratui.

Elektromagnetinių bangų sklidimo pobūdis

Elektromagnetinių bangų sklidimo pobūdis priklauso nuo bangos ilgio, Žemės kreivumo, Žemės paviršiaus charakterio, atmosferos sudėties, paros ir metų laiko, jonosferos būklės, Žemės magnetinio lauko bei oro sąlygų.
Šiuo metu naudojamos įvairaus ilgio elektromagnetinės bangos. Bangos ilgis turi lemiama reikšmę jos sklidimui. Todėl, remiantis sklidimo ypatumais, radijo bangos skirstomos į diapozonus. Bangų diapozonų ribos nėra gr

riežtos.
Radijo bangos, spinduliuojamos iš antenos S, į priėmimo vietą P gali patekti dviem keliais. Banga, kuri sklinda 1 keliu, gaubdama Žemės paviršių, vadinama paviršine, o banga, kuri sklinda 2 keliu (atspindi nuo atmosferos), – erdvine.
Elektromagnetinės bangos, sklisdamos iš vienos medžiagos į kitą, atspindi ir lūžta. Kadangi bangų sklidimo greitis priklauso nuo elektrinių ir magnetinių savybių, tai, bangai patekus į kitų medžiagą, jos greitis pakinta, o tuo pačiu pakinta ir jos ilgis.
Kuo labiau skiriasi medžiagų savybės, tuo smarkiau spindulys lūžta ir tuo daugiau energijos atspindi. Atsispindėjusios energijos kiekis priklauso nuo medžiagos elektrinių ir magnetinių savybių. Nuo idealaus laidininko (R=0) ir nuo absoliutaus dielektriko (R= ∞) elektromagnetinės bangos atspindi pilnai. Nuo kitokių medžiagų dalis energijos atsispindi, dalis į jas praeina. Radijo bangos taip pat atsispindi kaip ir šviesa, t.y. kritimo kampas yra lygus atspindžio kampui, krintantis ir atspindėjęs spinduliai yra vienoje plokštumoje, statmenoje atspindinčiam paviršiui.
Elektromagnetinėms bangoms būdingi interferencijos ir difrakcijos reiškiniai. Interferencija yra toks reiškinys, kai dviejų spindulių elektromagnetiniai laukai susideda jei fazės sutampa, arba atsiima, jei fazės skiriasi. Difrakcija – reiškinys, kai elektromagnetinės bangos sklinda, gaubdamos Žemės paviršių ir kitas kliūtis. Kuo ilgesnė banga, paliginus su kliūties matmenimis, tuo stipriau pasireiškia difrakcija.
Elektromagnetinės bangos, patekusios į medžiagų sluoksnius, kurių elektrinės savybės tolygiai kinta, palaipsniui užlinksta, t.y. sklinda kreiva trajektorija. Trajektorijos kreivumas priklauso nu
uo medžiagos vienalytiškumo laipsnio. Kuo skirtingesnės medžiagos savybės, tuo trajektorija yra kreivesnė. Šis reiškinys vadinamas refrakcija.
Elektromagnetinės bangos, sklisdamos neidealiu dielektriku, o pusiau laidžia medžiaga, dalį energijos praranda toje medžiagoj. Prarastos energijos kiekis priklauso nuo medžiagos laidumo, jos dielektrinės skverbties ir elektromagnetinės bangos ilgio. Dėl to elektrinio ir magnetinio laukų amplitudės mažėja.
Žemės paviršius elektromagnetines bangas taip pat slopina, nes Žemė nėra idealus laidininkas. Bangos, sklisdamos Žemės paviršiumi, sužadina jame sroves, todėl gaunami galingumo nuostoliai. Kuo trumpesnė banga, tuo stipresnės sužadinimo srovės ir didesni galingumo nuostoliai. Be to, Žemėje atsiranda ir dielektriniai nuostoliai.
Žemės paviršius yra labai įvairus. Didesnė jos dalis (71 ) padengta vandeniu. Kita dalis padengta augmenija, miestais, o žiemą ir sniegu. Be to, paviršius yra labai nelygus. Visa tai turi labai didelės įtakos paviršinių radijo bangų sklidimui, jų slopinimui, atspindžiui ir sklaidai. Idealiu atveju, t.y. kai paviršius lygus, o žemė idealus laidininkas, elektrinio lauko stiprumas:
E = 300 • √ P / x

Čia P – spinduliuojamas galingumas, kW,

x – atstumas nuo siųstuvo antenos, km.

