Волкова з а поверхностные электромагнитные волны. Поверхностные электромагнитные волны на плоских границах электропроводящих сред с высокой проводимостью, волна ценнека. Рекомендованный список диссертаций

2005 года.

Поверхностные волны – это волны, которые распространяются вдоль границы раздела двух сред и приникают в эти среды на расстояние, меньшее длины волны. В поверхностных волнах вся энергия сосредоточена в узкой окрестности границы раздела, и состояние поверхности существенно влияет на их распространения. Именно поэтому поверхностные волны являются источником информации о состоянии поверхности. Более того, взаимодействие объемных и поверхностных волн может приводить к различным поверхностным эффектам, таким как генерация гармоник, вращение плоскости поляризации при отражении и так далее. Свойства поверхностных волн для идеальных поверхностей теоретически были изучены достаточно давно, еще в начале двадцатого века. Но экспериментально получать чистые поверхности научились только в конце двадцатого века.

В 1901 году Зоммерфельд нашел особые решения уравнений Максвелла – экспоненциально затухающие волны, распространяющиеся вдоль граница раздела двух сред. В то время на его работу не обратили внимания, считалось, что это совсем экзотические объекты. В 1902 году Вуд, изучая свойства металлических дифракционных решеток, обнаружил на некоторых частотах отклонения распространения света от законов дифракции. Эти отклонения были названы аномалиями Вуда. В 1941 году Фано объяснил эти аномалии – энергия переходит в поверхностные волны. В 1969 году Отто предложил схему возбуждения поверхностных волн в металлической пленке с помощью призмы. В 1971 году Кречман предложил другую геометрию того же самого. В 1988 году немецкие ученые Кноль и Ротенхойслер предложили и реализовали схему микроскопа на основе поверхностных волн.

Немного теории. Уравнения Максвелла в среде

Материальные уравнения

При подстановке такого вида решения в материальные уравнения получаем, что e и m зависят от частоты – временная дисперсия , и волнового вектора – пространственная дисперсия. Связь между частотой и волновым вектором через e и m называется дисперсионным соотношением.

В данном докладе мы будем полагать, что m не зависит от частоты и = 1. В оптическом диапазоне частот это условие довольно хорошо выполняется. Поскольку e зависит от частоты, то оно может принимать разные значения, в том числе и отрицательные.

Рассмотрим задачу о падении плоской монохроматической волны из среды с e1 на идеальную поверхность некоторого вещества e2.

Из этих граничных условий при подстановке обычного вида решений получаются известные формулы Френеля, закон Снеллиуса и т. д. Однако такие решения существуют не всегда. Рассмотрим случай, когда диэлектрическая проницаемость среды отрицательна. Этот случай реализуется в некотором диапазоне частот в металлах. Тогда решений в виде распространяющихся волн не существует. Будем искать решения в виде поверхностных волн.

Подставляя такое представление в уравнения и граничные условия *, получаем, что существуют волны типа ТМ (transverse-magnetic). Это частично продольные волны, вектор электрического поля может иметь продольную компоненту.

где Вакуум" href="/text/category/vakuum/" rel="bookmark">вакууме . Зависимость от частоты также неявно присутствует в функциях e1(w)и e2(w).

Так что же такое отрицательная диэлектрическая проницаемость в металлах? Основные оптические свойства металлов определяются свойствами электронов. Электроны в металлах являются свободными, они могут двигаться под действием электрического поля. Причем двигаются они так, что создаваемое ими поле противоположно по направлению внешнему электрическому полю. Отсюда и берется отрицательный знак. Поэтому электроны в металле частично экранируют внешнее поле, и оно проникает в металл на глубину, значительно меньшую длины волны. Однако если частота внешнего поля будет настолько большой, что электроны не будут успевать реагировать, то металл становится прозрачным. Характерная частота, при которой это происходит, называется плазменной частотой .

Вот простая формула – формула Друде, которая показывает зависимость диэлектрической проницаемости металла от частоты.

DIV_ADBLOCK4">

Итак, дисперсионная кривая для поверхностных волн в металле. На рисунке это кривая синего цвета. Красная линия – дисперсионная кривая для вакуума.

Основное условие возбуждения любых волн – это условие фазового синхронизма. Фазовый синхронизм – это равенство фазовых скоростей падающей волны и поверхностной волны. Из дисперсионных кривых видно, что нельзя возбудить поверхностные волны в металлической пластинке волной, падающей из вакуума. Есть два способа возбуждения поверхностных волн – а) нарушенное полное внутреннее отражение и б) создание резонансных структур на поверхности.

