Как распространяются радиоволны. Распространение радиоволн: принципы, виды и факторы влияния

Как распространяются радиоволны в пространстве. Какие существуют виды распространения радиоволн. Какие факторы влияют на распространение радиосигналов. Почему важно понимать принципы распространения радиоволн.

Что такое распространение радиоволн

Распространение радиоволн — это процесс передачи электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве от одной точки к другой, например, от передатчика к приемнику. На характер распространения радиоволн сильно влияет среда, через которую они проходят, особенно различные слои атмосферы Земли.

Основные виды распространения радиоволн

Выделяют несколько основных видов распространения радиоволн в зависимости от влияния окружающей среды:

• Распространение в свободном пространстве — радиоволны распространяются напрямую, без влияния окружающих объектов. Встречается в спутниковой связи.
• Распространение земной волной — сигналы распространяются вдоль поверхности Земли, огибая ее кривизну. Характерно для средних волн.
• Ионосферное распространение — радиоволны отражаются от ионосферы, позволяя осуществлять дальнюю связь. Используется в коротковолновой связи.
• Тропосферное распространение — на распространение влияют изменения в тропосфере. Встречается на УКВ и более высоких частотах.

Факторы, влияющие на распространение радиоволн

На то, как будут распространяться радиосигналы, влияет множество факторов:

• Частота сигнала
• Мощность передатчика
• Расстояние между передатчиком и приемником
• Рельеф местности
• Погодные условия
• Время суток и сезон
• Солнечная активность

Почему важно понимать принципы распространения радиоволн

Знание особенностей распространения радиоволн критически важно при проектировании и эксплуатации систем радиосвязи. Это позволяет:

• Выбрать оптимальную частоту для конкретной системы связи
• Рассчитать необходимую мощность передатчика
• Спрогнозировать дальность связи
• Выбрать подходящие антенны
• Учесть возможные помехи и искажения сигнала

Особые виды распространения радиоволн

Помимо основных, существуют и более специфические виды распространения радиоволн:

• Спорадическое E-распространение — отражение от спорадических слоев E в ионосфере
• Метеорное распространение — отражение от ионизированных следов метеоров
• Трансэкваториальное распространение — распространение через экватор при особых условиях
• Рассеяние на полярных сияниях — отражение от ионизированных областей полярных сияний

Распространение радиоволн в системах ближней связи

В системах связи малого радиуса действия, таких как Wi-Fi, Bluetooth и др., распространение радиоволн имеет свои особенности:

• Сильное влияние многолучевого распространения из-за отражений от стен и предметов
• Ослабление сигнала при прохождении через препятствия
• Интерференция сигналов от разных источников
• Влияние движущихся объектов на характер распространения

Методы изучения распространения радиоволн

Для исследования особенностей распространения радиоволн применяются различные методы:

• Теоретическое моделирование
• Компьютерное моделирование
• Экспериментальные измерения в реальных условиях
• Анализ статистических данных многолетних наблюдений
• Использование специальных радиозондов

Влияние распространения радиоволн на качество связи

Особенности распространения радиоволн могут оказывать значительное влияние на качество радиосвязи:

• Замирания сигнала из-за многолучевого распространения
• Искажения сигнала при отражении от ионосферы
• Появление «мертвых зон», где прием невозможен
• Возникновение помех от удаленных станций
• Сезонные и суточные изменения условий связи

Современные тенденции в изучении распространения радиоволн

В настоящее время активно развиваются следующие направления в изучении распространения радиоволн:

• Моделирование распространения для систем связи 5G и 6G
• Исследование распространения в терагерцовом диапазоне
• Изучение влияния ионосферных возмущений на спутниковую связь
• Разработка методов прогнозирования условий распространения
• Исследование распространения в городских условиях плотной застройки

Понимание принципов распространения радиоволн остается ключевым фактором при разработке и эксплуатации современных систем радиосвязи. Это сложное и многогранное явление требует учета множества факторов и продолжает активно изучаться.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН • Большая российская энциклопедия