E – elektrinio lauko stiprumas, mV/m.
Kaip matyt, elektrinio lauko stiprumas priklauso nuo spinduliuojamo galingumo ir atstumo. Didėjant atstumui, elektromagnetinis laukas išsisklaido ir silpnėja. Kadangi Žemė nėra idealus laidininkas, tai elektrinis laukas, dar labiau silpnėja. Jūros vanduo radijo bangas slopina mažiau, nes yra laidesnis už Žemę.

Atmosferos įtaka elektromagnetinių ba

angų sklidimui

Žemės rutulį supant atmosfera dalijama į troposferą ir stratosferą. Troposferos aukštis ties pusiauju siekia 17km, o ties ašigaliais – 8 – 10 km. Troposferoje yra sukoncentruota apie 75% oro. Žemutiniuose atmosferos sluoksniuose keičiasi slėgis, drėgmė ir temperatūra. Kylant aukštyn, oro slėgis ir drėgmė mažėja.
Virš troposferos yra stratosfera. Stratosferoje oro slėgis yra žymiai mažesnis, oras retesnis. Praretintą orą lengvai jonizuoja saulės ultravioletiniai spinduliai bei kosminiai spinduliai. Jonizacijos stiprumas priklauso nuo metų ir paros laiko. Vasarą jonizacija būna stipresne, negu žiemą, dieną dar stipresne, negu naktį. Vadinasi stipriausia jonizacija būna vasaros vidurdienį, o silpniausia – žiemos vidurnaktį.
Jonizuota atmosferos dalis vadinama jonosfera. Priklausomai nuo jonizacijos stiprumo jonosfera dalijame į keturis sluoksnius, kurie žymimi raidėmis: D,E,F1, F2. Sluoksnis D yra 40-80 km aukštyje, E – 100 –130 km, F1 – 200 – 300 km, F2 – 300 –400 km. Kiekvienas šių sluoksnių neturi griežtos ribos, nes jonizacijos stiprumas palaipsniui kinta iš sluoksnio į sluoksnį. Jonosferos sluoksniai F1 ir D būna tik vasaros dieną, o naktį ir žiemą jie išnyksta, nes juose jonizacija labai silpnėja. Vadinasi, žiemą egzistuoja du jonizacijos sluoksniai : E apytiksliai 100 km ir F2 apytiksliai 300 km aukštyje. Be to, jonizacijos stiprumas priklauso nuo geografinės platumos. Ties pusiauju jonizacija yra stipresnė, negu polinėse srityse.
Elektromagnetinės bangos jonosferoje sukelia laisvų elektronų harmoninius virpesius. Šių virpesių dažnis yra lygus elektrinio lauko dažniui, o amplitudė tiesiog proporcinga lauko stiprumui ir atvirkščiai proporcinga dažniui. Vadinasi, jonosferoje sužadinama elektros srovė. Elektromagnetinės bangos jonosferoje sužadina ir teigiamų jonų srovę, tačiau ši srovė yra labai maža, nes teigiamų jonų masė yra didesnė, paliginus su elektrono mase, ir jie yra nejudrūs. Judėdami elektronai susiduria su neutraliomis molekulėmis bei atomais ir netenka dalies energijos, gautos iš elektrinio lauko. Kuo ilgesnė banga, tuo didesnį kelia nueina elektronai per pusperiodį ir dažniau susiduria. Taigi ilgesnės bangos jonosferoje labiau slopinamos. Be to, jonosferos slopinimui turi įtakos oro tankis ir jonizacijos stiprumas. Žemutiniuose jonosferos sluoksniuose elektromagnetinės bangos slopinamos labiau, negu viršutiniuose.
Elektros srovė jonosferoje sukuria savo elektromagnetinį lauką, kuris susideda su atsklidusiu elektromagnetiniu lauku. Šio suminio lauko sklidimo kryptis pasikeičia. Priklausomai nuo jonizacijos stiprumo ir bangos ilgio suminio elektromagnetinio lauko sklidimo teorija gali būti nukrypusi žemės link. Šis procesas vadinamas elektromagnetinių bangų atsispindėjimu nuo jonosferos. Nuo silpnai jonizuotų sluoksnių elektromagnetinės bangos gali ir neatspindėti.
Elektromagnetinių bangų lūžimą jonosferoje ir atsispindėjimą nuo jos galima paaiškinti ir taip. Yra įrodyta, kad jonizuotų dujų santykinė dielektrinė skverbtis yra mažesnė už vienetą ir jos didumas priklauso nuo laisvų elektronų koncentracijos. Juo elektronų koncentracija didesnė, tuo mažesnė dielektrinė skverbtis. Elektromagnetinės bangos, patekusios į erdvę su kitokia dielektrine skverbtimi, keičia sklidimo kryptį. Kadangi kylant aukštyn,jonosferoje elektronų koncentracija kinta nuosekliai, ta elektromagnetinės bangos sklinda kreiva trajektorija. Spindulio trajektorijos kreivumas priklauso nuo jonizacijos stiprumo, bangos ilgis ir spinduliavimo kampo θ. Juo jonizacija stipresnė, juo bangos

