Як знайти довжину хвилі знаючи період. Конвертер частоти та довжини хвилі

Хвиля є обуренням матерії, яке, поширюючись у просторі, переносить енергію без перенесення самої матерії. Кожна хвиля має певні показники. Однією з важливих характеристик обурення є довжина хвилі, формула для розрахунку якої наводиться в статті.

Види хвиль

Усі хвилі класифікують за їх фізичною природою, за типом руху частинок матерії, за їх періодичністю та за способом поширення у просторі.

Відповідно до типу руху частинок матерії при поширенні у ній хвилі виділяють такі види:

Поперечні хвилі - це такий тип обурення, при якому частинки матерії коливаються в напрямку, що перпендикулярно до напряму поширення хвилі. Прикладом поперечної хвилі є світло.
Поздовжні хвилі - це хвилі, у яких частинки матерії коливаються у напрямі поширення хвилі. Звук є гарним прикладомпоздовжньої хвилі.

Відповідно до фізичної природи виділяють такі типи хвиль:

Механічні. Цьому типу хвиль потрібна речовина, щоб вони виникли, тобто тверде, рідке або газоподібне середовище. Прикладом механічних хвиль є хвилі на морі.
Електромагнітні. Цей тип хвиль не потребує речовини для свого поширення, а може поширюватися у вакуумі. Яскравим прикладом електромагнітних хвиль є радіохвилі.
Гравітаційні. Ці хвилі призводять до обурення простору-часу. Породжують такі хвилі великі космічні об'єкти, наприклад подвійна зірка, яка обертається навколо загального центру тяжіння.

Відповідно до розмірності хвилі вони можуть бути:

Одновимірні, тобто такі, що поширюються в одному вимірі, наприклад, вібрація мотузки.
Двовимірні чи поверхневі. Ці хвилі поширюються у двох вимірах, наприклад хвилі на поверхні води.
Тривимірні чи сферичні. Ці хвилі поширюються у трьох вимірах, наприклад, світло чи звук.

Відповідно до періодичності хвилі можна сказати, що існують:

Періодичні обурення, які відрізняються характеристиками, що строго повторюються, через певний проміжок часу, наприклад, звукові хвилі.
Не періодичні, такі хвилі не повторюють своїх характеристик через певні інтервали часу, наприклад, хвилі електрокардіограми.

Фізичні характеристики хвилі

Хвиля характеризується 6 параметрами, з яких лише 3 є незалежними, решта виводяться з цих трьох за відповідними формулами:

Довжина хвилі L – відстань між двома максимумами хвилі.
Висота H - вертикальна відстань між максимумом та мінімумом хвилі.
Амплітуда - величина, що дорівнює половині висоти.
Період T - час, за який два максимуми або два мінімуми хвилі пройдуть через ту саму точку простору.
Частота - величина обернена до періоду хвилі, тобто вона описує кількість максимумів або мінімумів, які проходять через конкретну точку простору за одиницю часу.
Швидкість – величина, що характеризує поширення хвилі. Вона обчислюється за такою формулою: довжина хвилі ділити на період, тобто v = L/T.

Незалежними характеристиками є, наприклад, довжина хвилі, період та її амплітуда.

Довжина хвилі

Ця характеристика містить інформацію про хвилю, яка багато в чому визначає її властивості. У фізиці довжина хвилі визначається як відстань між двома її максимумами (мінімумами), або більш загальному випадкуяк відстань між двома точками, що коливаються в одній фазі. Під фазою хвилі розуміється миттєвий стан кожної точки хвилі. Поняття "фаза" має сенс тільки для періодичних Довжина хвилі зазвичай позначається грецькою буквою λ (лямбда).

У фізиці формула для довжини хвилі залежить від початкової інформації, яка є про це коливання. Наприклад, у разі електромагнітних коливань можна знати частоту і швидкість поширення хвилі, а потім для обчислення довжини хвилі застосувати звичайну формулу розрахунку, або можна знати енергію окремого фотона, тоді слід застосовувати специфічну формулу саме для енергії.

Синусоїдальні хвилі

Відповідно до теореми Фур'є, будь-яка періодична хвиля може бути представлена сумою синусоїдальних хвиль різної довжини. Ця теорема дозволяє вивчати кожну періодичну хвилю завдяки вивченню її синусоїдальних компонентів.

Для синусоїдальної хвилі з частотою f, періодом T та швидкістю поширення v формула довжини хвилі має вигляд: λ = v/f = v*T.

Швидкість поширення хвилі залежить від типу середовища, в якому відбувається хвильовий процес, а також від частоти коливань. Швидкість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі є постійною величиною і приблизно дорівнює 3*10 8 м/с.

Звукові хвилі

Цей тип механічних хвиль породжується за рахунок локальної зміни тиску в речовині, що виникає при коливальних процесах. Наприклад, у повітряному середовищі йдеться про розряджені і стислі області, які поширюються у вигляді сферичної хвилі від джерела, що їх породжує. Цей тип хвиль є періодичним, тому формула для довжини звукової хвилі є такою самою, як і для синусоїдальної.