а) Нарушенное полное внутреннее отражение известно еще как оптический туннельный эффект. На границе диэлектрика при угле падения, большем угла полного внутреннего отражения возникают поверхностные волны, которые затем преобразуются в объемные отраженные волны. Но при выполнении условий фазового синхронизма на границе с металлом эти волны могут преобразовываться в поверхностные волны металлической пластинки. Это явление является основой призменного возбуждения поверхностных волн.

б) Под резонансными структурами здесь понимаются периодические структуры с периодом порядка длины волны поверхностных волн. В таких периодических структурах меняется условие фазового синхронизма - , где - вектор обратной решетки. Возбуждение поверхностных волн приводит к аномалиям Вуда – изменение интенсивности света, дифрагирующего на дифракционной решетке, отличие от стандартного закона дифракции.

https://pandia.ru/text/78/325/images/image018_2.gif" align="left" width="85" height="72 src=">- детектирование изменения диэл. проницаемости при фиксированной толщине пленки

Детектирование изменения толщины при фиксированной диэл. проницаемости

Соотношение неопределенности здесь, однако, не нарушается: зато по другой координате, в плоскости пленки, разрешение довольно низкое – лазер фокусируется в пятно размерами порядка 2 мкм.

https://pandia.ru/text/78/325/images/image020_2.gif" width="155 height=70" height="70">

свет

Электронно-лучевая литография обладает высоким разрешением, но требует последовательного нанесения изображения (по строкам, как в телевизоре), что очень долго для промышленных применений. Если такая возможность изготавливать копии будет реализована в промышленных масштабах, то это существенно уменьшит затраты на изготовление интегральных микроструктур.

Список литературы:

1. . Микроскоп на поверхностных плазмонах , Соросовский образовательный журнал, №8, 1999

2. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона , Соросовский образовательный журнал, №10, 1996

3. Rothenhäusler B., Knoll W. Surface-Plasmon Microscopy, Nature . 1988. № 000. p. 615-617.

4. Борн, Вольф «Основы оптики », глава «Оптика металлов»

5. F. J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno Transmission and focusing of light in one-dimensional periodically nanostructured metals , Phys. Rev. B 66, 155

6. , С. Г. Тиходеев, А. Крист, Й. Куль, Х. Гиссен. Плазмонно-волноводные поляритоны в металлодиэлектрических фотонно-кристаллических слоях , Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1

УДК 538.566.2: 621.372.8

Поверхностные электромагнитные волны на плоских границах электропроводящих сред с высокой проводимостью, волна Ценнека

В. В. Шевченко
Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Аннотация . Рассмотрены свойства теоретической модели поверхностных электромагнитных волн, направляемых плоскими границами высоко проводящих сред: металлов, влажной почвы, морской и вообще соленой воды. Вычислены фазовая, «групповая» и энергетическая скорости таких волн. Показано, что эти волны относятся к необычному типу волн, у которых «групповая» скорость отличается от энергетической скорости, т.е. скорости переноса волной энергии. И хотя в зависимости от параметров среды фазовая и «групповая» скорости таких волн могут быть больше скорости света с , их энергетическая скорость всегда меньше скорости света. К рассмотренному типу волн относится так называемая волна Ценнека.

Ключевые слова : поверхностные волны; фазовая, групповая, энегетическая скорости волн; волна Ценнека.

Abstract. The properties of a theoretical model of surface electromagnetic waves, guided by the plane boundaries of high conductive media: metals, humid soils, sea and salty water in general are considered. The phase,”group” and energy flow velocities of these waves are calculated. These waves are related to the unusual type of waves, the “group” velocity of which is differed from the energy flow velocity, that is the wave energy transport velocity. Although depending on medium parameters the phase and “group” velocities of these waves can be more than the light velocity c , their energy flow velocity always less than the light velocity c . So named Zenneck’s wave is related to considered the type of waves.

Key words : surface waves; phase, group, energy flow velocities of waves; Zenneck’s wave.

