Elektromagnētiskie viļņi un svārstības

Ja elektromagnētisko viļņu (EM) antenā notiek EM svārstības, tad tiek izstarots EM vilnis (1. att.). Šajā vilnī elektriskais un magnētiskais lauks svārstās perpendikulārās plaknēs (EM viļņi un svārstības). Elektriskā lauka intensitātes E svārstību plakne šķērso antenu tās garenvirzienā, līdz ar to magnētiskā lauka indukcija B svārstās antenai perpendikulārā plaknē (1. att.). Sadaļā par EM viļņiem un svārstībām noskaidrojām, ka EM vilnis vakuumā izplatās ar ātrumu c ≈ 3 · 108m/s (gaismas ātrums vakuumā) un tam ir noteikts viļņa garums λ, kuru var izteikt no formulas λ = c : ν, kur

λ - EM viļņa garums, m

ν - svārstību frekvence, Hz

EM vilnis līdz ar elektriskā un magnētiskā lauka svārstībām līdzi sev nes enerģiju, kura ir tieši proporcionāla svārstību frekvencei ν.

1.att. Antenas izstarots EM vilnis

EM viļņiem ir raksturīgas vairākas īpašības, kas ietekmē to izplatīšanos telpā. Viena no īpašībā ir viļņu atstarošanās no šķēršļiem. Ja no EM viļņu ģeneratora izceļo EM viļņu kūlis un tam ceļā nekas nestājas, tad tas turpina kustību tik uz priekšu (2. att. a). Ja ceļā tomēr nonāk kāds plakans šķērslis, piemēram, metāla plāksne, tad EM kūlis no tā atstarojas (2. att. b). Izmantojot EM viļņu uztvērēju, kam pievienots indikators, piemēram, voltmetrs, var noskaidrot, ka EM viļņa krišanas leņķis ir vienāds ar atstarošanās leņķi (2. att. b). Metāli EM viļņus atstaro ļoti labi, bet ja metāla plāksnes vietā tiktu izmantots kāds dielektriķis, piemēram, koks vai plastmasa, tad varētu konstatēt, ka atstarotais vilnis ir ar krietni mazāku enerģiju nekā metāla plāksnes gadījumā.  

2.att. EM viļņu atstarošanās

Ja EM viļņu ģeneratoru pavērš tieši pret uztvērēju, bet pa vidu ievieto metāla plāksni, tad EM viļņi līdz uztvērējam nenonāk (3. att. a), jo metāla plāksnē EM viļņi tiek absorbēti. Bet ja metāla plāksni nomaina pret dielektriķa plāksni, tad EM starojums līdz uztvērējam nonāk (3. att. b), kas liecina par EM viļņu spēju izplatīties cauri dielektriķiem. Izplatoties cauri dielektriskai videi, mainās EM viļņu ātrums. EM izplatīšanos vakuumā var aprēķināt, izmantojot izteiksmi c = 1 : √(ε0μ0), kur

ε0- elektriskā konstante (ε0 ≈ 8,85 · 10-12F/m)

μ0- magnētiskā konstante (μ0 ≈ 1,26 · 10-6H/m)

Ievietojot formulā konstanšu vērtības, iegūst jau iepriekš apskatīto EM viļņu ātrumu vakuumā  c ≈ 3 · 108m/s. Ja EM vilnis pārvietojas cauri dielektriskai videi, tad ātruma aprēķina izteiksmē nāk klāt vides relatīvā dielektriskā caurlaidība ε, un EM viļņa ātrumu šādā vidē nosaka pēc formulas v = 1 : √(ε·ε0μ0). Līdz ar to v var aprēķināt arī pēc formulas v = c : √ε.

3.att. EM viļņu absorbcija dažādos materiālos

Ja EM viļņu ģenerators tiek pacelts virs uztvērēja, tad arī šajā gadījumā EM viļņi līdz uztvērējam nenonāk (4. att. a). Ja EM kūļa ceļā tiek ievietots iešķiebts dielektriska materiāla paralēlskaldnis (4. att. b), tad var panākt, ka EM viļņi uztvērēju sasniedz. Tas nozīmē, ka šajā gadījumā mainās EM viļņu izplatīšanās virziens jeb notiek EM viļņu laušana. EM viļņu laušana notiek uz robežvirsmas starp divām dažādām vidēm.

