45

2.  ELEKTROMAGNĒTISKIE VIĻŅI

• Radio izgudrošana• Svārstību kontūrs• Nerimstošas elektriskās svārstības• Elektromagnētisko viļņu iegūšana• Elektromagnētiskais šķērsvilnis• Elektromagnētisko viļņu ātrums• Elektromagnētisko viļņu skala• Radiosignāla pārraide un uztveršana• Radioviļņu izplatīšanās ap Zemi• Kosmiskais radiostarojums. Radioteleskopi• Ultraīsviļņi. Televīzija. Radiolokācija• Satelītu sakari. Globālās pozicionēšanas sistēmas• Ģeoinformātika Latvijā• Kopsavilkums• Uzdevumi

Fiz12_02.indd 45 10/08/2007 14:39:27

46

Radio izgudrošana

2.1. att. Angļu fiziķis Džeims Klārks Maks­vels (1831 — 1879) teorētiski paredzēja elektromagnētisko viļņu esamību.

2.3. att. Vācu fiziķis Heinrihs Hercs (1857 —1894) eksperimentāli pārliecinājās, ka Maksvela paredzētie elektromagnētiskie vilņi patiešām pastāv.

2.2. att. Herca vibrators — raidītājs un rezonators — uztvērējs.

To, ka elektriskais lauks telpā var izplatīties kā vilnis, pa-redzēja jau angļu fiziķis Džeims Klārks Maksvels pirms 140 gadiem. Toreiz tā bija tikai hipotēze, kurai trūka eksperimentā-la pierādījuma. Lai gan jau uzreiz kļuva skaidrs, ka Maksvela aprēķinātā hipotētisko viļņu ātruma sakritība ar izmērīto gais-mas izplatīšanās ātrumu c = 2,98 ∙ 108 m/s nevar būt nejaušība. Vai tikai arī gaisma nav elektromagnētiskie viļņi?

1888. gadā vācu fiziķis Heinrihs Hercs Karlsrūes Tehnis-kajā augstskolā sāka eksperimentēt ar elektromagnētiskās indukcijas spolēm, ar kurām viņam izdevās īpašā dzirksteļ­spraugā radīt ātras elektriskā un magnētiskā lauka svārstības, kuru periods bija tikai simtmiljonā daļa no sekundes. Tā tika izveidots pirmais augstfrekvences elektrisko svārstību ģene-rators, ko tagad dēvē par Herca vibratoru. Ierīce darbojās tā: spraugā starp vadītājiem augstā spriegumā pārlēca dzirkstele, noslēdzot elektrisko ķēdi un izraisot tajā lādiņa svārstības. Dzirkstelei izzūdot, svārstības strauji norima, līdz nākamā dzirkstele tās izraisīja no jauna. Dzirkstele asprātīgi kalpoja kā elektriskais slēdzis.

Hercs izdomāja arī elektrisko svārstību uztvērēju — rezo-natoru. To veidoja aplī saliekts vads ar lodītēm galos. Starp lodītēm veidojās otra dzirksteļsprauga. Izrādījās, ka augstfrek-vences dzirkstele vibratora spraugā ierosināja dzirksteli arī re-zonatorā, kaut arī starp vibratoru un rezonatoru bija vairākus metrus liels attālums. Vajadzēja tikai izdarīt tā, lai vibratora pašsvārstību frekvence sakristu ar rezonatora pašsvārstību frekvenci, un tad elektromagnētisko viļņu raidītājs un uz-tvērējs darbojās.

Savus eksperimentus Hercs aprakstīja 1888. gadā publi-cētajā darbā “Par elektriskā spēka stariem”, un šo gadu tagad uzskata par elektromagnētisko viļņu atklāšanas gadu. Par to, kādas perspektīvas paver elektromagnētisko viļņu izmanto-šana, Rūdolfs Hercs vēl nevarēja iedomāties.

Viens no pirmajiem, kam izdevās noorganizēt radiopār-raidi, bija Pēterburgas Elektrotehniskā institūta profesors Aleksandrs Popovs. 1895. gada vasarā viņš pētīja attāla ne-gaisa radīto elektrisko izlādi ar ierīci, kuras darbības pamatā

Raidītājs

Dzirksteļsprauga

Barošanas avots

Uztvērējs

Dzirksteļsprauga

Fiz12_02.indd 46 10/08/2007 14:39:28

47

2.4. att. Krievu fiziķis Aleksandrs Po­povs (1859 — 1906) viens no pirmajiem organizēja bezvadu telegrāfa sakarus Krievijā.

2.5. att. 1909. gadā itāļu inženieris Gulje­mo Markoni (1874 — 1937) saņēma Nobela prēmiju par ieguldījumu bezvadu telegrāfa attīstībā.

2.6. att. Sākotnēji patiešām domāja, ka elektromagnētiskie viļņi izplatās īpašā, visu caurtverošā vidē — ēterī. Izrādījās, ka tādas vides nemaz nav un radioviļņi izplatās arī tukšumā. Taču vēl šodien daudzviet ētera vārds palicis sadzīvē un radiodiktori mēdz teikt “šodien ēterā raidām ...”.

bija franču fiziķa Eduarda Branlī tikko izgudrotais elektrisko svārstību pārveidotājs jeb koherers.

Tas sastāvēja no stikla caurulītes, kurā bija iebērtas dzelzs skaidiņas. Kamēr skaidiņas caurulītē ir orientētas haotiski, to elektriskā pretestība ir visai liela. Tiklīdz skaidiņas nokļūst elektromagnētiskajā vilnī, ko, piemēram, izraisa elektriskā izlāde zibens kanālā vai Herca vibratora dzirksteļspraugā, skaidiņas magnetizējas, sakārtojas rindās un salīp. To elek-triskā pretestība uzreiz samazinās, un caur skaidiņām plūst elektriskā strāva. Tā elektromagnētiskais vilnis “paziņo” par savu klātbūtni. Ja caurulītei pievieno āmuriņu, kura piesitiens skaidiņas sakrata, pretestība atkal pieaug, strāvas impulss pazūd un koherers ir gatavs nākamā impulsa reģistrācijai.

1895. gada 25. aprīlī Popovs savu ierīci nodemonstrēja Pēterburgas fizikas–ķīmijas biedrības sēdē. Attālums starp pirmo bezvadu telegrāfa raidītāju un uztvērēju bija 60 met-ri. Telegrāfs pārraidīja tekstu ar Morzes alfabēta signāliem.Tolaik Popovs izpildīja Krievijas karaflotes uzdevumu par bezvadu sakaru ieviešanu uz kuģiem, un savu atklājumu kā izgudrojumu nepatentēja. Toties to izdarīja cits uzņēmīgs itāļu inženieris Guljemo Markoni.

Markoni gadu pēc Popova uzstāšanās Londonā demons-trēja līdzīgu aparātu radiosignālu uztveršanai. Pēc patenta saņemšanas 1896. gadā Markoni turpināja pētījumus par bez-vadu sakaru ieviešanu uz sauszemes un ūdeņiem. Anglijā šim nolūkam īpaši tika nodibināta firma “Wiraless Telegraph and Signal”. Darba rezultāti ātri lika sevi manīt.

1899. gadā pirmo telegrammu nosūtīja pāri Lamanša jūras šaurumam, un ziņu noraidīšanas attālums sasniedza 100 km. Jau pēc gada radiosakaru attālums bija 1000 km. Bezvadu te-legrāfa pirmais ziņojums no Anglijas pāri Atlantijas okeānam sasniedza Ņūfaundlendu ASV 1901. gada 12. decembrī. Tiesa tas bija īss un sastāvēja no morzes ābeces “S” burta, ko veido trīs īsi signāli “•••”.

Tūlīt pēc tam pavērās ceļš straujai radiosakaru attīstībai. 1904. gadā radioaparātā tika iemontēta angļu elektroinže-niera Džona Fleminga izgudrotā vakuuma elektronu diode. To izmantojot, varēja “iztaisnot” maiņstrāvu, un zuda ne-pieciešamība gatavot lielas galvanisko elementu baterijas. 1907. gadā amerikāņu radioinženieris Lī Forests, pārveidojot Fleminga diodi, izgatavoja pirmo elektriskās strāvas pastip-rinātājlampu — triodi. Pagāja 40 gadi un sākot no 1948. gada radioaparātos arvien paliekošāku vietu sāka ieņemt mazu izmēru pusvadītājierīces — pusvadītāju diodes un tranzis-tori. Ar laiku arī tās atdeva savu vietu vēl miniatūrākajām mikroshēmām.

20. gadsimta sākumā sabiedrība iepazina pirmās radiopār-raides. Pirmo reizi skaņu, kas “nākusi pa gaisu”, izdzirdēja ASV pilsētas Pitsburgas iedzīvotāji 1920. gada 2. septembrī. Un 1925. gada 1. novembrī ēterā atskanēja vārdi: “Runā Rīga!”.

Fiz12_02.indd 47 10/08/2007 14:39:28

48

Izveidosim maiņstrāvas ķēdi, saslēdzot virknē kondensa-toru un spoli. Uzlādēsim kondensatoru no līdzstrāvas avota un atvienosim to. Uz brīdi pieņemsim, ka maiņstrāvas ķēdes elementiem nav aktīvās pretestības un noskaidrosim, kas no-risinās ķēdē!

