Γενικές Αρχές για τη Διάδοση Ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

 

 

Γενικές Αρχές για τη Διάδοση Ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

 

 

Κύματα.

 

Η φυσική είναι πλημμυρισμένη από κύματα! Κύματα διαδίδονται σε όλες τις καταστάσεις της ύλης.  Κύματα διαδίδονται ακόμη και στο κενό.

 

 

 

Ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι η ταυτόχρονη διάδοση στο χώρο ενός ηλεκτρικού και ενός μαγνητικού πεδίου με την ταχύτητα του φωτός.

 

Χαρακτηριστικά κύματος

1.Πλάτος

2.Μήκος

3.Συχνότητα

4.Ταχύτητα

 

Πλάτος

• Πόσο ψηλά φτάνει το σήμα από το σημείο ακινησίας

• Ονομάζεται και ένταση του σήματος

• Το υψηλότερο σημείο ονομάζεται κορυφή και το χαμηλότερο κοίλο

• Ένδειξη ισχύος του σήματος

• Δεν επηρεάζει την ταχύτητα

• Η ενέργεια of του κύματος είναι ανάλογη του τετραγώνου του πλάτους του.

   

   

  Μήκος Κύματος λ
  

• Απόσταση μεταξύ δύο επαναλαμβανόμενων σημείων (κυρίως κορυφών)

• Αναφέρεται και ως κύκλος ή ταλάντωση.

Συχνότητα ƒ

 

 

• Ίση με τον αριθμό των κύκλων (ταλαντώσεων, μηκών κύματος) ανά δευτερόλεπτο

• Μετριέται σε Hertz (Hz), ή κύκλοι/δευτ.

• Η συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη του μήκους κύματος f = 1/ λ

• Η συχνότητα είναι ανάλογη της ενέργειας που μεταφέρεται

 

Ταχύτητα v

Η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει το σήμα

• Εξαρτάται από το μέσο

• Τα μηχανικά κύματα ταξιδεύουν ταχύτερα σε συμπαγείς επιφάνειες

• Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν ταχύτερα σε μη συμπαγείς επιφάνειες

• Ταχύτητα = μήκος κύματος x συχνότητα v = λ ƒ

 

Βασικά στοιχεία της Η/Μ θεωρίας

• Η αιτία δημιουργίας ενός Η/Μ κύματος είναι η μεταβαλλόμενη κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων.

• Το Η/Μ κύμα αποτελείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο (έντασης E ) και ένα μαγνητικό πεδίο (έντασης B ) τα οποία συνυπάρχουν στο χώρο και είναι τοπικά και χρονικά μεταβαλλόμενα.

• Τα διανύσματα E και B είναι κάθετα μεταξύ τους και μάλιστα κάθετα προς την διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Συνεπώς, είναι εγκάρσια.

 

 

• Σε μεγάλη απόσταση από την πηγή τα δύο πεδία είναι σε «φάση», ενώ κοντά στην πηγή έχουν διαφορά φάσης 90ο

• Τα ΗΜ κύματα διαδίδονται στο κενό (και στον αέρα) με ταχύτητα c=3.108 m/s. Σε κάθε άλλο μέσο διαδίδονται με ταχύτητα μικρότερη αυτής.

• Τα Η/Μ κύματα υπακούουν στην αρχή της επαλληλίας, δηλαδή η διάδοση ενός κύματος στο χώρο είναι ανεξάρτητη από τη μετάδοση άλλων κυμάτων στον ίδιο χώρο.

• Κάθε στιγμή, το πηλίκο των μέτρων των εντάσεων του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου είναι ίσο με την ταχύτητα του φωτός στο μέσο διάδοσης.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Τύποι Ασύρματων Ζεύξεων

Οι ασύρματες ζεύξεις μπορούν γενικά να υποδιαιρεθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες:

• Τις επίγειες (terrestrial), που χρησιμοποιούν ως τηλεπικοινωνιακό μέσο την ατμόσφαιρα (και συγκεκριμένα την τροπόσφαιρα ή την ιονόσφαιρα). 