4.att. EM viļņu laušana

EM starojumu plaši izmanto informācijas apmaiņai, piemēram, televīzijas un radio pārraižu nodrošināšanai. Informācijas pārraides un uztveršanas sistēma sastāv no vairākiem blokiem, kurus var ērti attēlot blokshēmā (5. att.). Blokshēmas galvenās sastāvdaļas:

1)Ieejas pārveidotājs pārvērš mums vēlamo pārraidāmo informāciju elektriskos signālos. Pieņemsim, ka vēlamies pārraidīt kaimiņam savas balss izdotu komandu “Stāvi mierā!” Tad par ieejas pārveidotāju mums jāizmanto mikrofons.

2) Modulators mikrofona radīto elektrisko signālu savij kopā ar EM nesējviļņiem, jo mikrofona radīto elektrisko signālu nevar pārraidīt vienu pašu.

3) Pastiprinātājs jālieto tādēļ, ka signāls, ejot cauri pārraides sistēmai, pavājinās, bet pārraidīšanai ir nepieciešams spēcīgs signāls, lai tas pārraides laikā nepazustu troksnī.

4) Raidītājs pārraidāmo informāciju izstaro EM viļņu veidā.

5) Uztvērējs noķer raidītāja sūtītos EM viļņus, kas ietver sevī pārraidāmo informāciju.

6) Pastiprinātājs ir jālieto vēlreiz, jo, pārraidot signālu, tas ir paspējis pavājināties.

7) Demodulators no uztvērēja saņemtā un pastiprinātā signāla atdala pārraidītas informācijas elektrisko signālu.

8) Izejas pārveidotājs visbeidzot elektrisko signālu pārvērš atpakaļ uztveramā informācijā. Mūsu piemērā kaimiņš, izmantojot skaļruni kā izejas pārveidotāju, sadzirdēs balsi: “Stāvi mierā!”   

 5.att. Blokshēma informācijas apmaiņas sistēmai

Ja vakuumā palielina elektromagnētiskā viļņa frekvenci,  tad samazinās tā

kustības ātrums
viļņu garums
pārnestā enerģija
visas iepriekš minētās atbildes ir pareizas

Radioviļņi EM viļņu spektrā aizņem plašu apgabalu (EM viļņi un svārstības). Visu EM viļņu izplatīšanās īpašības nav vienādas, kā arī nav vienāda apkārtējās vides ietekme uz dažādu frekvenču EM viļņu izplatīšanos. Tieši radioviļņiem piemīt atbilstošas izplatīšanās īpašības, lai tos varētu veiksmīgi lietot sakaru tehnikā, līdz ar to radioviļņus izmanto gan radio un TV pārraidēs, gan, piemēram, mobilo telefonu sakaru un GPS navigācijas nodrošināšanai (1. att.).

1.att. Dažādu EM viļņu frekvenču joslu izmantošana sakaru tehnikā

Veidi, kā radioviļņus nogādāt no raidītāja līdz uztvērējam, ir dažādi. Ja raidošā un uztverošā antena atrodas tiešā redzamībā, tad uztvērējs raidīto signālu saņem taisnā ceļā no raidītāja. Šis veids tiek izmantots, piemēram, mobilo telefonu sakaros, kur mobilais telefons saņems signālu no tuvākā raidītāja torņa (2. att. a). Ja uztvērējs neatrodas tiešā raidītāja redzes lokā, tad jāizmanto citas metodes. Iepriekš tika apskatīta viļņu laušanas parādība (1. solis, 4. att.), kas deva iespēju nogādāt signālu no raidītāja līdz uztvērējam arī tad, ja tie neatrodas tieši viens pret otru. Izmantojot šo EM viļņu īpašību, gaisā būtu nepieciešams dielektrisks materiāls, kas nodrošinātu viļņu laušanu. Realitāte viļņi lūst atmosfērā bez jebkādas citas vielas klātbūtnes, jo, pieaugot augstumam, samazinās atmosfēras blīvums un līdz ar to arī tā dielektriskā konstante ε, un tieši tas nodrošina viļņu lūšanu. Šādi pārraidītus radioviļņus sauc par virsmas viļņiem, un tie savā ceļojumā neuziet augstāk par atmosfēras slāni, ko sauc par troposfēru (2. att. b). Virsmas viļņi faktiski tiek izstaroti horizontāli attiecībā pret Zemes virsmu, tādēļ to kustību ietekmē arī dažādi šķēršļi uz zemes, piemēram, kalni, ieplakas vai meži.