Uzlādējot kondensatoru, tā elektriskais lauks uzkrāj ener-ģiju WE. Noslēdzot elektrisko ķēdi, kondensators sāk izlādēties un caur spoli plūstošās izlādes strāvas stiprums pakāpenis-ki pieaug. Vienlaicīgi spolē pieaug magnētiskais lauks un tā enerģija WM. Tā tas turpinās līdz brīdim, kad kondensators ir izlādējies, bet strāva spolē ir sasniegusi maksimālo vērtī-bu. Turpmāk strāvas stiprums var tikai samazināties. Taču tā turpina plūst uz spolē uzkrātās magnētiskā lauka enerģijas rēķina, un kondensators atkal uzlādējas no jauna. Tā noslēdzas pilns kondensatora izlādes – uzlādes cikls.

Svārstības, protams, ātri norimst, jo kondensatorā uzkrātā enerģija aktīvās pretestības dēļ izkliedējas siltumā. Taču, sākotnēji to neņemsim vērā un aplūkosim, kā svārstībām būtu jānotiek tad, ja aktīvās pretestības nebūtu — ideālā gadījumā. Tāpēc zīmējumā aktīvā pretestība nemaz nav attēlota.

Šādā ideālā procesā pilnā enerģija — kondesatora elektriskā lauka un spoles magnētiskā lauka enerģiju summa WE + WM — nemainās.

2.8. att. Elektrisko svārstību cikls ideālā elektromagnētiskajā svārstību kontūrā. Attēloti momentānais spriegums u uz kondensatora klājumiem un momentānā strāva i, kas plūst caur spoli viena svārstību perioda laikā.

2.7. att. Paņēmiens, kā svārstību kontūrā ierosināt elektriskās svārstības. a) Vispirms svārstību kontūra kondensatoru uzlādē no līdzstrāvas avota, b) tad kontūru atvieno no līdzstrāvas avota un tajā sākas elektriskās svārstības.

2.1. Svārstību kontūrs

u = Um u = 0 u = Um u = 0 u = Um

i = 0 i = Im i = 0 i = Im i = 0

WE WM WE WM WE

a)

b)

Līdzīgas norises mums ir jau pazīstamas. Tā, piemēram, notiek ideāli elastīgai bumbiņai vertikāli atsitoties no tikpat ideāli elastīgas grīdas. Nokrītot bumbiņa zaudē augstumā uzkrāto potenciālo enerģiju un iegūst ar to vienlielu kinētisko enerģiju. Tās pietiek, lai bumbiņa uzlektu sākotnējā augstumā un krišana varētu sākties no jauna. Ja nebūtu berzes un pretestības spēku, sāktos bumbiņas nerimstošas svārstības. Tādas pat svārstības notiek ar atsperes vai diega svārstu, ja atsperei vai diegam piekārto ķermeni izvirza no līdzsvara stāvokļa.

T4

T2

34T T t0

iu

uC

L

I

CL

Fiz12_02.indd 48 10/08/2007 14:39:29

49

Mehāniskajās svārstībās lielums, kas svārstās, periodiski mainot savu vērtību no nulles līdz maksimālajai un atkal līdz nullei, ir ķermeņa novirze no līdzsvara stāvokļa, ko var izmērīt metros, centimetros vai citās garuma vienībās. No konden-satora un spoles sastāvošajā noslēgtajā maiņstrāvas kontūrā, kondensatoram periodiski izlādējoties un uzlādējoties, svārstās elektriskie lielumi — elektriskais lādiņš q un sprie­gums u uz kondensatora klājumiem, un arī spolē plūstošās strāvas stiprums i.

Šīs svārstības ir pieņemts saukt par elektriskajām svārstī­bām un pašu kontūru — par svārstību kontūru.

Ideāls svārstību kontūrs ir noslēgta elektriskā ķēde, kas sastāv no virknē savienota kondensatora un spoles.

Reālam svārstību kontūram, protams, piemīt arī aktīvā pretestība R, kuras dēļ brīvās elektriskās svārstības rimst, jo kontūrā izdalās siltums. Tāpēc, lai elektriskās svārstības uzturētu nerimstošas, kontūrā pastāvīgi ir jādarbojas “uzspie­dējspēkam”. Proti, ir jābūt ārējam enerģijas avotam, kas to nodrošina.

2.1. Izskaidro!a) Kādu elektrisko ķēdi sauc par svārstību kontūru?b) Kādas enerģijas pārvērtības notiek svārstību kontūrā?c) Kāpēc svārstību kontūrā svārstības nebeidzas tajā momentā,

kad kondensators pilnībā izlādējas?d) Svārstību kontūrā esošo spoli aizvieto ar rezistoru. Vai kontūrā

pastāvēs elektriskās svārstības?

2.9. att. a) Enerģijas pārvērtības diega svārstā viena perioda T laikā. h, v — ķermeņa pacelšanās augstuma un ātruma maksimālās vērtības.b) Enerģijas pārvērtības svārstību kontūrā viena perioda T laikā. Um, Im — sprieguma un strāvas stipruma maksimālās vērtības.

Ep = mgh Ek = mv2

2 Ep = mgh Ek = mv2

2 Ep = mgh

Um

CL

Im

lm

mm

l

mh

lm

hh

Im

Um

CL Um

CLLL

CC

t = 0 t = T4 t = T2 t = 34T t = T t

WE = CUm

 2

2 WM = L mI  2

2 WE = CUm

 2

2 WM = L mI  2

2 WE = CUm

 2

2

UZDE

VUM

Sa)

b)

v

Fiz12_02.indd 49 10/08/2007 14:39:29

50

Jau minējām, ka svārstību kontūrs, kurā kondensators no barošanas avota ir uzlādēts tikai vienu reizi, ilgi nedarbosies. Elektriskās svārstības ātri norims, jo reālā svārstību kontūrā no siltuma zudumiem izvairīties nevar. Tāpēc, lai iegūtu nerimstošas elektriskās svārstības, tās visu laiku ir jāģenerē no jauna — jāuztur nemainīgas. To panāk, svārstību kontūram raksturīgajā īpašfrekvences n0 ritmā no barošanas avota peri-odiski pievadot enerģiju.

Radioelektroniskajās ierīcēs darbojas svārstību kontūri, kuros nerimstošas svārstības uztur ar dažādu elektrisko shēmu palīdzību. Parasti shēmās kā elektronisku slēdzi, kas regulē enerģijas padevi, izmanto tranzistoru. Elektrisko enerģiju kontūram nodod, izman-tojot tā saukto induktīvo saiti. To jau iepazinām transformatora darbībā, kad enerģijas avota mainīgais elektrodzinējspēks primārajā tinumā inducē maiņspriegumu sekundārajā tinumā. Atliek tikai par transformatora sekundāro tinumu ņemt svārstību kontūra spoli.Viena no šādām shēmām, kas ģenerē nerimstošas svārstības redzama attēlā (2.??. att.).

2.10. att. Svārstību kontūrs caur induktīvo saiti saņem enerģiju un ģenerē uzspiestas nerimstošas svārstības.

2.2. Nerimstošas elektriskās svārstības

Tomsona formulaT = 2p LC

T — svārstību periodsL — spoles induktivitāteC — kondensatora kapacitāte

Līdzība starp mehāniskajām un elektriskajām svārstību sistēmām pastāv ne tikai enerģijas pārvērtībās, kā iepriekš noskaidrojām, bet arī tajā, ka katru svārstību sistēmu raksturo īpašfrekvence n0, ar kuru “svārsts vislabāk svārstās”. Īpašfrek-vences lielumu nosaka tikai pati svārstību sistēma. Piemēram,

diega svārsta īpašfrekvence ir n0 = 12π

gl , kur l — svārsta

garums un g — brīvās krišanas paātrinājums. Tieši ar šādu frekvenci sāk svārstīties garā auklā iesiets atsvars, ja to iešūpo.

Turpretī atsperes svārsta īpašfrekvence ir n0 = 12π

km , kur

k — atsperes elastības koeficients un m — atsperei piestipri-nātā ķermeņa masa.

Savukārt ideāla svārstību kontūra īpašfrekvenci — to, cik strauji tajā norisinās elektriskās svārstības — nosaka tikai kondensatora kapacitāte un spoles induktivitāte. Bez kon-densatora un spoles citu elementu kontūrā nav. Ja kondensa-tora kapacitāte ir C un spoles induktivitāte — L, tad svārstību kontūra īpašfrekvence

n0 = 12π LC

.

Zinot īpašfrekvenci n0, var noteikt sprieguma un strāvas svārstību periodu T = 1

n0 un ciklisko frekvenci w0 = 2pn0. Tā-

tad svārstību kontūrā elektrisko lielumu svārstību periodsT = 2p LC un cikliskā frekvence w0 = 1

LC . Šīs izteiksmes

dēvē par Tomsona formulām par godu angļu fiziķim Viljamam

Induktīvā saite

Svārstību kontūrs

U

CL

T

tT2

T

Fiz12_02.indd 50 10/08/2007 14:39:29

51

Tomsonam (lordam Kelvinam), kas pētīja ne tikai siltumpro-cesus (atgādināsim, ka absolūto temperatūru mēra kelvinos (K)), bet arī uzrakstīja elektrisko svārstību vienādojumu.

