Радиоволны и их диапазон

Радиоволны и их диапазон

Радиоволны – разновидность электромагнитных волн, существование которых предсказал в 1864 г. британский физик, математик и механик Джеймс Клерк Ма́ксвелл, автор теории электромагнитного поля.

Теория Максвелла

Радиоволны и их диапазон

Джеймс Клерк Максвелл

Обобщив результаты исследований, проведенных до него в области электрических и магнитных полей, Максвелл предположил, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические поля порождают магнитные и т.д. Вначале одно из этих полей создаётся каким-то внешним источником, а затем, вызывая появление друг друга, они словно отрываются от первоначального источника и существуют независимо от него, распространяясь дальше в пространстве в виде электромагнитных волн.

К сожалению, знаменитому учёному не суждено было экспериментально подтвердить свою блестящую теорию, объединившую описание всех явлений электричества и магнетизма. Это сделал позже другой учёный.

Опыт Герца

Радиоволны и их диапазон

Генрих Рудольф Герц

Впервые на практике существование электромагнитных волн доказал в 1887 г. немецкий физик Ге́нрих Ру́дольф Герц, работавший в то время профессором физики технического университета в Карлсруэ. Следует сказать, что Герц взялся за этот эксперимент вовсе не потому, что был согласен с Максвеллом. Как раз наоборот, он предполагал, что Максвелл ошибался, и электромагнитных волн в действительности нет. Это он и хотел доказать.

Согласно теории Максвелла источником электромагнитных волн могут быть колеблющиеся электрические частицы. Для это цели используют простейший колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности.

Излучателем электромагнитных волн (если они существуют) в первом опыте Герца должен был служить электрический разряд, возникающий между двумя шарами из латуни, укреплёнными на концах металлических стержней. В опытной установке шары, выполнявшие роль конденсатора, разделялись небольшим зазором, а сами стержни были объединены между собой катушкой индуктивности. В шарах накапливались электрические заряды.

На расстоянии нескольких метров от первого контура располагался второй контур, не соединённый с первым и представлявший собой незамкнутое проволочное кольцо с такими же латунными шариками на концах и с таким же искровым зазором, как и в первом контуре. Это был простейший резонатор – прибор для улавливания электромагнитных волн.

В некоторый момент между шариками первого контура проскакивали искры. И если электромагнитных волн в природе нет, разряда во втором контуре не должно быть. Но во время опыта между шариками второго контура такой разряд появлялся тоже. Это означало, что электромагнитные волны всё-таки существуют. И их энергию можно передавать без проводов.

Радиоволны и их диапазон

Опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

Герц провёл серию опытов, которыми подтвердил теорию Максвелла. Он установил, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Более того, исследовав распространение этих волн, он доказал, что они ведут себя так же, как волны света и подчиняются законам отражения и преломления.

Но он не представлял, как это можно применить на практике. И свои открытия считал абсолютно бесполезными. «Маэстро Максвелл был прав», - так сказал студентам Герц. «Электромагнитные волны существуют, но мы не можем видеть их глазом». А на вопрос «Что же дальше?» он ответил: «Полагаю, что ничего».

В научной среде открытие Герца было названо началом новой «электрической эры».

Впоследствии из всего спектра электромагнитных волн был выделен диапазон радиоволн, которые стали использовать для передачи радиосигналов.

Диапазон радиоволн

Радиоволны и их диапазон 

Таблица диапазонов радиоволн

Все электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью, равной скорости света. Различаются они длиной волны, или частотой. Между ними нет резкой границы. Одна разновидность электромагнитных волн плавно переходит в другую.

В зависимости от длины волны, весь спектр электромагнитных волн условно делится на гамма-излучение, рентгеновское излучение, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны.

Самую короткую длину волны, всего 2·10−10 м, имеет гамма-излучение. Все электромагнитные волны, длина которых превышает длину волны инфракрасного света и находится в диапазоне от 1 мм до 100 км, относятся к радиоволнам. Это электромагнитные волны, которые используются в радиотехнике. Их частота колеблется в диапазоне 3 кГц — 300 ГГц.

Согласно международным соглашениям весь спектр радиоволн разбивается на следующие диапазоны: децимиллиметровые, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, декаметровые, гектометровые, километровые, мириаметровые.

Миллиметровые волны

Волны, имеющие длину от 1 мм до 1 см, называются миллиметровыми. Их частота находится в диапазоне от 30 до 300 ГГц и называется крайне высокой (КВЧ). Такие волны используют в радиолокации, космической связи, радиоастрономии.

Спектр радиоволн, используемых для радиовещания, принято делить на ультракороткие, короткие, средние, длинные и сверхдлинные волны.

Ультракороткие волны

К ультракоротким относят сантиметровые, дециметровые и метровые волны.

Волны длиной от 1 см до 10 см и частотой от 3 до 30 ГГц (сверхвысокие частоты КВЧ) называются сантиметровыми. Этот диапазон используют для передачи данных через радиоэфир в спутниковых каналах связи, беспроводных компьютерных сетях WiFi, в радиолокации и радиосвязи.

Волны с длиной волны в интервале от 10 см до 1 м, частотой 300—3000 МГц называются дециметровыми, а их частота ультравысокой частотой (УВЧ). Они используются в радиосвязи, телевидении, рациях, мобильных телефонах, микроволновых печах.

Волны, длина которых колеблется от 1 м до 10 м, называются метровыми. Чаще всего их используют для радиосвязи, телевидения и радиовещания на коротком расстоянии.

Короткие волны

Короткие волны – это волны в диапазоне от 10 до 100 м. Их называют декаметровыми волнами.

Средние волны

Средние, или гектометровые, волны занимают диапазон от 100 м до 1 км.

Длинные волны

Длинные, или километровые, волны находятся в интервале от 1 км до 10 км.

Короткие, средние, и длинные радиоволны волны применяются в радиовещании и радиосвязи.

Сверхдлинные волны

Все радиоволны, длина которых превышает 10 км, называются сверхдлинными. Их разделяют на мириаметровые (длина волны от 10 км до 100 км), гектокилометровые (в интервале от 100 км до 1000 км), мегаметровые (от 1000 км до 10 000 км) и декамегаметровые (от 10 000 км до 100 000 км).

Сверхдлинные радиоволны используются для связи с подводными лодками.

Децимиллиметровые волны

Отдельно нужно сказать о децимиллиметровых волнах. Такими считаются волны длиной от 0,1 мм до 1 мм. Их называют также субмиллиметровыми. Это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого располагается между инфракрасным и сверхвысокочастотным излучением, включающим в себя диапазон дециметровых, сантиметровых и миллиметровых радиоволн. Хотя по международной классификации оно относится к радиоволнам, применяют его в основном в медицине и системах безопасности. В отличие от рентгеновского, оно безопасно для организма человека, поэтому используется в приборах для сканирования органов человеческого тела. В аэропортах с его помощью «просвечивают» багаж пассажиров. В физике его называют терагерцевым излучением из-за высокой частоты, расположенной в диапазоне 1011—1013 Гц.