Warto przeczytać

Fale radiowe to promieniowanie elektromagnetyczne o największych długościach fal, czyli najmniejszych częstotliwościach. Ich długości mierzone są w metrach, a nawet w kilometrach. Fale radiowe, jak inne rodzaje fal elektromagnetycznych, rozchodzą się w próżni z  prędkością światła c = 3·10Indeks górny 8⁸$\frac{m}{\mathrm{s}}$.

Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość νnu, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz), 1 Hz = 1 sIndeks górny -1^-1.

• długość fali λlambda, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne albo magnetyczne znajdują się w tej samej fazie.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

gdzie c jest prędkością światła.

Granica zakresu fal radiowych jest umowna. Przyjęto, że są to fale o długości większej niż 0,3 m i częstotliwości mniejszej niż 1000 MHz. Czasami do fal radiowych zalicza się także mikrofale o większych częstotliwościach. O zastosowaniach mikrofal, takich jak system GPS czy telefonia komórkowa, przeczytasz w materiale „Mikrofale – zastosowanie”.

Najstarsze zastosowania fal radiowych są oczywiste – to radio i telewizja.

Obecnie w Europie i większości państw świata radiofonie korzystają z pasma UKF nadając programy w zakresie częstotliwości 87,5–108 MHz

Dramatyczna jest historia wynalazku radia. Początkowo zasługa ta przypisywana była Marconiemu, który za skonstruowanie radia dostał 1909 roku nagrodę Nobla. Jednak Nikola Tesla, inżynier serbskiego pochodzenia, twierdził, że Marconi wykorzystał w swoim wynalazku jego wcześniejsze prace. Długotrwałe procesowanie się doprowadziło Teslę do bankructwa. Dopiero po jego śmierci w 1943 roku, Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych przyznał prawa patentowe Tesli i obecnie to jego uważa się za wynalazcę radia.

Jak działa radio?

Nadajnik radiowy składa się z dwóch głównych elementów: generatora i modulatora.

Generator wytwarza falę nośną, czyli sinusoidalną falę o częstotliwości radiowej.

Modulator modyfikuje falę nośną, zgodnie z przekazanym do niego sygnałem modulującym, który reprezentuje przesyłany dźwięk. Sygnał modulujący powstaje w mikrofonie, który przetwarza fale dźwiękowe na sygnał elektryczny o częstości odpowiadającej częstości fal dźwiękowych.

Sygnał modulujący może modyfikować falę nośną na dwa sposoby:

• przez wprowadzanie zmian częstotliwości — jest to modulacja częstotliwości (ang. frequency modulation – fale tak zmodulowane oznaczane są jako FM),

• przez wprowadzanie zmian amplitudy — jest to modulacja amplitudy (ang. amplitude modulation – fale tak zmodulowane oznacza się jako AM).

Na podstawie międzynarodowych ustaleń w radiofonii, na falach ultrakrótkich wykorzystuje się transmisję z modulacją częstotliwości (FM), natomiast na falach długich, średnich i krótkich – z modulacją amplitudy (AM).

Zmodulowane fale są odbierane przez odbiornik radiowy. W odbiorniku odbywa się odwrotny proces: modulacje odbieranej fali przekształcane są na sygnał elektryczny. W głośniku sygnał ten powoduje drgania membrany, które z kolei powodują drgania powietrza i wytworzenie fali akustycznej.

Bardziej skomplikowana jest zasada działania telewizji. Najogólniej mówiąc, telewizja polega na cyfrowym zakodowaniu obrazu i dźwięku i przesyłaniu go za pomocą fal radiowych o zakresie 50 – 220 MHz.

Wynalazcą telewizji, która od kilku pokoleń pozwala nam uczestniczyć w wydarzeniach na całym świecie, był szkocki inżynier John Logie Baird. Pierwsza transmisja telewizyjna, z Londynu do Nowego Jorku, odbyła się 27 stycznia 1928 roku. Prawdziwą popularność telewizja uzyskała po II wojnie światowej.