Зазначимо, що в рідинах і газах можуть поширюватися лише поздовжні хвилі, оскільки в цих середовищах не виникає пружної сили при зрушенні шарів речовини відносно один одного, в той час як у твердому тілі, крім поздовжніх, можуть існувати поперечні хвилі.

Швидкість звукових хвиль у різних середовищах

Швидкість поширення таких хвиль визначається характеристиками коливального середовища: її тиском, температурою та щільністю речовини. Оскільки елементарні частинки, що становлять тверді тіла, знаходяться ближче один до одного, ніж ці частинки в рідинах, така структура твердої речовини дозволяє передавати коливальну енергію через нього швидше, ніж через рідину, тому швидкість поширення хвилі в них більша. З цієї причини швидкість звуку в рідинах вище, ніж у газах.

Дані про швидкість звуку в деяких середовищах:

У разі повітря зазначимо, що Ньютоном було виведено формулу для швидкості звуку у цьому середовищі залежно від температури, яка згодом була модифікована Лапласом. Ця формула має вигляд: v = 331+0,6*t ºC.

Таким чином, формула для довжини звукової хвилі з частотою f у повітрі при 25 ºC набуде вигляду: λ = v/f = 346/f.

Електромагнітні хвилі

На відміну від механічних хвиль, природа яких полягає у збуренні речовини, в якій вони поширюються, електромагнітні хвилі не вимагають матерії для свого поширення. Вони виникають через два ефекти: по-перше, змінне магнітне поле створює електричне поле, по-друге, змінне електричне поле створює магнітне поле. Осцилюючі магнітне та електричне поля спрямовані перпендикулярно один до одного і перпендикулярно до руху хвилі, тому за своєю природою електромагнітні хвилі є поперечними.

У вакуумі ці хвилі рухаються зі швидкістю 3*10 8 м/с і можуть мати різні значення частоти, тому довжина електромагнітної хвилі виражається у вигляді: = v/f = 3*10 8 /f, де f - частота коливань.

Спектр електромагнітного випромінювання

Спектр електромагнітного випромінювання є сукупністю всіх довжин електромагнітних хвиль. Розрізняють такі частини спектра:

Радіоелектричне випромінювання. Довжина хвилі спектру для цього випромінювання становить від кількох сантиметрів до тисяч кілометрів. Використовуються ці хвилі в телебаченні та різних типахзв'язку.
Інфрачервоне випромінювання. Це теплове випромінювання має довжини хвиль близько кількох мікрометрів.
Видимий світло. Це та частина спектру, яку людське око здатне розрізняти. Його довжина хвиль знаходиться в межах від 400 нм (синій) до 700 нм (червоний).
Ультрафіолетовий спектр. Його довжини хвиль лежать у межах 15-400 нм.
Рентгенівське випромінювання. Використовується головним чином медицині. Їхня довжина хвилі лежить в області 10 нм - 10 пм. Джерелом їхнього випромінювання є коливання електронів в атомах.
Гамма-промені. Це найчастотніша частина спектру, з довжиною хвилі менше 10 пк. Гамма-промені мають величезну проникаючу здатність через будь-яку речовину. Породжуються вони результаті процесів, які у ядрі атома.

Розрахунок довжини хвилі через енергію фотона

Дуже часто у фізиці виникають завдання, які ставлять питання, чому дорівнює довжина хвилі для фотона, що має енергію E. Для вирішення такого роду завдань слід використовувати таку формулу: E = h * c / λ, де c - швидкість руху фотона h - постійна Планка, що дорівнює 6,626 * 10 -34 Дж * с.

З наведеної формули отримаємо довжину хвилі фотона: = h * c / E. Наприклад, нехай енергія фотона E = 2,88 * 10-19 Дж, а фотон рухається у вакуумі, тобто c = 3 * 10 8 м / с. Тоді отримуємо: λ = h * c / E = 6,626 * 10 -34 * 3 * 10 8 / 2,88 * 10 -19 = 6,90 * 10 -7 м = 690 нм. Таким чином, цей фотон має довжину хвилі, яка лежить поблизу верхньої межі видимого спектру, і сприйматиметься людиною, як червоний промінь світла.

У фізиці звукова енергія передається за допомогою хвиль, які мають унікальну здатність поширюватися в будь-якому середовищі. Різноманітність і безліч хвильових процесів не дозволяють вченим виділити основні властивості хвиль, тому що серед них є і прості типи, що приділяють увагу енергії. Вони унікальні тим, що можуть простягатися крізь абсолютну порожнечу.

Визначення 1

Довжина хвилі - це певна відстань між двома близько розташованими хвилями сигналу.

Щоб точно визначити повну довжину хвильових процесів, необхідно виміряти відстань між двома сусідніми точками двох хвиль. Найчастіше фізики визначають цю величину за допомогою проміжку між піками хвиль, що знаходяться на близькій відстані один до одного.