Svārstību kontūra īpašfrekvenci n0 iegūst no maiņstrāvas ķēdes R, L un C virknes slēguma sprieguma rezonanses nosacījuma. Kā noskaidrojām iepriekšējā nodaļā par maiņstrāvu, sprieguma rezonanse iestājas tad, ja virknes slēgumā induktīvā pretestība un kapacitīvā pretestība precīzi kompensē viena otru un XL = XC. Patiešām, tā kā XL = wL un XC = 1

ωC, tad vienādu pretestību gadījumā wL = 1

ωC. Vienādība var izpildīties tikai vienai noteiktai

cikliskajai (leņķiskajai) frekvencei w0 = 1LC

jeb lineārajai frekvencei n0 = 12π LC

. Tā arī ir īpašfrekvence.

2.2. Aprēķini!Cik liela ir svārstību kontūra pašsvārstību frekvence, ja konden­satora kapacitāte 200 pF un spoles induktivitāte 100 μH?2.3. Izskaidro!Svārstību kontūru veido kondensators, kas sastāv divām plāk­snēm, starp kurām ir gaiss, un spoles. Kā mainīsies kontūra svārstību periods, ja kondensatora plāksnes attālinās; ja spolē ievietos feromagnētiska materiāla serdi?

Skaņas viļņus gaisā izraisa stīga, kas svārstās. Ūdens virsma viļņojas, ja to iešūpo ūdenī iemests akmens, seismiskie viļņi rodas zemestrīces radītas pēkšņas zemes iežu nobīdes rezul-tātā. Kopējs šiem viļņiem ir tas, ka tos gan gaisā, gan ūdenī, gan cietā vielā izraisa ķermeņu svārstības. Svārstības notiek arī elektromagnētiskajā svārstību kontūrā. Tās ir elektrisko lie-lumu — lādiņa, sprieguma un strāvas stipruma — svārstības. Līdzīgi kā visas svārstības, arī šīs svārstības izraisa viļņus. Tos sauc par elektromagnētiskajiem viļņiem.

Spriegums un strāvas stiprums periodiski mainās pašā svārstību kontūrā. Spriegums svārstās starp kondensatora klājumiem, savukārt, strāvas stiprums — spoles vadā. Pašas par sevi ne sprieguma, ne strāvas stipruma svārstības nav elektromagnētiskais vilnis. Taču kondensatora sprieguma mai-nīšanās izraisa elektriskā lauka intensitātes

E svārstības starp kondensatora klājumiem, bet strāvas stipruma mainīšanās spoles tinumā — magnētiskā lauka indukcijas

B svārstības spolē un ap to. Rodas laikā mainīgi elektriskais un magnētis-kais lauki. Lai laikā mainīgie lauki varētu izplatīties apkārtējā

2.3. Elektromagnētisko viļņu iegūšana

2.11. att. Ilustrācija tam, kā pakāpeniski “atverot” svārstību kontūru, rodas elektromagnētisko viļņu antena.

a) b)

d)

c)

UZDE

VUM

I

e)

E

B

E

E

E

E

B

B

B

B

C

Fiz12_02.indd 51 10/08/2007 14:39:30

52

telpā, noslēgtais svārstību kontūrs ir jāatver — tas jāpārvērš par elektromagnētisko viļņu antenu.

Iedomāsimies, ka svārstību kontūra kondensatora klāju-mus atver līdzīgi kā rieksta čaumalas, pavēršot pretējos virzie-nos. Tad kontūrs kļūst vaļējs — no pozitīvā klājuma izejošās un negatīvajā klājumā ieejošās elektriskā lauka intensitātes līnijas aptver vaļējo kontūru un izplatās telpā. Kontūrā ir arī spole, kuras iekšienē koncentrējas magnētiskais lauks. Izstiep-sim spoles vadu taisni! Kas tad notiek ar spoles magnētisko lauku? Tagad magnētiskā lauka indukcijas līnijas aptver vadu un, līdzīgi kā elektriskā lauka līnijas, izklīst apkārtējā telpā.

Teiktais, protams, ir iedomāta procedūra. Taču tā mēs va-ram iztēloties izveidotu vaļēju kontūru — antenu, kas telpā izstaro laikā mainīgu elektrisko un magnētisko lauku. Šāda antena būtībā ir vadītāja “stienītis”, kura galos, līdzīgi kā uz kondensatora klājumiem, elektriskais lādiņš periodiski maina zīmi. Vienlaikus pa antenas stienīti šurpu–turpu plūst mainīga elektriskā strāva. Atceroties, ka divus pēc lieluma vienādus, bet pretēju zīmju elektriskos lādiņus, ja tie atrodas kādā attā-lumā viens no otra, sauc par elektrisko dipolu, mūsu antena arī veido šādu dipolu. Tikai antenas dipols periodiski maina polaritāti.

2.4. Izskaidro!a) Vai skaņa ir elektromagnētisks vilnis?b) Cilvēks neuztver radioviļņus. Kā var konstatēt, ka telpā ir

radioviļņi?

Antenas izstarotie elektriskais lauks

E un magnētiskais lauks

B, izrādās, ir savstarpēji saistīti. Lauki nepastāv viens bez otra, un abi kopā izplatās kā elektromagnētiskais vilnis. Kas ir elektromagnētiskais vilnis? Lai to noskaidrotu, atgādināsim galvenās viļņu īpašības.

Kad runājam par viļņiem, parasti domājam par svārstībām, kas izplatās kādā vidē — gaisā, ūdenī, cietvielās. Tā, piemēram, uz ūdensklaja virsmas varam novērot skrejošus pacēlumus un ieplakas. Par to, ka skaņa gaisā izplatās kā gaisa sablīvē-jumu un izretinājumu vilnis, jau nākas iztēloties, jo skaņas vilnis pats nav redzams — to iepazīstam pēc tā izraisītajām sekām — skaņu mēs dzirdam.

Vēl nepateicīgākā situācijā nokļūstam, vēloties ieraudzīt elektromagnētiskos viļņus. Arī tie nav redzami, izņemot re-dzamo gaismu, kas arī ir elektromagnētiskie viļņi. Bet arī tad mēs taču redzam attēlus, krāsas un apgaismotas vietas, bet ne-vis telpā skrejošas elektrisko un magnētisko lauku svārstības.

Izmantosim elektromagnētisko viļņu raksturošanai visus tos pašus lielumus, ko pazīstam mehāniskiem viļņiem. Viens no jebkuru vilni raksturojošiem lielumiem ir viļņa fronte. Viļņa

2.4. Elektromagnētiskais šķērsvilnis

2.12. att. Elektromagnētisko viļņu ante­na — laikā mainīgs elektriskais dipols. Ap to veidojas savstarpēji saistīti elektriskais un magnētiskais lauki, kas izplatās telpā. Attēlos a) un b) parādīts, kā ik pēc pus­perioda mainās antenas lādiņu un tajā plūstošās strāvas polaritāte.

UZDE

VUM

S

a)

b)

E

B

E

B

Fiz12_02.indd 52 10/08/2007 14:39:30

53

frontes virsma ir plakne, uz kuras viļņa mainīgais lielums, kas svārstās, ir sasniedzis kādu noteiktu lielumu. Piemēram, vislielākais gaisa blīvums, ūdens pacēlums viļņa galotnē.

Šādas frontes seko cita citai, skrejot ar viļņa izplatīšanās ātrumu

v. Tāpēc, ja zīmējam viļņa frontei perpendikulāru līniju, tā norādīs viļņa izplatīšanās virzienu. Līdzīgi esam to pieraduši darīt gaismai, attēlojot gaismas izplatīšanos pa gaismas stariem.

Vides daļiņu kustība mehāniskajā vilnī mēdz notikt vai nu viļņa izplatīšanās virzienā — šurpu, turpu (garenvilnis), vai arī perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam — augšup lejup (šķērsvilnis). Gaisa blīvuma svārstības notiek skaņas iz-platīšanās virzienā, tāpēc skaņa gaisā izplatās kā garenvilnis. Turpretī ūdens virsmas svārstības veido šķērsvilni.

Elektromagnētiskajā vilnī tie lielumi, kuru vērtības svār-stās, ir elektriskā lauka intensitātes vektora

E vērtība un mag-nētiskā lauka indukcijas vektora

B vērtība. Šie abi vektori vienmēr svārstās viļņu frontes plaknē, paliekot perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam.

Elektromagnētiskais vilnis ir šķērsvilnis. Elektromag­nētiskajā vilnī elektriskā lauka intensitātes vektors

E un magnētiskā lauka indukcijas vektors

B ir vērsti perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam.

Pie tam — svārstoties viļņa frontes plaknē, elektriskā lauka in­tensitātes un magnetiskā lauka indukcijas vektori

E un

B ir savstar­pēji perpendikulāri. Turklāt abu vektoru moduļu maiņa notiek takts taktī — tie svārstās vienādās fāzēs. Proti,

E un

B vektoru moduļi katrā svārstību pusperiodā vienlaikus sasniedz mak-simālās vērtības un atkal kļūst vienādi ar nulli.

