ComuniCaţii prin unde eleCtromagnetiCe Experienţele lui Hertz referitoare la emisia și recep ţia undelor elec tro mag ne ti ce au condus la ideea despre posibilitatea folosirii lor la codificarea și transmiterea in for maţiei. După aproximativ opt ani de la efectuarea acestor experimente cu ajutorul undelor electro mag netice au fost realizate primele comunicaţii la distanţă. Astfel, în anul 1896, fizicianul și inginerul italian Guglielmo Marconi (1874–1937) a obţinut brevetul de invenţie pentru metoda de semnalizare la distanţă cu ajutorul emiţătorului și receptorului radio și a realizat o co mu nicare la distanţa de 3 km. Perfecţio nând aparatele de emisie–recepţie în anul 1901, el a stabilit prima comunicare fără conductoare de conexiune peste Oceanul Atlan tic. Pentru activitatea sa în dezvoltarea tehnicii radio și pentru propagarea radioului în calitate de mijloc de comunicare, în anul 1909 lui G. Marconi i s-a decernat Premiul Nobel. În același timp, independent de Marconi, aparate de emisie–recepţie au fost inventate de fizicianul și inginerul rus Alexandr Popov (1859–1906). Cu regret însă, prima transmisiune radio la o distanţă de 250 m demonstrată de Popov nu a fost înregistrată do cu mentar, iar afirmaţiile martorilor oculari despre acest eveniment erau con tra dic to rii. a. principiile radiocomunicaţiei În funcţie de procedeul folosit la codificarea semnalului transmis, se deosebesc câteva ti puri de comunicaţii radio: radiotelegrafia, radiotelefonia și radiodifuziunea, tele vi ziu nea, radiolocaţia.
lungimi de undă) și este emisă în procesele de dezintegrare a nucleelor și în urma reacţiilor nucleare. Radiaţia γ are o capacitate de penetrare și mai mare decât a radiaţiilor Röntgen fiind, de asemenea, foarte periculoasă.
Primele aparate de emisie–recepţie funcţionau în regim te le grafic. Codificarea sem na lului în acest caz este foarte simplă: emi ţătorul, prin conectare și deco nec tare, tran smite sem nale de durată diferită corespunzătoare alfabetului Morse (fiecare literă sau cif ră repre zin tă o combinaţie de puncte și liniuţe, adică semnale scurte și lungi). Următoarea etapă în dezvoltarea radiocomu nicaţiei a fost transmiterea sem na lelor audio (radiotelefonia și radiodifuziunea) și video (televiziu nea). Întrucât aceste sem nale reprezintă oscilaţii de frecvenţă joasă, iar puterea de emisie a undelor elec tromag netice depinde de frecvenţă, ele practic nu se propagă. De aceea este nevoie de un semnal de frecvenţă înaltă (din domeniul undelor radio), numit semnal purtător, care se com pu ne cu cel de frecvenţă joasă ce trebuie transmis. Acest proces este numit mo dulare și repre zintă modificarea codificată a unuia din parametrii semnalului purtător. Cele mai simple tipuri de modulare sunt: modu larea în amplitudine (AM – din limba engle ză amplitude modu lation) și mo dularea în frecvenţă (FM – frequency modulation). Ele re pre zintă modifi carea codificată a ampli tu dinii și, respec tiv, a frecven ţei sem nalului purtător în func ţie de legea de varia ţie a celui tran smis. În figura 3.9 sunt re pre zen tate semna lele: purtă tor (a); de frec venţă sonoră (b); AM (c) și FM (d). Principiile de trans mi tere atât a semnalelor audio, cât și a celor video sunt aceleași. Diferă doar dis po zi tivele electronice de transformare a acestor semnale în oscilaţii electrice de frecvenţă joasă. Pentru recepţionarea informaţiei transmise de emiţător, aceasta trebuie mai întâi decodificată, adică este nevoie de extragerea semnalului sonor din cel modulat.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Numiţi grupele convenţionale în care se îm parte spectrul undelor electromagnetice. 2. Care sunt sursele de radiaţie ale undelor de frecvenţă sonoră, radio, ale microun de lor şi ale celor infraroşii? Cum sunt utilizate aceste radiaţii? 3. Poate oare omul să audă undele electromagnetice de frecvenţă sonoră?
