XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Преобразование радиоволнового излучения в видимые образы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Горбунов Н.И. 1

---

1МАОУ "Селенгинская гимназия"

Воронина Г.О. 1

---

1МАОУ "Селенгинская гимназия"

Работа в формате PDF

539 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность исследования. Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей.

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени расширили наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и других планетах Солнечной системы. Результативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы, магнитосферы. Совместно с этим появилась очень высокая эффективность использования околоземного космоса и космической техники в интересах множества наук о нашей планете.

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным.

Для нашего времени характерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Кроме быстрого развития традиционных средств передачи информации - телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов — телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и электронно-вычислительных машинах, передачи матриц для печатания газет, журналов.

Глобальный характер различных хозяйственных проблем и научных исследований, широкая межгосударственная интеграция и кооперация в производстве, торговле, научно-исследовательской деятельности, расширение обмена в области культуры привели к высокому росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен разными телевизионными программами.

Традиционные средства связи в отношении их видов, объема, дальности, оперативности и надежности передачи информации будут постоянно совершенствоваться. Только дальнейшее их развитие встречает разные затруднения технического и экономического характера. Требования, предъявляемые к пропускной способности, качеству, надежности каналов дальней связи, не могут быть полностью удовлетворены наземными средствами проводной связи и радиосвязи.

Сооружение дальних наземных и подводных кабельных линий занимает много времени. Они сложные и дорогостоящие не только в строительстве, но и в использовании, и в отношении дальнейшего развития. Обычные кабельные линии имеют сравнительно малую пропускную способность. Лучшие перспективы имеют широкополосные концентрические кабели, но они обладают недостатками, ограничивающими их применение.

Лучшей пропускной способностью, дальностью действия, возможностью перестройки для различных видов связи располагает радио. Но и даже радиолинии обладают разными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

Новые пути преодоления свойственных для далекой радиосвязи недостатков открыли запуски искусственных спутников Земли. Использование спутников для связи, в особенности для дальней международной и межконтинентальной, для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации, позволяет устранить многие затруднения. Поэтому спутниковые системы связи в короткий срок получили быстрое, широкое и разностороннее применение.

Предмет исследования: радиоволновое излучение

Цель исследования: изучение природы радиоволнового излучения и создание прибора для визуализации радиоволн

Методы исследования, используемые в работе:

- теоретическое исследование литературных источников, изучение принципов приема радиоволн, изучение основ электроники

- экспериментальные методы исследования радиоволнового излучения;

- запрос искусственному интеллекту об объяснении данных опытов

Практическая значимость состоит в том, что данный подход позволил создать прибор(индикатор), предназначенный для визуализации радиоволн.

Теоретическая часть

Радиоволновое излучение

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их схожие свойства (отражение, преломление, затухание). Приложение I, Рисунок 1

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. Появляются они при изменении электрического поля, к примеру, когда через проводник проходит переменный электрический ток или, когда через пространство проскакивают искры, то есть ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина значения электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц). Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками в пространстве, где электрическое или магнитное поле находятся в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – увеличивается. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или безвоздушное пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему часть своей энергии, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток.

Еще одним полезным свойством электромагнитных является их способность огибать препятствия на своем пути. Но это возможно лишь тогда, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. К примеру, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить эту волну.

Диапазоны радиочастот и длин радиоволн

Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне от 3 Гц до 3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответствует частоте переменного тока электрических сигналов для вырабатывания и обнаружения радиоволн. Большая часть диапазона лежит за границами волн, которые могут быть получены при механическом колебании, радиочастоты обычно относятся к электромагнитным колебаниям.

Закон РФ «О связи» устанавливает следующие понятия, относящиеся к радиочастотам:

1. радиочастотный спектр — совокупность радиочастот в установленных Международным союзом электросвязи пределах, которые могут быть использованы для функционирования радиоэлектронных средств или разных высокочастотных устройств;

2. радиочастота — частота электромагнитных колебаний, устанавливаемая для обозначения единичной составляющей радиочастотного спектра;

3. распределение полос радиочастот — определение предназначения полос радиочастот посредством записей в Таблице распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации, на основании которых выдаётся разрешение на использование конкретной полосы радиочастот, а также устанавливаются условия такого использования.

