Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

дит себе применение и в практике вождения кораблей и самолетов —

радионавигации.

§ 63. Распространение радиоволн. Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывают

иопыт и теория, поверхность Земли сильно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности земного шара и отдельные неровности рельефа — горы, ущелья и т. п.). Влияние это различно для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком

иприемником.

Влияние, оказываемое на распространение радиоволн формой земной поверхности, понятно из предыдущего. Ведь мы имеем здесь, в сущности, разнообразные проявления дифракции идущих от излучателя волн (§ 41), — как на земном шаре в целом, так и на отдельных особенностях рельефа. Мы знаем, что дифракция сильно зависит от соотношения между длиной волны и размерами тела, находящегося на пути волны. Неудивительно поэтому, что кривизна земной поверхности и ее рельеф по-разному сказываются на распространении волн различной длины.

Так, например, горная цепь отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн, в то время как достаточно длинные (в несколько километров) волны хорошо огибают это препятствие и на горном склоне, противоположном радиостанции, ослабляются незначительно (рис. 147).

Рис. 147. Гора отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн. Длинные волны огибают гору

Что касается земного шара в целом, то он чрезвычайно велик даже по сравнению с наиболее длинными волнами, применяемыми в радио.

Очень короткие волны, например метровые, вообще не заворачивают сколько-нибудь заметно за горизонт, т. е. за пределы прямой видимости. Чем волны длиннее, тем лучше они огибают поверхность земного шара, но и самые длинные из применяемых волн не могли бы благодаря дифракции завернуть так сильно, чтобы обойти вокруг земного шара — от нас к антиподам. Если, тем не менее, радиосвязь осуществляется между любыми точками земного шара, причем на волнах самой различной длины, то это возможно не из-за дифракции, а по совсем другой причине, о которой мы скажем немного дальше.

Влияние физических свойств земной поверхности на распространение радиоволн связано с тем, что под воздействием этих волн в почве и в морской воде возникают электрические токи высокой частоты, наиболее сильные вблизи антенны передатчика. Часть энергии радиоволны расходуется на поддержание этих токов, выделяющих в почве или воде соответствующее количество джоулева тепла. Эти потери энергии (а значит, и ослабления волны из-за потерь) зависят, с одной стороны, от проводимости почвы, а с другой — от длины волны. Короткие волны затухают значительно сильнее, чем длинные. При хорошей проводимости (морская вода) высокочастотные токи проникают на меньшую глубину от поверхности, чем при плохой (почва), и потери энергии в первом случае существенно меньше. В результате дальность действия одного и того же передатчика оказывается при распространении волн над морем значительно (в несколько раз) большей, чем при распространении над сушей.

Мы уже отметили, что распространение радиоволн на очень большие расстояния нельзя объяснить дифракцией вокруг земного шара. Между тем дальняя радиосвязь (на несколько тысяч километров) была осуществлена уже в первые годы после изобретения радио. В настоящее время каждый радиолюбитель знает, что длинноволновые (λ больше 1 км) и средневолновые (λ от 100 м до 1 км) станции зимними ночами слышны на расстоянии многих тысяч километров, в то время как днем, особенно в летние месяцы, эти же станции слышны на расстоянии всего в несколько сот километров. В диапазоне коротких волн (λ от 10 до 100 м) положение иное. Здесь в любое время суток и любое время года можно найти такие длины волн, на которых надежно перекрываются л ю б ы е расстояния. Для обеспечения круглосуточной связи при этом приходится в разное время суток работать на волнах различной длины. Зависимость дальности распространения радиоволн от времени года и суток заставила связать условия распространения радиоволн на Земле с влиянием Солнца. Эта связь в настоящее время хорошо изучена и объяснена.

Солнце испускает наряду с видимым светом сильное ультрафиолетовое излучение и большое количество быстрых заряженных частиц, которые, попадая в земную атмосферу, сильно и о н и з у ю т ее верхние области. В результате образуется несколько слоев ионизованных газов, расположенных на различных высотах (100 км, 200–300 км). Наличие таких слоев дало основание к тому, чтобы назвать верхние слои земной атмосферы ионосферой.