4. Cum se împarte domeniul radiaţiilor vizibile şi care sunt limitele lungimilor de undă ce corespund anumitor culori? 5. Care sunt sursele radiaţiilor ultraviolete, Röntgen şi γ? Caracterizaţi acţiunea aces to ra asupra ţesuturilor vii.
51
Procesul de separare a oscilaţiilor de frec venţă joasă din oscilaţiile mo du la te de frecvenţă înaltă se numeşte demodulare sau detec ta re, iar dispo zi ti vul ce realizează acest proces – demodulator sau detector. Radioreceptoarele contemporane sunt con struite după același principiu, în să pentru re cepţionarea unui număr mai mare de staţii cu o calitate mai înal tă a sune tului, ele sunt în zestrate cu diferite ampli fi catoare. În funcţie de particularităţile circuitelor electro nice folosite pentru emisie–recepţie și ale pro pagării undelor radio, ele se împart convenţional în câteva benzi: unde lungi medii scur te și ultrascurte b. radiolocaţia Proprietatea de reflexie a undelor electromagnetice este folosită pe larg la determinarea existenţei și poziţiei în spaţiu a diferitor obiecte. Localizarea în spaţiu a unui obiect cu ajutorul un delor electromagnetice se nu meşte radiolocaţie, iar dis po zi tivul electronic folosit în acest scop – radar sau radiolocator. Orice dispozitiv de tip radar constă dintr-un emiţător de unde electromagnetice, un receptor al acestora și o antenă direcţională. Emiţătorul emite în spaţiu grupuri de unde separate prin pauze și concentrate în fascicule cât mai înguste. De aceea antena de emisie este așezată în focarul unei oglinzi metalice concave, care asigură propagarea undei electromagnetice într-o singură direcţie. În timpul pauzelor dispozitivul radar este trecut la funcţionarea în regim de recepţie, înregistrând undele reflectate de obiectul întâlnit eventual în calea lor. Cunoscând intervalul de timp t de la momentul tri mi terii semnalului până la momentul recepţionării celui reflectat și viteza de propagare a undei electro magnetice egală cu cea de propagare a luminii în vid c, se determină ușor distanţa d până la obiect. Deoarece semnalul emis și cel recepţionat parcurg drumul de la staţia radar până la obiect și înapoi până la staţie, rezultă 2d = ct, de unde obţinem:
Întrucât undele electromagnetice de frecvenţe mari pot fi ușor direcţionate și, în același timp, fiind bine reflectate și de obiectele mici, în radiolocaţie se folosesc cu precădere undele ultrascurte
e bine să mai ştiţi Elementul principal al oricărui demo du l ator este dioda semicon duc toare sau alt ele ment de con ducţie un i l aterală (dioda cu vid sau trio da). Să analizăm func ţio narea de modulatorului în baza ce l ui mai simplu radio re ceptor, a cărui schemă electrică de principiu este rep rezentată în figu- ra 3.10, a. Sem na lul de frecvenţă înaltă modulat în amplitudine (fig. 3.9, c) este captat de antena de recepţie cu ajutorul circuitului oscilant LC acordat în regim de rezonanţă la frecvenţa purtătoare a staţiei de emisie. La trecerea semnalului recepţionat prin dioda D are loc redresarea lui, obţinânduse un curent alcătuit doar din pulsaţii pozitive (fig. 3.10, b). Aceste pulsaţii sunt însă tot de înaltă frecvenţă şi de aceea următoarea etapă în realizarea de modulării este ondularea sau ne te zirea lor cu ajutorul unui filtru. Cel mai simplu filtru este condensatorul co nec tat în paralel cu sarcina inductivă (căştile audio). În intervalele de timp când dioda este deschisă impulsurile de curent se ramifică, astfel încât tensiunea la bornele condensatorului C1 şi ale căştilor audio este aceeaşi (i1XL = i2XC sau i1ωL = i2/ωC1). Rezultă că prin condensator circulă un curent de frecvenţă înaltă, iar prin căşti – de frecvenţă joasă. Ra mifi ca rea curentului în i1 şi i2 conduce, pe de o parte, la mic şorarea intensităţii lui prin căştile audio, însă pe de altă parte, în in ter valele de timp din tre impulsuri, când dioda este blocată, condensatorul se des carcă dând naştere unui cu rent i3 ce trece prin căşti în acelaşi sens cu i1 (fig. 3.10, a). Astfel, prin căştile au dio tre ce un curent de frecvenţă so no ră, ale cărui oscilaţii au forma aproape iden tică cu cea a semna lului de frecvenţă joasă transmis de emi ţă tor (fig. 3.10, c). Întrucât în căş tile audio su netul provine de la vibraţiile membranelor care oscilează cu frec venţa curentului ce trece prin bobinele lor, pulsaţiile mici rămase după filtru prac tic nu influenţea ză asupra auzului. Fig. 3.10
