Ηλεκτρολογία ( Τεχνολογικής Κατεύθυνσης: Κύκλος Τεχνολογίας και Παραγωγής) - Βιβλίο Μαθητή
Γενικά 5-2. Πομπός Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

5-1. Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα (ΗΜΚ, Electromagnetic Waves)

Κατά τη διάδοση ενός μηχανικού κύματος, πχ σε ένα ελατήριο ή στην επιφάνεια υγρού, μπορούμε να παρατηρήσουμε την ταλάντωση του ελαστικού μέσου. Δε συμβαίνει όμως το ίδιο κατά τη διάδοση των φωτεινών ή των ραδιοφωνικών κυμάτων. Τίθεται το ερώτημα τί είναι αυτό που ταλαντώνεται στα κύματα αυτά. Ο Maxwell στα μέσα του 19ου αιώνα απέδειξε ότι αυτό που ταλαντώνεται είναι η ένταση ενός ηλεκτρικού και η ένταση ενός μαγνητικού πεδίου. Συγκεκριμένα απέδειξε ότι το ηλεκτρικό φορτίο που ταλαντώνεται με συχνότητα f δημιουργεί γύρω του μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, τα οποία απλώνονται στο χώρο ως κύμα συχνότητας f με την ταχύτητα του φωτός.

square 

ΗΜΚ καλείται ο συνδυασμός ενός ηλεκτρικού και ενός μαγνητικού πεδίου, που είναι κάθετα μεταξύ τους, ο οποίος διαδίδεται στο κενό και στα μονωτικά σώματα κάθετα στις διευθύνσεις των πεδίων με την ταχύτητα του φωτός.

Ετσι δικαιολογείται η δυνατότητα των κυμάτων αυτών να διαδίδονται και στο κενό.

Το έτος 1887 ο Hertz επιβεβαίωσε την ύπαρξη των ΗΜΚ στο εργαστήριο.

Αργότερα ο Marconi βρήκε τρόπο να μεταφέρει ήχο με τη βοήθεια των ΗΜΚ και το έτος 1907 πραγματοποίησε την πρώτη εκπομπή ηχητικών σημάτων πάνω από τον Ατλαντικό ωκεανό.

Σήμερα είναι γνωστό ότι ΗΜΚ είναι, εκτός από το φως, τα κύματα του ραδιοφώνου και της τηλεόρασης, τα μικροκύματα, οι υπέρυθρες και οι υπεριώδεις ακτίνες, οι ακτίνες Χ κλπ.

5-1.1. Παραγωγή ΗΜΚ

Από τη μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής ταλάντωσης της παραγράφου 4.8.1. είναι γνωστό το φαινόμενο της ακτινοβολίας, της εκμπομπής, δηλαδή, ΗΜΚ από το ταλαντούμενο κύκλωμα LC. Θεωρητικά κάθε αγωγός ακτινοβολεί, όταν διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα. Πρακτικά όμως στις χαμηλές συχνότητες το φαινόμενο αυτό είναι ανεπαίσθητο. Οσο αυξάνεται η συχνότητα του ρεύματος, το φαινόμενο της ακτινοβολίας γίνεται εντονότερο.

Η ιδιοσυχνότητα (f0) της ταλάντωσης του κυκλώματος LC δίνεται από τον τύπο:

 

f0 =     1    2π√LC ,

(5.1)

ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

όπου   

L: ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου

C: η χωρητικότητα του πυκνωτή

 

Για να αυξηθεί η συχνότητα της ταλάντωσης, θα πρέπει να ελαττωθούν η χωρητικότητα του πυκνωτή και ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου. Σύμφωνα με τους γνωστούς από τη Φυσική τύπους,

 

C = ε0S ,

(5.2)

 

όπου:

ε0: διηλεκτρική σταθερή του κενού

S: εμβαδό του οπλισμού

ℓ: απόσταση των οπλισμών

 

L = μ0N2S ,

(5.3)

 

όπου:

μ0: μαγνητική διαπερατότητα του κενού

Ν: αριθμός των σπειρών

S: εμβαδό μιας σπείρας

ℓ: μήκος του πηνίου

 

Η ελάττωση της χωρητικότητας μπορεί να γίνει με ελάττωση του εμβαδού των οπλισμών και την απομάκρυνσή τους.