staigiau lūžta, t.y. geriau atsispindi. Paprastai bangų atsispindėjimas vaizduojamas taip, kaip parodyta paveiksle.

Kai jonizacijos stiprumas pastovus, bangų atsispindėjimo efektyvumas priklauso nuo spinduliavimo kampo θ ( arba kritimo kampo δ). Didinant kampą θ nuo 0 iki 90˚, bus toks kampas, kai banga neatsispindės. Spinduliavimo kampas, kai radijo banga jau neatspindi vadinamas kritiniu spinduliavimo kampu:

Cos θ kr = √ 1 – 81 N/f ² .

Čia N – laisvų elektronų skaičiavimas kubiniame metre,

F – dažnis Hz.
Įrašę θ kr = 90˚ , gausime kritinį dažnį:

f kr =9 √ N

Jis dar vadinamas jonosferos kritiniu dažniu.
Vietoj dažnio įrašę bangos ilgį gausime :

λ kr = 33.3 ּ 10³ / √ N .

Banga, kuri spinduliuojama 90° kampu dar atsispindi, vadinama kritine jeigu įrašytume minimalų elektronų skaičių N = 10 ¹° el./m³ , kuris būna žiemos naktį, tai gautume:

F = 900 kHz, arba λ kr = 333 m .

Visos ilgesnės bangos atsisipindi bet kuriuo metų ir paros laiku. Trumpesnėms bangoms atsispindėti reikia arba stipresnės jonizacijos, arba didesnio spinduliavimo kampo.

Trumposios bangos

Nuo pat radijo ryšio išradimo iki mūsų laikų pagrindinis radijo ryšio naudojimas-informacijos

perdavimas nuo vieno punkto iki kito. Iki šiol ginčijamasi, kas atrado šiа galimybę – ar rusų
išradėjas A. Popovas, ar italų Markoni. Faktas tas, kad beveik tuo pačiu metu (apie 1896 m) buvo

nepriklausomai viens nuo kito paskelbti darbai apie radijo bangas ir galima informacijos perdavimą

jomis. Ir nors pirmas pranešimo perdavimas per atstumа susidarė tik iš dviejų žodžių (“Henris Gercas”), o atstumas sudarė tik 250 m, pradžia buvo padaryta. Radijo stotys atsirado ir laivuose, ir lėktuvuose. Radijo ryšys buvo pradėtas naudoti ir karinėms, ir civilinėms reikmėms. Daug darbo, energijos ir pastangų radijo ryšio išpopuliarinimui skyrė radijo mėgėjai. Anksčiau buvo manoma, kad trumposios ir ultratrumposios bangos yra netinkamos ryšiui, tarnybiniam ryšiui buvo naudojamos ilgosios ir vidutinio ilgio bangos.Šio ilgio bangos mažiau sugeriamos žemės paviršiaus ir gali plisti dideliais atstumais. Trumposios bangos jau per 100 km nuo siшstuvo stipriai silpsta. Todėl iš pradžių trumposios ir ultratrumposios bangos buvo pripažintos niekam tikusiomis ir atiduotos radijo mėgėjams eksperimentams. Būtent radijo mėgėjai įrodė, kad trumposios ir ultratrumposios bangos buvo be reikalo

pripažintos niekam tikusiomis. Trumposios bangos, daug kartų atsispindėdamos nuo jonizuoto atmosferos sluoksnio – jonosferos ir žemės paviršiaus, sugebėdavo įveikti milžiniškus atstumus.

