§ 22. ДОСЛІДЖУЄМО ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

Прояви вміння в радіокеруванні. Установи в системі радіоуправління (пульт + іграшка) дві основні частини: передавач (пульт) та приймач (іграшка). Визнач, який компонент у кожній частині відповідає за генерацію сигналу, випромінювання хвилі, прийом хвилі, перетворення сигналу на механічний рух.

У системі радіокерування за ці процеси відповідають такі компоненти:

• генерацію сигналу здійснює електронна мікросхема-генератор пульта, яка створює високочастотні коливання та кодує в них команди керування;
• випромінювання хвилі забезпечує передавальна антена пульта, яка перетворює електричний струм на радіохвилі;
• прийом хвилі здійснює приймальна антена на корпусі іграшки, яка вловлює електромагнітні хвилі;
• перетворення сигналу на механічний рух виконують виконавчі електродвигуни та сервоприводи, які приводять у рух колеса або кермові механізми після розкодування сигналу.

Знайди інформацію (зазвичай вказано на пульті або на коробці) про те, на якій частоті працює іграшка. Поясни, до якого діапазону електромагнітних хвиль (за шкалою в параграфі) належить ця частота і чому вона використовується саме для радіоуправління. Використовуючи знайдену частоту, обчисли довжину хвилі. Як вона співвідноситься з розмірами антени іграшки? Перевір, чи виконується умова: ефективна довжина антени передавача для надійного випромінювання дорівнює половині довжини випромінюваної хвилі або її чверті.

Більшість сучасних моделей працюють на стандартній частоті $\nu = 2{,}4\text{ ГГц}$ ($2{,}4 \cdot 10^9\text{ Гц}$).

Дано:

• $\nu = 2{,}4\text{ ГГц} = 2{,}4 \cdot 10^9\text{ Гц}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda - ?$
• $L_{\text{ант}} - ?$

Розв’язання:
$\lambda = \dfrac{c}{\nu}$
$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2{,}4 \cdot 10^9\text{ Гц}} = 0{,}125\text{ м} = 12{,}5\text{ см}$

Ефективна антена у радіотехніці найчастіше виготовляється як чвертьхвильовий штир:
$L_{\text{ант}} = \dfrac{\lambda}{4}$
$L_{\text{ант}} = \dfrac{12{,}5\text{ см}}{4} \approx 3{,}1\text{ см}$

Відповідь: $\lambda = 12{,}5\text{ см}$, $L_{\text{ант}} \approx 3{,}1\text{ см}$.

Частота $2{,}4\text{ ГГц}$ належить до діапазону ультракоротких радіохвиль (мікрохвиль). Цей діапазон обрано завдяки високій стійкості до завад, широкій смузі пропускання для точних цифрових команд та малим розмірам антен (близько $3\text{ см}$), що зручно для компактних іграшок. Умова ефективності виконується, оскільки реальна довжина антени в пульті та іграшці становить близько $3\text{ см}$, що дорівнює чверті довжини хвилі ($\lambda / 4$).

Увімкни іграшку та пульт. Сплануй дослідження, щоб з’ясувати, як фізичні властивості електромагнітних хвиль (відбиття, поглинання, поширення) впливають на роботу пристрою радіоуправління. Запропонуй інженерні рішення, які могли б визначити дальність або надійність зв’язку іграшки.

План дослідження:

1. Перевірка дальності поширення у зоні прямої видимості на відкритому майданчику шляхом поступового віддалення від іграшки до появи перших затримок керування.
2. Перевірка поглинання сигналу перешкодами: розмістити пульт за різними матеріалами (дерев’яні двері, суцільна залізобетонна стіна, скло, металевий екран) та оцінити стабільність відгуку.
3. Перевірка відбиття сигналу: завести іграшку за кут будівлі або коридору і перевірити, чи доходить керувальний сигнал завдяки відбиттю від протилежних стін.