Введение

Вопрос об указанных в названии статьи поверхностных волнах и, в особенности, о так называемой волне Ценнека в течение многих лет время от времени, снова и снова поднимается в научных дискуссиях в области прикладной электродинамики, как теоретиками, так и экспериментаторами. Поскольку такие дискуссии отражены во многих публикациях (см., например, в и лит. ссылки в них), то здесь мы не останавливаемся на деталях опубликованных утверждений и сомнений. Отметим только, что обычно обсуждаются следующие вопросы. Возможна ли вообще с физической точки зрения волна Ценнека: не противоречит ли это физическим законам, а если возможна, то можно ли ее возбудить физически реализуемыми источниками и можно ли ее использовать для передачи сигнала в системах связи и в радиолокации.

Представленный ниже теоретический анализ даёт, по мнению автора, вполне определенный ответ, по крайней мере, на первые два из указанных вопросов, т.е. не противоречит и можно ее возбудить. Оставшийся вопрос относится к области технологии реализации и применения таких поверхностных волн.

1. Основные свойства поверхностной волны на плоской границе высоко проводящей среды

Пусть зависимость стационарного электромагнитного поля от времени имеет вид , где - круговая частота поля. Рассмотрим для простоты, как это делается обычно [ , ], двумерную модель (результаты легко переносятся на трехмерную модель ) электромагнитной поверхностной волны на плоской границе (Рис.1) между свободным пространством с параметрами ,и электропроводящей немагнитной () средой с эффективной диэлектрической проницаемостью , где комплексная безразмерная относительная проницаемость

. (1)

Рис. 1. Плоская граница электропроводящей среды

, . (2)

Например, для влажной почвы, морской и просто соленой воды () в радиоволновом диапазоне, а для металлов () в радиоволновом диапазоне, СВЧ, КВЧ и вплоть до инфракрасного диапазона оптических частот

, (3)

Где - удельная проводимость среды .

Комплексные магнитную и электрические компоненты поля поверхностной волны соответствующей поляризации, распространяющейся вдоль плоской границы среды в направлении оси z (Рис.2), представим в виде

, (4)

, (5)

(6)

где А – амплитудная константа, , с – скорость света и - длина волны в свободном пространстве, ,

, (7)

Рис. 2. Локализация поля волны около границы среды

Исходное дисперсионное уравнение, получаемое при сшивании поля на границе среды при y =0 согласно равенствам

. (10)

Приближенное уравнение и его решение при имеют вид

, (11)

,, (12)

а уточненное уравнение и его решение при , т.е. согласно (12) –

, . (13)

На основании этих соотношений и выражений (), () вычисляются значения

, (14)

. (15)

Таким образом, волна действительно является поверхностной, поскольку , , и она распространяется вдоль границы y =0 в направлении оси z .

Следует отметить, что результат (15) может быть получен также из соотношения

, (16)

(17)

которое позволяет проанализировать структуру поля волны, соответствующую выражениям (), ().

Действительно, величина , описывающая прижатие поля волны к границе среды, согласно (16) увеличивает значение , что замедляет скорость движения фазового фронта волны, а величина , описывающая наклон фазового фронта волны к границе среды (Рис. 3, физическая причина наклона состоит в том, что среда частично поглощает энергию волны) уменьшает значение , то есть ускоряет движение фазового фронта волны вдоль границы.

Рис.3. Наклон фронта волны к границе среды

При этом при значениях этих величин, соответствующих выражениям (), старшие по малой величине члены в () компенсируются, так что

, (18)

и в результате в вещественной части в () остаются только члены, пропорциональные квадрату этой малой величины. Отмеченный выше наклон направления распространения фазового фронта волны к границе среды (Рис.3), согласно сказанному, составляет малый угол

. (19)

Выражения (),(),() позволяют оценить протяженности поля поверхностной волны в поперечном (L y ) и продольном (L z )направлениях, которые приближенно равны

(20)

Здесь не учитывается малая поперечная протяженность поля волны внутри среды, равная согласно ()

. (21)

(32)

Здесь следует отметить, что переходы значений фазовой и групповой скоростей волн через скорость c происходят при отличающихся параметрах среды. Учитывая приближенный характер введенных скоростей, нет основания придавать какой либо физический смысл полученным конкретным значениям переходных параметров среды.