Fig. 3.9
a) c)
b) d)
52
Pentru a mări câmpul de observaţie a staţiei radar, antena ei se rotește atât în plan orizontal, cât și în cel vertical. Raza de acţiune a staţiilor radar este de ordinul sutelor de kilometri. Odată cu perfecţionarea dispozitivelor radar, aria de utilizare a lor devine tot mai variată. Cu ajutorul radarelor moderne se poate determina viteza, dimen siunile și forma obiectelor. Radarul este folosit în navigaţie la stabilirea poziţiei și vitezei navelor mari time și aeronavelor, în aeroporturi la dirijarea decolă rii și aterizării avioanelor în condiţii de vizibilitate redusă, în securitatea rutieră la verificarea vitezei automobilelor. Navele maritime și aeronavele, de asemenea, sunt înzestrate cu dispozitive radar pentru asigurarea securităţii de navigaţie.
Radarele se folosesc pe larg și în meteorologie. Cu ajutorul lor se obţin informaţii atât despre poziţia mase lor de nori, cât și despre viteza acestora, ceea ce este foarte important pentru precizarea prognozelor meteo. Un capitol aparte în dezvoltarea radiolocaţiei îl constituie extinderea în astro no mie. Radioastronomia studiază corpurile cerești cu ajutorul undelor radio și milimet ri ce emise de acestea, folosind receptori de tip radar. Astfel, au fost localizate corpuri cerești aflate la distanţe inaccesibile pentru telescoapele optice. Instalaţiile moderne folosite în acest scop sunt numite radiotelescoape. Informaţiile obţinute cu ajutorul lor oferă posibilităţi excepţionale pentru studiul structurii și evoluţiei Universului.
3.6. evoluţia ConCepţiilor despre natura luminii Primele concepţii despre natura luminii au apărut în Antichitate. În secolul VI î.Hr., Pitagora și discipolii săi considerau că din ochii omului pornește o emanaţie invizibilă care „pipăie” obiectul cercetat, astfel acesta fiind văzut. Democrit (sec. IV î.Hr.) însă considera că senzaţia vizuală este determinată de acţiunea atomilor emiși de corpurile luminoase care nimeresc pe retina ochiului. Aristotel, în sec. IV î.Hr., susţinea că lumina reprezintă niște raze, numite „raze vizuale”, care ies din ochi. Abia spre sfârșitul sec. al XVII-lea s-au conturat două concepţii refe ri toare la natura luminii, determinate, în mare măsură, de realizările în studiul legilor mecanicii: corpuscu lară, elaborată de către Newton, și ondulatorie, formulată de către fizicianul olandez C. Huygens (1629–1695). Concepţia corpusculară are la bază proprietatea de propagare rectilinie a luminii în mediile omogene, stabilită experimental. Potrivit acesteia, lumina reprezintă un flux de particule (corpusculi de
lumină), emise sau reflectate de corpuri care se propagă de-a lungul unor linii drepte cu o viteză enormă conform legilor mecanicii clasice. Se presupunea că există corpusculi de lumină de dimensiuni și mase diferite. Cei mai mari erau atribuiţi luminii de culoare roșu-închis, iar cei mai mici – luminii de culoare violetă. Lumina solară era considerată de către Newton un amestec de corpusculi diferiţi. La interfaţa dintre două medii diverse corpusculii se refractau cu atât mai mult, cu cât masa și dimensiunile lor erau mai mici. Teoria despre natura ondulatorie a luminii a fost emisă de fizicianul olandez Huygens, contemporanul lui Newton, potrivit căruia, lumina reprezintă un proces ondulatoriu, ce se desfășoară într-un me diu ipotetic elastic, numit eter, care umple tot spaţiul și pătrunde în interiorul tuturor corpurilor. Deși Huygens trata lumina drept o undă luminoasă, nu a observat carac terul de periodicitate a acesteia și nu a ţinut seama de lungimea de undă, considerând că lumina se propagă rectiliniu chiar și la trecerea prin orificii foarte mici, adică nu a luat în seamă fenomenul de difracţie.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Care sunt tipurile de comunicaţii radio? Ce reprezintă radiotelegrafia? 2. În ce constă procesul de modulare a semnalelor şi care este deosebirea dintre modulările AM şi FM? 3. Ce se numeşte demodulare şi cum se realizează acest proces?