Інженерні рішення для покращення дальності та надійності:

• застосування антен із круговою або спрямованою діаграмою випромінювання;
• використання приймача з двома антенами (технологія Diversity), що обирає сильніший сигнал і прибирає мертві зони;
• перехід на завадостійкі цифрові протоколи з автоматичною зміною частотного підканалу під час виникнення завад.

ДУМАЙ

1. Укажи діапазон частот і довжин хвиль, до якого належать радіохвилі.

Радіохвилі охоплюють діапазон довжин хвиль від кількох десятків кілометрів (понад $10\text{ км}$) до часток міліметра ($10^{-3}\text{ м}$), що відповідає діапазону частот приблизно від $3 \cdot 10^3\text{ Гц}$ (3 кГц) до $3 \cdot 10^{11}\text{ Гц}$ (300 ГГц).

2. Які види радіохвиль використовують у радіозв’язку?

У радіозв’язку використовують довгі хвилі (понад 10 км), середні хвилі (від 1000 до 100 м), короткі хвилі (від 100 до 10 м) та ультракороткі хвилі (менше 10 м, зокрема метрові, дециметрові, сантиметрові та міліметрові).

3. Хто створив першу систему бездротового телеграфу?

Першу практичну та комерційно успішну систему бездротового телеграфу створив італійський інженер Гульєльмо Марконі наприкінці 1890-х років.

4. Коли відбулася перша передача людського голосу по радіо?

Першу в історії передачу людського голосу та музики по радіо здійснив канадський винахідник Реджинальд Фессенден у 1906 році.

5. Яку роль відіграють іоносфера та поверхня Землі в поширенні радіохвиль?

Іоносфера та поверхня Землі відіграють роль провідних відбивальних шарів. Короткі радіохвилі багатократно відбиваються від іоносфери та поверхні планети, завдяки чому вони долають гігантські відстані та огинають земну кулю. Водночас довгі хвилі огинають кривизну поверхні Землі, а ультракороткі хвилі не відбиваються від іоносфери і проходять крізь неї у космос або поширюються тільки в зоні прямої видимості.

6. Як називають пристрій, який приймає сигнали від телефону у мобільному зв’язку?

Пристрій, який приймає та передає сигнали від мобільних телефонів у системі стільникового зв’язку, називають базовою станцією.

7. Які дві основні частини містить система радіоуправління іграшками або дронами?

Система радіоуправління містить дві частини: передавач (пульт дистанційного керування в руках оператора) та приймач сигналів (встановлений на борту іграшки або дрона).

8. Поясни, чому низькочастотні хвилі не передають інформацію на великі відстані.

Низькочастотні електромагнітні хвилі мають малу енергію коливань. Вони слабко випромінюються антенами прийнятних розмірів, швидко згасають у навколишньому середовищі та атмосфера поглинає їх занадто сильно, тому передавати ними інформацію на великі відстані не вдається.

9. Поясни, як здійснюється передавання сигналу під час мобільного дзвінка.

Мобільний телефон перетворює звук голосу на цифровий електричний сигнал і за допомогою антени випромінює його у вигляді радіохвилі. Цю хвилю ловить найближча базова станція, яка перетворює її на електричний чи оптичний імпульс і дротовими або оптоволоконними лініями направляє до центрального комутаційного вузла. Комутатор знаходить місце перебування потрібного абонента і спрямовує виклик на базову станцію поруч із ним. Ця станція посилає радіосигнал на телефон співрозмовника, де сигнал знову стає звуком.

10. Чому зв’язок між телефоном і базовою станцією не переривається під час руху користувача?

Зв’язок не переривається завдяки стільниковій структурі мережі та процедурі автоматичної передачі абонента між сотами (хендовер). Телефон постійно відстежує рівень радіосигналу від сусідніх вишок. Коли сигнал від поточної станції слабшає, а від сусідньої стає сильнішим, комутаційний центр автоматично перемикає з’єднання на нову вишку без обриву розмови.