4. Энергетическая скорость

Энергетическая скорость, т.е. скорость передачи волной энергии [ , , ], может быть вычислена по следующей уточненной здесь формуле:

, (33)

где усредненные по времени - продольный (вдоль оси z ) поток переносимой волной мощности и – перемещаемая вместе с волной линейная плотность энергии на единицу длины вдоль направляющей структуры, т.е. плоской границы (также вдоль оси z ). Такая кинематически определяемая энергетическая скорость основана на теореме Умова- Пойнтинга. Она применима как к волнам, распространяющимся без потерь энергии, так и к волнам с потерями. Это определение не включает диссипативную и поглощаемую средой энергию, которая не распространяется вместе с волной. При этом выполняется баланс перемещаемой волной энергии вдоль границы среды.

Для рассматриваемой волны имеем

, (34)

где и - парциальные потоки мощности над и под плоскостью y =0 , которые согласно (), () равны

(35)

и, соответственно , где при м имеем

(36)

(37)

. (43)

На основании этого выражения и формулы () получим для рассматриваемых здесь поверхностных волн

, (44)

где - фазовая, а при малых значениях она же энергетическая скорость замедленной поверхностной волны в направлении движения фазового фронта. В результате на основании () получим

. (45)

По существу в проведенном вычислении было использовано свойство волн с плоским фазовым фронтом, применимое к плоским и близким к ним волнам, состоящее в том, что наклон направления движения фазового фронта по отношению к направлению распространения волны увеличивает фазовую скорость (), (), () и уменьшает энергетическую скорость (45) волны.

В итоге имеем, что энергетическая скорость поверхностной волны всегда меньше с , включая случай, соответствующий волне Ценнека, для которой фазовая и групповая скорости оказываются больше с .

5. Обсуждение результатов

Обсудим критически известные версии, на основании которых, казалось бы, можно утверждать, что рассмотренная выше теоретическая модель поверхностных волн не описывает физические поверхностные волны, направляемые границей электропроводящей среды с высокой проводимостью в случае, когда фазовая и/или групповая скорости оказываются больше скорости света с.

Как следует из другого, не асимптотического, способа представления полного поля источника в виде спектрального разложения по собственным волнам (по поперечным волновым числам с дискретно-непрерывным спектром) открытой направляющей структуры, здесь границы среды [ , , ], такое разложение в исходном виде содержит кроме интеграла выделенную поверхностную волну независимо от того медленная она или быстрая . Это разложение может быть получено как непосредственно на основании теории сингулярной (в бесконечном интервале) поперечной граничной задачи на собственные числа и собственные функции [ , ], так и путем преобразования указанного интегрального разложения Фурье по продольным волновым числам в разложение по поперечным волновым числам. Во втором случае при деформации контура интегрирования в комплексной плоскости волновых чисел этот контур одинаково заметает полюса подынтегрального выражения, соответствующие как медленной, так и быстрой поверхностным волнам [ , , ]. Таким образом, поверхностная волна как медленная, так и быстрая содержится в полном поле, возбужденном источником, но она затухает и исчезает в асимптотике, где остается только поле пространственной волны.

Заключение

Рассмотренные волны представляют собой особый тип поверхностных волн, поверхностный характер которых, т.е. экспоненциальный спад поля от границы рассматриваемой высоко проводящей среды в поперечном направлении, имеет здесь место не по причине замедленности ее фазовой скорости относительно скорости плоских волн над границей среды, что оказалось здесь необязательным, а по причине частичного поглощения в ней энергии в процессе распространения волны. Представленные результаты показывают, что рассмотренная модель таких поверхностных волн, не противоречит физическим законам. Поэтому нет оснований сомневаться в том, что она описывает физические волны и когда их фазовая скорость меньше c , и когда – больше, а общепринятая «групповая» скорость для них, судя по всему, не имеет четкого физического смысла.

При этом, однако, такие волны имеют существенные недостатки с точки зрения использования их в технических приложениях. Во-первых, они слабо прижаты к границе среды, т.е. их поле имеет достаточно большую протяженность в поперечном направлении над границей, поэтому для их эффективного возбуждения может потребоваться источник со слишком большим размером вертикальной апертуры . Во-вторых, их фазовая скорость лишь слегка отличается от скорости света с , поэтому любые, даже малые нерегулярности в плоскости границы среды могут привести к рассеянию поля волны и существенному увеличению потерь энергии при распространении вдоль границы. В частности такое может возникнуть при отклонении границы от плоскости, т.е. при наличии кривизны ее поверхности. Анализ рассмотренных поверхностных волн на нерегулярной границе требует специального исследования [ , ].