4. Ce se numeşte radiolocaţie şi ce reprezintă radarul? 5. Cum se dete
lungimi de undă) și este emisă în procesele de dezintegrare a nucleelor și în urma reacţiilor nucleare. Radiaţia γ are o capacitate de penetrare și mai mare decât a radiaţiilor Röntgen fiind, de asemenea, foarte periculoasă.
Primele aparate de emisie–recepţie funcţionau în regim te le grafic. Codificarea sem na lului în acest caz este foarte simplă: emi ţătorul, prin conectare și deco nec tare, tran smite sem nale de durată diferită corespunzătoare alfabetului Morse (fiecare literă sau cif ră repre zin tă o combinaţie de puncte și liniuţe, adică semnale scurte și lungi). Următoarea etapă în dezvoltarea radiocomu nicaţiei a fost transmiterea sem na lelor audio (radiotelefonia și radiodifuziunea) și video (televiziu nea). Întrucât aceste sem nale reprezintă oscilaţii de frecvenţă joasă, iar puterea de emisie a undelor elec tromag netice depinde de frecvenţă, ele practic nu se propagă. De aceea este nevoie de un semnal de frecvenţă înaltă (din domeniul undelor radio), numit semnal purtător, care se com pu ne cu cel de frecvenţă joasă ce trebuie transmis. Acest proces este numit mo dulare și repre zintă modificarea codificată a unuia din parametrii semnalului purtător. Cele mai simple tipuri de modulare sunt: modu larea în amplitudine (AM – din limba engle ză amplitude modu lation) și mo dularea în frecvenţă (FM – frequency modulation). Ele re pre zintă modifi carea codificată a ampli tu dinii și, respec tiv, a frecven ţei sem nalului purtător în func ţie de legea de varia ţie a celui tran smis. În figura 3.9 sunt re pre zen tate semna lele: purtă tor (a); de frec venţă sonoră (b); AM (c) și FM (d). Principiile de trans mi tere atât a semnalelor audio, cât și a celor video sunt aceleași. Diferă doar dis po zi tivele electronice de transformare a acestor semnale în oscilaţii electrice de frecvenţă joasă. Pentru recepţionarea informaţiei transmise de emiţător, aceasta trebuie mai întâi decodificată, adică este nevoie de extragerea semnalului sonor din cel modulat.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Numiţi grupele convenţionale în care se îm parte spectrul undelor electromagnetice. 2. Care sunt sursele de radiaţie ale undelor de frecvenţă sonoră, radio, ale microun de lor şi ale celor infraroşii? Cum sunt utilizate aceste radiaţii? 3. Poate oare omul să audă undele electromagnetice de frecvenţă sonoră?
4. Cum se împarte domeniul radiaţiilor vizibile şi care sunt limitele lungimilor de undă ce corespund anumitor culori? 5. Care sunt sursele radiaţiilor ultraviolete, Röntgen şi γ? Caracterizaţi acţiunea aces to ra asupra ţesuturilor vii.