Авторы: А. П. Сухоруков

РАСПРОСТРАНЕ́НИЕ РАДИОВО́ЛН, про­цес­сы пе­ре­да­чи элек­тро­маг­нит­ных волн ра­дио­диа­па­зо­на в про­стран­ст­ве от од­но­го мес­та к дру­го­му, в ча­ст­но­сти от пе­ре­дат­чи­ка к при­ём­ни­ку. В ес­теств. ус­ло­ви­ях Р. р. про­ис­хо­дит в разл. сре­дах – в ат­мо­сфе­ре, кос­мич. плаз­ме, в при­по­верх­но­ст­ном слое Зем­ли. Р. р. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от дли­ны вол­ны, ос­ве­щён­но­сти зем­ной ат­мо­сфе­ры Солн­цем, от трас­сы рас­про­стра­не­ния (вер­ти­каль­ная, на­клон­ная и др.) и от ря­да др. фак­то­ров.

В од­но­род­ных сре­дах ра­дио­вол­ны рас­про­стра­ня­ют­ся пря­мо­ли­ней­но, по­доб­но све­то­вым лу­чам. Од­на­ко ре­аль­ные сре­ды (в ча­ст­но­сти, ат­мо­сфе­ра, где про­ис­хо­дит Р. р.) не­од­но­род­ны. В них по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния $n$ ме­ня­ет­ся на раз­ных уча­ст­ках рас­про­стра­не­ния: и в го­ри­зон­таль­ной плос­ко­сти, и по вы­со­те. Так, при Р. р. в тро­по­сфе­ре, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ко­то­рой с вы­со­той убы­ва­ет, ра­дио­вол­ны от­кло­ня­ют­ся к Зем­ле, оги­бая вы­пук­ло­сти. Это яв­ле­ние, на­зы­вае­мое нор­маль­ной тро­по­сфер­ной реф­рак­ци­ей, спо­соб­ст­ву­ет Р. р. за пре­де­лы пря­мой ви­ди­мо­сти. Прак­ти­че­ски этот эф­фект су­ще­ст­вен толь­ко для ульт­ра­ко­рот­ких волн (УКВ), а для бо­лее длин­ных волн пре­об­ла­да­ет оги­ба­ние в ре­зуль­та­те ди­фрак­ции. Ме­тео­ро­ло­гич. ус­ло­вия мо­гут ос­лаб­лять или уси­ли­вать реф­рак­цию. Вы­со­кие хол­мы, воз­вы­шен­но­сти, го­ры так­же силь­но «воз­му­ща­ют» по­ле, об­разуя за­те­нён­ные об­лас­ти. Ди­фрак­ция ра­дио­волн на гор­ных хреб­тах ино­гда при­во­дит к уси­ле­нию вол­ны из-за ин­тер­фе­рен­ции пря­мых и от­ра­жён­ных от по­верх­но­сти Зем­ли волн. Кро­ме ре­гу­ляр­ных из­ме­не­ний на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля с вы­со­той, в тро­по­сфе­ре су­ще­ст­ву­ют не­ре­гу­ляр­ные не­од­но­род­но­сти (флук­туа­ции), воз­ни­каю­щие в ре­зуль­та­те не­у­по­ря­до­чен­но­го дви­же­ния воз­ду­ха. На них про­ис­хо­дит рас­сея­ние ра­дио­волн УКВ-диа­па­зо­на, при­во­дя­щее к флук­туа­ци­ям ам­пли­ту­ды и фа­зы ра­дио­вол­ны. 2}$, где $ω$  – час­то­та радио­вол­ны, $ω_0$ – плаз­мен­ная (ленг­мю­ров­ская) ча­сто­та элек­тро­нов. В ио­но­сфе­ре мо­гут рас­про­стра­нять­ся вол­ны толь­ко с час­то­той $ω\gt ω_0$. С уве­ли­че­ни­ем час­то­ты ра­дио­вол­ны по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ио­но­сфе­ры рас­тёт, при­бли­жа­ясь к 1. Па­даю­щая вер­ти­каль­но на ио­но­сфе­ру вол­на, про­ни­кая в ио­но­сфе­ру, рас­про­стра­ня­ет­ся в ней до та­ко­го уров­ня, на ко­то­ром $ω=ω_0$ и $n=0$. На этой вы­со­те про­ис­хо­дит пол­ное от­ра­же­ние вол­ны от ио­но­сфер­но­го слоя. Макс. час­то­та вол­ны, от­ра­жаю­щей­ся от слоя ио­но­сфе­ры при вер­ти­каль­ном па­де­нии, на­зы­ва­ет­ся кри­ти­че­ской $ω_{кр}=ω_{0макс}$. Кри­тич. час­то­та слоя $F2$ ио­но­сфе­ры из­ме­ня­ет­ся в те­че­ние су­ток и от го­да к го­ду при­бли­зи­тель­но от 5 до 10 МГц. Вол­ны с час­то­той $ω>ω_{кр}$ $(F2)$ про­хо­дят че­рез слой не от­ра­жа­ясь. При на­клон­ном па­де­нии вол­ны на ио­но­сфе­ру про­ис­хо­дит реф­рак­ция, как в тро­по­сфе­ре. Ра­дио­вол­на, па­даю­щая на ио­но­сфе­ру под уг­лом $φ_0$, по­во­ра­чи­ва­ет к Зем­ле на вы­со­те $h$, для ко­то­рой вы­пол­ня­ет­ся ус­ло­вие $n(h)=\sin j_0$. Макс. час­то­та вол­ны, от­ра­жаю­щей­ся от ио­но­сфе­ры при па­де­нии под этим уг­лом, рав­на $ω_{кр}\sec j_0\gt φ_{кр}$ и на­зы­ва­ет­ся мак­си­маль­но при­ме­ни­мой час­то­той $ω_{мпч}$. Вол­ны с $ω\lt ω_{мпч}$, от­ра­жа­ясь от ио­но­сфе­ры, воз­вра­ща­ют­ся к Зем­ле, что ис­поль­зу­ет­ся для даль­ней ра­дио­свя­зи (см. Ионо­сфер­ный вол­но­вод).