Vilni, kurā mainīgā lieluma svārstības norisinās tikai ar vienu, nemainīgu frekvenci, sauc par monohromatisku vilni. Tā, piemēram, monohromatisks ir skaņas vilnis, ko izraisa toņdakšas “la” toņa svārstības ar 440 Hz frekvenci.

2.14. att. Tā kādā laika momentā var attēlot elektromagnētisko vilni, kas izplatās x ass virzienā. Attālums starp divām viļņa frontēm, uz kurām atkārtojas vektoru

E un

B virziens un moduļi, ir viļņa garums l. Viļņa garums l = vT ir viļņa frontes veiktais attālums perioda laikā T.

2.13. att. Ilustrācija tam, kā pakāpeniski di­pola antenas radītais elektromagnētiskais vilnis izplatās telpā ap antenu.

E

B

I

I

B

E

B

E

B

E

B

Plakne, kurā svārstās elektriskā lauka intensitātes vektors

E

Plakne, kurā svārstāsmagnētiskā laukaindukcijas vektors

B

Viļņa izplatī-šanās virzienspa x asi

Antena

l

l

E

E

B

B

B

E

n0 X

Fiz12_02.indd 53 10/08/2007 14:39:31

54

2.16. att. Latvijā televīzijas pārraidēs iz­manto elektromagnētiskos viļņus, kuru elektriskais lauks

E svārstās horizontālā plaknē. Tādēļ arī uztvērējantenas jānovieto horizontāli.

2.5. Elektromagnētisko viļņu ātrums

Kā jau noskaidrojām, arī svārstību kontūrā elektriskās svār-stības notiek ar vienu, kontūram raksturīgu īpašfrekvenci n0, ko nosaka pēc Tomsona formulas. Tāpēc antena, kas saistīta ar svārstību kontūru, izstaro monohromatisku elektromagnē-tisku vilni, kura frekvence ir n0.

Monohromatiskajā elektromagnētiskajā vilnī attālumu starp divām viļņa frontēm, kurās

E un

B svārstības notiek vienādās fāzēs, sauc par viļņa garumu l. Tas ir attālums, kurā vektori

E un

B atkārto savus virzienus telpā un sasniedz mak-simālās vērtības. Elektromagnētiskā viļņa periodu T un viļņa garumu saista sakarība l = vT, kur v — viļņa izplatīšanās ātrums. Šo viļņa garuma formulu var uzrakstīt arī, izmantojot frekvenci n, jo n = 1T . Šādā gadījumā l = vn.

2.5. Aprēķini!a) Latvijas radio 1. programmas pārraides frekvence ir 90,7 MHz.

Vilnis izplatās ar gaismas ātrumu. Cik liels ir viļņa garums? b) Pēc starptautiskās vienošanās kuģi avārijas gadījumā SOS

signālus sūta, izmantojot 500 kHz frekvenci. Cik liels ir šī viļņa garums?

2.6. Izskaidro!Kāpēc antena, kas uztver elektromagnētiskos viļņus, ir jāorientē elektriskā lauka svārstību plaknē?

Elektromagnētiskie viļņi izplatās gan vielās, gan arī tuk-

šumā. Tā ir viena no galvenajām atšķirībām starp mehānis-kajiem un elektromagnētiskajiem viļņiem. Mehāniskie viļņi ir vielas daļiņu kopējas, saskaņotas svārstības. Tukšumā, kur nav vielas, nepastāv arī mehāniskie viļņi. Skaņa, piemēram, vakuumā neizplatās.

Elektriskais un magnētiskais lauks pastāv arī vakuumā. Tāpēc vakuumā izplatās arī elektromagnētiskie viļņi — Zeme

l = vnn — viļņa svārstību frekvencel — viļņa garumsv — viļņa izplatīšanās ātrums

2.15. att. Stāvot kādā punktā x0 , viļņa ceļā var “ieraudzīt” garām skrejoša elektromagnē­tiskā viļņa secīgas frontes. Laiks, pēc kura atkārtojas vektoru

E un

B virziens un moduļi, ir viļņa periods T. Var teikt arī, ka perioda laikā viļņa fronte noiet attālumu, kas vienāds ar viļņa garumu l = vT.

Elektromagnētiskā viļņa frontes

Stars, pa kuru izplatās

elektromagnētiskais vilnis

UZDE

VUM

I

x0

v

v

v

v

E

E

E

E

B

B

B

B

T

t

T

Antena

n0

2 11 2

Fiz12_02.indd 54 10/08/2007 14:39:32

55

saņem Saules siltumstarojumu, Kosmosā var pārraidīt radio-signālus, mēs redzam zvaigžņoto debesi. Tādu piemēru ir daudz.

Vakuumā elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums ir lielākais no iespējamajiem ķermeņu kustības vai viļņu izpla-tīšanās ātrumiem dabā. Tā kā redzamā gaisma arī izplatās kā elektromagnētiskais vilnis, tad var teikt, ka ātrāk par gaismu tukšā telpā nepārvietojas nekas. Gaismu, kas izplatās tukšu-mā, neviens nevar ne panākt, ne no tās aizbēgt.

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā ir viena no vissvarīgākajām fizikas konstantēm.

c = 299 579 278 m/s jeb c ≈ 3 ∙ 108 m/s

SI vienībās elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātru-

mu vakuumā aprēķina pēc formulas c = 10 0ε m , kur elektris-

kā konstante ε0 ≈ 8,85 ∙ 10–12 F/m un magnētiskā konstanteµ0 = 4p ∙ 10–7 H/m ≈ 1,26 ∙ 10–6 H/m. Patiešām, ievietojot šīs vērtības gaismas ātruma formulā, iegūst, ka c ≈ 3,0 ∙ 108 m/s.

Kad elektromagnētiskais vilnis izplatās kādā nepārtrauktā vidē, piemēram, Zemi aptverošajā atmosfēras gaisā, tā izpla-tīšanās ātrums kļūst mazāks nekā vakuumā. Ne visās vielās elektromagnētiskie viļņi izplatās vienlīdz labi. Vielas, kas ir labi elektrības vadītāji, elektromagnētiskos viļņus vairāk ab-sorbē nekā laiž cauri.

Elektromagnētiskajiem viļņiem caurspīdīgas vielas parasti ir labi dielektriķi, kuru elektriskās īpašības raksturo relatīvā dielektriskā caurlaidība ε. Tieši šīs konstantes lielums ietekmē elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu, un tas kļūst

ε reizes mazāks nekā vakuumā. Tāpēc šādās vielās elektro-magnētisko viļņu ātrumu nosaka pēc formulas v = 1

0 0εε m ,

ko var uzrakstīt arī v = cε , kur c — viļņa izplatīšanās ātrums

vakuumā.

Gaismas viļņiem lielumu n = ε sauc par gaismas laušanas koeficientu, tāpēc caurspīdīgā vidē gaismas izplatīšanās ātrumu izsaka ar formulu v = cn . Un tā kā n > 1, tad šajā vidē ātrums v < c.

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vidēv = c

n ir mazāks nekā vakuumā n = ε reizes, kur ε — vielas relatīvā dielektriskā caurlaidība.

Elektromagnētisko viļņu ātruma samazināšanās dielek-triskā vidē var izrādīties pavisam neliela. Piemēram, sausa gaisa relatīvā dielektriskā caurlaidība ļoti maz atšķiras no viena (ε ≈ 1,0006). Tāpēc ar lielu precizitāti var pieņemt, ka elektromagnētisko viļņu ātrums gaisā neatšķiras no ātruma vakuumā, ko tā arī daram daudzu uzdevumu risināšanā.

Fiz12_02.indd 55 10/08/2007 14:39:32

56

Ir tā, ka vielas relatīvā dielektriskā caurlaidība nav gluži nemainīga. Tā mainās atkarībā no elektromagnētiskā viļņa garuma l (jeb viļņa svārstību frekvences n). Tāpēc arī dažāda viļņu garuma elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumi v = c

ε jeb v = cn izrādās atšķirīgi.

Sevišķi būtiski tas kļūst augstas frekvences elektromagnētiskiem viļņiem, piemēram, gais-mai. Šo parādību dēvē par viļņu dispersiju, kas ir daudzu optisko parādību cēlonis.

2.7. Izskaidro!a) Kā mainās elektromagnētiskā viļņa frekvence, tam pārejot no

gaisa ūdenī? Kā mainās viļņa garums?b) Gaismas ātrums ir ļoti liels. Kāpēc tomēr gaisma neparādās

tieši tajā momentā, kad ieslēdz gaismas slēdzi?

Elektromagnētisko viļņu frekvence ir atkarīga no tā, kāda antena viļņus izstaro. Ļoti zemas frekvences viļņiem, ko apkārtējā vidē izstaro rūpnieciskās maiņstrāvas līnijas, svār­stību frekvence ir tikai 50 Hz. Ar tādu frekvenci, kā zināms, līnijās svārstās maiņstrāvas spriegums un strāvas stiprums. Izmantojot GSM mobilos telefonus, sarunas tiek pārraidītas ar elektromagnētiskajiem viļņiem, kuru frekvence ir 900 MHz un 1800 MHz. Bet radioaktīvo atomu kodolu emitētajā gam-ma (g) starojumā, kas arī ir elektromagnētiskie viļņi, svārstību frekvence sasniedz 1020 Hz un vairāk.