Apskaties simulāciju par radioviļņiem!

2.att. Mobilā telefona raidītāja tornis un virsmas viļņu izplatīšanās

Ja radioviļņi tiek izstaroti dažādos leņķos pret zemes virsmu, tad tos sauc par telpas viļņiem. Telpas viļņi nonāk līdz augstākajiem atmosfēras apgabaliem, un to tālākā izplatība ir atkarīga no šo apgabalu fizikālajām īpašībām. Apmēram 60 km – 100 km augstumā sākas atmosfēras apgabals, ko sauc par jonosfēru. Jonosfēra sastāv no retinātām gāzēm, kas Saules starojuma ietekmē ir jozinētas. Pati jonosfēra sastāv no dažādiem slāņiem, kuram katram ir atšķirīga ietekme uz radioviļņiem (3. att. a). Lielāka garuma radioviļņi (λ1) atstarojas jau no apakšējā E slāņa, bet īsāka garuma viļņi (λ2) tiek šim slānim cauri un atstarojas tikai pret jonosfēras F slāni (3. att. a). Ja radioviļņu garums ir tik īss (λ3), ka tie atbilst ultraīsviļņiem (1. att.), tad šie EM viļņi izskrien cauri visiem jonosfēras slāņiem un nemaz neatstarojas (3. att.). Izmantojot jonosfēru radioviļņu pārraidīšanai, ir jārēķinās ar to, ka ap raidītāju pastāv klusuma zona, kurā izstarotie viļņi nenonāk (3. att. b).

3.att. Radioviļņu atstarošanās no jonosfēras

Jonosfēras īpašības un līdz ar to arī tās ietekme uz radioviļņu atstarošanu ir atkarīga no dažādiem mainīgiem faktoriem, piemēram, gadalaika un diennakts perioda. Piemēram, AM radioviļņu mijiedarbība ar jonosfēru ir atšķirīga dažādos diennakts laikos. Dienas laikā jonosfērā parādās D slānis, kas absorbē AM radioviļņus, bet naktī šīs slānis pazūd un var novērot AM radioviļņu atstarošanos no jonosfēras (4. att.).

4.att. AM radioviļņu atstarošana no jonosfēras dažādos diennakts laikos

Dažādi EM viļņi ne vien tiek raidīti no Zemes atmosfēras virzienā, bet arī ceļo no dažādiem visuma objektiem Zemes virzienā. Piemēram, mūsu pašu Saule izstaro pilna spektra EM viļņus (5. att.), tomēr visi tie līdz Zemei nenonāk, jo dažādi EM viļņu diapazoni tiek vairāk vai mazāk absorbēti Zemes atmosfērā. Rentgenstarojums un gamma starojums Zemes atmosfērā absorbējas faktiski pilnībā, bet infrasarkanais un ultravioletais starojums tiek absorbēts daļēji (5. att.). Atmosfēra neabsorbē redzamo gaismu un radioviļņus, tādēļ šos EM viļņus var izmantot dažādu visuma objektu novērojumiem un pētījumiem, kas notiek no Zemes. Radioviļņu izpētei, salīdzinot ar redzamo gaismu, ir dažādas priekšrocības, piemēram, radioviļņu izpēti var veikt visu diennakti, bet optiskie novērojumi iespējami tikai nakts laikā. Nozīmīgs ir arī fakts, ka daži debess objekti staro spēcīgāk radioviļņu diapazonā nekā redzamās gaismas diapazonā.     

5.att. Dažādu EM viļņu spēja izlauzties cauri Zemes atmosfērai

Ņemot vērā radioviļņu uztveršanas priekšrocības, astronomi plaši izmanto šo EM viļņu analīzi debess objektu izpētē. Ja optiskos novērojumus astronomi veic ar optiskajiem teleskopiem, tad radioviļņu notveršanai tiek lietoti radioteleskopi (6. att. a). Radioteleskops sastāv no reflektora, kas sakopo radioviļņus tieši uztverošajā antenā (6. att. a). Radioviļņi antenā inducē spriegumu, kas caur kabeli tiek nosūtīts uz uztvērēju. Tālāk jau dati tiek noglabāti reģistrēšanas iekārtā, lai pēc tam tos varētu izmantot analizēšanai. Radioteleskopu reflektori parasti ir liela izmēra, jo uztveramais radiostarojums ir vājš, līdz ar to tas ir maksimāli jāsakopo. Arī Latvijā darbojas viens radioteleskops, kas atrodas Irbenē (6. att. b). Šī radioteleskopa reflektora diametrs ir 32 m, un to izmanto Saules un tālu esošu kosmisko radioviļņu avotu pētījumos.