Довжина хвилі має пряме відношення із частотою потоку, що виходить від сигналу. Чим більше сталість даного елемента, тим менше буде у результаті довжина хвильового процесу. Така підвладність обумовлена стрімким збільшенням загальної кількості повторень хвилі сигналу протягом певного періоду з зменшенням нестабільної довжини хвилі.

Для хвиль Де Бройля цей показник можна розрахувати таким чином:

$\LARGE \lambda =\frac(h)(p)$

А якщо вам необхідно визначити більш точну формулу змінного елемента електромагнітному полі чи повітрі, то можна скористатися такою теорією, де

$\LARGE \lambda =\frac(c)(\nu )=\frac(299792458)(\nu )$

Тут використовується:

$ \ lambda $ - Довжина самої хвилі;
$\upsilon$ - постійна швидкість хвилі;
$ T $ - певний період хвилі;
$\nu$ - частота загальних коливань;
$h$ - стабільна планка;
$ p $ - імпульс елемента;
$c$ - швидкість світла.

Варто зазначити, що розділ фізики, що займається вивченням звукових хвиль, називається акустикою. Для людей звук виступає в ролі головного джерела отримання важливої інформації.

Визначення 2

Звук - це конкретний період хвилі, що має механічне походження і розповсюджується в газоподібному та твердому просторі.

Їх неможливо побачити, проте вони дуже сприйнятливі для людського вуха.

Швидкість хвилі у фізиці

Малюнок 2. Швидкість та довжина хвилі. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт

Будь-який хвильовий процес поширюється з певною швидкістю. Під швидкістю хвилі вважають загальний показник поширення протидії. Наприклад, удар по торцю металевого стрижня утворює в ньому місцевий міцний стиск, який потім рухатиметься вздовж вибивання зі швидкістю приблизно 10 км/с.

Швидкість хвилі можна визначити властивостями навколишнього середовища, в якій цей процес відбувається. При трансформації хвилі з одного простору до іншого її швидкість кардинально змінюється.

У фізиці під довжиною хвилі мають на увазі відстань, на яку може поширитися хвиля за час, що дорівнює загальному періоду коливань у ній.

Визначення 3

Швидкість хвилі - це абсолютна і стала величина для певного середовища, що дорівнює добутку швидкості на час її генералізації.

Отже, щоб виміряти довжину хвилі, треба швидкість хвильового процесу помножити на фазу його коливань у ній: де $v$ - швидкість конкретної хвилі, $T$ - період загальних коливань хвилі, $\lambda$ - довжина самої хвилі.

Зазначена формула визначає зв'язок довжини хвилі з її швидкістю та фазою. Враховуючи, що проміжок коливань у хвильових процесах завжди пропорційний частоті, можна стверджувати, що швидкість хвилі дорівнює створенню довжини стабільну частоту коливань у ній.

Зауваження 1

Хвилі здатні передавати силу і енергію, а також мають конкретику, що сприяє одному хвильовому процесу не впливати на коливання іншого.

В результаті ці дві гранітизації можуть легко проходити паралельно і не заважати один одному.

Види хвиль

Хвилі з погляду фізики передають загальну звукову енергію, яка може існувати у будь-якому середовищі. Завдяки різноманітності існуючих хвильових процесів їх неможливо точно визначити і виділити основні характеристики, властиві тільки цьому явищу.

Хвильовий процес має багатогранну природу у фізиці, сюди відносять:

хімічну;
механічну;
електромагнітну;
спинову хвилі;
гравітаційну;
щільність імовірності.

Американські вчені два роки тому отримали Нобелівську премію за винахід унікального детектора, який здатний з точністю виміряти вказані показники. Пристрій лазерної гравітаційно-хвильової обсерваторії вперше зафіксував гравітаційну хвилю. Щоб зазначений вид хвиль долетіти до нашої планети, йому знадобилося понад мільярд років. Далеко за видимим горизонтом галактики сталося потужне зіткнення двох чорних дірок, після чого минуло вже півтора мільярда років.

Звуковими хвилями прийнято вважати хвилі, які легко сприймаються людським вухом. Діапазон цих частот перебувають у межах приблизно від 20 Гц до 20 кГц, а хвильові процеси із частотою менш зазначених показників називаються інфразвуком, і з частотою понад 20 кГц – ультразвуком. Хвилі звукового діапазону можуть бути не тільки в газі, але і в рідині, і в інших станах. Однак хвилі в газоподібному просторі – середовищі нашого проживання – становлять особливий інтерес.

Типи хвиль

Всі звукові коливання оснащені постійною амплітудою, фазою та частотою. Звуки можуть проходити абсолютно різні відстані, а потім передаватися у просторі у вигляді деяких механічних коливань молекул конкретної речовини. Вони поширюються поступово, а з певною швидкістю, а потім миттєво зникають. Їх швидкість безпосередньо залежить від середовища, в якому вони розташовані: в рідких і твердих станах звуковий процес простягається краще і швидше, ніж у повітрі.