Присутствие ионов и свободных электронов придает ионосфере свойства, резко отличающие ее от остальной атмосферы. Сохраняя способность пропускать видимый свет, инфракрасное излучение и метровые радиоволны, ионосфера сильно отражает более длинные волны; для таких волн (λ больше 10–15 м) земной шар оказывается окруженным как бы сферическим «зеркалом», и распространение этих радиоволн происходит между двумя отражающими сферическими поверхностями — поверхностью Земли и «поверхностью» ионосферы (рис. 148). Именно поэтому радиоволны получают возможность огибать земной шар.

Рис. 148. Волна идет между Землей и ионосферой

Конечно, не следует понимать слова «поверхность сферического зеркала ионосферы» буквально. Никакой резкой границы у ионизованных слоев нет, правильная сферическая форма тоже не соблюдается (по крайней мере, одновременно вокруг всего земного шара); ионизация различна в разных слоях (в верхних она больше, чем в нижних), и сами слои состоят из непрерывно движущихся и меняющихся «облаков». Такое неоднородное «зеркало» не только отражает, но и поглощает и рассеивает радиоволны, причем опять-таки различно в зависимости от длины волны. Кроме того, свойства «зеркала» меняются с течением времени. Днем при действии солнечного излучения ионизации значительно больше, чем ночью, когда происходит только воссоединение положительных ионов и отрицательных электронов в нейтральные молекулы (рекомбинация). Особенно велико различие в ионизации днем и ночью в нижних слоях ионосферы. Здесь плотность воздуха выше, столкновения между ионами и электронами происходят чаще и рекомбинация протекает более интенсивно. В течение ночи ионизация нижних слоев ионосферы может успеть упасть до нуля. Ионизация различна и в зависимости от времени года, т. е. от высоты подъема Солнца над горизонтом.

Изучение суточных и сезонных изменений состояния ионосферы позволило не только объяснить, но и предсказывать условия прохождения радиоволн различной длины в разное время суток и года (радиопрогнозы).

Наличие ионосферы не только делает возможной коротковолновую связь на большие расстояния, но и позволяет радиоволнам иногда обогнуть весь земной шар, и даже несколько раз. Из-за этого возникает своеобразное явление при радиоприеме, так называемое радиоэхо, при котором сигнал воспринимается приемником несколько раз: после прихода сигнала по кратчайшему пути от передатчика могут быть слышны повторные сигналы, обогнувшие земной шар.

Часто случается, что волна доходит от передатчика к приемнику по нескольким различным путям, испытав различное число отражений от ионосферы и земной поверхности (рис. 149). Очевидно, волны, идущие

Рис. 149. Различные пути волны от передатчика к приемнику

от одного и того же передатчика, когерентны и могут интерферировать

вместе приема, ослабляя или усиливая друг друга в зависимости от разности хода. Так как ионосфера не является абсолютно устойчивым «зеркалом», а меняется с течением времени, то меняется и разность хода волн, пришедших по разным путям от передатчика к приемнику,

врезультате чего усиление колебаний сменяется их ослаблением, потом опять усилением и т. д. Можно сказать, что интерференционные полосы «ползают» над поверхностью Земли, и приемник оказывается то в максимуме, то в минимуме колебаний. В принимаемой передаче получается при этом смена хорошей слышимости и з а м и р а н и й приема, при которых слышимость может падать до нуля.

Аналогичное явление наблюдается иногда на экране телевизора, если над окрестностью приемной антенны пролетает самолет. Отраженная самолетом радиоволна интерферирует с волной от передающей станции, и мы видим, как изображение «мигает» из-за того, что интерференционные «полосы» поочередного усиления и ослабления сигнала пробегают (из-за движения самолета) мимо приемной антенны.