Salīdzināsim šos piemērus — tajos frekvenču diapazons ir deviņpadsmit decimālās kārtas no 5 ∙ 101 līdz pat 1020! Sa-gaidāms, ka tik atšķirīgu frekvenču svārstībām ir arī tikpat atšķirīgas īpašības. Šīs īpašības izpaužas gan elektromagnētis-ko viļņu mijiedarbībā ar vielu, gan viļņu uztveršanas iespējās un izmantošanā.

Svārstību frekvence n ir tikai viens no lielumiem, pēc kura “sakārtot” elektromagnētiskos viļņus. Otrs lielums, kas tāpat raksturo vilni, ir viļņa garums l. Zinot frekvenci n, viļņa ga-rumu aprēķina pēc formulas l = v

n, kur v ir viļņa izplatīšanās ātrums. Piemēram, maiņstrāvas līnijas izstaroto elektromag-nētisko viļņu garums l aptuveni ir 6000 km. Šādā vilnī elek-triskā lauka intensitātes

E un magnētiskā lauka indukcijas

B vērtību atkārtošanos ik pēc viļņa garuma l varētu konstatēt tikai tad, kad vilnis būtu šķērsojis teju vai visu Eiropas konti-nentu. Iztēloties šādu vilni ir pagrūti.

Viļņiem, ko novērojam uz ūdens virsmas, viļņa garums ir mērāms metros un centimetros. Elektromagnētiskos viļņus ar tādu viļņa garumu izstaro TV un radioraidītāju antenas. Piemēram, mobilā telefona raidītāja (900 MHz, 1800 MHz) izstarotā viļņa garums ir aptuveni 30 cm vai 15 cm. Savukārt, aprēķinot atoma kodola izstarotajam gamma starojumam atbilstošo viļņa garumu, iegūst, ka tas ir tikai l ≈ 10–11 m. Ir visai pagrūti iztēloties paņēmienu, ar kuru varētu novērot elektriskā un magnētiskā lauka svārstību atkārtošanos šādā attālumā, kas samērojams ar atoma diametru.

Radioviļņi, mikroviļņi

Gaismas viļņi

g starojums

2.17. att. Dažādu viļņa garumu elektro­magnētisko viļņu antenu salīdzinājums.

2.6. Elektromagnētisko viļņu skala

l ≈ 10–13 m

l ≈ 10–7 m

l ≈ 1 m

UZDE

VUM

S

Svārstībukontūrs

Atoms

Atoma kodols

l

l

l

l

l

l

Fiz12_02.indd 56 10/08/2007 14:39:32

57

Raugoties uz visu šo elektromagnētisko viļņu lielo dažā-dību, lietderīgi tos sakārtot diapazonos, dodot diapazoniem atpazīstamus nosaukumus. Lai gan uzreiz saprotams, ka šāds sakārtojums ir visai nosacīts, bez krasi izteiktām diapazonu robežām. Arī diapazonu nosaukumi mēdz pārklāties, atkarībā no tā, ko mēs par dotajiem elektromagnētiskajiem viļņiem vēlamies pateikt.

Liels frekvenču apgabals, kam atbilstošie viļņa garumi mērāmi sākot no kilometriem (103 m) līdz pat milimetriem (10– 4 m), bieži tiek saukts vienā kopējā vārdā par radioviļ­ņiem. Uz Zemes šo viļņu ģeneratori ir dažādas radiotehniskās un elektroniskās ierīces. Viena no nozīmīgākajām šo viļņu izmantošanas sfērām ir sakaru uzturēšanas un informācijas apmaiņas tehnoloģijas (radio, TV, mobilie un kosmiskie sakari, navigācija).

Frekvencei palielinoties un viļņa garumam atbilstoši sa-mazinoties, uz skalas aiz radioviļņiem iezīmējas diapazons, ko dēvē par gaismas viļņiem. Šajā diapazonā atrodas mums ļoti nozīmīgs elektromagnētisko viļņu veids — redzamā gaisma, kuru spēj uztvert mūsu acis. Gaismas viļņus, kuru viļņa garumi ir robežās no apmēram milimetra (10 –3 m) līdz metra simtmiljonajai daļai (10 –8 m), izstaro vielu atomi un molekulas. Tās ir sava veida mikroantenas, kurās svārstības norit ar neaptverami augstām frekvencēm. Gaismas viļņus, kuru viļņa garums ir lielāks nekā redzamajai gaismai, sauc par infrasarkano starojumu (IS) jeb siltuma stariem. Savukārt, viļņa garumam kļūstot mazākam, redzamā gaisma pāriet ul­travioletajā starojumā.

2.18. att. Elektromagnētisko viļņu skala.

Te būs elektromagnētisko viļņu skala!

Fiz12_02.indd 57 10/08/2007 14:39:32

58

Noslēdzošais elektromagnētisko viļņu skalas apgabals sā-kas ar rentgenstarojumu (Rhg) jeb rentgenstariem, ko izsta-ro gan vielas atomi, gan atomu kodoli. Tas, savukārt, pāriet gamma starojumā, ko emitē atomu kodoli. Jāpiebilst, ka gan rentgenstarojumam, gan vēl jo vairāk gamma starojumam, to superaugstās frekvences dēļ piemīt liela enerģija. Dabiskie rentgenstarojuma un gamma starojuma avoti uz Zemes veido radioaktīvā starojuma fonu, pie kura dzīvā daba savā evolū-cijā ir pielāgojusies. Turpretī šo starojumu izraisošās iekārtas, piemēram, medicīnā lietotās rentgena iekārtas un enerģētikā izmantotie kodolreaktori, prasa rūpīgu aizsardzību.

2.8. Aprēķini!Lai veiktu astronomiskos pētījumus, ar dažāda veida teleskopiem uztver radioviļņus, infrasarkano, redzamo, ultravioleto un rent­genstarojumu. Cik lieli viļņa garumi atbilst katram starojuma veidam? 2.9. Izskaidro!a) 1887. gads un Heinrihs Hercs; 1895. gads un Vilhelms Rent­

gens; 1901. gads un Guljemo Markoni. Ar ko ievērojami šie gadi un cilvēki?

b) No kāda avota cilvēks visbiežāk saņem ultravioleto staroju­mu?

c) Kāda viļņa garuma starojumu vienlaikus izmanto radiolokā­cijā un kulinārijā? Kā sauc šo starojumu?

Elektromagnētisko viļņu skalā lielu tās daļu aizņem radio­viļņi. Ja tos iedala diapazonos pēc viļņa garumiem l, tad lielos vilcienos var norādīt galvenās to izmantošanas jomas. Garie, vidējie, īsie un ultraīsie radioviļņi nodrošina radiosakarus. Sabiedriskās televīzijas signālus galvenokārt pārraida ar metru un decimetru radioviļņiem, savukārt centimetru un milimetru radioviļņi tiek izmantoti radiolokācijā.

2.7. Radiosignāla pārraide un uztveršana

2.19. att. Radioraidītāja darbība: 1) skaņas svārstības pārvērš zemfrekvences elektriskajās svārstībās, ko pastiprina zemfrekvences pastiprinātājs (ZP); 2) modulators (M) ar zem­frekvences svārstībām modulē augstfrekvences ģeneratora (AĢ) radītās svārstības, ko iepriekš pastiprina augstfrekvences pastiprinātājs (AP); 3) modulētās augstfrekvences svārstības telpā kā radiovilni izstaro raidītāja antena.

UZDE

VUM

I

ZP M

AP

AĢ

Skaņas vilnis

Radiovilnis1 2 3

Raidītājaantena

Fiz12_02.indd 58 10/08/2007 14:39:35

59

Noskaidrosim galvenos fizikālos principus, kā radioviļņi tiek izmantoti informācija pārraidei.

Acīmredzot vispirms ir jāpanāk, lai radioviļņu svārstībās, kas ar gaismas ātrumu izplatās telpā, būtu iekodēta pārrai-dāmā informācija. Kā piemēru izmantosim skaņas pārrai-di — aplūkosim radioraidītāja un radiouztvērēja darbību.

Kā zināms, dzirdamo skaņu, ko uztver mūsu ausis, pārnes skaņas vilnis. Tāpēc vispirms ar dzirdamo skaņu jāiesvārsta mikrofona membrāna un pēc tām membrānas mehāniskās svārstības jāpārvērš elektriskajās svārstībās, kuras šajā ga-dījumā sauc par zemfrekvences svārstībām. Tieši ar to arī sākas jebkura raidītāja darbība.

Ko darīt tālāk ar šīm svārstībām, un kā tās pārraidīt telpā? Lai to panāktu, katrā raidītājā darbojas īpašs augstfrekvences svārstību ģenerators, kura ražotā un pastiprinātā maiņstrāva ierosina nerimstošas elektriskās svārstības raidītāja antenas kontūrā. Šo svārstību ierosināta, raidītāja antena izstaro vie-nas noteiktas frekvences radiovilni. To sauc par nesējvilni. Katrai radiostacijai ir sava nesējviļņa frekvence, piemēram, 107,2 MHz. Zinot nesējviļņa frekvenci un izmantojot radio-uztvērēja frekvenču skalu, var noregulēt radiouztvērēju tā, lai skanētu mūsu izvēlētā radiostacija. Taču nesējvilnis pats par sevi neko nepārraida un “neskan”.