Кро­ме ре­гу­ляр­ной за­ви­си­мо­сти элек­трон­ной кон­цен­тра­ции от вы­со­ты, в ионо­сфе­ре по­сто­ян­но про­ис­хо­дят слу­чай­ные из­ме­не­ния кон­цен­тра­ции. Ио­но­сфер­ный слой со­дер­жит боль­шое чис­ло не­од­но­род­ных об­ра­зо­ва­ний разл. раз­ме­ра, ко­то­рые воз­ни­ка­ют, напр., при втор­же­нии ме­тео­ри­тов и на­хо­дят­ся в по­стоян­ном из­ме­не­нии. По­это­му в точ­ку приё­ма, кро­ме осн. от­ра­жён­но­го сиг­на­ла, при­хо­дит мно­же­ст­во рас­се­ян­ных волн, что при­во­дит к за­ми­ра­ни­ям ра­дио­волн – хао­тич. из­ме­не­ни­ям сиг­на­ла. Су­ще­ст­во­ва­ние не­од­но­род­ных об­ра­зо­ва­ний де­ла­ет воз­мож­ным рас­се­ян­ное от­ра­же­ние ра­дио­волн при час­то­тах, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щих макс. час­то­ты от­ра­же­ния от ре­гу­ляр­ной ио­но­сфе­ры. Ана­ло­гич­но рас­сея­нию на не­од­но­род­но­стях тро­по­сфе­ры это яв­ле­ние так­же обу­слов­ли­ва­ет даль­нее Р. р. (мет­ро­во­го диа­па­зо­на).

В сис­те­мах свя­зи ме­ж­ду под­зем­ны­ми или под­вод­ны­ми пунк­та­ми ис­поль­зу­ют час­тич­ное Р. р. вдоль по­верх­но­сти Зем­ли или мо­ря. Пре­иму­ще­ст­во сис­тем под­зем­ной свя­зи со­сто­ит в их не­за­ви­си­мо­сти от бурь, ура­га­нов и ис­кусств. раз­ру­ше­ний на по­верх­но­сти Зем­ли. Кро­ме то­го, сис­те­мы под­зем­ной свя­зи об­ла­да­ют вы­со­кой по­ме­хо­за­щи­щён­но­стью от пром. и ат­мо­сфер­ных шу­мов.