Заметим, что при приеме телевизионной передачи в городе довольно часто наблюдается удвоение (и даже «размножение») изображения на экране кинескопа: оно состоит из двух или нескольких изображений, в различной степени сдвинутых по горизонтали друг относительно друга. Это результат отражения радиоволны от домов, башен и т. п. Отраженные волны проходят более длинный путь, чем расстояние между передающей и приемной антеннами, и поэтому запаздывают, давая картину, сдвинутую в направлении развертки электронного пучка в кинескопе. В сущности, мы здесь воочию наблюдаем результат распространения радиоволн с к о н е ч н о й скоростью 300 000 км/с.

Прозрачность ионосферы для радиоволн, длина которых меньше 10 м, позволила обнаружить радоизлучение, приходящее от внеземных источников. Возникла и с 40-х гг. нашего века быстро развивается радиоастрономия, открывшая новые возможности для изучения Вселенной, сверх тех, какими располагает обычная (оптическая) астрономия. Строится все больше радиотелескопов, увеличиваются размеры их антенн, повышается чувствительность приемников и в результате непрерывно возрастает количество и разнообразие открытых внеземных радиоисточников.

Оказалось, что радиоволны излучают и Солнце, и планеты, а за пределами нашей Солнечной системы — многие туманности и так называемые сверхновые звезды. Множество источников радиоизлучения открыто вне нашей звездной системы (Галактики). В основном — это другие галактические системы, причем лишь небольшая их доля отождествлена с оптически наблюдаемыми туманностями. «Радиогалактики» обнаружены и на таких больших расстояниях от нас (многие миллиарды световых лет), которые находятся за пределами досягаемости самых сильных современных оптических телескопов. Были открыты интенсивные источники радиоизлучения, обладающие очень малыми угловыми размерами (доли угловой секунды). Первоначально их считали особого рода звездами, принадлежащими нашей Галактике, и поэтому назвали квазизвездными источниками или квазарами. Но с 1962 г. стало ясно, что квазары — это внегалактические объекты с огромной мощностью радиоизлучения.

Отдельные, или, как говорят, дискретные радиоисточники нашей Галактики излучают широкий спектр длин волн. Но было обнаружено и «монохроматическое» радиоизлучение с длиной волны λ = 21 см, испускаемое межзвездным водородом. Исследование этого излучения позволило найти общую массу межзвездного водорода и установить, как он распределен по Галактике. В самое последнее время удалось обнаружить монохроматическое радиоизлучение на длинах волн, свойственных другим химическим элементам.

У всех источников радиоизлучения, о которых говорилось выше, интенсивность очень постоянна. Лишь в некоторых случаях (в частности, у Солнца) наблюдаются на общем постоянном фоне отдельные беспорядочные вспышки радиоизлучения. 1968 г. был ознаменован новым радиоастрономическим открытием большого значения: были обнаружены источники (находящиеся в большинстве своем в пределах Галактики), излучающие строго п е р и о д и ч е с к и е и м п у л ь с ы радиоволн. Эти источники получили название пульсаров. Периоды повторения импульсов у разных пульсаров различны и составляют от нескольких секунд до нескольких сотых долей секунды и даже меньше. Характер радиоизлучения пульсаров получает, по-видимому, наиболее правдоподобное объяснение, если допустить, что пульсары — это вращающиеся звезды, состоящие в основном из нейтронов (нейтронные звезды). В обнаружении и возможности наблюдения таких звезд и состоит большое научное значение этого радиоастрономического открытия.

Кроме приема собственного радиоизлучения тел Солнечной системы, применяется также их радиолокация. Это так называемая радиолокационная астрономия. Принимая отраженные от какой-либо из планет радиосигналы мощных локаторов, можно очень точно измерять расстояние до этой планеты, оценивать скорость ее вращения вокруг оси и судить (по интенсивности отражения радиоволн различной длины) о свойствах поверхности и атмосферы планеты.

Отметим в заключение, что прозрачность ионосферы для достаточно коротких радиоволн позволяет также осуществлять все виды радиосвязи с искусственными спутниками Земли и космическими кораблями (собственно связь, радиоуправление, телевидение, а также телеметрия — передача на Землю показаний различных измерительных приборов). По той же причине можно использовать теперь метровые радиоволны для связи и телевидения между сильно удаленными друг от друга пунктами земной поверхности (например, между Москвой и нашими дальневосточными городами), применяя однократную ретрансляцию передач специальными спутниками, на которых установлена приемно-передающая радиоаппаратура.