Типи хвиль бувають такими:

біжить - обумовлюється періодом, швидкістю і довжиною, а також характеризується поширенням фаз у просторовому часі, що залежить від частоти та середовища;
стояча – передбачає сумарність двох хвиль: відбитої і падаючої, освіти яких необхідна однакова інтенсивність хвильових процесів;
звукова – характеризується важливим чинником, оскільки завдяки цьому типу хвилі люди можуть спілкуватися і отримувати необхідну інформацію.

Загалом, можна дійти невтішного висновку, що причиною всіх звукових процесів є вібрації, для стабільного поширення звуку потрібен певний простір, джерелом даного явища виступає тіло, що має властивість коливатися і вібрувати з правильною, постійною частотою.

Однак не кожні фізичні тіла, що переміщуються, можуть бути джерелами звуку. Цікавим фактомз історії вважається те, що розширення інфразвуку на великі відстані дає змогу більш точно прогнозувати стихійні лиха. А морські тварини, такі як раки або медузи, вкрай чутливі до зазначених процесів, тому здатні ще за кілька днів до настання шторму передбачати його та сховатись у безпечне місце. Звуки також є частотою гармонійних і абсолютних коливань.

Світлова хвиля – електромагнітна хвиля видимого діапазону довжин хвиль. Частота світлової хвилі визначає колір. Енергія, що переноситься світловою хвилею, пропорційна квадрату її амплітуди.

Світлові хвилі охоплюють на шкалі електромагнітних хвиль величезний діапазон, що лежить за ультракороткими міліметровими радіохвилями і тягнеться до найбільш коротких гамма-променів – електромагнітних хвиль з довжиною хвилі меншою, ніж 0,1 нм (1 нм = 10 -9 м)

Будь-яка хвиля поширюється з однієї точки до іншої не миттєво, і з певною швидкістю.

Швидкість поширення світлових і електромагнітних хвиль у вакуумі (а практично і в повітрі) дорівнює приблизно 300 000 км\с

Поблизу предмета його тінь має різкі краї, проте обриси
тіні розмиваються із збільшенням відстані між предметом
та тінню. Це неважко зрозуміти, якщо врахувати, що світло поширюється.
няється прямолінійно, а кожне джерело світла має кінцеві
Розміри. Вивчення поширення світлових променів показує,
що на краю кожної тіні існує частково освітлена об-
ласть. Ця так звана півтінь робить обриси тіні раз-
митими. Найбільш темна частина тіні (глибока тінь) повністю
відгороджена від джерела світла. Ширина півтіні тим менше,
чим ближче тінь до об'єкта, який її відкидає, тому
поблизу предмета тінь виглядає різкішою.

Було встановлено, що світлова хвиля є коливанням електричного і магнітного полів, що поширюються в просторі; обидва поля здійснюють коливання у взаємно перпендикулярних площинах, які перпендикулярні також напряму поширення хвилі. Насправді світлові хвилі є одним із типів електромагнітних хвиль, що включають також рентгенівське, ультрафіолетове, інфрачервоне випромінювання та радіохвилі. Світлові хвилі випускаються атомами, коли електрони у яких переходять із однієї орбіти в іншу. Якщо атом отримує енергію, наприклад у формі тепла, світла або електричної енергії, Електрони віддаляються від ядра на орбіти з більшою енергією. Потім вони знову переходять на ближчі до ядра орбіти з меншою енергією, випромінюючи при цьому енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Так з'являється світло.

Форма хвилі- наочне уявлення форми сигналу, такого як хвиля, що поширюється у фізичному середовищі, або його абстрактне уявлення.

У багатьох випадках середовище, в якому поширюється хвиля, не дозволяє спостерігати її форму візуально. У цьому випадку термін «сигнал» відноситься до форми графіка величини, що змінюється за часом або залежить від відстані. Для наочного уявлення форми хвилі може використовуватися інструмент, званий «осцилограф», що відображає на екрані значення вимірюваної величини та її зміну. У ширшому значенні термін «сигнал» використовується для позначення форми графіка значень будь-якої величини, що змінюється за часом.

Загальними періодичними сигналами є ( t- час):

· Синусоїда: sin (2 π t). Амплітуда сигналу відповідає тригонометричної функціїсинуса (sin), що змінюється за часом.

· Меандр: saw ( t) − saw ( t− duty). Цей сигнал зазвичай використовується для представлення та передачі цифрових даних. Прямокутні імпульси з постійним періодом містять непарні гармоніки, які потрапляють на −6дБ/октаву.

· Трикутна хвиля: ( t− 2 floor (( t+ 1) /2)) (−1) floor (( t+ 1) / 2). Включає непарні гармоніки, які потрапляють на −12дБ/октаву.

· Пилоподібна хвиля: 2 ( t− floor( t)) − 1. Виглядає як зубці пили. Використовується як відправна точка субтрактивного синтезу, оскільки пилкоподібна хвиля з постійним періодом містить парні та непарні гармоніки, які потрапляють на −6 дБ/октаву.