11. Уяви, що ти — журналіст / журналістка й тобі доручено взяти інтерв’ю у спеціалістів різних категорій населення щодо їх думки про електромагнітні випромінювання. Яким би було твоє повідомлення (в газеті, на телебаченні, в інтернеті)?

Повідомлення для медіа: «Електромагнітні хвилі довкола нас: технологічний прорив чи привід для остраху?»

Сьогодні місто пронизане сигналами Wi-Fi, 4G та радіомовлення. Ми поспілкувалися з трьома експертами про безпеку та значення цих технологій:

• Фізик-дослідник пояснив: радіохвилі належать до неіонізуючого спектра, тому вони не руйнують молекули живих клітин і не змінюють структуру ДНК.
• Лікар зауважив: енергія побутових випромінювачів суворо обмежена санітарними нормами, проте варто дотримуватися поміркованості й не тримати смартфон увімкненим біля голови під час сну.
• Інженер зв’язку наголосив: щільна мережа нових базових станцій насправді знижує випромінювання самого телефона, адже апарату не потрібно вмикати передавач на повну потужність для пошуку далекої антени.

Висновок простий: електромагнітні хвилі роблять життя зручним і безпечним, якщо користуватися гаджетами розумно.

ДІЙ. РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Wi-Fi працює на частотах 2,4 ГГц і 5 ГГц. Порівняй довжини хвиль та поясни, чому сигнал із частотою 5 ГГц має менший радіус дії, але більшу швидкість передачі даних.

Дано:

• $\nu_1 = 2{,}4\text{ ГГц} = 2{,}4 \cdot 10^9\text{ Гц}$
• $\nu_2 = 5\text{ ГГц} = 5 \cdot 10^9\text{ Гц}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda_1 - ?$
• $\lambda_2 - ?$
• $\dfrac{\lambda_1}{\lambda_2} - ?$

Розв’язання:
$\lambda = \dfrac{c}{\nu}$
$\lambda_1 = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2{,}4 \cdot 10^9\text{ Гц}} = 0{,}125\text{ м} = 12{,}5\text{ см}$
$\lambda_2 = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{5 \cdot 10^9\text{ Гц}} = 0{,}06\text{ м} = 6\text{ см}$
$\dfrac{\lambda_1}{\lambda_2} = \dfrac{12{,}5\text{ см}}{6\text{ см}} \approx 2{,}1$

Відповідь: $\lambda_1 = 12{,}5\text{ см}$; $\lambda_2 = 6\text{ см}$. Довжина хвилі на частоті $2{,}4\text{ ГГц}$ приблизно у $2{,}1$ раза більша за довжину хвилі на частоті $5\text{ ГГц}$.

2. Телефон ловить сигнал із частотою 900 МГц. Яка довжина хвилі цього сигналу? Чому антену мобільного телефону роблять довжиною близько 8 см?

Дано:

• $\nu = 900\text{ МГц} = 9 \cdot 10^8\text{ Гц}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda - ?$

Розв’язання:
$\lambda = \dfrac{c}{\nu}$
$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{9 \cdot 10^8\text{ Гц}} = \dfrac{1}{3}\text{ м} \approx 0{,}33\text{ м} = 33\text{ см}$

Ефективна антена працює за резонансним принципом чвертьхвильового вібратора, її довжина дорівнює одній четвертій довжини хвилі ($1/4$ довжини):
$L_{\text{ант}} = \dfrac{\lambda}{4} = \dfrac{33\text{ см}}{4} \approx 8{,}25\text{ см} \approx 8\text{ см}$

Відповідь: $\lambda \approx 33\text{ см}$; антену роблять завдовжки близько $8\text{ см}$, оскільки це відповідає чверті довжини хвилі ($1/4$ довжини), що створює резонанс і забезпечує ефективне приймання сигналу.

3. Радіолокатор працює на довжині хвилі 20 см і відправляє імпульс із частотою 4 кГц і тривалістю 2 мкс. Визнач частоту хвилі, на якій працює радар.

