Номер 725, страница 110 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Колебательный контур. Принципы радиосвязи и телевидения. Электромагнитное поле - номер 725, страница 110.

725. Почему затруднена радиосвязь с подводной лодкой, когда она находится под водой?

Решение

Радиосвязь с подводной лодкой, находящейся в погруженном состоянии, затруднена из-за физических свойств морской воды, которая, в отличие от воздуха, является проводящей средой.

Основная причина заключается в том, что электромагнитные волны, к которым относятся и радиоволны, очень быстро затухают в проводнике. Морская вода содержит большое количество растворенных солей, которые диссоциируют на свободные ионы (положительно и отрицательно заряженные частицы). Под действием переменного электрического поля радиоволны эти ионы начинают упорядоченно двигаться, создавая в воде электрические токи. Этот процесс приводит к двум основным эффектам, препятствующим связи:

1. Поглощение энергии. Движущиеся ионы сталкиваются с молекулами воды, в результате чего энергия электромагнитной волны преобразуется в тепловую энергию. Это приводит к быстрому ослаблению (аттенуации) сигнала по мере его проникновения вглубь воды.

2. Скин-эффект. Индуцированные в воде токи создают собственное электромагнитное поле, которое направлено против поля исходной волны. Это вторичное поле эффективно "выталкивает" исходное поле из толщи воды, в результате чего радиоволна может проникать лишь в тонкий поверхностный слой проводника. Глубина этого слоя называется глубиной скин-слоя.

Глубина проникновения радиоволн $\delta$ в проводящую среду зависит от частоты волны $f$ и удельной электропроводности среды $\sigma$. Она описывается приближенной формулой:

$\delta \approx \frac{1}{\sqrt{\pi f \mu \sigma}}$

где $\mu$ – магнитная проницаемость среды. Из формулы видно, что чем выше частота радиоволны и чем больше проводимость среды, тем меньше глубина проникновения.

Морская вода имеет довольно высокую проводимость ($\sigma \approx 4-5$ См/м). Поэтому радиоволны стандартных диапазонов (средние, короткие, ультракороткие волны с частотами от сотен килогерц до гигагерц) поглощаются уже в первых нескольких сантиметрах или метрах воды, не достигая подводной лодки на оперативной глубине.

Для связи с погруженными подводными лодками приходится использовать радиоволны сверхнизких частот (СДВ — сверхдлинные волны, и КНЧ — крайне низкие частоты). Уменьшение частоты $f$ до нескольких килогерц или даже десятков герц позволяет увеличить глубину проникновения $\delta$ до десятков метров. Однако это создает другие технические сложности: необходимость строить огромные береговые антенны (длиной в десятки километров) и крайне низкую скорость передачи данных (несколько символов в минуту).

Ответ: Радиосвязь с подводной лодкой затруднена, потому что морская вода является хорошим проводником электрического тока. Электромагнитные волны (радиоволны) при прохождении через проводящую среду быстро затухают, так как их энергия расходуется на создание электрических токов в воде и преобразуется в тепло. Это явление, известное как скин-эффект, не позволяет радиоволнам стандартных диапазонов проникать на значительную глубину. Связь возможна только с использованием радиоволн сверхнизких частот, которые могут проникать глубже, но требуют сложного оборудования и обеспечивают очень низкую скорость передачи информации.