С другой стороны, при попытках применить поверхностные волны, например, на границах металлов в технических приложениях необходимо учесть, что поверхности реальных металлов обычно покрыты оксидными плёнками, имеющими толщину порядка долей микрона, микрона или нескольких микрон (естественные плёнки) и порядка десятков микрон (искусственно создаваемые плёнки для механической защиты поверхности металлов). В таком случае необходимо использовать результаты несколько иной теоретической модели направляющей системы: слоистой структуры типа металлическая подложка – диэлектрическая плёнка (обязательно с учётом потерь энергии в них) – свободное пространство . Наличие пленки может существенно повлиять на прижатие поверхностной волны в сторону его увеличения и, следовательно, на возможность упрощения возбуждения волны и большую ее устойчивость по отношению к нерегулярностям структуры.

В качестве послесловия к статье отметим, что в сентябре 2012 года данная статья была представлена в журнал УФН, в котором перед этим была опубликована серия статей , посвященных волне Ценнека, и, по существу, возникла дискуссия на эту тему. Однако статья не была принята для публикации по причине того, что редколлегия УФН решила «новые работы по волнам Ценнека к рассмотрению не принимать». В результате этого указанная публикация в УФН статей по данной теме фактически завершилась публикацией ошибочной статьи .

Литература

1.Barlow H. M., Wait J. R. // Electron. Letters . 1967.Т.3. №9.С.396.

2.Шевченко В. В. // Радиотехника и электроника. 1969.Т.14. №10.С.1768.

3., .: Golem Press , 1971).

17.Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972. С.420,431.

18.Зильберглейт А. С., Копилевич Ю. И. // Письма в ЖТФ. 1979.Т.5.№8. С. 454 .

19.Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М.: Изд. АН СССР, 1957.

20.Barlow H. M., Brown J. Radio Surface waves. Oxf.: Clarendon Press, 1962.

21. Шевченко В. В.//Дифференциальные уравнения.1979.Т.15. №11. С.2004 (ShevchenkoV.V.//Differential Equations.1980.V.15. №11.P.1431).

22.Шевченко В. В. // Изв. ВУЗов – Радиофизика. 1971.Т.14. №5.С.768.

Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы - слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:

Днем работают на волнах 10-25 м, а ночью на волнах 35-100 м.

Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.

Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.

Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис. 3-39,в). Обработка измерений за короткие.интервалы времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному со среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих случаях разность между уровнями напряженности поля сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени, составляет 16±3,2 дБ.

Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 - 16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000 км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на линии протяженностью 6000 км. Интервал времени корреляции колеблется в пределах?о = 4,5 - 1,5 с. Масштаб пространственной корреляции зависит от протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты, характера неоднородностей ионосферы и лежит в пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с замираниями применяется прием па разнесенные антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать перпендикулярным к направлению трассы, расстояние разноса берут порядка масштаба корреляции 10?. Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации - прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с
узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей.

При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.

Введение

История исследования длинных и коротких волн

Распространение волн коротковолнового диапазона

Общие свойства радиоволн.

Распространение поверхностных (земных) радиоволн.

Распространение пространственных радиоволн.

Распространение мириаметровых и километровых волн (сверхдлинных и длинных)

Распространение гектометровых (средних) волн.

Распространение декаметровых (коротких) волн.

Распространение волн короче 10 м. (УКВ и СВЧ-волны)

Заключение

Список литературы

Введение

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации.

После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления - поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v .

В XX веке электромагнитные волны начали прочно входить в быт людей. Еще до войны в квартирах горожан появились радиолы, затем – телевизоры, в 60-е годы распространившиеся необычайно широко. В 90-х годах в наш быт стали проникать радиотелефоны, микроволновые печи, пульты дистанционного управления телевизорами, видеомагнитофонами и т.д. Все эти приборы излучают или принимают электромагнитные волны.

История исследования длинных и коротких волн

электромагнитная радиоволна диапазон длина

К радиоволнам относят электромагнитные волны, частота которых находится в диапазоне до 3000 ГГц = 3·1012 Гц. Как видно из приведенного ниже рисунка, они занимают весьма скромную часть среди известных нам видов электромагнитных излучений.

К настоящему времени человечество научилось использовать для передачи информации электромагнитные волны вплоть до ультрафиолетового диапазона.