Trumpųjų radijo bangų sklidimas

Trumpos bangos (10 – 100 m), jei paviršinės, tai jos labiau yra slopinamos ir jų sklidimo ilgis yra labai mažas lyginant su kitomis,nusklinda tik keliasdešimt kilometrų. Erdvinės bangos atsispindi nuo jonosferos F2 sluoksnio. Sklindant pro E sluoksnį, jos šiek tiek nuslopinamos. Juo trumpesnė banga, juo E sluoksnis slopina mažiau. Trumposios bangos, kelis kartus atspindėdamos nuo jonosferos ir žemės, nusklinda gana toli (keliolika tūkstančių km.).
Priklausomai nuo sklidimo pobūdžio trumposios bangos skirstomos į didesnes (10 – 30 m) ir naktines ( 30 – 100 m). Dieninės bangos atspindi nuo F2 sluoksnio dieną, kai jonizacija stipriausia. Nakties metu visos jos neatsispindi, nes F2 sluoksnio jonizacija būna per silpna. Nakties bangos nuo F2 sluoksnio atsispindi naktį, kai jonizacija silpniausia. Dienos metu jos yra smarkiai slopinamos E sluoksnyje.
Trumpųjų bangų diapazone pasireiškia tolimasis fedingas. Be to, jame atsiranda tylos zona ir radijo aidas. Tylos zonoje elektromagnetinis laukas labai silpnas. Tai atsitinka dėl to, kad paviršinė banga žemės paviršiuje smarkiai slopinama ir netoli sklinda, o erdvinė banga atsispindėjusi krinta daug toliau, – tarp šių spindulių ir atsiranda tylos zona.
Radijo aidas yra toks reiškinys, kai tas pats signalas imtuve pasikartoja du ar daugiau kartų. Šio reiškinio esmė yra ta, kad radijo signalas patenka į priėmimo vietą labai skirtingais keliais ir gana skirtingu laiku. Jeigu viena banga patenka į priėmimo vietą tiesiog , o kita – apsklidusi Žemės rutulį, tai tarp jų susidaro maždaug 130 ms laikas.
Trumpųjų bangų sklidimui turi įtakos magnetiniai patikimai ( magnetinės audros), vykstantieji atmosferoje. Tuos patikimus sukelia saulės aktyvumo svyravimai. Magnetinės audros sutriko trumpųjų sklidimą.

Ultratrumpųjų radijo bangų sklidimas

Ultratrumposios bangos (0,001 – 10 m) nuo jonosferos neatsispindi, nes jonizacija yra per silpna. Paviršinės bangos žemės paviršiuje labai slopinamos ir sklinda visai netoli. Ultratrumposios bangos neapgaubia žemės rutulio, t.y. neturi difrakcinių savybių.
Todėl jos sklinda tiesaus matymo kryptimi, kaip šviesa. Jų veikimo spindulys paktiškai nustatomas tiesaus matymo toliu:

Xt = 3,57 (√h1 + √h2).

Čia h1 ir h2 – atitinkamai siųstuvo ir imtuvo antenų auksčiai m,

Xt – nuotolis km.

Dėl refrakcijos ultratrumpųjų bangų gero priėmimo nuotolis padidėja 10 – 15% ir apskaičiuojamaas pagal formulę :

Xt = 4 (√h1 + √h2).

Pavyzdžiui, jei h1 = 225 m, h2 = 25 m, tai gero priėmimo tolis Xt = 4(√225 + √25) = 80 km.

Šiuo metu ultratrumpųjų bangų energija perduodama į didelius nuotolius radijo relinėmis linijomis ir per dirbtinius žemės palydovus.
Kartais atmosferoje gali susidaryti tokios sąlygos, kai radijo bangos spindulio kreivumas tampa lygus žemės rutulio kreivumui arba net mažesnis. Tuomet ultratrumposios radijo bangos sklinda lygiagrečiai žemės paviršiui ir pasiekia žymiai didesnį atstumą, negu tiesaus matymo tolis. Šis reiškinys vadinamas kritine atmosferos reakcija.
Kai kada decimetrinės ir centimetrinės bangos nusklinda kelių šimtų kilometrų atstumą. Tai įvyksta tuomet, kai atmosferoje susidaro oro sluoksniai, turintieji skirtingą dielektrinę skverbtį, kai geras oras pakeičia blogą, kai oro temperatūra ir drėgmė staigiai mažėja. Tais atvejais ultratrumposios bangos atsispindi troposferoje ir sklinda į žemę. Atsispindėjusios nuo žemės , jos sklinda vėl į troposferą, o nuo jos į žemę ir t.t. Šis reiškinys vadinamas superrefrakcija. Kritinė refrakcija yra reti ir nereguliarūs reiškiniai.

Turinys :
1. Elektromagnetinių bangų savybės
2. Elektromagnetinių bangų sklidimo pobūdis
3. Atmosferos įtaka elektromagnetinių bangų sklidimui
4. Trumpųjų bangų sklidimas
5. Ultratrumpųjų bangų sklidimas

Leave a Comment