Поширення радіохвиль

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

4. Електромагнітні коливання й хвилі

УРОК 12/54

Тема. Поширення радіохвиль

Мета уроку: ознайомити учнів із властивостями радіохвиль різної довжини і їх застосуванням.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	4 хв.	1. Принцип радіотелефонного зв’язку. 2. Модуляція. 3. Детектування.
Демонстрації	5 хв.	Відео-фрагменти фільму “Поширення радіохвиль”.
Вивчення нового матеріалу	26 хв.	1. Діапазон радіохвиль. 2. Поверхнева хвиля. 3. Просторова хвиля. 4. Стільниковий зв’язок.
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Діапазон радіохвиль

Електромагнітні хвилі дуже різноманітні тому, що їхні властивості залежать від довжини хвилі. Герц у своїх дослідах одержав хвилі довжиною від 60 см до 6 м. У подальших дослідах інші фізики одержали й досліджували електромагнітні

хвилі довжиною хвилі всього кілька міліметрів. Всі перераховані хвилі належать до діапазону радіохвиль.

O Радіохвилі – електромагнітні хвилі довжиною від 100 км (3 кГц) до 0,1 мм (3 ТГц).

Відповідно до Міжнародної угоди весь спектр радіохвиль, які застосовують у радіозв’язку, розділений на діапазони: довгі хвилі, середні хвилі, короткі хвилі й ультракороткі хвилі.

2. Поверхнева хвиля

Під час використання електромагнітних хвиль для радіозв’язку як джерело, так і приймач радіохвиль найчастіше розташовуються поблизу земної поверхні. Форма й фізичні властивості земної поверхні, а також стан атмосфери сильно впливають на поширення радіохвиль.

Відповідно до сучасної теорії хвилі поширюються різними шляхами. Один шлях лежить уздовж поверхні Землі, яким поширюється так звана поверхнева (земна) хвиля. Вона порівняно швидко загасає через поглинання енергії всіма провідниками, що трапляються на її шляху.

Форма Землі обмежує дальність прийому поверхневих хвиль. Якби вони поширювалися строго прямолінійно, то радіозв’язок був би можливий тільки на відстані прямої видимості. Але оскільки залежно від висоти електричні й магнітні параметри атмосфери змінюються, поверхнева хвиля заломлюється, відхиляючись до Землі, її траєкторія викривляється й дальність прийому збільшується.

Перешкоди на поверхні Землі відбивають радіохвилі. За перешкодами може утворюватися радіо-тінь, куди хвиля не потрапляє. Але якщо довжина хвилі досить велика, то хвиля огинає перешкоду й радіо-тінь не утворюється. Потужні радіостанції, що працюють на довгих хвилях, забезпечують зв’язок на кілька тисяч кілометрів. На середніх хвилях зв’язок можливий у зоні до кількох сотень кілометрів, на коротких хвилях – лише в зоні прямої видимості.

3. Просторова хвиля

Просторові хвилі поширюються від антени шляхом, що лежить під більшим або меншим кутом до поверхні Землі. На висоті близько 100-300 км хвилі стикаються із шаром повітря, іонізованого електромагнітним випромінюванням Сонця й потоком заряджених частинок, випромінюваних світилом. Цей шар називають іоносферою.

Іоносфера, що проводить електричний струм, відбиває радіохвилі довжиною хвилі, що перевищує 10 м, як звичайна металева пластина. Але здатність іоносфери відбивати й поглинати радіохвилі істотно змінюється залежно від часу доби й пір року.

Хвилі після відбиття в іоносфері знову потрапляють на Землю. Однак все залежить від кута, під яким хвилі входять в іоносферу. Якщо він перевищує деяку величину, хвилі проникають в іоносферу, проходять крізь неї й потім вільно поширюються в космічному просторі. І навпаки, якщо кут менше деякої граничної величини, хвиля під тим же кутом відбивається до Землі. Чим менше довжина хвилі, тим глибше хвиля проникає в іоносферу, а значить, відбивається з більшої висоти. Короткі хвилі поширюються на більші відстані тільки за рахунок багаторазових відбиттів від іоносфери й поверхні Землі. Саме за допомогою коротких хвиль можна здійснити радіозв’язок на будь-яких відстанях на Землі.

4. Стільниковий зв’язок

Особливості хвиль УКХ-діапазону (випромінювання вузьким пучком; поширення в зоні прямої видимості; незначна дальність поширення поблизу поверхні землі) забезпечили їх використання в стільниковому зв’язку.

Стільниковий зв’язок – один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Ключова особливість полягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на осередки (стільники), що визначаються зонами покриття окремих базових станцій (БС). Стільники частково перекриваються й разом утворюють мережу. На ідеальній (рівній й без забудови) поверхні зона покриття однієї БС являє собою коло, тому складена з них мережа має вигляд стільника із шестикутними осередками (стільниками).

Мережу становлять рознесені в просторі прийомопередавачі, що працюють у тому самому частотному діапазоні, і комутувальне обладнання, що дозволяє визначати поточне місце розташування рухомих абонентів і забезпечувати безперервність зв’язку під час переміщення абонента із зони дії одного прийомопередавача в зону дії іншого.

Основні складові стільникової мережі – це стільникові телефони й базові станції, які зазвичай розташовують на дахах будинків і вишках. Будучи включеним, стільниковий телефон прослуховує ефір, знаходячи сигнал базової станції. Після цього телефон посилає станції свій унікальний ідентифікаційний код. Телефон і станція підтримують постійний радіоконтакт, періодично обмінюючись пакетами.

Стільникові мережі різних операторів з’єднані одна з одною, а також зі стаціонарною телефонною мережею. Це дозволяє абонентам одного оператора робити дзвінки абонентам іншого оператора, а також телефонувати з мобільних телефонів на стаціонарні й зі стаціонарних на мобільні.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Чому радіохвилі можуть огинати Землю?

2. Чому утруднений зв’язок на коротких хвилях у гірській місцевості?

3. Який вплив чинить іоносфера Землі на поширення радіохвиль?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Що потрібно для переходу до прийому більше коротких хвиль: зближувати чи розсовувати пластини плоского конденсатора, увімкненого в коливальний контур?

2. Чи є істотним розходження між умовами поширення радіохвиль на Місяці й Землі?

3. Радіохвилі якого діапазону можуть бути прийняті без ретрансляції на протилежній стороні Землі?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. За якої частоти коливань радіопередавач випромінює електромагнітні хвилі довжиною 49 м? До яких хвиль (довгих, середніх чи коротких) належать ці хвилі?

2. Який період коливань у коливальному контурі, що випромінює радіохвилі з довжиною хвилі 300 м?

3. Чому дорівнює довжина хвилі, посланої радіостанцією, що працює на частоті 1400 кГц?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Радіохвилі – електромагнітні хвилі довжиною від 100 км (3 кГц) до 0,1 мм (3 ТГц).

– Відповідно до сучасної теорії хвилі поширюються різними шляхами: поверхнева хвиля; просторова хвиля.

– Стільниковий зв’язок – один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 36 (п. 1, 2, 3, 4, 5); підр-2: § 18 (п. 1).

2. Зб.:

Рів1 № 12.4; 12.5; 12.8; 12.9.

Рів2 № 12.16; 12.20; 12.21; 12.38.

Рів3 № 12.53, 12.54; 12.55; 12.56.