• Τις δορυφορικές (satellite), στις οποίες οι επικοινωνία μεταξύ πομπού και δέκτη πραγματοποιείται μέσω τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου.

  
  

Χρήσεις

Μέσω επίγειων ζεύξεων, υλοποιούνται υπηρεσίες όπως η ραδιοφωνία, η τηλεόραση, η κινητή τηλεφωνία κλπ. και μικρό μέρος του σταθερού τηλεφωνικού δικτύου.

Mέσω δορυφορικών ζεύξεων, πραγματοποιείται το μεγαλύτερο μέρος των διεθνών τηλεοπτικών μεταδόσεων και των ναυτιλιακών επικοινωνιών.

Πλεονεκτήματα

Η κάλυψη μεγάλων γεωγραφικών περιοχών, ιδιαίτερα με τη χρήση δορυφορικών ζεύξεων.

Η εγκατάσταση επίγειων ραδιοζεύξεων μπορεί να γίνει σε σύντομο χρονικό διάστημα και με χαμηλό κόστος.Το κόστος θέσης σε τροχιά των δορυφόρων παραμένει υψηλό, από τη στιγμή όμως που θα εξασφαλιστεί η δυνατότητα χρήσης δορυφόρου, η παροχή υπηρεσιών μπορεί να γίνει γρήγορα και με σχετικά χαμηλό κόστος.

Χρήσεις και περιορισμοί

Ως ραδιοκύματα χαρακτηρίζονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητα υψηλότερη από 30 kHz.

Ως μικροκύματα χαρακτηρίζονται τα κύματα με συχνότητες 300 ΜHz – 300 GHz (UHF, SHF, ΕΗF). Η χρήση μικροκυματικών συχνοτήτων (> 300 ΜΗz) για την υλοποίηση ασύρματων ζεύξεων υπαγορεύεται κυρίως από τους εξής λόγους:Λόγω των υψηλών φερουσών, εξασφαλίζεται η ύπαρξη μεγάλου εύρους ζώνης.Τα μικροκύματα προσφέρονται για κατασκευή κεραιών μικρού σχετικά μεγέθους και υψηλής κατευθυντικότητας.

Χρήσεις και περιορισμοί

Από την άλλη πλευρά, οι ασύρματες ζεύξεις υπόκεινται σε περιορισμούς, οι κυριότεροι από τους οποίους είναι οι εξής: Η διάδοση των μικροκυμάτων επηρεάζεται από τα καιρικά φαινόμενα (π.χ. υγρασία, βροχή κλπ.).

Για συχνότητες άνω των 30 GHz είναι απαραίτητη η ύπαρξη οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη (το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με αναμεταδότες).

Μορφές ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Άμεσα κύματα

Ιονοσφαιρικά κύματα

Κύματα εδάφους

 

Κύματα εδάφους

Διάδοση με 3 τρόπους:

• Απ ́ ευθείας κύματα (επηρεάζονται από την απόσταση και την διάχυση).

• Κύμα από ανάκλαση στο έδαφος

• Κύμα επιφάνειας κυρίως σε αγώγιμα εδάφη

Τα κύματα διευκολύνονται όταν έχουν:

• Μικρή συχνότητα

• Μεγάλη αγωγιμότητα εδάφους

Ιονόσφαιρα

•Η Ιονόσφαιρα είναι στρώμα της ατμόσφαιρας της Γης , που χαρακτηρίζεται απ' τη μεγάλη παρουσία ιόντων που προκαλούνται απ' τον ιονισμό των μορίων του αέρα λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ιονόσφαιρα δημιουργείται στην ατμόσφαιρα από την ηλιακή δραστηριότητα σε ύψος 70-400Km. Το ύψος και το πάχος της ιονόσφαιρας εξαρτάται από:

• Την ηλιακή ενέργεια (μέρα-νύχτα).

• Τις ηλιακές κηλίδες.

• Το μαγνητικό πεδίο της γης.

Ιονοσφαιρικά κύματα

Τα σήματα HF διαθλώνται από τις περιοχές του ιονισμού που υπάρχουν ψηλά στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτές οι περιοχές είναι γνωστές ως ιονόσφαιρα και αποτελούνται από στρώματα, ιονισμένα μόρια αερίου και ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εμποδίζονται να διαφύγουν στο διάστημα εξαιτίας του ηλεκτρονίου πλάσματος του αέρα.