Как Вы знаете, освоение радиоволн началось с экспериментов Г.Герца. Он проводил свои опыты на волнах длиной до 67 см и доказал, что они обладают такими же свойствами, как и свет. В практически реализованных А.С.Поповым и Г.Маркони системах беспроволочной телеграфии использовались более длинные волны. Это было сделано интуитивно: для увеличения дальности действия требовалось излучать электромагнитные колебания большой мощности. Большую мощность можно было получить только от антенн больших размеров, а большие антенны могли излучать только волны большой длины.

В первую очередь беспроволочная связь была нужна флоту. Размер антенны на корабле ограничивался высотой мачт и расстоянием между ними. Поэтому для связи использовались волны длиной 150 – 200 м. Береговые станции имели более высокие и значительно более разнесенные мачты и поэтому использовали волны до 1000 м.

Увеличение дальности действия происходило очень быстро, и не только в пределах прямой видимости. Особенно впечатляющих результатов добился Маркони. Образованная им компания Wireless Telegraph and Signal Company Limited обладала достаточными средствами, в ней работали многие известные в то время специалисты, а сам Маркони отличался неуемной энергией.

В 1896 г. он продемонстрировал аппаратуру с дальностью связи в 3 км. Через год им была достигнута дальность связи 21 км. Еще через полтора года – 70 км. В начале 1901 года – 300 км. А в декабре 1901г. Г.Маркони установил связь между Англией и Северной Америкой на расстоянии около 3700 км. Об энергии, которую развил Маркони в деле пропаганды радиосвязи, можно судить хотя бы по тому факту, что Атлантический океан он пересек восемьдесят раз.

Передающая антенна (рис. сверху), обеспечивающая дальнюю связь, занимала много сотен метров. Приемная антенна представляла собой длинный провод, закрепленный на воздушном шаре. Вообще то в линиях дальней связи на приемном конце тогда использовались различные антенны, например, ромбическая, как показано на рисунке ниже.

О размерах этой антенны можете судить, сравнивая ее с размерами мебели в подсобном помещении на первом этаже.

Спустя два года была установлена связь и с Южной Америкой (10000 км) Ниже на рисунке показано, как с годами изменялась достигнутая дальность связи.

Но как проходили электромагнитные волны на другую сторону Земли, было совершенно непонятно. В начале своих опытов и Попов и Маркони предполагали, что радиоволны, подобно свету, распространяются прямолинейно. Однако связь, установленная Г.Маркони 12 декабря 1901 года между Нью-Фаундлендом (Канада) и юго-западной Англией (расстояние 3700 км) заставила исследователей отказаться от мысли о прямолинейности распространения радиоволн.

До объяснения этого факта было далеко, а опыт показывал, что для достижения большей дальности требовалась большая длина волны. И во втором десятилетии ХХ века стали строить станции для трансатлантической связи мощностью в сотни киловатт, на волнах длиною до 15000 – 20000 м. Кривая освоения диапазона длинных радиоволн показана ниже. К 1920 году длина волны достигла 30000 м и дальнейший ее рост прекратился. С одной стороны, это объяснялось тем, что слишком уж громоздкими становились антенные системы. А с другой стороны, низкая частота электромагнитной волны (частота колебания с длиной волны λ = 30000 м равна f = c/λ = 3*108/3*104 = 104 Гц = 10 кГц) позволяла передавать только низкочастотные сообщения.

А потребность в радиосвязи все увеличивалась. Поэтому вынуждены были осваивать высокочастотные диапазоны.

Но мешало одно обстоятельство. Экспериментально было установлено, что короткие волны (короче 200 м) распространялись прямолинейно и не огибали Землю, и для связи на большие расстояния не годились. Поэтому их сочли непригодными для дальней связи и отдали радиолюбителям. А радиолюбители и этому диапазону были рады и вскоре утерли нос профессионалам. В 1921 – 1923 гг. радиолюбители Америки и Европы на этих волнах, с небольшой мощностью передатчиков перекрыли Атлантический океан, а затем установили связь между материками-антиподами.

Радиолюбительское движение, едва возникнув, ознаменовалось фундаментальным открытием: коротковолновая радиосвязь, осуществленная передатчиками мощностью в единицы ватт, возникала и держалась устойчиво в течение заметного времени на дальностях, недоступных радиостанциям, работающим в диапазоне длинных волн, хотя мощность последних достигала сотен киловатт. Этот беспримерный в истории науки факт привлек внимание многих специалистов к коротким волнам, всюду началось их изучение.