Дано:

• $\lambda = 20\text{ см} = 0{,}2\text{ м}$
• $F_{\text{імп}} = 4\text{ кГц} = 4000\text{ Гц}$
• $\tau = 2\text{ мкс} = 2 \cdot 10^{-6}\text{ с}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\nu - ?$

Розв’язання:
Частота електромагнітної хвилі (носійна частота) пов’язана з довжиною хвилі співвідношенням:
$\nu = \dfrac{c}{\lambda}$
$\nu = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{0{,}2\text{ м}} = 1{,}5 \cdot 10^9\text{ Гц} = 1{,}5\text{ ГГц}$

Параметри $F_{\text{імп}}$ та $\tau$ є характеристиками режиму модуляції імпульсів і для визначення частоти самої хвилі не використовуються.

Відповідь: $\nu = 1{,}5\text{ ГГц}$.

4. Радіосигнал від передавача до супутника проходить відстань 36 000 км. Обчисли час, за який сигнал доходить до супутника.

Дано:

• $s = 36\,000\text{ км} = 3{,}6 \cdot 10^7\text{ м}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:
$t = \dfrac{s}{c}$
$t = \dfrac{3{,}6 \cdot 10^7\text{ м}}{3 \cdot 10^8\text{ м/с}} = 0{,}12\text{ с}$

Відповідь: $t = 0{,}12\text{ с}$.

5. Супутник передає сигнал на Землю, яка розташована на відстані 42 000 км. Оціни затримку між передачею і прийомом сигналу.

Дано:

• $s = 42\,000\text{ км} = 4{,}2 \cdot 10^7\text{ м}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:
$t = \dfrac{s}{c}$
$t = \dfrac{4{,}2 \cdot 10^7\text{ м}}{3 \cdot 10^8\text{ м/с}} = 0{,}14\text{ с}$

Відповідь: $t = 0{,}14\text{ с}$.

6. Довжина хвилі радіолокатора 20 см, частота випромінювання 500 імпульсів за секунду, тривалість кожного імпульсу 0,02 мкс. Скільки коливань міститься в одному імпульсі і яка найбільша відстань дії локатора?

Дано:

• $\lambda = 20\text{ см} = 0{,}2\text{ м}$
• $F = 500\text{ с}^{-1}$
• $\tau = 0{,}02\text{ мкс} = 2 \cdot 10^{-8}\text{ с}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $N - ?$
• $l_{\max} - ?$

Розв’язання:
Частота електромагнітних коливань у хвилі:
$\nu = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{0{,}2\text{ м}} = 1{,}5 \cdot 10^9\text{ Гц}$

Кількість коливань в одному імпульсі:
$N = \nu \cdot \tau$
$N = 1{,}5 \cdot 10^9\text{ Гц} \cdot 2 \cdot 10^{-8}\text{ с} = 30$

Період повторення імпульсів:
$T = \dfrac{1}{F}$

Щоб сигнал не накладався, відбита хвиля повинна повернутися назад до моменту випромінювання наступного імпульсу:
$2 l_{\max} = c \cdot T \implies l_{\max} = \dfrac{c}{2 F}$
$l_{\max} = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2 \cdot 500\text{ с}^{-1}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{1000} = 3 \cdot 10^5\text{ м} = 300\text{ км}$

Відповідь: $N = 30$; $l_{\max} = 300\text{ км}$.

7. Відправлений радіолокатором сигнал повернувся назад через 43 мкс. Визнач відстань до перешкоди.

Дано:

• $t = 43\text{ мкс} = 4{,}3 \cdot 10^{-5}\text{ с}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $l - ?$

Розв’язання:
Сигнал радіолокатора проходить відстань до об’єкта двічі (туди й назад), тому:
$l = \dfrac{c \cdot t}{2}$
$l = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с} \cdot 4{,}3 \cdot 10^{-5}\text{ с}}{2} = \dfrac{12{,}9 \cdot 10^3\text{ м}}{2} = 6450\text{ м} = 6{,}45\text{ км}$

Відповідь: $l = 6{,}45\text{ км}$.

