Номер 2, страница 69 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

2. Как распространяются радиоволны различной длины? Какие проблемы необходимо учитывать в радиосвязи на длинных, коротких, ультракоротких волнах?

Распространение радиоволн и связанные с этим проблемы кардинально различаются в зависимости от их длины (и, соответственно, частоты, связанной с длиной волны $\lambda$ формулой $f = c / \lambda$, где $\text{c}$ – скорость света).

Длинные волны (ДВ)
Диапазон: длина волны $\lambda$ от 1 до 10 км (частота $\text{f}$ от 30 до 300 кГц).
Распространение: Длинные волны распространяются преимущественно как поверхностные волны, которые за счет дифракции способны огибать кривизну Земли и крупные препятствия. Дальность распространения поверхностной волны сильно зависит от проводимости поверхности: над морской водой затухание значительно меньше, чем над сухой почвой. ДВ также могут частично отражаться от самых нижних слоев ионосферы (слой D), но этот механизм менее важен, чем для волн других диапазонов.
Проблемы радиосвязи:
1. Низкая пропускная способность: Из-за низкой несущей частоты ширина полосы пропускания очень мала. Это не позволяет передавать большие объемы информации, поэтому ДВ используются в основном для телеграфной связи, систем навигации (например, РСДН) и передачи сигналов точного времени.
2. Гигантские размеры антенн: Для эффективного излучения и приема размер антенны должен быть сопоставим с длиной волны. Для ДВ это означает необходимость строительства огромных и дорогостоящих антенных систем высотой в сотни метров.
3. Сильные атмосферные помехи: Этот диапазон сильно подвержен влиянию атмосферных помех, особенно от грозовых разрядов, которые создают мощный низкочастотный шум, ухудшающий качество приема.
4. Высокое поглощение энергией: Энергия поверхностной волны значительно поглощается земной поверхностью, что ограничивает дальность связи, особенно при прохождении над сушей.

Ответ: Длинные волны распространяются в основном вдоль поверхности Земли (поверхностная волна), огибая ее кривизну. Основные проблемы: необходимость в гигантских антеннах, низкая пропускная способность (малая скорость передачи данных), сильные атмосферные помехи и значительное поглощение энергии волны земной поверхностью.

Короткие волны (КВ)
Диапазон: длина волны $\lambda$ от 10 до 100 м (частота $\text{f}$ от 3 до 30 МГц).
Распространение: Основной способ распространения коротких волн — это пространственная (ионосферная) волна. Волны этого диапазона отражаются от ионизированных слоев верхней атмосферы (ионосферы, в основном слои E и F). Благодаря одному или нескольким отражениям между ионосферой и поверхностью Земли, КВ могут распространяться на тысячи километров, обеспечивая межконтинентальную связь. Поверхностная волна в этом диапазоне затухает очень быстро и используется лишь на расстояниях в несколько десятков километров.
Проблемы радиосвязи:
1. Нестабильность связи: Состояние ионосферы (ее плотность и высота слоев) постоянно меняется в зависимости от времени суток, времени года и 11-летнего цикла солнечной активности. Это приводит к тому, что условия отражения волн непредсказуемы, что вызывает прерывания связи.
2. Замирания (фединг): Сигнал может приходить к приемнику несколькими путями одновременно (например, после одного и двух отражений от ионосферы). Эти лучи, складываясь в точке приема, интерферируют между собой, вызывая глубокие и быстрые изменения уровня сигнала — замирания.
3. Наличие «зоны молчания»: Между областью, где еще принимается слабая поверхностная волна, и местом, куда возвращается первая отраженная от ионосферы волна, существует «мертвая зона», где прием сигнала невозможен.
4. Необходимость подбора рабочих частот: Для установления устойчивой связи на определенное расстояние в разное время суток необходимо использовать разные частоты, так как отражающая способность ионосферы сильно зависит от частоты волны.

Ответ: Короткие волны распространяются на большие расстояния за счет многократных отражений от ионосферы. Проблемы: нестабильность связи из-за изменчивости состояния ионосферы, замирания сигнала (фединг) из-за многолучевого распространения, наличие «зон молчания» и необходимость постоянно подбирать оптимальную рабочую частоту.

Ультракороткие волны (УКВ)
Диапазон: длина волны $\lambda$ от 10 м до 1 мм (частота $\text{f}$ от 30 МГц до 300 ГГц).
Распространение: УКВ распространяются практически прямолинейно, подобно свету, в пределах прямой видимости. Они не отражаются ионосферой (проходят сквозь нее) и слабо огибают препятствия. Дальность устойчивой связи ограничена расстоянием до горизонта, которое зависит от высоты подъема передающей и приемной антенн.
Проблемы радиосвязи:
1. Ограниченная дальность: Связь возможна только в пределах прямой видимости. Для увеличения дальности необходимо поднимать антенны как можно выше (на вышки, горы) или использовать ретрансляторы, в том числе расположенные на спутниках.
2. Влияние рельефа и застройки: Любые препятствия на пути распространения волны (здания, холмы, густой лес) создают «зоны тени», где прием сигнала сильно ослаблен или невозможен.
3. Многолучевое распространение: В условиях городской застройки или в горах волны многократно отражаются от препятствий, приходя в точку приема по разным путям с разной задержкой и фазой. Это вызывает интерференцию и сильные замирания, особенно заметные при движении приемника (например, в автомобиле).
4. Атмосферное поглощение: На самых высоких частотах этого диапазона (сантиметровые и миллиметровые волны) наблюдается заметное поглощение энергии в атмосферных газах (кислород, водяной пар) и сильное ослабление сигнала в гидрометеорах (дождь, снег, туман).

Ответ: Ультракороткие волны распространяются прямолинейно в пределах прямой видимости. Основные проблемы: дальность связи ограничена горизонтом, сильное влияние препятствий (здания, рельеф), создающих «зоны тени», многолучевые замирания в условиях застройки и поглощение в атмосфере на очень высоких частотах.