Ученые придумали новый способ расчета распространения радиоволн

17 февраля, 2020 12:44

Источник: Индикатор

Исследователи из Калининграда совместно с коллегами из Иркутска, Ростова-на-Дону и Исландии разработали новый способ нахождения наилучшей траектории для построения 3D-моделей распространения коротких волн. Метод уже применили к расчету траекторий ионосферных радиолучей — радиоволн в заряженном слое атмосферы Земли. Статья опубликована в

IEEE Transactions on Antennas and Propagation.

Поделиться

Источник: Charlie Barnard/Flickr/Indicator.Ru

«Разработанный метод и созданный комплекс программ могут стать эффективным инструментом в моделировании поиска радиоволн, направленных от излучателя к приемнику, с поверхности Земли, ракет или космических аппаратов. Метод возможно применять для оптических исследований, при решении задач радиосвязи и навигации спутниковых систем, а также для расчета сейсмических и океанических волн», – отмечает один из исследоваталелей, младший научный сотрудник Калининградского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.

В. Пушкова РАН Игорь Носиков.

Ионосфера — часть атмосферы на высотах 50–300 километров, где много ионизированных частиц: электроны отрываются от молекул и атомов под действием ультрафиолета, рентгеновских лучей и прилетающих от Солнца протонов. На нее постоянно влияют радиация Солнца, возмущения магнитного поля Земли и атмосферные процессы, что приводит к изменениям в ионосфере и формированию разных по размеру неоднородностей. Наиболее ярко это может проявиться, например, во время северных сияний или потеплений стратосферы над Арктикой.

Для мониторинга ионосферы и связи на больших расстояниях используют высокочастотные радиоволны и компьютерные модели для их расчета. Именно их распространение в ионосфере становится определяющим фактором при выборе характеристик приемо-передающих устройств: радиочастот, параметров антенны и прочего. Проблема расчета радиолучей в аналитически заданной ионосфере — не настолько сложная вычислительная задача, однако на пути распространения радиоволны могут встретиться непредвиденные препятствия, например те же неоднородности.

Таким образом, проблема отслеживания траекторий радиолучей возникает, когда необходимо найти соответствующие пути радиосвязи между передатчиком и приемником в трехмерно-неоднородной ионосфере.

«Фундаментальное значение разработки нашего метода мы связываем с теоретическими аспектами распространения электромагнитных волн в неоднородных средах. Большую роль он должен сыграть в интерпретации данных вертикального и наклонного зондирования ионосферы, — считает старший научный сотрудник КФ ИЗИМРАН Максим Клименко. — На данный момент одним из средств проверки разрабатываемых теорий и важнейшим прикладным инструментом является численное моделирование, то есть создание математической модели».

Поддержанные грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда исследователи поставили задачу совершенствовать и искать новые эффективные способы численного моделирования того, как распространяются радиоволны. Разработанный метод отличается от более ранних подходов строгой фиксацией положений передатчика и приемника, а также возможностью избирательно определять разные типы радиолучей.

Последнее позволило создать эффективный метод глобального нахождения траекторий лучей, где они идентифицируются один за другим. В качестве способа решения выступает алгоритм прямой оптимизации, и не требуется работа со сложными вариационными и бихарактеристическими уравнениями. Для различных типов лучей применяют разные способы вычислений, поэтому удается отделить их друг от друга. Это упрощает задачу поиска конкретной радиоволны среди множества остальных.

Теги

Президентская программа, Науки о Земле, Молодежные группы, Спецпроект

Все новости

10 января, 2023

Российские ученые назвали причину резкого потепления в Арктике

Причиной резкого потепления климата в Арктике в конце XX века оказались мощные землетрясения, произо. ..

9 января, 2023

Яды моллюсков рода Vexillum будут полезны для создания обезболивающих препаратов

Сложные яды, выделяемые моллюсками рода Vexillum, потенциально можно использовать для создания обезб…

Версия для печати

Радиочастотное распространение » Заметки по электронике

Понимание того, что такое распространение радиоволн, может быть важным инструментом для всех, кто занимается радиотехнологиями или интересуется ими.