8. Відстань від радіолокатора до метеорита в момент відбиття сигналу радіолокатора 54 км. Яку відстань пролетів метеорит, швидкість якого 3 км/с від початку випромінювання імпульсу?

Дано:

• $l = 54\text{ км} = 5{,}4 \cdot 10^4\text{ м}$
• $v_{\text{мет}} = 3\text{ км/с} = 3000\text{ м/с}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $s - ?$

Розв’язання:
Повний цикл радіолокаційного спостереження від моменту випромінювання імпульсу до моменту повернення відбитого сигналу на приймач станції триває час:
$t = \dfrac{2l}{c}$
$t = \dfrac{2 \cdot 5{,}4 \cdot 10^4\text{ м}}{3 \cdot 10^8\text{ м/с}} = \dfrac{10{,}8 \cdot 10^4}{3 \cdot 10^8} = 3{,}6 \cdot 10^{-4}\text{ с}$

За цей повний час метеорит зі швидкістю $v_{\text{мет}}$ пролетить відстань:
$s = v_{\text{мет}} \cdot t$
$s = 3000\text{ м/с} \cdot 3{,}6 \cdot 10^{-4}\text{ с} = 1{,}08\text{ м} \approx 1{,}1\text{ м}$

Відповідь: $s \approx 1{,}1\text{ м}$.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

Завдання 1. Мертві зони в місті

• Поясніть мешканцям, чому в їхньому районі можуть виникати мертві зони або погіршується зв’язок, ураховуючи наявність високих засклених хмарочосів. Які властивості радіохвиль можуть спричиняти ці проблеми?

Мертві зони виникають тому, що мобільний зв’язок 4G працює на ультракоротких радіохвилях, які поширюються переважно прямолінійно в межах прямої видимості. Залізобетонні каркаси будівель та енергоощадне скло з тонким металевим напиленням відбивають і сильно поглинають електромагнітні хвилі. Хмарочоси створюють суцільну радіотінь, а багаторазове відбиття від фасадів призводить до інтерференції хвиль, через що сигнали взаємно гасяться і зв’язок обривається.

• Запропонуйте можливі технічні рішення, які ваша компанія могла б застосувати для покращення якості зв’язку в цьому житловому комплексі.

Для вирішення проблеми компанія може встановити на дахах і фасадах додаткові малопотужні компактні базові станції (мікросоти та пікосоти), а всередині під’їздів та коридорів прокласти розподілену антенну систему (DAS). Також доцільно налаштувати в мережі технологію VoWiFi (дзвінки через домашній Wi-Fi), щоб мешканці вільно спілкувалися навіть за відсутності прямого сигналу з вуличної вишки.

Завдання 2. Перехід на 5G — пояснення для споживачів

• Поясніть трьома простими реченнями, у чому полягає фундаментальна відмінність між 4G і 5G, окрім швидкості.

Мережа 5G забезпечує наднизьку затримку передачі сигналу до однієї мілісекунди для миттєвого керування пристроями в реальному часі. Нове покоління дозволяє одночасно підключати до мільйона різноманітних розумних датчиків на одному квадратному кілометрі без перевантаження мережі. Технологія підтримує розподіл мережі на окремі гарантовані віртуальні канали під потреби екстрених служб і транспорту.

• Наведіть два приклади, як 5G може змінити життя або прискорити впровадження нових технологій (наприклад, розумні міста, медицина, транспорт), демонструючи його переваги, окрім простого перегляду відео.

1. Безпечний безпілотний транспорт: автономні автомобілі завдяки зв’язку 5G миттєво обмінюються координатами між собою та з розумними світлофорами, завдяки чому машина встигає зреагувати на раптову перешкоду за мілісекунди і запобігти аварії.
2. Телемедицина та роботизована хірургія: провідні лікарі можуть дистанційно керувати хірургічними роботами та проводити термінові операції пацієнтам у районних лікарнях за сотні кілометрів без затримок у передачі рухів інструмента.