Η ελάττωση του συντελεστή αυτεπαγωγής γίνεται με ελάττωση του αριθμού των σπειρών. Το σχήμα 5.2 δείχνει πώς το κύκλωμα LC, στο οποίο η χωρητικότητα και η αυτεπαγωγή είναι διαχωρισμένες μεταξύ τους, καταλήγει στη μορφή ενός σύρματος με πολύ μικρές τιμές των L και C και κατανεμημένες σε όλο το μήκος του σύρματος.

Σχήμα 5.2. Μορφές του κυκλώματος LC με όλο και μικρότερες τιμές των L και C.

Σχήμα 5.2. Μορφές του κυκλώματος LC με όλο και μικρότερες τιμές των L και C.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

Το απλό σύρμα έχει τις ίδιες ιδιότητες με το κύκλωμα LC. Συνήθως ονομάζεται παλλόμενο ηλεκτρικό δίπολο, γιατί στα άκρα του συγκεντρώνονται στιγμιαία αντίθετα ηλεκτρικά φορτία.

Από τη Φυσική είναι γνωστό ότι το κύμα μεταφέρει ενέργεια, την οποία προσφέρει μία πηγή (πηγή του κύματος) π.χ. Όταν πάλλεται μία χορδή μουσικού οργάνου μεταφέρεται ενέργεια στα γειτονικά της μόρια του ατμοσφαιρικού αέρα, αυτά στα επόμενα κ.ο.κ και έτσι επιτυγχάνεται η διάδοση του ήχου.

Κατά την ταλάντωση του διπόλου δημιουργείται γύρω του ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Συνεπώς, η ενέργεια του ενός μετατρέπεται σε ενέργεια του άλλου. Στην περίπτωση που η συχνότητα ταλάντωσης είναι πολύ υψηλή ένα μέρος της ενέργειας των πεδίων αποσπάται από το δίπολο και διαδίδεται στο χώρο με την ταχύτητα του φωτός.

5-1.2. Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα

square 

Είναι μία συνεχής περιοχή ακτινοβολιών, η οποία εκτείνεται από τα ραδιοφωνικά κύματα μέχρι τις κοσμικές ακτίνες.

Περιλαμβάνει το σύνολο των ΗΜΚ που υπάρχουν. Τα κύματα αυτά διαχωρίζονται με βάση τη συχνότητά τους σε περιοχές οι οποίες διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον τρόπο παραγωγής, τον τρόπο διάδοσης, τις χρήσεις κ.λ.π., η φυσική τους όμως υπόσταση είναι ίδια.

Ολες οι περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός (c), διαφέρουν όμως μεταξύ τους ως προς τη συχνότητά (f) επομένως και ως προς το μήκος κύματος (λ), σύμφωνα με τη θεμελιώδη εξίσωση των κυμάτων:

 

c = λ· f

(5.4)

 

f (Hz)

100

102

106

1012

1018

1024

λ = cf (m)

106

102

10-4

10-8

10-18

 

Τρόπος παραγωγής

Ταλάντωση ηλεκτρικών φορτίων

διέγερση ατόμων - πυρήνων

Όνομα

Βιομηχανικά, ραδιοφωνικά, βραχέα, υπερβραχέα, μικροκύματα

Υπέρυθρο, ορατό, υπεριώδες, ακτίνες Roetgen, κοσμική αντινοβολία

Χρήση

Ραδιόφωνο, τηλεόραση, Radar, τηλεπικοινωνίες

Πίνακας 5.1. Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα.

ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

Τα ονόματα των περιοχών αναφέρονται στον τρόπο παραγωγής και στις συνηθισμένες πηγές τους.

 

Μικροκύματα: 

από τη διέγερση των ηλεκτρονίων των ατόμων.

Υπέρυθρο (infrared): 

από θερμά σώματα.

Ορατό (visible): 

από πολύ θερμά σώματα.

Υπεριώδες (ultraviolet): 

κατά τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από αέρια (ηλεκτρική εκκένωση).

Ακτίνες Χ (Röetgen): 

όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ταχύτητας κτυπούν ένα στόχο.

Ακτίνες γ: 

από πυρήνες ραδιενεργών ατόμων.

Κοσμική ακτινοβολία: 

από την κρούση μορίων του ατμοσφαιρικού αέρα με ταχύτατα φορτισμένα σωματίδια που έρχονται από το διάστημα.