 

 

Ιονοσφαιρικά κύματα

Η αλλαγή πορείας του κύματος γίνεται με κύρτωση που οδηγεί σε ανάκλαση του κύματος (πολλαπλή διάθλαση) και διευκολύνεται από:

• Μεσαίες συχνότητες στο ραδιοκύμα.

• Μεγάλη πυκνότητα ιονισμένου στρώματος.

• Μεγάλη γωνία πρόσπτωσης του κύματος στο ιονοσφαιρικό στρώμα.

Διάδοση Ραδιοκυμάτων

 

 

Τα ραδιοκύματα χαμηλής συχνότητας (VLF, LF, and MF)

• ακολουθούν την καμπύλη της γης και μεταδίδονται επίγεια (π.χ. AM) διαπερνούν φυσικά εμπόδια

• η ισχύς τους μειώνεται αργά

Τα ραδιοκύματα υψηλής συχνότητας (HF and VHF)

• απορροφώνται από τη γη, αλλά ανακλώνται από την ιονόσφαιρα (π.χ. FM) δεν διαπερνούν φυσικά εμπόδια

• η ισχύς τους μειώνεται γρήγορα

 

Γενικές αρχές για τη διάδοση

Ανάκλαση (reflection): διαστάσεις εμποδίων >>λ – διάδοση προς μια κατεύθυνση.

Διάθλαση (refraction): συμπαγή εμπόδια στην πορεία του σήματος >>λ.

Σκέδαση (scattering): διαστάσεις εμποδίων ίση ή μικρότερη του λ – διάδοση σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

Περίθλαση (diffraction): παρεμβολή σώματος στη διαδρομή διάδοσης (δευτερογενή κύματα – αρχή Huygens).

 

 

 

Ανάκλαση

Πρόσκρουση του σήματος σε λεία επιφάνεια

Νόμος Ανάκλασης:

Γωνία πρόσπτωσης = γωνία ανάκλασης

Σκέδαση

1. Σκέδαση λόγω πρόσπτωσης κυμάτων σε ανομοιογενείς επιφάνειες

2. Σκέδαση λόγω πρόσπτωσης των κυμάτων σε δομές μικρών διαστάσεων – RAYLEIGH

3. Τα προσπίπτοντα ηχητικά κύματα αλλάζουν προσανατολισμό ακολουθώντας τυχαίες διευθύνσεις

4. Ένα μικρό ποσοστό αυτών των κυμάτων σκεδάζεται προς τα πίσω (οπισθοσκέδαση) στην πηγή της ηχητικής εκπομπής.

5. Δύσκολο να προσεγγισθεί μαθηματικά.

 

Διάθλαση

Αλλαγή της κατεύθυνσης των κυμάτων καθώς περνούν από ένα μέσο σε άλλο

Όσο μεγαλύτερη η διαφορά στην ταχύτητα του κύματος τόσο μεγαλύτερη η γωνία διάθλασης

Τα ουράνια τόξα δημιουργούνται από του φωτός – τη διάθλαση κάθε διαφορετικής συχνότητας του ορατού φωτός

Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούν διάθλαση μέσα στο γυάλινο καλώδιο

Περίθλαση

Είναι η κύρτωση των κυμάτων γύρω από ένα αντικείμενο.

Είναι όπως ακούμε ήχους που παράγονται πίσω από ένα τοίχο,

ή όπως φωτίζεται ένα δωμάτιο όταν ανάβουμε το φως στο διπλανό,

ή όπως ακούμε ένα ραδιοφωνικό σταθμό πίσω από ένα βουνό,

Το ποσοστό της κύρτωσης εξαρτάται από το μέγεθος του αντικειμένου και το μήκους του κύματο.

Μεγάλο αντικείμενο, μικρό μήκος κύματος = μικρή περίθλαση.

Μικρό αντικείμενο, μεγάλο μήκος κύματος = μεγάλη περίθλαση.

 

 

 

Πολλά 73 

SY2CYZ