---

Учебное пособие по распространению радиоволн Включает:
Основы распространения радиоволн Потеря пути радиосигнала Распространение в свободном пространстве и потеря пути Бюджет ссылки Отражение радиоволн Преломление радиоволн Дифракция радиоволн Многолучевое распространение Многолучевое замирание Рэлеевское затухание Атмосфера и распространение радиоволн

---

Радиосигналы могут распространяться на огромные расстояния. Однако на радиосигналы влияет среда, в которой они распространяются, и это может повлиять на распространение радиоволн или РЧ, а также на расстояния, на которые могут распространяться сигналы. Некоторые радиосигналы могут путешествовать или распространяться по всему миру, тогда как другие радиосигналы могут распространяться только на гораздо более короткие расстояния.

Распространение радиоволн, или то, как распространяются радиосигналы, может быть интересной темой для изучения. Радиочастотное распространение является особенно важной темой для любой системы радиосвязи. Распространение радиоволн будет зависеть от многих факторов, и выбор радиочастоты будет определять многие аспекты распространения радиоволн для системы радиосвязи.

Соответственно, часто необходимо иметь хорошее представление о том, что такое распространение радиоволн, его принципы и различные формы, чтобы понимать, как будет работать система радиосвязи, и выбирать лучшие радиочастоты.

Определение распространения радиоволн

Распространение радиоволн — это способ распространения радиоволн, когда они передаются из одной точки в другую и зависят от среды, в которой они распространяются, и, в частности, от того, как они распространяются вокруг Земли в различных частях атмосферы.

Факторы, влияющие на распространение радиоволн

На способ распространения радиосигналов или радиоволн влияет множество факторов. Они определяются средой, через которую распространяются радиоволны, и различными объектами, которые могут появиться на пути. Свойства пути, по которому будут распространяться радиосигналы, определяют уровень и качество принимаемого сигнала.

Возможно отражение, преломление и дифракция. Результирующий радиосигнал также может быть комбинацией нескольких сигналов, прошедших по разным путям. Они могут суммироваться или вычитаться друг из друга, и в дополнение к этому сигналы, проходящие по разным путям, могут задерживаться, вызывая искажение результирующего сигнала. Поэтому очень важно знать вероятные характеристики распространения радиоволн, которые могут преобладать.

Профессиональный супергетеродинный приемник
Изображение предоставлено Icom UK

Расстояния, на которые могут распространяться радиосигналы, значительно различаются. Для некоторых приложений радиосвязи может потребоваться только небольшое расстояние. Например, соединение Wi-Fi может потребоваться установить только на расстоянии нескольких метров. С другой стороны, коротковолновая вещательная станция или спутниковая связь потребуют, чтобы радиоволны распространялись на гораздо большие расстояния. Даже для этих двух последних примеров коротковолновой радиовещательной станции и спутниковой линии характеристики распространения радиоволн будут совершенно разными, поскольку сигналы, достигающие своих конечных пунктов назначения, по-разному будут подвергаться влиянию среды, через которую проходят сигналы.

Типы распространения радиоволн

Существует ряд категорий, в которые можно отнести различные типы радиочастотного распространения. Они связаны с влиянием среды, через которую распространяются сигналы.

• Распространение в свободном пространстве:   Здесь радиоволны распространяются в свободном пространстве или вдали от других объектов, которые влияют на то, как они распространяются. Только расстояние от источника влияет на то, как снижается мощность сигнала. Этот тип распространения радиосигналов встречается в системах радиосвязи, включая спутники, в которых сигналы доходят до спутника с земли и снова возвращаются обратно. Обычно влияние таких элементов, как атмосфера и т. д., незначительно. . . . . Узнайте больше о распространении свободного пространства .
• Распространение земной волны: Когда сигналы распространяются через земную волну, они изменяются в зависимости от земли или местности, по которой они распространяются. Они также склонны следовать кривизне Земли. Сигналы, слышимые в диапазоне средних волн в течение дня, используют эту форму радиочастотного распространения. Подробнее о Распространение земных волн
• Ионосферное распространение:   Здесь радиосигналы изменяются и находятся под влиянием области высоко в земной атмосфере, известной как ионосфера. Эта форма распространения радиоволн используется системами радиосвязи, передающими в диапазонах ВЧ или коротких волн. Используя эту форму распространения, станции могут быть услышаны с другой стороны земного шара в зависимости от многих факторов, включая используемые радиочастоты, время суток и множество других факторов. . . . . Узнайте больше об ионосферном распространении .
• Тропосферное распространение:   Здесь на сигналы влияют изменения показателя преломления в тропосфере непосредственно над поверхностью земли. Тропосферное распространение радиоволн часто является средством, с помощью которого сигналы в диапазоне ОВЧ и выше слышны на больших расстояниях. Подробнее о тропосферное распространение

В дополнение к этим основным категориям радиосигналы также могут подвергаться несколько иному воздействию. Иногда их можно рассматривать как подкатегории или они могут быть весьма интересны сами по себе.

