Šírenie elektromagnetických vĺn

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: ivana123
Typ práce: Referát
Dátum: 28.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 1 465 slov
Počet zobrazení: 6 114
Tlačení: 542
Uložení: 534
Šírenie elektromagnetických vĺn
2.1 Všeobecné poznatky o elektromagnetických vlnách
Charakteristickou črtou každého rádiokomunikačného systému je prenos informácie prostredníctvom elektromagnetických vĺn. Na rozdiel od prijímacích a vysielacích zariadení, prenosová cesta medzi nimi v podstate nezávisí od človeka. Modulácia a vysielanie signálov a ich príjem a demodulácia závisia od konštrukcie zariadení určených na tento účel podmienky šírenia elektromagnetických vĺn však závisia od mnohých činiteľov. V každom mieste, čase a frekvenčnom pásme je preto potrebné poznať podmienky šírenia elektromagnetických vĺn. Poznanie týchto podmienok prispieva k optimálnemu projektovaniu a využitiu rádiokomunikačných systémov.
 
2.1.1 Frekvenčné pásma rádiových vĺn

Rozsah frekvencií používaných v rádiokomunikačných systémoch je veľmi široký. Pomer najväčších a najmenších frekvencií používaných vo všeobecnosti v praxi je približne 1010.  V praxi sa používa dvojaké rozdelenie rádiových elektromagnetických vĺn podľa frekvencie (resp. vlnovej dĺžky): dekadické rozdelenie (tab. 2.1) a klasické rozdelenie (tab. 2.2).
 
2.1.2 Spôsoby šírenia elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny môžeme klasifikovať s uvážením charakteru dráhy, po ktorej sa šíria od vysielača k prijímaču. V závislosti od polohy dvoch bodov v priestore, medzi ktorými sa uskutočňuje spojenie, môžeme rozlíšiť tri prípady.
 
a)  Zem – Zem (obidva objekty sa nachádzajú na Zemi)
b)  Zem – kozmický priestor (jeden z bodov je na Zemi a druhý v kozmickom priestore)
c)  Kozmický priestor – kozmický priestor (obidva objekty sú v kozmickom priestore)
V prvom prípade ide o šírenie elektromagnetických vĺn v prítomnosti Zeme, ďalšie dva prípady možno považovať za šírenie elektromagnetických vĺn vo voľnom priestore.
 
Na obr. 2.1 sú znázornené rôzne spôsoby šírenia sa elektromagnetických vĺn v okolí Zeme. Rozdelenie šírenia rádiových vĺn je znázornené na obr. 2.2. Vlny šíriace sa v blízkosti povrchu Zeme nazývame prízemné vlny. Delíme ich na vlny povrchové a vlny priestorové. Povrchová vlna je vyžarovaná anténou umiestnenou bezprostredne nad povrchom Zeme a šíri sa pozdĺž tohoto povrchu. Priestorová vlna sa vyskytuje v prípade, keď sú antény umiestnené vysoko nad zemským povrchom. Priestorové vlny s veľkou vlnovou dĺžkou sa používajú pri spojení Zeme s lietadlom. Priestorové vlny ďalej delíme na vlny priame a vlny odrazené od zemského povrchu.
Ionosferickými vlnami nazývame tie, ktoré dosiahnu prijímač vďaka lomu vlny v ionosfére.
 
2.2 Šírenie prízemných elektromagnetických vĺn
2.2.1 Šírenie elektromagnetických vĺn medzi anténami umiestnenými nad rovinným zemským povrchom

Uvažujme, že prijímacia anténa (PA) aj vysielacia anténa (VA) sú umiestnené nad zemským povrchom vo výške, ktorá je omnoho väčšia ako vlnová dĺžka. Antény sú pritom napájané nevyžarujúcim (uzavretým) vedením. Takéto antény sa používajú v oblasti krátkych a veľmi krátkych vĺn. Elektromagnetické pole v mieste príjmu môžeme považovať za superpozíciu vlny priamej (1) a vlny odrazenej od povrchu Zeme (2) (obr. 2.2). Pre intenzitu elektrického poľa mieste príjmu platí vzťah

2.2.2 Šírenie povrchových elektromagnetických vĺn nad rovinným zemským povrchom
Povrchové elektromagnetické vlny sú prízemné vlny, ktoré sa šíria pozdĺž zemského povrchu. Tieto vlny vznikajú v prípade antén umiestnených v malej výške (oproti vlnovej dĺžke) nad zemským povrchom.
 
2.2.3 Šírenie povrchových elektromagnetických vĺn nad nehomogénnym zemským povrchom
Doteraz uvažovaný prípad šírenia elektromagnetických vĺn nad homogénnym zemským povrchom sa vyskytuje v praxi len zriedka. Omnoho častejšie sa elektromagnetická vlna medzi prijímacou a vysielacou anténou šíri nad zemským povrchom, ktorý pozostáva z niekoľkých častí s rôznymi elektrickými parametrami.
 