5-1.3. Ραδιοκύματα (Radiowaves)

square 

Ονομάζονται τα ΗΜΚ που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες.

Σήμερα με τη χρήση των Laser στις τηλεπικοινωνίες οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται εκτείνονται από λίγα KHz, μέχρι και το ορατό φως. Οι συχνότητες αυτές χωρίζονται σε περιοχές με βάση κυρίως τον τρόπο διάδοσης, όπως φαίνεται στον πίνακα 5.2.

Στα ραδιοκύματα περιλαμβάνεται το υπέρυθρο και το ορατό φως επειδή χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά πληροφοριών μέσα από οπτικές ίνες.

Οι μετατροπές της συχνότητας σε μήκος κύματος γίνονται με βάση τη θεμελιώδη εξίσωση: c0 = λ· f. Όπου c0 = 3· 108m/s η ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες (ELF, Extremely Low Frequencies)

Περιλαμβάνει τις συχνότητες των βιομηχανικών ρευμάτων 50Hz και 60Ηz καθώς και τις συχνότητες φωνής, θεωρητικά η περιοχή των ακουστών συχνοτήτων είναι από 20Ηz - 20KHz, οι περισσότεροι όμως ήχοι που παράγονται κατά την ομιλία έχουν συχνότητες στην περιοχή 300Ηz - 3KHz.

Χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση υλικών με βάση το φαινόμενο της επαγωγής, κ.λπ.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

Περιοχή συχνοτήτων (f)

Ονομασία συχνοτήτων (m)

Μήκος κύματος λ

Ονομασία κύματος

Εμβέλεια κατά προσέγγιση (km)

Κύριες χρήσεις

30Hz - 3kHz

Εξαιρετικά χαμηλές (ELF)

> 107 - 105

 

 

Σύνδεση με υποβρύχια

3 - 30kHz

Πολύ χαμηλές (VLF)

106 - 104

 

> 1500

Μεγάλης εμβέλειας χρήση στο ναυτικό και στο στρατό

30 - 300kHz

Χαμηλές (LF)

103 - 102

Μακρά κύματα (LW)

> 1500

Μεγάλης εμβέλειας χρήση στο ναυτικό και στο στρατό

300kHz - 3MHz

Μεσαίες (MF)

103 - 102

Μεσαία κύματα (MW)

< 1500

Ραδιοφωνικές μεταδόσεις

3 - 30MHZ

Υψηλές (HF)

102 - 10

Βραχέα κύματα (SW)

σε όλο τον κόσμο

Ραδιοφωνικές μεταδόσεις

30 - 300MHZ

Πολυ υψηλές, (VHF)

10 - 1

Υπερβραχέα κύματα

μόλις πάνω από τον ορίζοντα

Ήχος υψηλής ποιότητας

300 - 3000MHZ

Υπερυψηλες (UHF)

1 - 10-1

Υπερβραχέα κύματα

ορίζοντας

Συνδέσεις τηλεοπτικές ή κινητής τηλεφωνίας

3 - 30GHZ

Σούπερ υψηλές συχνότητες (SHF)

10-1 - 10-2

Μικροκύματα

36000

Συνδέσεις μικροκυμάτων π.χ. δορυφόροι

30 - 300GHZ

Εξαιρετικά υψηλές συχνότητες (EXF)

10-2 - 10-3

Μικροκύματα

 

 

υπέρυθρο ορατό φως

 

0.7 - 0.4μm

 

 

 

Πίνακας 5.2. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ραδιοκυμάτων.

ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

Πολύ χαμηλές συχνότητες (VLF, Very Low Frequencies)

Περιλαμβάνει τις συχνότητες ήχων οι οποίοι παράγονται από μουσικά όργανα και συχνότητες που χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες στο στρατό και στο ναυτικό.

Χαμηλές συχνότητες (LF, Low Frequencies)

Οι συχνότητες της περιοχής αυτής χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες στην αεροναυτική και στη ναυσιπλοία.

Μεσαίες συχνότητες (MF, Medium Frequencies)

Περιλαμβάνει τα μεσαία κύματα του ραδιοφώνου (540KHz - 1600KHz) και συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε θαλάσσιες και αεροναυτικές επικοινωνίες.