Інші форми сигналів часто називають композитними, так як у більшості випадків вони можуть бути описані як поєднання кількох синусоїдальних хвиль або сумою інших базових функцій.

Ряд Фур'є описує розкладання періодичного сигналу на основі фундаментального принципу, що говорить, що будь-який періодичний сигнал може бути представлений у вигляді суми (можливо нескінченної) фундаментальних та гармонійних складових. Енергетично-кінцеві неперіодичні сигнали можуть бути проаналізовані як синусоїди після перетворення Фур'є.

Довжина хвилі (λ) - найкоротша відстань між точками хвилі, що коливаються в однакових фазах. Світло ми сприймаємо очима. Він є електромагнітною хвилею з довжиною хвилі (у вакуумі) від 760 нм (червоний) до 420 нм (фіолетовий). - Довжина хвилі. Частота світлових коливань 4 . 10 14 Гц (фіолетовий) до 7 . 10 14 Гц (червоний). Це досить тонка смужка на шкалі електромагнітних хвиль. Частота світлової хвилі (довжина хвилі у вакуумі) визначає колір видимого нами світла: Синусоїда символічно показує частоту (довжину хвилі) відповідної ділянки спектра (колір). Основні спектральні кольори (що мають власну назву), а також характеристики випромінювання цих кольорів представлені в таблиці:	λ - довжина світлової хвилі	м
с - швидкість світла	м/c
T - період ЕМ коливань	з
ν - Частота коливань світлової хвилі	Гц

Коливання- повторюваний у тому чи іншою мірою у часі процес зміни станів системи біля точки рівноваги. Наприклад, при коливаннях маятника повторюються відхилення їх у той й інший бік від вертикального становища; при коливаннях в електричному коливальному контурі повторюються величина та напрямок струму, що тече через котушку.

Електромагнітними коливанняминазиваються періодичні змінинапруженості Е та індукції Ст.

Електромагнітними коливаннями є радіохвилі, мікрохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське проміння, гамма-промені.

Передача коливань зумовлена тим, що суміжні ділянки середовища пов'язані між собою. Цей зв'язок може здійснюватися по-різному. Вона може бути обумовлена, зокрема , силами пружності, що виникають внаслідок деформації середовища при її коливаннях В результаті коливання, викликане якимось чином в одному місці, тягне за собою послідовне виникнення коливань в інших місцях, дедалі більше віддалених від початкового, і виникає так звана хвиля.

Електромагнітні хвилі – ці хвилі являють собою передачу з одних місць простору до інших коливань електричного та магнітного полів, створюваних електричними зарядамита струмами. Будь-яка зміна електричного поля викликає появу магнітного поля, і, будь-яка зміна магнітного поля створює електричне поле. Тверде, рідке або газоподібне середовище може сильно впливати на поширення електромагнітних хвиль, але наявність такого середовища для цих хвиль не потрібна. Електромагнітні хвилі можуть поширюватися всюди, де може існувати електромагнітне поле, отже, й у вакуумі, тобто. у просторі, що не містить атомів.

Будь-яка хвиля поширюється з однієї точки до іншої не миттєво, і з певною швидкістю.

Електромагнітні коливання - взаємозалежні коливання електричного та магнітного полів.

Електромагнітні коливання виникають у різних електричних ланцюгах. У цьому коливаються величина заряду, напруга, сила струму, напруженість електричного поля, індукція магнітного поля та інші електродинамічні величини.

Вільні електромагнітні коливання виникають в електромагнітній системі після виведення її зі стану рівноваги, наприклад, повідомленням конденсатора заряду або зміною струму в ділянці ланцюга.

Це загасають коливання, оскільки повідомлена системі енергія витрачається на нагрівання та інші процеси.

Вимушені електромагнітні коливання - незагасаючі коливання в ланцюзі, викликані зовнішньої синусоїдальної ЕРС, що періодично змінюється.

Електромагнітні коливання описуються тими самими законами, як і механічні, хоча фізична природа цих коливань абсолютно різна.

Електричні коливання - окремий випадок електромагнітних, коли розглядають коливання лише електричних величин. У цьому випадку говорять про змінні струму, напругу, потужність і т.д.

КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР

Коливальний контур - електричний ланцюг, Що складається з послідовно з'єднаних конденсатора ємністю C, котушки індуктивністю L та резистора опором R.

Стан стійкої рівноваги коливального контуру характеризується мінімальною енергією електричного поля (конденсатор не заряджений) та магнітного поля (струм через котушку відсутній).

Величини, що виражають властивості самої системи (параметри системи): L і m, 1/C і k

величини, що характеризують стан системи:

величини, що виражають швидкість зміни стану системи: u = x"(t)і i = q"(t).

ЩО ТАКЕ РАДІОВОВНИ

Радіохвилі – це електромагнітні коливання, що розповсюджуються у просторі зі швидкістю світла (300 000 км/сек). До речі, світло це теж електромагнітні хвилі, що мають схожі з радіохвилями властивості (віддзеркалення, заломлення, згасання і т.п.).