2.2.4 Šírenie elektromagnetických vĺn na guľovým zemským povrchom
Ak pri analýze šírenia elektromagnetických vĺn uvažujeme zakrivenie zemského povrchu, môžeme použiť podobný prístup, ako pri šírení vĺn nad nehomogénnym povrchom. V prípade antén umiestnených nad zemským povrchom je uváženie zakrivenia zemského povrchu jednoduché, ak sa antény nachádzajú v oblasti priamej viditeľnosti. Môžeme použiť vzťah 2.1, ako skutočné výšky antén nahradíme ich redukovanými výškami. Z jednoduchých geometrických vzťahov môžeme určiť dĺžku priamej viditeľnosti antén v tvare

 
Keď vzdialenosť medzi anténami je rovná dĺžke oblasti priamej viditeľnosti, redukované výšky antén sú nulové a podľa vzťahu 2.1 je nulové i elektromagnetické pole v mieste príjmu. Tento výsledok je v rozpore so skutočnosťou, že elektromagnetické pole existuje nielen v oblasti priamej viditeľnosti, ale i ďaleko za jej hranicami. V praxi možno preto vzťah 2.1 použiť len do vzdialenosti

Túto oblasť nazývame interferenčnou oblasťou. V tejto oblasti môžeme elektromagnetické pole v mieste príjmu považovať za superpozíciu vlny priamej a vlny odrazenej od zemského povrchu.
Pri zväčšovaní vzdialenosti medzi anténami prechádzame z oblasti interferenčnej do oblasti difrakčnej, v ktorej už elektromagnetické pole nemožno považovať za superpozíciu elektromagnetických polí dvoch vĺn. Súvislosť pojmov interferenčná oblasť, difrakčná oblasť, oblasť polotieňa a oblasť tieňa je znázornená na obr. 2.4.
Výpočet elektromagnetického poľa v difrakčnej oblasti je značne komplikovaný. Pre uľahčenie technických výpočtov boli zhotovené tzv. krivky šírenia CCIR (obr. 2.5) pre antény umiestnené na zemskom povrchu.
 
2.2.5 Vplyv nerovností zemského povrchu na šírenie prízemných elektromagnetických vĺn
Nerovnosti zemského povrchu majú na šírenie elektromagnetických vĺn vplyv, ktorý podstatným spôsobom závisí od pomeru vlnovej dĺžky a rozmerov nerovností. Tak napr. Hornatá krajina s nerovnosťami veľkými rádovo 102 m predstavuje pre veľmi dlhé vlny hladký zemský povrch, rovinná lúka s 10 cm  vysokou trávou predstavuje pre centimetrové vlny drsný povrch.
Pre kvantitatívne vyjadrenie drsnosti zemského povrchu sa používa Rayleighovo kritérium. Uvažujme, že na zemský povrch dopadá pod uhlom rovinná elektromagnetická vlna. Zaujíma nás, pri akej výške nerovností h začína zanikať zrkadlový obraz a vzniká rozptyl.
(2.4)
Nerovnosť (2.4) sa nazýva Rayleighovým kritériom a predstavuje približný odhad pre určenie vplyvu nerovností zemského povrchu na šírenie prízemných elektromagnetických vĺn.
V interferenčnej oblasti intenzita elektrického poľa v mieste príjmu je súčtom intenzity priamej a odrazenej vlny. Nerovnosti povrchu majú vplyv na veľkosť koeficienta odrazu a tým i na intenzitu poľa odrazenej vlny. Vznik difúzneho odrazu (rozptylu) je ekvivalentný zníženiu absolútnej hodnoty koeficienta odrazu.
V súčasnosti ešte nie sú vypracované všeobecne použiteľné postupy na určenie koeficientov odrazu od drsného zemského povrchu.
 
2.3 Šírenie troposferických elektromagnetických vĺn

Šírenie elektromagnetických vĺn v troposfére závisí do značnej miery od meteorologických podmienok. Ich vplyv sa prejaví ako lom, rozptyl a tlmenie elektromagnetických vĺn. Pre popis vplyvu meteorologických podmienok na šírenie elektromagnetických vĺn musíme predovšetkým určiť vzťahy medzi elektrickými a meteorologickými parametrami troposféry.
 