51
Procesul de separare a oscilaţiilor de frec venţă joasă din oscilaţiile mo du la te de frecvenţă înaltă se numeşte demodulare sau detec ta re, iar dispo zi ti vul ce realizează acest proces – demodulator sau detector. Radioreceptoarele contemporane sunt con struite după același principiu, în să pentru re cepţionarea unui număr mai mare de staţii cu o calitate mai înal tă a sune tului, ele sunt în zestrate cu diferite ampli fi catoare. În funcţie de particularităţile circuitelor electro nice folosite pentru emisie–recepţie și ale pro pagării undelor radio, ele se împart convenţional în câteva benzi: unde lungi medii scur te și ultrascurte b. radiolocaţia Proprietatea de reflexie a undelor electromagnetice este folosită pe larg la determinarea existenţei și poziţiei în spaţiu a diferitor obiecte. Localizarea în spaţiu a unui obiect cu ajutorul un delor electromagnetice se nu meşte radiolocaţie, iar dis po zi tivul electronic folosit în acest scop – radar sau radiolocator. Orice dispozitiv de tip radar constă dintr-un emiţător de unde electromagnetice, un receptor al acestora și o antenă direcţională. Emiţătorul emite în spaţiu grupuri de unde separate prin pauze și concentrate în fascicule cât mai înguste. De aceea antena de emisie este așezată în focarul unei oglinzi metalice concave, care asigură propagarea undei electromagnetice într-o singură direcţie. În timpul pauzelor dispozitivul radar este trecut la funcţionarea în regim de recepţie, înregistrând undele reflectate de obiectul întâlnit eventual în calea lor. Cunoscând intervalul de timp t de la momentul tri mi terii semnalului până la momentul recepţionării celui reflectat și viteza de propagare a undei electro magnetice egală cu cea de propagare a luminii în vid c, se determină ușor distanţa d până la obiect. Deoarece semnalul emis și cel recepţionat parcurg drumul de la staţia radar până la obiect și înapoi până la staţie, rezultă 2d = ct, de unde obţinem:
Întrucât undele electromagnetice de frecvenţe mari pot fi ușor direcţionate și, în același timp, fiind bine reflectate și de obiectele mici, în radiolocaţie se folosesc cu precădere undele ultrascurte
e bine să mai ştiţi Elementul principal al oricărui demo du l ator este dioda semicon duc toare sau alt ele ment de con ducţie un i l aterală (dioda cu vid sau trio da). Să analizăm func ţio narea de modulatorului în baza ce l ui mai simplu radio re ceptor, a cărui schemă electrică de principiu este rep rezentată în figu- ra 3.10, a. Sem na lul de frecvenţă înaltă modulat în amplitudine (fig. 3.9, c) este captat de antena de recepţie cu ajutorul circuitului oscilant LC acordat în regim de rezonanţă la frecvenţa purtătoare a staţiei de emisie. La trecerea semnalului recepţionat prin dioda D are loc redresarea lui, obţinânduse un curent alcătuit doar din pulsaţii pozitive (fig. 3.10, b). Aceste pulsaţii sunt însă tot de înaltă frecvenţă şi de aceea următoarea etapă în realizarea de modulării este ondularea sau ne te zirea lor cu ajutorul unui filtru. Cel mai simplu filtru este condensatorul co nec tat în paralel cu sarcina inductivă (căştile audio). În intervalele de timp când dioda este deschisă impulsurile de curent se ramifică, astfel încât tensiunea la bornele condensatorului C1 şi ale căştilor audio este aceeaşi (i1XL = i2XC sau i1ωL = i2/ωC1). Rezultă că prin condensator circulă un curent de frecvenţă înaltă, iar prin căşti – de frecvenţă joasă. Ra mifi ca rea curentului în i1 şi i2 conduce, pe de o parte, la mic şorarea intensităţii lui prin căştile audio, însă pe de altă parte, în in ter valele de timp din tre impulsuri, când dioda este blocată, condensatorul se des carcă dând naştere unui cu rent i3 ce trece prin căşti în acelaşi sens cu i1 (fig. 3.10, a). Astfel, prin căştile au dio tre ce un curent de frecvenţă so no ră, ale cărui oscilaţii au forma aproape iden tică cu cea a semna lului de frecvenţă joasă transmis de emi ţă tor (fig. 3.10, c). Întrucât în căş tile audio su netul provine de la vibraţiile membranelor care oscilează cu frec venţa curentului ce trece prin bobinele lor, pulsaţiile mici rămase după filtru prac tic nu influenţea ză asupra auzului. Fig. 3.10
Fig. 3.9
a) c)
b) d)
52
Pentru a mări câmpul de observaţie a staţiei radar, antena ei se rotește atât în plan orizontal, cât și în cel vertical. Raza de acţiune a staţiilor radar este de ordinul sutelor de kilometri. Odată cu perfecţionarea dispozitivelor radar, aria de utilizare a lor devine tot mai variată. Cu ajutorul radarelor moderne se poate determina viteza, dimen siunile și forma obiectelor. Radarul este folosit în navigaţie la stabilirea poziţiei și vitezei navelor mari time și aeronavelor, în aeroporturi la dirijarea decolă rii și aterizării avioanelor în condiţii de vizibilitate redusă, în securitatea rutieră la verificarea vitezei automobilelor. Navele maritime și aeronavele, de asemenea, sunt înzestrate cu dispozitive radar pentru asigurarea securităţii de navigaţie.