Nesējvilnis nepieciešams tādēļ, lai vārda tiešajā nozīmē “nestu” mūs interesējošo informāciju, kuru radioraidītājs ie-kodē vilnī, izveidojot radiosignālu. Šo procesu sauc par mo­dulāciju.

Ir vairāki modulācijas veidi. Vienā no tiem, atbilstoši ska-ņas signāla vērtībai (virs vidējās — pozitīvai, zem vidējās —

2.20. att. Elektromagnētisko viļņu skalas radioviļņu diapazons.

2.21. att. Radioviļņu uztvērēja darbība: 1) radiovilnis uztvērēja antenā ierosina modulētas augstfrekvences svārstības; 2) detektors atdala informāciju saturošās zemfrekvences svārstības no nesējfrekvences; 3) pastiprinātās zemfrekvences svārstības nonāk skaļrunī un ierosina skaņas viļņus.

Izmantošanas joma Frekvenču joslas

Jūras navigācija 9 KHz — 535 KHzAM radiopārraides 535 KHz — 1700 KHz

Radiotelefoni 26,96 MHz — 2741 MHz

TV kanāli(2 līdz 6) 54 MHz — 88 MHz

FM radiopārraides 88 MHz — 108 MHz

TV kanāli(7 līdz 13) 174 MHz — 220 MHz

Mobilie telefoni SDMA 824 MHz — 849 MHz

Mobilie telefoni GSM 869 MHz — 894 MHz

Gaisa navigācija 960 MHz — 1215 MHz

GPS 1227 MHz — 1575 MHzMobilie telefoni PCS 1850 MHz — 1990 MHz

2.1. tab. Dažādās sakaru tehnikas jomās izmantotās frekvenču joslas.

Radiovilnis

1 2 3

Uztvērējaantena

Skaņasvilnis

30 000 m 3000 m 300 m 30 m 3 m 30 cm 3 cm 0,3 cm

10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz

Zemasfrekvences radioviļņi

Mikroviļņi

RadarufrekvenčujoslasFM radiopārraides

AM radiopārraides

Vidējasfrekvences radioviļņi

Augstasfrekvences radioviļņi

Superaugstasfrekvencesradioviļņi

Ultraaugstasfrekvencesradioviļņi

Ekstraaugstasfrekvencesradioviļņi

Ļoti zemasfrekvencesradioviļņi

Ļoti augstasfrekvencesradioviļņi

TV pārraides

ZPD

Fiz12_02.indd 59 10/08/2007 14:39:35

60

negatīvai), maina augstfrekvences svārstību amplitūdu, to atbilstoši palielinot vai samazinot. Tā ir tā sauktā amplitūdas modulācija jeb AM.

Var rīkoties citādi. Atbilstoši zemfrekvences (skaņas) svārs-tību momentānajam spriegumam maina nesējviļņa frekvenci, to gan paaugstinot, gan pazeminot. Tā ir frekvences modu-lācija jeb FM.

Garo, vidējo un īso viļņu raidītāji (viļņu garums no 10 m līdz 1000 m, kam atbilst frekvences no 300 kHz līdz 30 MHz) strādā AM režīmā, bet ultraīsviļņu raidītāji (viļņu garums ir mazāks par 10 m un frekvence lielāka par 30 MHz) raidī-tāji — FM režīmā. Katram no modulācijas paņēmieniem ir savas priekšrocības un trūkumi. Tā, piemēram, radioviļņi ar frekvenču modulāciju ir mazāk jutīgi pret atmosfēras radīta-jiem traucējumiem.

Radiofrekvenču diapazoni šodien tiek izmantoti visai blīvi, rodas aizvien vairāk jaunu raidītāju un katram no tiem tiek piešķirta sava noteikta frekvenču josla ∆n, kuras vidū ir nesējfrekvence n0. Frekvenču josla ∆n ir nepieciešama, lai dažādu raidītāju radiosignāli viens otru netraucētu. Lai varētu palielināt vienā teritorijā strādājošo raidītāju skaitu, ir jāsamazina relatīvais joslas platums ∆n/n0. To vieglāk ir panākt ultraīsviļņu diapazonā, lietojot frekvences modulāciju FM nekā, piemēram, garo viļņu diapazonā. Jo lielāka ir nesējviļņa frekvence, jo vairāk raidstacijas var ietvert noteiktā diapazonā.

Latvijā vairums komerciālo un valsts radiostaciju strādā FM režīmā arī tāpēc, ka tad pārraides kvaliāte ir labāka un pārraidīt var stereoskaņu, kas nav mazsvarīgi mūzikas klausī-tājiem. Turklāt nav nepieciešamas lielas raidītāju jaudas un ir mazāks elektroenerģijas patēriņš. Tiesa gan, šo raidītāju dar-bības rādiuss ir neliels un ārpus Latvijas tās nav dzirdamas.

Kas notiek, kad modulēto radiovilni uztver radiouztvērēja antena? Vispirms antenas svārstību kontūram “jāatšķir” vēla-mās raidstacijas nesējfrekvence no visām citām nesējfrekven-cēm. Otkārt, jāatjauno informāciju saturošās zemfrekvences svārstības. Pirmo uzdevumu uzreiz izpilda antenas svārstību kontūrs, kurā ir ierīce ar maināmu kapacitāti C. Mainot kapa-citāti, mainās kontūra pašsvārstību frekvence un iespējams kontūru noskaņot rezonansē ar pienākošā nesējviļņa frekven-ci n0. Līdz ar to kontūrā mūs interesējošā nesējviļņa svārstību amplitūda kļūst daudzkārt lielāka nekā citu raidstaciju ne-

2.23.att. Frekvences modulētas augst­frekvences svārstības. Augstfrekvences svārstību amplitūda paliek nemainīga, bet frekvence mainās skaņas svārstību ritmā.

2.22. att. Radiosignāla modulēšanas ilustrācija. a) Augstfrekvences ģeneratora harmoniskas svārstības ar frekvenci n0 un nemainīgu amplitūdu Um . b) Skaņas svārstībām atbilstošās zemfrekvences elektriskās svārstības ar mainīgu frekvenci n<<n0 un amplitūdu U0 .c) Amplitūdas modulētas augstfrekvences svārstības ar modulācijas koeficientu m = DU

Um

m. Augstfrekvences svārstību amplitūda mainās

skaņas svārstību ritmā.

2.24. att. Radiouztvērēja noskaņošana uz raidstacijas nesējviļņa frekvenci. Radiosig­nāla uztvērējā svārstību kontūru noskaņo rezonansē ar radioviļņa nesējfrekvenci. To paveic ierīce ar maināmu kapacitāti C.

Svārstību kontūra maiņkondensators

Amplitūda

U0

Amplitūda Amplitūda

LaiksLaiks

Laiks

U0

DUm

Um

Amplitūda

Laiks

L Cn0

Fiz12_02.indd 60 10/08/2007 14:39:36

61

sējviļņiem. Nākošais uzdevums ir restaurēt sākotnējo skaņas signālu, ievērojot modulatora veiktās izmaiņas nesējvilnī. Šo procesu sauc par detektēšanu, un to veic detektors. Pēc tam zemfrekvences svārstības novirza uz pastiprinātāju un skaļ-runi. Tādā veidā skaņa ir atjaunota, neatkarīgi no tās rašanās vietas un attāluma.

Svārstību detektora tehniskie risinājumi var būt dažādi. Tie radiotehnikas attīstībā ir mainījušies sākot no Markoni un Popova pirmajiem detektoruztvērējiem, pēc tam vakuuma lampu radiouztvērējiem līdz tranzistoru shēmām mūsdienās. Izmantojot pusvadītāju diodi vai tranzistoru, no nesējviļņa svārstībām var atstāt tikai pozitīvos vai negatīvos pusperi-odus, pārvēršot nesējvilni pulsējošā līdzstrāvā. Ja šo līdzstrāvu pievada lielas kapacitātes kondensatoram, katrs secīgs līdzstrāvas impulss to tikai nedaudz paspēj uzlādēt. Pieslēdzot šim kondensatoram zemfrekvences pastiprinātāja ieeju, kondensatoru tikpat lēni izlādē. Tā iegūst nogludinātu pulsējošās līdzstrāvas signālu, kas pēc formas ir līdzīgs sākotnējās saskaņas signālam. Signālu pastiprina, nodod skaļrunim, kas pārvērš to skaņas vilnī, un radiopārraidi var klausīties.

2.10. Izskaidro!a) Kāpēc radiosignāla pārraidē izmanto nesējvilni?b) Mobilie telefoni vienlaikus raida un uztver elektromagnētisko

starojumu. Kāda ir atšķirība mobilo telefonu un radiouztvērēju darbībā?

Radioviļņu avoti ir gan uz Zemes, gan arī ārpus tās — tu-vajā un tālajā Visumā. Uz Zemes radioviļņu avoti galvenokārt ir cilvēka roku radīti. Radioviļņus izstaro visu diapazonu un visur esošo radiostaciju (radio, TV, radionavigācijas, radiolo-kācijas u.c.) antenas. Arī daudzus dabā notiekošus procesus (negaisus, cunami, zemestrīces) bieži vien pavada radioviļņu impulsi.