Izlasi wikipedia par Irbenes radioteleskopu!

Apskaties DZM materiālu par radioteleskopiem un radiolokāciju!

6.att. Radioteleskopa darbības princips un Irbenes radioteleskops

Mūsdienās arvien plašāk izmanto radioviļņus globālās pozicionēšanas sistēmās. Latvijā lieto Navstar globālās pozicionēšanas sistēmu (ASV), kuras darbību nodrošina 24 pavadoņi, kas pārvietojas noteiktās orbītās ap zemeslodi (7. att.). Katrs pavadonis ir aprīkots ar ļoti precīzu atompulksteni un EM viļņu raidītāju, ar kura palīdzību tiek nosūtīta informācijas par pavadoņa atrašanās vietu. GPS pārraidēm tiek izmantoti EM viļņi diapazonā no 1227 MHz līdz 1575 MHz, kas aptuveni atbilst viļņu garumam 20 cm.  

7.att. GPS Navstar darbību nodrošina 24 pavadoņi

Navstar 24 pavadoņi kustas tā, lai no jebkuras zemeslodes vietas katru brīdi būtu redzami vismaz četri no pavadoņiem (8. att. a). Lai šo GPS sistēmu varētu lietot, ir jābūt speciālam uztvērējam, kas saņem signālus no pavadoņiem. Apstrādājot saņemtos signālus, var noteikt atrašanās vietas koordinātes ar precizitāti no metra līdz pat centimetriem. GPS izmanto automašīnu navigācijas sistēmās (8. att. b), dažādu ierīču vadībā, ģeodēzijā un daudz kur citur.

8.att. GPS darbība un lietojums automašīnas navigācijas sistēmā

1. solī tika apskatīta blokshēma informācijas pārraidei ar EM viļņu palīdzību (1. solis 5. att.). Apskatīsim tuvāk piemēru, kurā kaimiņam tiek nosūtīta balss komanda, izmantojot AM (amplitūdas modulācijas) pārraides veidu. Raidītāja daļā svarīgākās sastāvdaļas ir ZP (zemfrekvenču pastiprinātājs), AĢ (augstfrekvenču ģenerators), AP (augstfrekvenču pastiprinātājs), M (modulators) un raidītāja antena (1. att.).

Apskaties DZM materiālu par radiosakariem un televīzijas darbības principiem!

1.att. AM radioviļņu raidītāja darbība

Zemfrekvenču pastiprinātājā nonāk un tiek pastiprināts elektriskais signāls, kas rodas mikrofonā skaņas viļņa ietekmē. Gala rezultātā veidojas tā saucamais modulējošais signāls, resp. informācija, ko vēlamies pārraidīt (2. att. a).

Pārraidāmo informāciju var uzskatīt par kravu, kas ir jāpārvieto no vienas vietas uz citu. Krava pati par sevi nepārvietojas, tai ir vajadzīgs kāds nesējs. Šajā gadījumā par nesēju darbojas nesējsvārstības, kas tiek iegūtas augstfrekvenču ģeneratorā un pastiprinātas augstfrekvenču pastiprinātājā (2. att. b).

Kravai un tās nesējam ir jābūt vienotai sistēmai, jo atsevišķi no kravas nesējs nevar pildīt savas funkcijas. Tādēļ krava ar nesēju ir jāsavieno. Mūsu piemērā tas notiek modulatorā, kur savieno modulējošo signālu ar nesējsvārstībām un iegūst modulēto signālu. Savienošana notiek, saskaitot modulējošā signāla un nesējsvārstību svārstību amplitūdas, tādēļ to arī sauc par amplitūdas modulācijas (AM) pārraidi (2. att. c).

Modulētais signāls jau ir gatavs produkts, kuru var pārraidīt. Mūsu piemērā signālu pārraida, izmantojot svārstību kontūru (EM viļņi un svārstības), kam pieslēgta raidītāja antena (2. att. d).