Радіохвилі переносять через простір енергію, що випромінюється генератором електромагнітних коливань. А народжуються вони за зміни електричного поля, наприклад, коли через провідник проходить змінний електричний струмчи коли простір проскакують іскри, тобто. ряд швидко наступних один за одним імпульсів струму.

Електромагнітне випромінювання характеризується частотою, довжиною хвилі і потужністю енергії, що переноситься. Частота електромагнітних хвиль показує, скільки разів на секунду змінюється у випромінювачі напрямок електричного струму і, отже, скільки разів на секунду змінюється в кожній точці простору величина електричного та магнітного полів. Вимірюється частота у герцах (Гц) – одиницях названих ім'ям великого німецького вченого Генріха Рудольфа Герца. 1 Гц – це одне коливання за секунду, 1 мегагерц (МГц) – мільйон коливань за секунду. Знаючи, що швидкість руху електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла, можна визначити відстань між точками простору, де електричне (або магнітне) поле знаходиться в однаковій фазі. Ця відстань називається довжиною хвилі. Довжина хвилі в метрах розраховується за формулою:

Або приблизно ,
де f - Частота електромагнітного випромінювання в МГц.

З формули видно, що, наприклад, частоті 1 МГц відповідає довжина хвилі прибл. 300 м. Зі збільшенням частоти довжина хвилі зменшується, зі зменшенням – здогадайтеся самі. Надалі ми переконаємося, що довжина хвилі впливає на довжину антени для радіозв'язку.

Електромагнітні хвилі вільно проходять через повітря чи космічний простір (вакуум). Але якщо на шляху хвиль зустрічається металевий провід, антена або будь-яке інше тіло, що проводить, то вони віддають йому свою енергію, викликаючи тим самим у цьому провіднику змінний електричний струм. Але не вся енергія хвилі поглинається провідником, частина її відбивається від його поверхні і йде назад, або розсіюється в просторі. До речі, на цьому ґрунтується застосування електромагнітних хвиль у радіолокації.

Ще однією корисною властивістю електромагнітних хвиль є їхня здатність огинати на своєму шляху деякі перешкоди. Але це можливо лише в тому випадку, коли розміри об'єкта менші, ніж довжина хвилі, або можна порівняти з нею. Наприклад, щоб виявити літак, довжина радіохвилі локатора повинна бути меншою за його геометричні розміри (менше 10 м). Якщо тіло більше, ніж довжина хвилі, воно може відобразити її. Але може й не відобразити. Згадайте військову технологію зниження помітності «Stealth», в рамках якої розроблено відповідні геометричні форми, радіопоглинаючі матеріали та покриття для зменшення помітності об'єктів для локаторів.

Енергія, яку несуть електромагнітні хвилі, залежить від потужності генератора (випромінювача) та відстані до нього. По науковому це звучить так: потік енергії, що припадає на одиницю площі, прямо пропорційний потужності випромінювання і обернено пропорційний квадрату відстані до випромінювача. Це означає, що дальність зв'язку залежить від потужності передавача, але набагато більшою мірою від відстані до нього.

РОЗПОДІЛ СПЕКТРА

Радіохвилі, що використовуються в радіотехніці, займають область, або більш науково - спектр від 10000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3000 ГГц). Це лише частина великого діапазону електромагнітних хвиль. За радіохвилями (за спадною довжиною) слідують теплові або інфрачервоні промені. Після них йде вузька ділянка хвиль видимого світла, далі – спектр ультрафіолетових, рентгенівських та гамма променів – все це електромагнітні коливання однієї природи, що відрізняються лише довжиною хвилі і, отже, частотою.

Хоча весь спектр розбито на області, межі між ними намічені умовно. Області йдуть безперервно одна за одною, переходять одна в іншу, а в деяких випадках перекриваються.

Міжнародними угодами весь спектр радіохвиль, що застосовуються у радіозв'язку, розбитий на діапазони:

Діапазон частот	Найменування діапазону частот	Найменування діапазону хвиль	Довжина хвилі
	Дуже низькі частоти(ОНЧ)	Міріаметрові
	Низькі частоти (НЧ)	Кілометрові
300–3000 кГц	Середні частоти (СЧ)	Гектометрові
	Високі частоти (ВЧ)	Декаметрові
	Дуже високі частоти (ОВЧ)	Метрові
300–3000 МГц	Ультрависокі частоти (УВЧ)	Дециметрові
	Надвисокі частоти (НВЧ)	Сантиметрові
	Крайньовисокі частоти (КВЧ)	Міліметрові
300-3000 ГГц	Гіпервисокі частоти (ГВЛ)	Дециміліметрові

Але ці діапазони дуже великі і, у свою чергу, розбиті на ділянки, куди входять так звані радіомовні та телевізійні діапазони, діапазони для наземного та авіаційного, космічного та морського зв'язку, для передачі даних та медицини, для радіолокації та радіонавігації тощо. Кожній радіослужбі виділено свою ділянку діапазону або фіксовані частоти.