Использование диапазонов по радиослужбам регламентируется Регламентом радиосвязи Российской Федерации и международными соглашениями.

По регламенту международного союза электросвязи радиоволны разделены на диапазоны от 0.3*10^N Гц до 3*10^N Гц, где N — номер диапазона. Российский ГОСТ 24375—80 почти полностью повторяет эту классификацию. Приложение I, Таблица 1

Классификация ГОСТ 24375—80 не получила широкого распространения и в ряде случаев вступает в противоречие с национальными стандартами (ГОСТ) в области радиоэлектроники. Традиционные обозначения радиочастотных диапазонов на Западе сложились в ходе Второй мировой войны.

Классификация по способу распространения

Прямые волны — радиоволны, распространяющиеся в свободном пространстве от одного предмета к другому - от одного космического аппарата к другому, от земной станции к космическому аппарату и между атмосферными аппаратами или между станциями. Для таких волн влиянием атмосферы, посторонних предметов и Земли можно пренебречь.

Земные или поверхностные — радиоволны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности Земли и частично огибающие её вследствие явления дифракции. Способность волны огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем короче длина волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине волны диапазонов ультравысоких частот и выше они слабо дифрагируют вокруг поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости - прямые волны.

Тропосферные — радиоволны диапазонов очень высоких и ультравысоких частот, распространяющиеся за счёт рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 километров.

Ионосферные или пространственные — радиоволны длиннее 10 метров, распространяющиеся вокруг земного шара на большие расстояния за счёт однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.

Направляемые — радиоволны, распространяющиеся в направляющих системах - радиоволноводах. Приложение II, Таблица 2

Практическая часть

Для проведения экспериментов мне понадобится следующее оборудование:

- проволока – будет выполнять роль приемной антенны, длина проволоки должна быть равна половине длины волны, того прибора, который излучает радиоволны.

- высокочастотный диод – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое сопротивление при передаче в обратную сторону. То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без потерь в мощности. При этом диод сильно нагревается. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

 Конструкция диодов.

Полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)). Приложение II, Рисунок 2

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а сторона n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Диоды, которые возможно использовать в данных опытах: КД512А, КД514А, КД503А, 1N4148.

- светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электроток в видимое свечение. У светодиода общепринятая аббревиатура - LED (light-emitting diode), что в переводе означает "светоизлучающий диод". Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чип) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Излучение света происходит от этого кристалла, а цвет видимого излучения зависит от его материала и различных добавок. В корпусе светодиода находится один кристалл, но при необходимости повышения мощности светодиода или для излучения разных цветов возможна установка нескольких таких кристаллов.

В светодиоде, в отличие от привычной лампы накаливания или люминесцентной лампы ("энергосберегающей"), электроток преобразуется в видимый свет. В теории, такое преобразование можно выполнить вообще без потерь электроэнергии на нагрев. Это связано с тем, что при правильно спроектированном теплоотводе светодиод нагревается очень слабо. Светодиод излучает свет в узком спектре, его цвет "чист". Ультрафиолетовые и инфракрасные излучения отсутствуют. Приложение II, Рисунок 3

Опыт №1. Телевизионная антенна.

1. Частота: 400 МГц

2. Длина волны: 75 см

3. Сборка индикатора: собираю прибор: проволоку (длиной 37 см, т.к длина волны от антенны примерно 75 см) разрезаем пополам и посередине помещаем диод, закрепляем с двух концов и на места пересечения проволоки с диодом крепим по краям светодиод, светодиод крепим в противоположной полярности к диоду. Приложение II, Рисунок 4

4. Описание опыта: подношу прибор к антенне и наблюдаю за светодиодом. Светодиод будет светиться, чем ярче будет светить светодиод, тем более сильное поле в точках наблюдения. Для того чтобы визуально увидеть действие радиоволн потребуется использование фотоаппарата, необходимо передвигать светодиод вокруг антенны и сделать фото на большой выдержке. Индикатор воспринимает только электрическую составляющую поля. В зависимости от того как повернут индикатор (вертикально или горизонтально) линии поля будут иметь разные картины. Сверху и снизу антенны индикатор не загорается, это говорит о том, что там поля нет.