2.3.1 Index lomu troposféry
Vznik lomu (refrakcie) je spojený s priestorovými zmenami elektrickej permitivity prostredia, v ktorom sa šíria elektromagnetické vlny. Relatívny index lomu vzduchu sa len málo líši od jednotky. Ukazuje sa však, že i veľmi malé zmeny indexu lomu troposféry, spojené so zmenou výšky, majú praktický význam. V praxi sa častejšie používa tzv. súčiniteľ lomu N definovaný vzťahom
(2.5)
Podľa gradientu indexu lomu (dN/dH) rozlišujeme niekoľko základných druhov troposferického lomu:

- Záporný lom nastáva pre (dN/dH) > 0. Lúč sa odchyľuje od povrchu Zeme, dochádza k zmenšeniu priamej viditeľnosti antén
- Nulový lom nastáva pre (dN/dH) = 0. Lúč sa šíri po priamke, priama viditeľnosť antén sa zväčšuje.
- Kladný lom nastáva pre (dN/dH) < 0. Lúč sa prichyľuje k povrchu Zeme, priama viditeľnosť antén sa zväčšuje.
- Kritický lom nastáva pre (dN/dH) = -0,157. Lúč kopíruje zakrivenie zemského povrchu.
- Superrefrakcia nastáva pre (dN/dH) < -0,157. Príčinou jej vzniku je najčastejšie teplotná inverzia. Lúč sa vracia k zemskému povrchu a mnohonásobne sa od neho odráža, t. j. elektromagnetická vlna sa šíri tzv. vlnovodivým kanálom. Superrefrakcia umožňuje šírenie elektromagnetických vĺn na veľké vzdialenosti, praktické využitie tohoto spôsobu šírenia je však obmedzené pre jeho zriedkavý výskyt.
 
2.3.2 Rozptyl elektromagnetických vĺn v troposfére

Praktické skúsenosti ukazujú, že v troposfére existujú chaotické turbulentné prúdenia vzduchu. Tieto prúdenia majú vplyv na lokálny súčiniteľ lomu, takže závislosť súčiniteľa tlmenia od výšky vykazuje fluktuácie. Tieto fluktuácie sú príčinou rozptylu elektromagnetických vĺn šíriacich sa v troposfére, ktorý umožňuje diaľkové spojenie pomocou veľmi krátkych vĺn.

2.3.3 Tlmenie elektromagnetických vĺn v troposfére
Rozlišujeme štyri druhy tlmenia elektromagnetických vĺn v troposfére:

- Tlmenie vplyvom atmosferických zrážok. Môžeme rozlíšiť dve príčiny tlmenia vĺn kvapôčkami vody:

a) kvapku vody môžeme považovať za polovodivé prostredie, v ktorom elektromagnetická vlna indukuje prúdy, ktorých hustota pre vysokých frekvenciách môže byť veľká. Straty energie spôsobené týmito prúdmi prispievajú k tlmeniu.
b) prúdy indukované v týchto kvapkách sú zdrojmi sekundárneho žiarenia, spôsobujúcimi rozptyl elektromagnetických vĺn.
 
- Molekulárna absorpcia
- Rozptyl na časticiach
- Tlmenie v pevných čiastočkách
 
2.4 Šírenie ionosferickýck elektromagnetických vĺn
Ionosférou nazývame ionizovanú časť atmosféry, ktorá sa nachádza vo výške nad 60 km. Základným zdrojom ionizácie je Slnko. Fotosféra s teplotou asi 6000 K vyžaruje elektromagnetické vlny s veľmi širokým spektrom frekvencií. Chromosféra a koróna s teplotou rádovo 2.106 K sú zdrojmi ultrafialového žiarenia a mäkkého röntgenového žiarenia. Okrem toho Slnko vyžaruje elektróny a iné častice, ktoré tvoria korpuskulárne žiarenie. Okrem Slnka sa na ionizácii atmosféry zúčastňuje vyžarovanie hviezd, kozmické žiarenie, kozmický prach a meteory.
Súčasne so vznikom elektrónov a iónov prebieha v atmosfére i opačný proces – rekombinácia, pri ktorej sa vyžaruje energia rovná ionizačnej práci. Pravdepodobnosť rekombinácie je tým vyššia, čím je vyššia koncentrácia elektrónov a iónov, ktorá závisí od intenzity ionizácie. Preto medzi ionizáciou a rekombináciou existuje dynamická rovnováha.
V ionosfére vznikajú rôzne poruchy, ktoré majú charakter tzv. ionosferických vetrov alebo vírov (turbulencií). Tieto javy sú spojené s gravitačnými a tepelnými účinkami Slnka a Mesiaca. Okrem toho vznikajú v atmosfére tzv. ionosferické búrky, pri ktorých môže prakticky zaniknúť i vrstva F2.
Okrajové vrstvy ionosféry tvoria tzv. Van Allenove oblasti, ktoré obklopujú zemeguľu a tvoria ich vysokoenergetické častice pohybujúce sa po závitových trajektóriách pozdĺž siločiar magnetického poľa Zeme.
Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Kľúčové slová

Vyhľadaj ďalšie vhodné študentské práce pre tieto kľúčové slová:

#Modulácia a demodulácia #vznik ionov #vznik elektromagnetickych vln #vln #rozne sposoby širenia informacii


Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE – Referáty, ťaháky, maturita:

0.021