§ 64. Заключительные замечания. Радио является теперь одной из самых обширных и важных областей техники, в большой мере определяющей характер современной цивилизации. В физике также выделилось большое направление, связанное

сизучением разнообразных явлений, относящихся к этой области, — радиофизика. Говоря о современном радио, следует иметь в виду, что оно уже не исчерпывается такими применениями, в которых приходится иметь дело с распространением радиоволн на более или менее далекие расстояния (радиосвязь, телевидение, радиолокация, радионавигация и т. п.). Огромную роль играют и совсем иного рода применения радиотехнических приборов и методов.

Всамых различных практических областях все чаще возникает задача превращения каких-либо неэлектрических колебаний (механических и звуковых, колебаний силы света, температуры или давления, уровня жидкости и т. д.) в колебания электрические. Объясняется это именно тем, что средства современной радиотехники позволяют легко и быстро производить всевозможные операции с электрическими колебаниями, в миллионы раз усиливать их, менять их частоту и форму и, наконец,

спомощью электронного осциллографа наблюдать и исследовать их вплоть до частот в сотни мегагерц.

Витоге радиотехнические приборы и способы исследования проникли теперь почти во все области техники, ими широко пользуются при самых разнообразных научных исследованиях как в лаборатории, так и в природных условиях (например, при

изучении ионосферы), они нашли применение в ряде производств и в медицине. С помощью высокочастотных электрических колебаний лечат больных, производят закалку стали, сушат древесину, стерилизуют консервы, ищут мины и т. д. Электронный осциллограф является теперь ходовым прибором и в оптической лаборатории, и на столе у биолога.

Этот раздел книги был посвящен колебаниям и волнам — учению о колебаниях в широком смысле слова. Это учение рассматривает не только электрические колебания, а и колебания самой различной природы, открывая и изучая общие для них всех законы. Но после сказанного выше о роли электрических колебаний не приходится удивляться тому, что наиболее обширный и разнообразный материал, наиболее сложные и интересные задачи давала учению о колебаниях именно радиотехника. Интенсивное развитие учения о колебаниях в период 1915–1945 гг. было в первую очередь связано с удовлетворением запросов радиотехники.

В дальнейшем вопросы, связанные с колебаниями (и, в частности, с автоколебаниями), приобрели большое значение в другой быстро развивающейся области техники — автоматике (автоматическое регулирование машин и двигателей, автоматическое управление самолетами, кораблями, ракетами, космическими кораблями и т. п.). В связи с этим большую роль для учения о колебаниях начала играть и автоматика.

?1. Каково должно быть ускорение свободного падения, чтобы длина маятника с периодом 2 с равнялась 1 м? Достигает ли ускорение

свободного падения где-либо на земном шаре такого значения?

2. Какова должна быть длина маятника с периодом 1 мин на широте

Москвы (g = 9,815 м/с2)?

3.Два одинаковых маятника помещены один на полюсе, другой на экваторе. Сколько колебаний совершит маятник на полюсе в течение 1000 колебаний маятника на экваторе?

4.Период маятника, с которым демонстрировался опыт Фуко в здании Исаакиевского собора в Ленинграде, равен 20 с. На широте

Ленинграда g = 9,82 м/с2. Найдите длину маятника.

5.Стальной шарик отпускают на высоте h над горизонтальной стальной плитой. Если пренебречь сопротивлением воздуха и потерями энергии при ударах о плиту, то шарик будет периодически подскакивать на высоту h и снова падать на плиту. Какую длину l должен иметь математический маятник, чтобы его период был таким же, как период движения шарика?