5. Свечение индикатора: светодиод светит ярко, по мере удаления от антенны, степень яркости светодиода убывает. В точках над антенной и под ней индикатор не светится.

6. Картина линий. Приложение II, Рисунок 5

Вывод: Эксперимент подтвердил, что простейший индикатор позволяет визуализировать электромагнитное поле. Яркость свечения убывала с расстоянием, а в точках над и под антенной свечение отсутствовало. Это наглядно демонстрирует явление поляризации и направленный характер излучения антенны.

Опыт №2. Микроволновая печь.

1. Частота: 2450 МГц

2. Длина волны: 12,75 см

3. Сборка индикатора: Собираю прибор: проволоку в данном опыте можно не использовать, т.к. длина волны, излучаемая микроволновой печью 5-12 см, поэтому нам будет достаточно «ножек» светодиода. Соединяю диод со светодиодом, не забывая про полярность. Приложение II, Рисунок 6

4. Описание опыта: Поднес индикатор к микроволновой печи, печь включил и начал водить им вокруг нее. Индикатор загорается только в местах соединения корпуса печи с ее дверкой, в тех местах где есть щели, через эти щели проникает часть лучей из печи, отраженных от находящихся внутри печи предметов их и улавливает индикатор, он то гаснет, то снова загорается.

5. Свечение индикатора. Приложение II, Рисунок 7

Вывод: Эксперимент показал эффективность экранирования корпуса микроволновой печи. Индикатор не реагировал на сплошных поверхностях, но фиксировал излучение в местах стыков дверцы. Это визуализирует принципы электромагнитной безопасности и выявляет зоны потенциальной утечки СВЧ-излучения.

Опыт №3. Мобильный телефон.

1. Частота: 1805 МГц

2. Длина волны: 16 см

3. Сборка индикатора: диод + светодиод

4. Описание опыта: мобильный телефон включил в режим передачи данных и запустил страницу интернета в браузере (измерение скорости интернета). Использую индикатор, собранный из диода и светодиода. Наблюдал как мой светодиод загорается в точках передающих антенн.

5. Свечение индикатора: свечение не яркое.Светодиод загорается в точках передающих антенн. Приложение II, Рисунок 8

Вывод:

Эксперимент подтвердил, что мобильный телефон излучает электромагнитные волны в режиме передачи данных. Свечение индикатора возникало только в местах расположения встроенных антенн и носило импульсный характер, что соответствует пакетной передаче данных. Опыт наглядно демонстрирует пространственное распределение поля вокруг телефона и принципы работы сотовой связи.

Опыт №4. Wi-Fi роутер.

1. Частота: 2,4 ГГц

2. Длина волны: 12,5 см

3. Сборка индикатора: диод + светодиод

4. Описание опыта: я взял модем, включил его на режим передачиданных. Подносил индикатор к антеннам модема.

5. Свечение индикатора: максимальное яркое свечение индикатора в месте расположения антенн модема

6. Картина линий. Приложение II, Рисунок 9

Вывод: Эксперимент подтвердил, что Wi-Fi роутер излучает электромагнитные волны при передаче данных. Максимальная яркость свечения индикатора наблюдалась непосредственно вблизи антенн, что доказывает локальный характер излучения. Зафиксировано импульсное свечение, соответствующее пакетной передаче данных. Опыт наглядно демонстрирует пространственное распределение поля вокруг роутера и принципы работы беспроводных сетей.

Опыт №5. Рация

1. Частота: 430 МГц

2. Длина волны: 70 см

3. Сборка индикатора: проволока + Диод + светодиод

4. Описание опыта: подносим прибор к рации и наблюдаем за светодиодом. Светодиод будет светиться, чем ярче будет светить светодиод, тем более сильное поле в точках наблюдения. В зависимости от того как повернут индикатор (вертикально или горизонтально) линии поля будут иметь разные картины. Сверху и снизу рации индикатор не загорается, это говорит о том, что там поля нет.