Fale radiowe z zakresu 60 – 900 MHz znajdują zastosowanie w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (w skrócie MR). Zasada działania tej metody polega na oddziaływaniu pól magnetycznych z momentami magnetycznymi jąder atomowych. Najczęściej są to jądra wodoru, czyli protony. Jądra wodoru absorbują energię fal radiowych o określonej częstotliwości, a potem oddają ją, emitując fale o tej samej częstotliwości. Sygnały te odbierane są przez aparaturę i można precyzyjnie zlokalizować miejsce, w którym zachodzi emisja. Zarejestrowany sygnał zależy od typu cząsteczek i jest różny dla tłuszczów, białek, wody i innych bogatych w wodór związków, co pozwala rozróżnić typy i gęstości tkanek. Można w ten sposób badać chemiczną strukturę substancji. Rezonans magnetyczny jest dla chemików niezawodną metodą identyfikacji związków organicznych. W biochemii wykorzystuje się tę metodę do oznaczania zawartości wody i suchej substancji w produktach spożywczych.

W medycynie rezonans magnetyczny jest jedną z najbardziej precyzyjnych metod zbadania wnętrza ludzkiego ciała w bezinwazyjny sposób (Rys. 1). Dzięki niemu można dokonać oceny struktur anatomicznych całego ciała lub poszczególnych narządów z dokładnością do zaledwie kilku milimetrów. Można obejrzeć dokładnie narządy i tkanki w dowolnej płaszczyźnie, także trójwymiarowo. MR pozwala wykryć niepokojące zmiany (na przykład nowotworowe) i dostarczyć o nich sporo informacji. Jest to bardzo czuła metoda obrazowania, a przy tym w pełni bezpieczna. Nie używa się w tym badaniu szkodliwego promieniowania jonizującego (rentgenowskiego), jak w innych technikach obrazowania.

RafHdxpeopir2

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia aparaturę, której główna część to duży, gruby pierścień. Do otworu wewnątrz pierścienia można wsunąć leżankę z pacjentem.

Ważną rolę odgrywa detekcja fal radiowych w badaniach astronomicznych. To jedyny, obok światła widzialnego, zakres promieniowania elektromagnetycznego, który przenika bez przeszkód przez atmosferę. Fale radiowe dochodzące z kosmosu niosą informacje o egzotycznych obiektach. Przykładem mogą być pulsary – gwiazdy neutronowe wysyłające regularne impulsy radiowe. Fal radiowych nie pochłania pył, który uniemożliwia obserwację wielu obiektów w świetle widzialnym.

Konstrukcja radioteleskopu składa się z parabolicznej czaszy, czyli reflektora skupiającego fale radiowe w ognisku, w którym umieszczony jest ich odbiornik (Rys. 2).

R9dl3Nxc7kvkn

Rys. 2. Na zdjęciu znajduje się wielki radioteleskop. Ma on kształt dużej, metalowej czaszy, zwróconej w stronę nieba. Czasza oparta jest na konstrukcji z metalowych belek i prętów.

Sygnał radiowy dochodzący z dużych odległości jest bardzo słaby. Zarejestrowanie takich sygnałów wymaga zastosowania anten radiowych o ogromnych rozmiarach. Największa na świecie antena do badań radioastronomicznych, FAST, znajduje się w Chinach. Jest umieszczona w naturalnym zagłębieniu terenu, a jej czasza ma średnicę 500 m.

Radioteleskopy często są łączone w większe układy, działające jak interferometryinterferometrinterferometry. Dzięki temu ich czułość użytkowa i zdolność rozdzielczazdolność rozdzielczazdolność rozdzielcza wzrastają.

Przykładem jest układ radioteleskopów Very Large Array of Radio Telescopes, znajdujący się w Meksyku (Rys. 3). Układ radioteleskopów wykorzystuje zjawisko interferencjiinterferencjainterferencji fal radiowych do wzmocnienia sygnału odbieranego z kosmosu. Odległości między teleskopami są rzędu kilku metrów, co odpowiada długości fali radiowej.

R2YogvpbsDZV6

Rys. 3. Na zdjęciu znajduje się wiele dużych radioteleskopów o kształcie dużej, metalowej czaszy, zwróconej w stronę nieba. Radioteleskopy ustawione są w dwóch rzędach prostopadłych do siebie. Odległości między teleskopami są jednakowe.

W regionach o słabo rozwiniętej infrastrukturze telekomunikacyjnej sprawdza się łączność satelitarna, która wykorzystuje fale radiowe o częstotliwości kilkudziesięciu megaherców. Połączenie miedzy telefonami odbywa się poprzez stację przekaźnikową, zwaną transponderem, umieszczoną na sztucznym satelicie Ziemi. Sygnały wysyłane są z telefonu do transpondera z wykorzystaniem fali o wyższej częstotliwości, a docierają z powrotem za pośrednictwem fali o niższej częstotliwości. 

Słowniczek