Номер 22.8, страница 112 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 22. Электромагнитные волны - номер 22.8, страница 112.

Условие.

22.8. Почему для радиосвязи используют электромагнитные волны высокой частоты?

Решение.

Решение

Использование электромагнитных волн высокой частоты в радиосвязи обусловлено несколькими ключевыми физическими и техническими причинами.

Во-первых, это эффективность излучения и размеры антенн. Мощность, излучаемая антенной, очень сильно зависит от частоты. Для простой дипольной антенны излучаемая мощность $\text{P}$ пропорциональна четвертой степени частоты $\nu$, то есть $P \propto \nu^4$. Это означает, что на высоких частотах энергия излучается гораздо эффективнее. Кроме того, оптимальный размер антенны связан с длиной волны $\lambda$. Длина волны обратно пропорциональна частоте $\nu$ по формуле $\lambda = c/\nu$, где $\text{c}$ – скорость света. Таким образом, чем выше частота, тем короче длина волны и тем меньше может быть размер антенны. Это позволяет создавать компактные антенны для мобильных телефонов, Wi-Fi роутеров и других портативных устройств, что было бы невозможно на низких частотах, где антенны достигали бы сотен метров в длину.

Во-вторых, это информационная емкость канала связи. Количество информации, которое можно передать за единицу времени (пропускная способность), напрямую зависит от ширины полосы частот, выделенной для сигнала. В свою очередь, доступная ширина полосы обычно составляет некоторую долю от несущей частоты. Поэтому использование более высокой несущей частоты позволяет иметь более широкую полосу пропускания. Это критически важно для современных технологий, таких как 4G/5G, Wi-Fi и спутниковое телевидение, которые требуют передачи огромных объемов данных. Низкочастотные диапазоны просто не могут предоставить необходимой для этого ширины полосы.

В-третьих, это возможность направленного излучения. Волны с высокой частотой и короткой длиной волны легче сфокусировать в узкий луч с помощью антенн разумных размеров. Угловая расходимость луча $\theta$, создаваемого антенной размером $\text{D}$, определяется соотношением $\theta \approx \lambda/D$. Меньшая длина волны $\lambda$ позволяет получить более узкий луч, что концентрирует энергию в нужном направлении, увеличивая дальность связи и снижая требуемую мощность передатчика. Также это уменьшает помехи для других радиоустройств и повышает безопасность связи, так как сигнал сложнее перехватить. Это свойство широко используется в спутниковой связи, радиолокации и радиорелейных линиях.

Таким образом, переход к более высоким частотам в радиосвязи является ключевым фактором, позволившим создать современные беспроводные технологии с их компактностью, высокой скоростью передачи данных и надежностью.

Ответ: Электромагнитные волны высокой частоты используют для радиосвязи, потому что: 1) они позволяют создавать компактные и эффективные антенны; 2) высокая несущая частота обеспечивает большую информационную емкость (пропускную способность) канала связи, что необходимо для передачи больших объемов данных; 3) их легче сфокусировать в узконаправленные лучи, что повышает дальность, качество и безопасность связи, а также снижает помехи.