Некоторые из этих других типов нишевых форм распространения радиоволн включают:

• Спорадический E:  Эта форма распространения часто слышна в диапазоне VHF FM, обычно летом, и может вызвать перебои в обслуживании, поскольку слышны удаленные станции. Подробнее о спорадическом распространении E.
• Связь с рассеянием метеоров:   Как следует из названия, эта форма распространения радиоволн использует ионизированные следы, оставляемые метеорами, когда они входят в атмосферу Земли. Когда данные не требуются мгновенно, это идеальная форма связи на расстоянии около 1500 км или около того для коммерческих приложений. Радиолюбители также используют его, особенно когда присутствуют метеоритные дожди. Узнайте больше о сообщениях о рассеянии метеоров.
• Трансэкваториальное распространение, TEP:   Трансэкваториальное распространение происходит при определенных условиях и позволяет сигналам распространяться в условиях, когда нормальные пути распространения в ионосфере не предполагаются. Подробнее о трансэкваториальном распространении .
• Небесная волна, близкая к вертикальной, NVIS:   Эта форма распространения запускает небесные волны под большим углом, и они возвращаются на Землю относительно близко. Он обеспечивает локальное покрытие в холмистой местности. Подробнее о распространении NVIS .
• Обратное полярное сияние:   Северное сияние (северное сияние) и южное сияние (южное сияние) являются индикаторами солнечной активности, которые могут нарушить нормальное ионосферное распространение. Этот тип распространения редко используется для коммерческой связи, поскольку он непредсказуем, но им часто пользуются радиолюбители. Узнайте больше о распространении обратного аврорального рассеяния.
• Moonbounce EME:   Когда передачи высокой мощности направлены на Луну, можно услышать ложные отражения, если антенны имеют достаточное усиление. Эта форма распространения может позволить радиолюбителям общаться по всему миру на частотах 140 МГц и выше, эффективно используя Луну в качестве гигантского спутника-отражателя.

В дополнение к этим категориям многие системы беспроводной или радиосвязи малого радиуса действия имеют сценарии распространения РЧ, которые не вписываются в эти категории. Системы Wi-Fi, например, можно считать формой распространения радиоволн в свободном пространстве, но они будут очень сильно изменены из-за множественных отражений, преломлений и дифракций. Несмотря на эти сложности, все еще возможно создать грубые рекомендации и модели для этих сценариев распространения радиоволн.

Сводка по радиочастотному распространению

В реальной жизни существует множество сценариев распространения радиоволн. Часто сигналы могут распространяться несколькими способами: радиоволны, распространяющиеся с использованием одного типа радиораспространения, взаимодействуют с другим. Однако для понимания того, как радиосигнал достигает приемника, необходимо иметь хорошее представление обо всех возможных методах распространения радиоволн. Понимая их, можно лучше понять взаимодействия, а также характеристики любых используемых систем радиосвязи.

Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ волны Распространение радио Ионосферное распространение Грунтовая волна Разброс метеоров Тропосферное распространение Основы антенны Кубический четырехугольник Диполь Отключить Ферритовый стержень Логопериодическая антенна Антенна с параболическим отражателем Антенны с фазированной решеткой Вертикальные антенны Яги Заземление антенны телевизионные антенны Коаксиальный кабель Волновод КСВ Антенные балуны MIMO
    Вернитесь в меню «Антенны и распространение». . .

Распространение электромагнитных волн — Учебное пособие по Java

Распространение электромагнитных волн — Учебное пособие по Java

Электромагнитные волны могут генерироваться различными способами, такими как разрядная искра или колеблющийся молекулярный диполь. Видимый свет является широко изучаемой формой электромагнитного излучения и демонстрирует колеблющиеся электрические и магнитные поля, амплитуды и направления которых представлены векторами, которые колеблются по фазе в виде синусоидальных волн в двух взаимно перпендикулярных (ортогональных) плоскостях. В этом руководстве исследуется распространение виртуальной электромагнитной волны и рассматривается ориентация векторов магнитного и электрического полей.