Radarele se folosesc pe larg și în meteorologie. Cu ajutorul lor se obţin informaţii atât despre poziţia mase lor de nori, cât și despre viteza acestora, ceea ce este foarte important pentru precizarea prognozelor meteo. Un capitol aparte în dezvoltarea radiolocaţiei îl constituie extinderea în astro no mie. Radioastronomia studiază corpurile cerești cu ajutorul undelor radio și milimet ri ce emise de acestea, folosind receptori de tip radar. Astfel, au fost localizate corpuri cerești aflate la distanţe inaccesibile pentru telescoapele optice. Instalaţiile moderne folosite în acest scop sunt numite radiotelescoape. Informaţiile obţinute cu ajutorul lor oferă posibilităţi excepţionale pentru studiul structurii și evoluţiei Universului.
3.6. evoluţia ConCepţiilor despre natura luminii Primele concepţii despre natura luminii au apărut în Antichitate. În secolul VI î.Hr., Pitagora și discipolii săi considerau că din ochii omului pornește o emanaţie invizibilă care „pipăie” obiectul cercetat, astfel acesta fiind văzut. Democrit (sec. IV î.Hr.) însă considera că senzaţia vizuală este determinată de acţiunea atomilor emiși de corpurile luminoase care nimeresc pe retina ochiului. Aristotel, în sec. IV î.Hr., susţinea că lumina reprezintă niște raze, numite „raze vizuale”, care ies din ochi. Abia spre sfârșitul sec. al XVII-lea s-au conturat două concepţii refe ri toare la natura luminii, determinate, în mare măsură, de realizările în studiul legilor mecanicii: corpuscu lară, elaborată de către Newton, și ondulatorie, formulată de către fizicianul olandez C. Huygens (1629–1695). Concepţia corpusculară are la bază proprietatea de propagare rectilinie a luminii în mediile omogene, stabilită experimental. Potrivit acesteia, lumina reprezintă un flux de particule (corpusculi de
lumină), emise sau reflectate de corpuri care se propagă de-a lungul unor linii drepte cu o viteză enormă conform legilor mecanicii clasice. Se presupunea că există corpusculi de lumină de dimensiuni și mase diferite. Cei mai mari erau atribuiţi luminii de culoare roșu-închis, iar cei mai mici – luminii de culoare violetă. Lumina solară era considerată de către Newton un amestec de corpusculi diferiţi. La interfaţa dintre două medii diverse corpusculii se refractau cu atât mai mult, cu cât masa și dimensiunile lor erau mai mici. Teoria despre natura ondulatorie a luminii a fost emisă de fizicianul olandez Huygens, contemporanul lui Newton, potrivit căruia, lumina reprezintă un proces ondulatoriu, ce se desfășoară într-un me diu ipotetic elastic, numit eter, care umple tot spaţiul și pătrunde în interiorul tuturor corpurilor. Deși Huygens trata lumina drept o undă luminoasă, nu a observat carac terul de periodicitate a acesteia și nu a ţinut seama de lungimea de undă, considerând că lumina se propagă rectiliniu chiar și la trecerea prin orificii foarte mici, adică nu a luat în seamă fenomenul de difracţie.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Care sunt tipurile de comunicaţii radio? Ce reprezintă radiotelegrafia? 2. În ce constă procesul de modulare a semnalelor şi care este deosebirea dintre modulările AM şi FM? 3. Ce se numeşte demodulare şi cum se realizează acest proces?
4. Ce se numeşte radiolocaţie şi ce reprezintă radarul? 5. Cum se dete
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu