Номер 6.80, страница 141 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Колебания и волны. Глава 6. Волны. Принципы радиосвязи - номер 6.80, страница 141.

Условие.

6.80. Почему нельзя осуществлять радиосвязь с помощью электромагнитных волн с подводной лодкой, когда она находится под водой?

Решение.

Осуществлять радиосвязь с подводной лодкой с помощью электромагнитных волн стандартных радиодиапазонов невозможно, поскольку вода (особенно морская) является проводящей средой и сильно поглощает энергию этих волн.

Основная причина — это электропроводность воды. Морская вода содержит большое количество растворенных солей, которые диссоциируют на ионы, являющиеся свободными носителями заряда. Когда электромагнитная волна распространяется в такой среде, её переменное электрическое поле вызывает упорядоченное движение этих ионов, то есть создает электрический ток.

Протекание этого тока в проводящей среде, обладающей сопротивлением, приводит к выделению тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Энергия электромагнитной волны преобразуется в тепловую энергию воды, из-за чего волна быстро затухает, теряя свою интенсивность по мере проникновения вглубь. Этот эффект известен как скин-эффект.

Глубина проникновения электромагнитной волны в проводник (глубина скин-слоя, $\delta$), на которой амплитуда волны уменьшается в e раз (примерно в 2,7 раза), зависит от частоты волны ($\nu$) и электропроводности среды ($\sigma$). Эта зависимость обратно пропорциональная: $\delta \approx \frac{1}{\sqrt{\pi \nu \sigma \mu}}$ где $\mu$ — магнитная проницаемость среды.

Из формулы следует, что чем выше частота волны, тем меньше глубина ее проникновения. Обычная радиосвязь использует волны высокой частоты (от сотен килогерц до гигагерц), для которых глубина скин-слоя в морской воде составляет от нескольких метров до нескольких сантиметров. Этого совершенно недостаточно для установления связи с подводной лодкой, находящейся на рабочей глубине (десятки и сотни метров).

Для связи с погруженными подводными лодками используются специальные системы, работающие на сверхнизких частотах (СНЧ или ELF) и очень низких частотах (ОНЧ или VLF). Благодаря чрезвычайно низкой частоте, такие волны могут проникать в воду на необходимую глубину, но их применение связано с техническими сложностями, такими как необходимость в гигантских антеннах и очень низкая скорость передачи данных.

Ответ: Радиосвязь с подводной лодкой с помощью обычных электромагнитных волн невозможна, так как вода является проводящей средой, которая эффективно поглощает энергию радиоволн, преобразуя ее в тепло. В результате волны быстро затухают и не могут достичь подводной лодки, находящейся на глубине.