Savukārt, ja minam elektromagnētisko viļņu avotus ārpus Zemes, tad tādi ir turpat vai visi debess ķermeņi — planētas, zvaigznes, miglāji, arī mūsu Saule. Visuma objektus mēs taču “redzam” tikai tāpēc, ka tie izstaro vai atstaro dažāda diapa-zona elektromagnētiskos viļņus, tai skaitā arī radioviļņus. Tikai ne visu viļņa garumu elektromagnētiskajam starojumam Zemes atmosfēra ir caurspīdīga.

2.25. att. Radiosignāla detektēšana. a) Uztvertā elektromagnētiskā viļņa izraisītā amplitūdas modulētā augstfrekvences maiņstrāva. b) Modulētā augstfrekvences maiņstrāva tiek “iztaisnota” — to pārvērš pulsējošā līdzstrāvā “nogriežot” pusperiodu. c) Iztaisnotās strāvas impulsus nogludina, pārvēršot skaņas signālam atbilstošās zemfrekvences svārstībās.

2.26. att. Modulēto augstfrekvences svārstību detektēšanu var panākt, iztais­nojot maiņstrāvas signālu ar pusvadītāju diodi un vidējojot jeb nogludinot pulsējošo līdzstrāvu ar kondensatoru. Tāpēc tālāk ZP un skaļruņa spolē nokļūst tikai modulēta strāvas signāla apliecēja. Un tās forma ir tāda pat, kā sākotnējam skaņas vilnim.

Detektora darbības shēma

Detektora ieejā Aiz diodes Aiz kondensatora

UZDE

VUM

S

2.8. Radioviļņu izplatīšanās ap Zemi

Amplitūda

Laiks

Amplitūda

Laiks

Amplitūda

Laiks

Zemfrekvencespastiprinātājs

C

Fiz12_02.indd 61 10/08/2007 14:39:36

62

Šeit interesēsimies tikai par tiem radioviļņiem, kuru avoti atrodas uz Zemes. Tad, ja radioviļņus raidošā antena un uz-tvērēja antena viena no otras atrodas tiešās redzamības zonā, radiosakaru nodibināšana ir acīmredzama — raidītāja un uz-tvērēja antenas saista radioviļņu stars. Tādā veidā nodrošina sakarus, piemēram, mobilā telefona raidītāji — no antenas līdz antenai un līdz zvanītājam no tuvākā antenas torņa. Taču, kā zināms, savstarpējus radiosakarus var nodrošināt pat tad, ja atrodamies zemeslodes pretējās pusēs.

Kā tas notiek? Pastāv divi veidi, kā izplatās radioviļņi uz Zemes un ap to. Vienā gadījumā radioviļņi nepaceļas augstāk par troposfēru un virzās gar zemeslodes liekto virsmu. Tas notiek tāpēc, ka pieaugot augstumam, samazinās gaisa blī-vums un līdz ar to palielinās radioviļņu izplatīšanās ātrums. Tā rezultātā radioviļņa fronte lūst un radiostars pakāpeniski noliecas lejup, sekojot zemeslodes izliekumam. Šos viļņus sauc par virsmas radioviļņiem, un to izplatībā nozīmīgas ir ne vien atmosfēras zemāko slāņu, bet arī zemeslodes virsmas īpašības.

Tā kā zemes virsma nav gluda, tad viļņi savā ceļā sastop visdažādākos šķēršļus — pakalnus, ieplakas, mežus, celtnes. Kā visiem viļņiem, arī radioviļņiem ir raksturīga difrakcija — spēja apliekties ap šķēršļiem, ja vien viļņa garums ir lielāks vai salīdzināms ar šķēršļa izmēriem. Tāpēc arī mēs varam uztvert radiosignālu pat šķietamā ēnas zonā, tur, kur tiešajam radio-staram it kā nemaz nevajadzētu nokļūt.

Virsmas radioviļņu izplatīšanās ir atkarīga arī no zemes virskārtas un lielo ūdenstilpņu elektrovadītspējas. Tā lielā mērā nosaka, cik tālu gar zemes virsmu spēj izplatīties radio-vilnis, līdz tas zaudē savu enerģiju un norimst. Jo vadītspēja ir lielāka, jo vilnis rimst mazāk un spēj aiziet tālāk. Gar jūru un okeānu ūdeņiem, mitrām augsnēm, līdzīgi kā pa vadī-tāja kabeli, virsmas radiovilnis var pārvietoties simtiem un tūkstošiem kilometru attālumā. Protams, šis attālums katrā konkrētajā gadījumā ir atkarīgs no daudziem citiem faktoriem, arī no viļņa garuma, diennakts un gada laika.

2.28. att. Virsmas viļņa veidošanās. Uz Zemes izstarots radiovilnis atmosfērā noliecas un iet gar Zemes virsmu.

2.27. att. Īso radioviļņu atstarošanās no jonosfēras.

v1 < v2 < v3

Jonosfēra

Klusuma zona

Dzirdamības zona

Dzirdamības zona

v 1

v 2

v 3

Troposfēra≈ 12 km

Fiz12_02.indd 62 10/08/2007 14:39:37

63

Cita radioviļņu izplatīšanās iespēja pastāv tad, ja tie sa-sniedz atmosfēras augšējos slāņus. Tad saka, ka veidojas telpas radiovilnis. Šo radioviļņu izplatīšanos ap Zemi nosaka jonosfēras īpašības. Jonosfēra sākas aptuveni 60 km ... 100 km augstumā virs zemes, un tās ļoti retinātie slāņi aizsnie-dzas līdz pat 500 km ... 1000 km augstumam. No dažādiem jonosfēras slāņiem īsie radioviļņi labi atstarojas un atgriežas atpakaļ uz zemes tālu no raidītāja. Turklāt tieši ap raidītāju var veidoties klusuma zona, kurā raidītāju nedzird. Jonosfēras struktūra un īpašības ir visai mainīgas un stipri atkarīgas no Saules aktivitātes, diennakts un gada laika. Taču galvenais, kas nosaka radioviļņu atstarošanos no jonosfēras, ir tās slāņu elektrovadītspēja. Un tā pastāv tāpēc, ka jonosfērā vienmēr ir daudz brīvo lādiņnesēju — elektronu un jonu.

Liela viļņa garuma radioviļņi parasti līdz jonosfērai neno-kļūst, jo tos absorbē zemākie atmosfēras slāņu. Bet ultraīsie viļ-ņi jonosfērai izrādās caurspīdīgi, un uz Zemes neatgriežas.

2.11. Izskaidro!a) Kāda atšķirība ir starp virsmas un telpas radiovilni?b) Kāpēc TV torņus visā pasaulē būvē augstus?c) Satelīttelevīzijas pārraides nodrošina radioviļņi, kuru frek­

vence ir 3 GHz līdz 20 GHz. Kāpēc izdevīgāk ir izmantot no ģeostacionāra satelīta saņemtu signālu nevis no jonosfēras atstaroto signālu?

Novērotie Visuma objekti izstaro radioviļņus, kuru viļņa garums ir sākot no 30 m (frekvence 10 MHz) līdz pat 0,3 mm (frekvence 1000 GHz). Galvenie uz Zemes uztverto radioviļņu avoti ir Saule, mūsu Galaktikas centrs, pārnovu (uzsprāgušo zvaigžņu) vietā palikušie miglāji, dažas citas galaktikas. Ne pārāk intensīvi, bet tomēr radioviļņus ģenerē arī Saules sistē-mas lielākās planētas Jupiters un Saturns.

Visu viļņa garuma elektromagnētisko starojumu, tātad arī radioviļņus, izmanto Visuma izpētē.

UZDE

VUM

S

2.9. Kosmiskais radiostarojums. Radioteleskopi

2.29. att. Zemes atmosfēra pilnīgi vai daļēji aborbē dažādu viļņu garumu elektromagnētisko starojumu, kas nāk no Visuma, un neļauj tam nonākt līdz Zemes virsmai. Tomēr Zemes atmosfērai ir caurlaidības logs redzamās gaismas diapazonā, kas nedaudz iesniedzas arī ultravioletajā diapazonā. Tāpat ir atsevišķas caurlaidības joslas infrasarkanajā diapazonā un caurlaidības logs radiodiapazonā. No astronomisko novērojumu viedokļa tas ir liels trūkums, jo, piemēram, novērojumus infrasarkanajā diapazonā iespējams veikt tikai augstu kalnos, kur absorbcija ir mazāka, bet novērojumus tālajā ultravioletā starojuma, rentgenstarojuma un gamma starojuma diapazonā iespējams veikt tikai kosmosā. Savukārt no bioloģisko būtņu pastāvēšanas viedokļa tas ir labi, jo īsviļņu radiācija, ja tā sasniegtu Zemes virsmu, kaitētu dzīvajiem organismiem, un pat tos iznīcinātu.

Necaurlaidība, %Caurlaidības logs radiodiapazonā Caurlaidības logs redzamās gaismas diapazonā

Atmosfēra ir necaurlaidīga Atmosfēra ir necaurlaidīga

100 m 1 m 1 cm 10 mm 100 nm100 mm 10 mm10 m 10 cm

0

100

Fiz12_02.indd 63 10/08/2007 14:39:37

64

2.33. att. Radioteleskopa darbības shēma.