Υψηλές συχνότητες (HF, High Frequencies)

Περιλαμβάνει τα λεγόμενα βραχέα κύματα, στα οποία εκπέμπουν οι ραδιοφωνικοί σταθμοί μεγάλης εμβέλειας. Χρησιμοποιείται επίσης από τους ραδιοερασιτέχνες και τις επικοινωνίες CB (Citizen Band).

Πολύ υψηλές συχνότητες (VHF, Very High Frequencies)

Περιλαμβάνει την περιοχή FM του ραδιοφώνου (88MHz - 108MHz) και τα κανάλια 2 - 13 της τηλεόρασης. Χρησιμοποιείται επίσης για ασύρματη επικοινωνία δύο κατευθύνσεων από διάφορες υπηρεσίες.

Υπερυψηλές συχνότητες (UHF, Ultra High Frequencies)

Περιλαμβάνει τις συχνότητες της κινητής τηλεφωνίας και τα κανάλια 14 μέχρι 83 της TV. Χρησιμοποιείται επίσης από το Radar και από υπηρεσίες στρατιωτικές και ναυσιπλοΐας.

Εξαιρετικά υψηλές συχνότητες (SHF, Super High Frequencies)

Χρησιμοπούνται στις δορυφορικές επικοινωνίες και στις επικοινωνίες Radar.

Στις επικοινωνίες χρησιμοποιείται σήμερα το υπέρυθρο καθώς και το ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το υπέρυθρο χρησιμοποιείται:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

  • Στη ραδιοαστρονομία

  • Σε οπλικά συστήματα για νυχτερινή οδήγηση, μέτρηση αποστάσεων και κατεύθυνση των πυραύλων στο στόχο τους

  • Σε μονάδες τηλεχειρισμού

Το ορατό φως με τη μορφή laser χρησιμοποιείται στις επικοινωνίες. Η διάδοσή του γίνεται μέσα σε οπτικές ίνες ή στον ελεύθερο χώρο.

square 

Μικροκύματα (microwaves) ονομάζονται τα κύματα με συχνότητες μεγαλύτερες από 1GHz και διακρίνονται σε μετρικά, δεκατομετρικά, εκατοστομετρικά, χιλιοστομετρικά, ανάλογα με το μήκος κύματος τους λ.

5-1.4. Διάδοση ραδιοκυμάτων

square 

Λέγεται το ταξίδι των ραδιοκυμάτων από την κεραία του πομπού ως την κεραία του δέκτη.

Τα ΗΜΚ στον κενό χώρο διαδίδονται ευθύγραμμα με την ταχύτητα του φωτός c0 = 3· 108m/s Στα υλικά μέσα διαδίδονται με μικρότερες ταχύτη τες, των οποίων η τιμή καθορίζεται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, όπως η διηλεκτρική σταθερή η μαγνητική διαπερατότητα και η ειδική αγωγιμότητά τους.

Όταν το ΗΜΚ συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια δύο μέσων στα οποία διαδίδεται με διαφορετική ταχύτητα, ένα μέρος του επιστρέφει στο πρώτο μέσο (ανάκλαση κύματος), ενώ το υπόλοιπο διαδίδεται στο δεύτερο μέσο σε διαφορετική κατεύθυνση (διάθλαση του κύματος).

Τα ΗΜΚ κατά την πορεία τους από την κεραία του πομπού στην κεραία του δέκτη ακολουθούν διάφορες διαδρομές και μπορούν να φτάσουν σε μια μέγιστη απόσταση (εμβέλεια του κύματος) η οποία εξαρτάται από:

  • Τη συχνότητα του κύματος

  • Τα χαρακτηριστικά του εδάφους (μορφολογία, σύσταση), και της ατμόσφαιρας κατά τη διάρκεια της διάδοσης

  • Την ισχύ του πομπού

Ανάλογα με τη διαδρομή, τα ραδιοκύματα διακρίνονται σε:

  • Κύματα εδάφους ή επιφάνειας

  • Κύματα χώρου

  • Ιονοσφαιρικά κύματα

Επιπλέον τα κύματα του χώρου διακρίνονται σε:

  • Ευθύγραμμης διάδοσης

ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

  • Ανακλώμενα στην επιφάνεια της γης

  • Διαθλώμενα στην ατμόσφαιρα

Σχήμα 5.3. Πορεία Ραδιοκυμάτων από τον πομπό στο δέκτη.

Σχήμα 5.3. Πορεία Ραδιοκυμάτων από τον πομπό στο δέκτη.