6.Два шарика скатываются без начальной скорости с высоты h по желобам. Один желоб изогнут в вертикальной плоскости по дуге окружности радиуса R, а другой — прямой — идет по хорде этой

дуги. Предполагая, что h мало по сравнению с R, и пренебрегая трением, найдите, за какие промежутки времени шарики достигнут наинизшей точки (где изогнутый желоб горизонтален). Зависят ли промежутки времени от высоты h? Каковы скорости шариков в наинизшей точке?

7.Маятник сделан из сосуда с водой, подвешенного на длинной нити. Вода постепенно выливается через отверстие в дне сосуда. Как будет изменяться период маятника (массой сосуда пренебрегаем)?

8.Гиря растягивает пружину на 2 мм. С каким периодом будет колебаться такой пружинный маятник?

9.Почему нельзя раскачать маятник, толкая его в одну и ту же сторону два раза за период?

10.При больших амплитудах маятник не обладает изохронизмом — его период будет зависеть от амплитуды. Уменьшается или увеличивается период с увеличением амплитуды?

11.Приведите пример автоколебаний в нашем организме.

12.На отклоняющие пластины электронного осциллографа поданы гармонические напряжения одинаковой частоты и амплитуды. Как будет двигаться светлое пятнышко на экране осциллографа, если: а) оба напряжения в одинаковой фазе; б) в противофазе;

в) напряжение на горизонтальных пластинах отстает по фазе от напряжения на вертикальных на 90◦?

13.Сколько времени звук идет от Москвы до Ленинграда (расстояние около 650 км) и свет — от Луны до Земли (расстояние около

385000 км)?

14.Сколько раз за 1 с радиоволны могут обежать Землю по экватору?

15.Для измерения огромных астрономических расстояний пользуются световым годом и парсеком. Световой год — это расстояние, проходимое световой волной в течение одного года (365 суток).

Парсек (сокращение от слов параллакс-секунда) — расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн км) виден под углом 1 . Выразите световой год и парсек в километрах.

16.Почему при близкой молнии слышен резкий оглушительный удар, а при далекой молнии — раскатистый гром?

17.Принимая, что наиболее низкая воспринимаемая ухом частота равна 16 Гц, определите, какой длине волны в воде она соответствует.

18.Сирена с 12 отверстиями в диске делает 700 оборотов в минуту. Определите период звуковых колебаний, их основную частоту и соответствующую ей длину волны в воздухе.

19.Звуковая дорожка на пластинке для проигрывателя (электрофона) начинается на расстоянии 14 см от оси вращения, а кончается на расстоянии 5,6 см. Пластинка вращается с частотой 32 оборота в минуту. Какова длина l периода извилин дорожки для тона с частотой 440 Гц в начале и в конце дорожки?

20.Почему игрушечный «телефон», состоящий из двух мембран, соединенных натянутой ниткой или проволокой (рис. 150), позволяет

переговариваться тихим голосом и даже шепотом на расстоянии нескольких десятков метров?

Рис. 150. К упражнению 20

21.Как будет меняться вид интерференционной картины от двух когерентных источников, колеблющихся в одинаковой фазе, в зависимости от расстояния между ними? Проделайте опыт в водяной ванне, меняя расстояние между колеблющимися остриями.

22.Как должен изменяться тон духовых инструментов при повышении температуры? Одинаково ли это изменение для металлических и деревянных труб?

23.Какой длины резонансный ящик нужен для камертона, имеющего частоту 300 Гц?

24.Если дуть мимо отверстия дверного ключа, получается свист. Как определить частоту основного тона?

25.Имеются две трубы одинаковой длины — одна открытая с обоих концов, другая с одного конца закрытая. Найдите отношение частот четвертых обертонов.

26.Почему перестают колебаться обе ножки камертона, если коснуться одной из них?

27.Как изменится частота камертона, если к концам его ножек прилепить по кусочку воска?

28.Стальная струна длиной 50 см и толщиной 0,1 мм натянута грузом, масса которого равна 9,68 кг. Найти основную частоту и соответствующую длину волны в воздухе. Плотность стали равна

7,8 · 103 кг/м3.

29. Стальная и платиновая струны одинакового сечения натянуты одинаковыми грузами и звучат в унисон. В каком отношении находятся их длины?