5. Свечение индикатора: светодиод светит ярко, по мере удаления от рации, степень яркости светодиода убывает. В точках над рацией и под ней индикатор не светится.

Вывод: Эксперимент с рацией подтвердил закономерности, аналогичные опыту с телевизионной антенной. Индикатор фиксировал максимальное свечение вблизи антенны, которое убывало с расстоянием. В точках строго над и под рацией свечение отсутствовало, что демонстрирует влияние поляризации излучения. Опыт наглядно показывает направленный характер распространения радиоволн и распределение поля в пространстве в зависимости от ориентации антенны.

Заключение

Мы не можем рассмотреть все объекты, являющиеся излучателями радиоволн.
Но можем посмотреть те, с которыми человек сталкивается в процессе своей жизнедеятельности:
•мобильные телефоны;
• радиопередающие антенны;
• радиотелефоны разных систем;
• сетевые беспроводные устройства;
• Bluetooth-устройства;
• сканеры тела;
• бебифоны (радионяни);
• бытовые электроприборы;
• высоковольтные линии электропередач.

Радиоволновое излучение везде вокруг нас, но мы не ощущаем и не видим его. Радиоволновое излучение можно увидеть, используя индикатор, который собрал я, в зависимости от силы излучения степень свечения светодиода изменяется. Если излучение отсутствует, то и индикатор не загорается. Проведя несколько разных опытов, я описал как ведет себя светодиод в разных случаях (загорается, тухнет, горит ярче или слабее). Сделал снимки визуального изображения электромагнитных полей.

Составил сравнительную таблицу, в которой сравнивается поведение индикатора (свечение) в зависимости от частоты и длины волны излучения. Максимально яркое свечение светодиода я получил при использовании телевизионной антенны. Картина распространения радиоволн в основном представляет из себя замкнутые окружности, располагающиеся вокруг предметов. Приложение III, Таблица 3

Исследования с мобильным телефоном и микроволновой печью показали минимальное излучение радиоволн, это только точечное свечение светодиода, четкой картины линий я не обнаружил.

Индикатор будет светиться ярко в том случае если опыт проводится с предметами, у которых длина волны превышает 60-70 см и частота примерно равна 400-500 МГц. В таких опытах можно визуально увидеть линии распространения радиоволн, эти линии четкие и создают картину концентрических окружностей.

Список использованной литературы

1. Баскаков, С.И. Электродинамика и распространение радиоволн / С.И. Баскаков. - М.: КД Либроком, 2015. - 416 c.

1. Ерохин, Г.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев . - М.: ГЛТ, 2007. - 491 c.

1. Кураев, А.А. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие / А.А. Кураев, Т.Л. Попкова, А.К. Синицын.. - М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. знание, 2023. - 424 c.

1. Муромцев, Д.Ю. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие, доп / Д.Ю. Муромцев, Ю.Т. Зырянов. - СПб.: Лань, 2020. - 448 c.

1. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. - М.: КД Либроком, 2020. - 544 c.

1. Петров, Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник для вузов / Б.М. Петров. - М.: Горячая линия -Телеком , 2021. - 558 c.

1. Сомов, А.М. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи: Учебное пособие для вузов / А.М. Сомов. - М.: РиС, 2021. - 456 c.

1. Юндин, М.А. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие / М.А. Юндин, А.М. Королев. - СПб.: Лань, 2024. - 448 c.

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоволны

1. http://viol.uz/radiovolnyi-i-chastotyi

Приложение

Приложение I

Рисунок 1. (Распространение радиоволн: E – напряженность электрического поля, В – индукция магнитного поля)

Таблица 1. Классификация радиочастот

Приложение II

Таблица 2. Классификация по способу распространения

Рисунок 2.(Схема диода)

Рисунок 3.(Схема светодиода)

Рисунок 4. (Схема сборки индикатора)

Рисунок 5. (Картина радиоволн)

Рисунок 6. (Схема сборки индикатора)

Рисунок 7. (Опыт с микроволновой печью)

Рисунок 8. (Опыт с мобильным телефоном)

Рисунок 9. (Картина линий поля вокруг Wi-Fi)

Приложение III

Таблица 3. Сравнительная таблица