Чтобы повернуть модель волны, щелкните и перетащите в любом месте окна.

Учебник начинается с электромагнитной волны, генерируемой разрядной искрой виртуального конденсатора. Искровой ток колеблется с частотой, характерной для цепи, и результирующее электромагнитное возмущение распространяется с векторами электрического ( E ) и магнитного ( B ) полей, колеблющимися перпендикулярно друг другу и направлению распространения ( Z ). Длина волны, излучаемая разрядом виртуального конденсатора, может быть изменена (в пределах диапазона видимого света) с помощью ползунка Длина волны .

Перед дальнейшим обсуждением явления анизотропии необходимо сделать базовый обзор нескольких принципов физической оптики, необходимых для последующих обсуждений. Как упоминалось ранее, видимый свет представляет собой форму электромагнитной волны. Если зарядить конденсатор (рис. 1) и через два электрода разрядить искру, ток, индуцированный искрой, на короткое время стекает вниз, замедляется, но из-за индуктивности цепи течет обратно вверх, перезаряжая снова конденсатор.

Распространение электромагнитной волны, генерируемой разряжающимся конденсатором или колеблющимся молекулярным диполем, показано на рисунке 1. Искровой ток колеблется с частотой ( ν ), которая является характеристикой цепи. Возникающие в результате электромагнитные помехи распространяются электронным ( E ) и магнитным ( B ) векторами, колеблющимися перпендикулярно друг другу, а также направлению распространения ( Z ). Частота ν определяется осциллятором, а длина волны определяется частотой колебаний, деленной на скорость волны.

Когда ток колеблется вверх и вниз в искровом промежутке с характерной частотой цепи ( ν ), создается магнитное поле, которое колеблется в горизонтальной плоскости. Изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, индуцирует электрическое поле, так что серия электрических и магнитных колебаний объединяется, создавая образование, которое распространяется как электромагнитная волна.

Электрическое поле в электромагнитной волне колеблется, его векторная сила то усиливается, то ослабевает, указывая то в одном, то в другом направлении, чередуясь по синусоидальному закону (рис. 1). На той же частоте магнитное поле колеблется перпендикулярно электрическому полю. Электрический и магнитный векторы, отражающие амплитуду и направления колебаний двух волн, ориентированы перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны.

Скорость результирующей электромагнитной волны можно вывести из соотношений, определяющих взаимодействие электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла доказывают, что скорость равна скорости света в вакууме ( c ; равна 300 000 километров в секунду), деленной на квадратный корень из диэлектрической проницаемости ( ξ ) среды, умноженной на магнитную проницаемость ( μ ). ) среды. Таким образом,

(1)

Для большинства материалов, встречающихся в живых клетках (некоторые из которых непроводящие), магнитная проницаемость равна единице, так что :

(2)

Эмпирически известно, что скорость света обратно пропорциональна показателю преломления ( n ) материала, через который он распространяется: 9000, поэтому = c/n

(3)

Из уравнений (2) и (3) можно сделать вывод, что показатель преломления равен квадратному корню из диэлектрической проницаемости этого материала, если измерения производятся на одной частоте 9Уравнение (4) показывает, что оптические измерения фактически являются измерениями электрических свойств материала. Диэлектрические свойства, в свою очередь, непосредственно отражают пространственное трехмерное расположение атомов и молекул, определяющих структуру вещества.

Вектор, описывающий взаимодействие между электромагнитным полем и веществом, лежит в том же направлении, что и электрический вектор. Это справедливо независимо от того, рассматриваются ли электрические или магнитные векторы, поскольку важно влияние электрических или магнитных полей на электроны в материальной среде (магнитное поле воздействует на те электроны, которые движутся в плоскости, перпендикулярной магнитному полю). ).

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — Научный консультант, Лусби, Мэриленд, 20657.

Шинья Иноуэ — Морская биологическая лаборатория, 7 MBL Street, Woods Hole, Massachusetts, 02543.

05

B Роберт Т. Саттер и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г. Восточный Пол Дирак Доктор, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.