Κύμα επιφάνειας: Κατά τη διάδοση του ακολουθεί το ανάγλυφο του εδάφους. Η εξασθένησή του αυξάνει με τη συχνότητα του κύματος. Οσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα του εδάφους τόσο λιγότερο απορροφάται. Ο τρόπος αυτός διάδοσης έχει ενδιαφέρον στα μακρά και στα μεσαία κύματα (VLF, LF, MF) του ραδιοφώνου, των οποίων η εμβέλεια είναι μεγαλύτερη κατά τη διάδοση τους στη θάλασσα.

 

Ιονοσφαιρικό κύμα: Ιονόσφαιρα ονομάζεται το στρώμα της ατμόσφαιρας στο οποίο υπάρχει μεγάλη πυκνότητα ηλεκτρικών φορτίων. Τα φορτία αυτά προέρχονται από τον ιονισμό των μορίων του αέρα από τις ακτινοβολίες του ήλιου. Τα στρώματα αυτά βρίσκονται περίπου σε ύψος 50 - 500Km πάνω από την επιφάνεια της γης. Η πυκνότητα των φορτίων καθώς και το ύψος των στρωμάτων μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

Η ιονόσφαιρα ως αγώγιμη επιφάνεια ανακλά τα ραδιοκύματα. Η μέγιστη συχνότητα που μπορεί να ανακλασθεί εξαρτάται από τη γωνία προσπτώσεως και από την πυκνότητα των φορτίων της ιονόσφαιρας.

Η διάδοση των βραχέων κυμάτων σε μεγάλες αποστάσεις οφείλεται στην ιονόσφαιρα. Ο τρόπος αυτός διάδοσης ΗΜΚ μπορεί να πετύχει εμβέλεια μέχρι και 4000Km. Παρουσιάζει όμως αστάθεια στη λήψη των ΗΜΚ.

 

Κύμα χώρου: Οι συχνότητες άνω των 30MHz απορροφώνται πάρα πολύ από το έδαφος και δεν ανακλώνται από την ιονόσφαιρα. Ο μόνος τρόπος διάδοσης τους είναι το κύμα χώρου. Το κύμα αυτό αποτελείται από:

  • Το απ' ευθείας κύμα, χρειάζεται οπτική επαφή των κεραιών του πομπού και δέκτη

  • Το ανακλώμενο κύμα, στην επιφάνεια της γης

  • Το διαθλώμενο στην ατμόσφαιρα κύμα, ώστε η λήψη να επεκτείνεται πέρα από τα σημεία οπτικής επαφής

Η εμβέλεια του κύματος χώρου μπορεί να φτάσει και τα 100Km και εξαρτάται από:

  • Την ισχύ του πομπού

  • Τα φυσικά και τεχνητά εμπόδια στην πορεία του κύματος

  • Τη συχνότητα του κύματος

  • Το ύψος των κεραιών

Για μεγαλύτερες εμβέλειες απαιτείται η χρήση σταθμών αναμετάδοσης, οι οποίοι παίρνουν το σήμα, το ενισχύουν και το εκπέμπουν ξανά. Οι σταθμοί αυτοί μπορεί να είναι επίγειοι, συνήθως στις κορυφές βουνών, ή δορυφορικοί.

 

Ζώνη σιγής: Είναι η περιοχή στην οποία δεν υπάρχει λήψη. Οφείλεται στην πολύ μικρή εμβέλεια του κύματος επιφάνειας και στην εμφάνιση του ιονοσφαιρικού κύματος από μία ελάχιστη απόσταση και πέρα, λόγω της ανάκλασής του.

 

Διαλείψεις (Fading): Στο δέκτη είναι πιθανό να φτάσουν κύματα που προέρχονται από τον ίδιο πομπό αλλά ακολουθούν διαφορετικές πορείες π.χ. επιφανειακό κύμα και κύμα χώρου ή δύο κύματα χώρου από πολλαπλές ανακλάσεις. Η συμβολή των δύο κυμάτων δίνει σήμα, του οποίου η ένταση αυξομειώνεται ακανόνιστα. Τα φαινόμενα αυτά ονομάζονται διαλείψεις και είναι ιδιαίτερα ενοχλητικά, όταν είναι συχνά και όταν εξασθενούν το σήμα τόσο, ώστε να πνίγεται από το θόρυβο.