Розподіл спектра між різними службами.

Ця розбивка досить заплутана, тому багато служб використовують свою «внутрішню» термінологію. Зазвичай для позначення діапазонів виділених для наземного рухомого зв'язку використовуються такі назви:

	Діапазон частот	Пояснення
		Через особливості поширення переважно застосовується для телекомунікації.
	25.6–30.1 МГц	Цивільний діапазон, в якому можуть скористатися зв'язком приватні особи. У різних країнах цій ділянці виділено від 40 до 80 фіксованих частот (каналів).
		Діапазон рухомого наземного зв'язку. Незрозуміло чому, але у російській мові не знайшлося терміну, визначального даний діапазон.
	136-174 МГц	Найбільш поширений діапазон рухомого наземного зв'язку.
	400-512 МГц	Діапазон рухомого наземного зв'язку. Іноді не виділяють цю ділянку в окремий діапазон, а говорять УКХ, маючи на увазі смугу частот від 136 до 512 МГц.
	806–825 та 851-870 МГц	Традиційний "американський" діапазон; широко використовується рухомим зв'язком у США. У нас не набув особливого поширення.

Не треба плутати офіційні назви діапазонів частот із назвами ділянок, виділених для різних служб. Варто зазначити, що основні світові виробники устаткування рухомого наземного зв'язку випускають моделі, розраховані працювати у межах саме цих ділянок.

Надалі ми будемо говорити про властивості радіохвиль стосовно їх використання в наземному рухомому радіозв'язку.

ЯК ПОШИРЮЮТЬСЯ РАДІОВОЛНИ

Радіохвилі випромінюються через антену в простір і поширюються як енергії електромагнітного поля. І хоча природа радіохвиль однакова, їхня здатність до поширення сильно залежить від довжини хвилі.

Земля для радіохвиль представляє провідник електрики (хоч і не дуже добрий). Проходячи над поверхнею землі, радіохвилі поступово слабшають. Це пов'язано з тим, що електромагнітні хвилі збуджують на поверхні землі електроструми, на що й витрачається частина енергії. Тобто. енергія поглинається землею, причому тим більше, чим коротша довжина хвиля (вища частота).

Крім того, енергія хвилі слабшає ще й тому, що випромінювання поширюється на всі боки простору і, отже, чим далі від передавача знаходиться приймач, тим менше енергії припадає на одиницю площі і тим менше її потрапляє в антену.

Передачі довгохвильових станцій мовлення можна приймати на відстані до декількох тисяч кілометрів, причому рівень сигналу зменшується плавно, без стрибків. Середньохвильові станції чути близько тисячі кілометрів. Що ж до коротких хвиль, їх енергія різко зменшується в міру віддалення від передавача. Цим пояснюється той факт, що на зорі розвитку радіо для зв'язку в основному застосовувалися хвилі від 1 до 30 км. Хвилі коротші 100 метрів взагалі вважалися непридатними для телекомунікації.

Однак подальші дослідження коротких і ультракоротких хвиль показали, що вони швидко згасають, коли йдуть біля Землі. При напрямку випромінювання нагору, короткі хвилі повертаються назад.

Ще в 1902 англійський математик Олівер Хевісайд (Oliver Heaviside) та американський інженер-електрик Артур Едвін Кеннеллі (Arthur Edwin Kennelly) практично одночасно передбачили, що над Землею існує іонізований шар повітря – природне дзеркало, що відбиває електромагнітні хвилі. Цей шар назвали іоносферою.

Іоносфера Землі мала дозволити збільшити дальність поширення радіохвиль на відстані, що перевищують пряму видимість. Експериментально це припущення було доведено в 1923. Радіочастотні імпульси передавалися вертикально вгору і приймалися сигнали, що повернулися. Вимірювання часу між посилкою та прийомом імпульсів дозволили визначити висоту та кількість шарів відбиття.

Поширення довгих та коротких хвиль.

Відбившись від іоносфери, короткі хвилі повертаються до Землі, залишивши під собою сотні кілометрів «мертвої зони». Промандрувавши до іоносфери і назад, хвиля не «заспокоюється», а відбивається від поверхні Землі і знову спрямовується до іоносфери, де знову відбивається і т. д. Так, багаторазово відбиваючись, радіохвиля може кілька разів обігнути земну кулю.

Встановлено, що висота відображення залежить насамперед від довжини хвилі. Чим коротше хвиля, тим більшої висоті відбувається її відбиток і, отже, більше «мертва зона». Ця залежність правильна лише для короткохвильової частини діапазону (приблизно до 25–30 МГц). Для коротших хвиль іоносфера прозора. Хвилі пронизують її наскрізь і йдуть у космічний простір.

З малюнка видно, що відбиток залежить тільки від частоти, а й від часу доби. Це з тим, що іоносфера іонізується сонячним випромінюванням і з настанням темряви поступово втрачає свою відбивну здатність. Ступінь іонізації також залежить від сонячної активності, яка змінюється протягом року та з року в рік за семирічним циклом.