2.att. Pārraidāmā signāla iegūšana

AM radio viļņu uztvērēja galvenās sastāvdaļas, protams, ir uztverošā antena, kas notver pārraidīto radiovilni, svārstību kontūrs, ar kuru no visiem pienākošajiem viļņiem tiek atpazīts tas, kurš satur vēlamo informāciju, demodulators, kas no nesējfrekvences atdala informāciju saturošo elektrisko signālu, kas beigu beigās tiek atskaņots, izmantojot skaļruni (3. att.).

3.att. AM radioviļņu uztvērēja darbība

Pārraidītais signāls uztvērēja antenā inducē svārstošu spriegumu, no kura tālāk tiek atdalīta pārraidītā informācija, tomēr apkārtējā telpā ir daudz un dažādu radioviļņu, ko rada dažādi avoti. Arī šie “svešie” radio viļņi ir spējīgi inducēt spriegumu uztverošajā antenā, līdz ar to kļūst faktiski neiespējami atpazīt, kurš no signāliem ir īstais. Informāciju pārraidošā signāla atpazīšanai lieto svārstību kontūru, kam ar maiņkondensatora palīdzību var mainīt rezonanses frekvenci (4. att.). Uzstādot rezonanses frekvenci, kas atbilst nesējsvārstību frekvencei, tiek panākts, ka signāla vilnis antenā inducē spēcīgas sprieguma svārstības, bet pārējie viļņi ne. Tālāk no iegūtā signāla ir jāatdala elektriskais informācijas signāls. Šo darbu veic demodulators. Demodulatora viena daļa ir vienkārši diode, kas laiž cauri strāvu tikai vienā virzienā, tādēļ aiz tās nonāk pulsējošā līdzstrāva (4. att.).

4.att. Viena daļa no signāla uztveršanas shēmas

Aiz diodes signāls vēl aizvien sastāv no nesējsvārstībām un pārraidītās informācijas elektriskā signāla (5. att.). Lai no kopējā signāla atdalītu informācijas signālu, lieto otru demodulatora daļu – kondensatoru (5. att.). Sakarā ar to, ka jo mazāka ir kondensatora pretestība, jo lielāka ir tā svārstību frekvence, caur kondensatoru plūst signāla augstfrekvences jeb nesējfrekvences daļa, bet aiz kondensatora plūst pāri palikusī zemfrekvences daļa jeb pārraidāmās informācijas elektriskais signāls. Tad tikai atliek pieslēgt skaļruni, kas šo elektrisko signālu atkal pārvērš skaņas vilnī (5. att.). AM radiopārraidēm izmanto nesējsvārstību frekvences no 535 kHz līdz 1700 kHz (2. solis 1. att), kas atbilst viļņu garumiem no 560 m līdz 176 m.

5.att. Otra daļa no signāla uztveršanas shēmas

Laika gaitā ir attīstījušies citi modulācijas veidi ar daudzām nozīmīgām priekšrocībām, tādēļ šobrīd AM modulācija informācijas pārraidīšanai tiek lietota ļoti maz. Modulācijas veids, ko plaši izmanto informācijas pārraidē, ir frekvences modulācija (FM). Salīdzinot ar AM modulāciju, tāpat elektriskais informācijas signāls (6. att. a) tiek pārnests, izmantojot nesējsvārstības (6. att. b), atšķirība ir tā, ka modulatorā, ņemot vērā modulējošā (informācijas) signāla formu, tiek mainīta (modulēta) nesējsvārstību frekvence, tādā veidā iegūstot modulētās svārstības, kam ir tādi pati svārstību amplitūda kā nesējsvārstībām, bet mainīga frekvence (6. att. c). Šī ir priekšrocība, salīdzinot ar AM modulāciju, jo ar FM pārraidītā informācija ir mazāk pakļauta traucējumiem, turklāt raidītāja jauda ir atkarīga no svārstību amplitūdas, un, tā kā FM gadījumā amplitūda nemainās, tad ir iespējams pilnībā izmantot visu raidītāja jaudu. FM radiopārraidei izmanto radioviļņus frekvenču diapazonā no 88 MHz līdz 108 MHz, kas atbilst viļņu garumiem no aptuveni 3,4 m līdz 2,8 m.

6.att. FM modulācijas komponentes