Відбивні шари іоносфери та поширення коротких хвиль залежно від частоти та часу доби.

Радіохвилі УКХ діапазону за властивостями більшою мірою нагадують світлові промені. Вони практично не відбиваються від іоносфери, дуже незначно обгинають земну поверхню і поширюються в межах прямої видимості. Тому дальність дії ультракоротких хвиль невелика. Але в цьому є певна перевага для радіозв'язку. Оскільки в діапазоні УКХ хвилі поширюються в межах прямої видимості, можна розташовувати радіостанції на відстані 150-200 км один від одного без взаємного впливу. А це дозволяє багаторазово використовувати ту саму частоту сусіднім станціям.

Поширення коротких та ультракоротких хвиль.

Властивості радіохвиль діапазонів ДЦВ і 800 МГц ще більш близькі до світлових променів і тому мають ще одну цікаву і важливу властивість. Згадаймо, як улаштований ліхтарик. Світло від лампочки, розташованої у фокусі рефлектора, збирається у вузький пучок променів, який можна надіслати у будь-якому напрямку. Приблизно те саме можна зробити і з високочастотними радіохвилями. Можна їх збирати дзеркалами-антенами та посилати вузькими пучками. Для низькочастотних хвиль таку антену побудувати неможливо, тому що занадто великі були б її розміри (діаметр дзеркала має бути набагато більшим, ніж довжина хвилі).

Можливість спрямованого випромінювання хвиль дозволяє підвищити ефективність системи зв'язку. Пов'язано це з тим, що вузький промінь забезпечує менше розсіювання енергії в побічних напрямках, що дозволяє застосовувати менш потужні передавачі для досягнення даної дальності зв'язку. Спрямоване випромінювання створює менше перешкод для інших систем зв'язку, що знаходяться не в створі променя.

При прийомі радіохвиль також можуть використовуватись переваги спрямованого випромінювання. Наприклад, багато хто знайомий з параболічними супутниковими антенами, що фокусують випромінювання супутникового передавача в точку, де встановлений приймальний датчик. Застосування спрямованих приймальних антен у радіоастрономії дозволило зробити багато фундаментальних наукових відкриттів. Можливість фокусування високочастотних радіохвиль забезпечила їх широке застосування в радіолокації, радіорелейного зв'язку, супутникове мовлення, бездротовий передачіданих тощо.

Параболічна спрямована супутникова антена(Фото з сайту ru.wikipedia.org).

Необхідно відзначити, що зі зменшенням довжини хвилі зростає згасання та поглинання енергії в атмосфері. Зокрема, на поширення хвиль коротше 1 см починають впливати такі явища як туман, дощ, хмари, які можуть стати серйозною перешкодою, що обмежує дальність зв'язку.

Ми з'ясували, що радіохвилі мають різні властивості поширення залежно від довжини хвилі і кожна ділянка радіоспектру застосовується там, де найкраще використовуються його переваги.

Під швидкістю хвилірозуміють швидкість поширення обурення. Наприклад, удар по торцю сталевого стрижня викликає у ньому місцеве стиснення, яке потім поширюється вздовж стрижня зі швидкістю близько 5 км/с.

Швидкість хвилі визначається властивостями середовища, в якому ця хвиля поширюється. При переході хвилі з одного середовища до іншого її швидкість змінюється.

Довжиною хвиліназивається відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду коливань у ній.

Оскільки швидкість хвилі - величина постійна (для даного середовища), то пройдена хвилею відстань дорівнює добутку швидкості на час її поширення. Таким чином, щоб знайти довжину хвилі, треба швидкість хвилі помножити на період коливань у ній:

де v- Швидкість хвилі, Т- період коливань у хвилі, λ (грецька літера лямбда) - Довжина хвилі.

Формула виражає зв'язок довжини хвилі з її швидкістю та періодом. Враховуючи, що період коливань у хвилі обернено пропорційний частоті v, тобто. Т= 1/ v, можна отримати формулу, що виражає зв'язок довжини хвилі з її швидкістю та частотою:

звідки

Отримана формула показує, що швидкість хвилі дорівнює добутку довжини хвилі на частоту коливань у ній.

Довжина хвилі- Це просторовий період хвилі. На графіці хвилі (рис. вище) довжина хвилі визначається як відстань між двома найближчими гармонійними точками біжить хвилі, що знаходяться в однаковій фазі коливань Це як би миттєві фотографії хвиль в пружному середовищі, що коливається, в моменти часу. tі t + Δt. Ось хзбігається з напрямком поширення хвилі, на осі ординат відкладені зміщення sвагаються частинок середовища.

Частота коливань у хвилі збігається з частотою коливань джерела, тому що коливання частинок у середовищі є вимушеними і не залежать від властивостей середовища, в якому поширюється хвиля. При переході хвилі з одного середовища до іншого її частота не змінюється, змінюються лише швидкість і довжина хвилі.