Kosmisko objektu radiostarojumu šobrīd uztver ar radiote­leskopiem. Radioteleskopu priekšrocība, salīdzinot ar optis-kajiem teleskopiem, ir tā, ka ar tiem novērojumus var veikt gan dienā, gan naktī. Novērojumiem, kuros izmanto garos radioviļņus, netraucē arī mākoņu sega. Objektu “redzēt” īsajos viļņa garumos, diemžēl, var tikai skaidrā laikā, jo ūdens pilieni šos radioviļņus intensīvi absorbē. Par aizvien lielāku problē-mu kļūst mākslīgo radiotrokšņu avotu ietekme — sākot no mikroviļņu krāsnīm un beidzot ar sakaru pavadoņiem. Kaut arī radioastronomijai ir izdalīti speciāli frekvenču diapazoni, kuros citi nedrīkst lietot jaudīgus radioraidītājus, jo tajos satro kosmiskie avoti, nereti šī noruna tiek pārkāpta.

Radioteleskops darbojas līdzīgi kā satelīttelevīzijas uz-tvērējs, tikai radioskopa uztverošās antenas šķīvja izmērs ir daudz lielāks. Tam tā jābūt, jo kosmisko objektu radiosta-rojums ir ļoti vājš. Salīdzinot var minēt, ka grāmatas lapas pāršķiršanai jāpatērē daudz vairāk enerģijas nekā to uztver visi pasaules radioteleskopi kopā, kas pēta pulsārus — tālas zvaigznes, kuras staro īsus, regulārus radioimpulsus.

Pasaulē lielākā grozāmā radioteleskopa antenas diametrs ir 110 m. Šis radioteleskops atrodas Grīnbekā, ASV. Taču vēl lielāka, tikai nekustīga, 305 m liela antena ir radioteleskopam Aresibo, Puertoriko salā. Taču Čīlē, Atakamas tuksnesī, būvē vēl grandiozāku ierīci.

Radioteleskopa antenas paraboliskais reflektors atstaro un sakopo radioviļņus savā fokusā, kur atrodas superjutīgs uz-tvērējs. Tajā radioviļņi inducē elektrodzinējspēku, kas antenas kontūrā rada augstfrekvences strāvu. No antenas uztvērēja elektriskais signāls nonāk pastiprinātājā. Te uztverto signā-lu pastiprina un pārveido reģistrācijai ērtā formā. Signālus pieraksta un apstrādā ar datoriem, veidojot Visuma objektu radiostarojuma kartes.

Latvijā, Irbenē darbojas radioteleskops, kura reflektora dia-metrs ir 32 m. Irbenes radioteleskopa šķīvis ir pilnībā grozāms. To iespējams pavērst vajadzīgajā virzienā un sekot radioviļņu avotam, kad tas pārvietojas pie debesīm Zemes griešanās dēļ. Lai, teleskopam grozoties, reflektora virsma nedeformē-tos vairāk kā par dažiem milimetriem, to balsta liela, režģota konstrukcija. Pašā augšā, kur savienojas četri masti, atrodas

2.32. att. Visumā neliela daļa no galak­tikām izstaro spēcīgu radiostarojumu. Radiodiapazonā galaktikas izstaro vairāk enerģijas, nekā visas šīs galaktikas zvaig­znes kopā optiskajā diapazonā.

2.30. att. Dažāda viļņa garuma elektromag­nētiskā starojuma absorbcija atmosfērā.

2.31. att. Aresibo izdzisuša vulkāna krāterī ir iebūvēta radioleteskopa antena.

Radio

viļņi

Rent

gens

tari

Gam

ma

star

i

Infra

sark

anie

star

i

Redz

amā

gaism

a

Ultra

violet

ie st

ari

200 km

40 km

12 km

Kabelis

Antena

ReflektorsRadioviļņi

Uztvērējs Reģistrējošā iekārta

Fiz12_02.indd 64 10/08/2007 14:39:38

65

vēl viens, mazāks reflektors, kas atstaro radioviļņus uz leju. Antena atrodas „šķīvja” centrā redzamajā konusā. Telesko-pa reģistrējošās un vadības iekārtas atrodas radioteleskopa pamatnē. Ventspils Starptautiskā radioastronomijas centra zinātnieki ar šo radioteleskopu veic Saules un dažādu tālo kosmisko radioviļņu avotu pētījumus.

2.12. Izskaidro!a) Zemes atmosfērā esošais caurlaidības logs laiž cauri radiosta­

rojumu, kuru viļņa garums ir robežās no 10 mm līdz 10 m. Kāpēc līdz Zemei nenokļūst radioviļņi, kuru garums ir lielāks par 10 m un mazāks par 10 mm?

b) Kāpēc radioteleskopu izmēri ir daudz lielāki nekā optisko te­leskopu izmēri?

Radioviļņi, kuru viļņa garums mērāms dažos metros, de-cimetros vai centimetros, izplatās tikai tiešas redzamības ro-bežās. Tos radiotehnikā sauc par ļoti augstu (VHF), ultraaugstas (UHF), superaugstas (SHF) un ekstraaugstas (EHF) frekvences radioviļņiem. Vienā vārdā šos viļņus mēdz saukt arī par ul­traīsviļņiem. Tos, līdzīgi kā gaismas kūli, aiztur šķēršļi, lielākos attālumos tos absorbē atmosfēras gaiss vai ūdens. Taču viena no to izmantošanas priekšrocībām ir tā, ka tik augstas frekven-ces radioviļņu kūlī var koncentrēt pietiekami lielu enerģijas plūsmu pie relatīvi maziem antenas izmēriem.

Viļņa nestās enerģijas plūsmas blīvumu laika vienībā, ko mēra vatos uz kvadrātmetru (W/m2), nosaka starotāja antenas jauda. Taču ultraīsviļņus, protams, izmanto ne vien enerģijas plūsmu iegūšanai, kā tas notiek, piemēram, mikroviļņu krāsnī, ko izmanto ēdiena karsēšanai. Tajās īpašs augstfrekvences ģenerators — magnetrons — izstaro ultraīsviļņus, kuru viļņa garums l ≈ 12 cm (frekvence 2,45 GHz).

Ultraīsviļņus ļoti plaši izmanto arī sakaru tehnoloģijās.Televīzija, mobilie sakari un radiolokācija šobrīd ir plašāk pa-zīstamās sakaru sistēmas, kas strādā ultraīsviļņu diapazonā. Tā kā televīzijas signālam jāpārnes daudzkārt lielāka informācijas plūsma (skaņa un attēls) nekā radiosignālam (skaņa), tad te-levīzijas pārraides notiek tikai ultraīsviļņu diapazonā.

Lieta tā, ka katrai raidstacijai informācijas pārraidē nākas aizņemt noteiktu frekvenču joslu, un, jo pārraidāmais “kadrs” satur vairāk informācijas, jo šai joslai jābūt platākai. Televīzijas videosignāls satur informāciju par kustīgā attēla katru pun-ktu — apgaismojumu un krāsas toni — kuri katrā laika mo-mentā ir atšķirīgi. Tāpēc televīzijas pārraidēm nepieciešamās frekvences joslas platums ir ap 10 MHz. Turpretī tikai skaņas kanālam pietiek jau ar 10 KHz platu joslu.

Protams, ka šādā gadījumā arī nesējviļņa frekvencei jābūt pietiekami augstai — simtiem MHz. Tam atbilst antenas izsta-

UZDE

VUM

S

2.34. att. Radio un televīzijas tornis Rīgā, zaķusalā nodrošina plašas iespējas ne ti­kai televīzijas pārraidēm, bet arī pārraida gan Latvijas Radio, gan privāto sabiedrību veidotos radioraidījumus UĪV diapazonā.

2.10. Ultraīsviļņi. Televīzija. Radiolokācija

Fiz12_02.indd 65 10/08/2007 14:39:38

66

roto viļņu garumi robežās no apmēram 6 m līdz 30 cm. Tie ir viļņi, kuros notiek TV pārraides.

Tā kā televīzijas pārraides var uztvert tikai antenas tiešas redzamības zonā, nākas celt augstus TV antenu torņus. Pie-mēram, Rīgas televīzijas torņa augstums ir 368 m. Tas ir trešais augstākais televīzijas tornis Eiropā. Bet arī tad ultraīsviļņi ir tieši uztverami tikai Rīgā un tuvākajā apkārtnē. Līdz ar to nākas būvēt TV kanālu retranslācijas stacijas, ieviest kabeļte-levīziju un izmantot satelītu sakarus.

Cits ultraīsviļņu izmantošanas veids ir radiolokācija. Ar radiolokāciju nosaka attālumu līdz objektam, novēro tā pār-vietošanos un nosaka kustības ātrumu.

Radiolokāciju izmanto jūras un gaisa satiksmes navigācijā, astrofizikā debess ķermeņu kustības noteikšanai. Portatīvi radiolokatori, ar kuriem nosaka automašīnas kustības ātrumu, ir pat ceļu policijai.

Visu lokatoru darbības princips ir vienkāršs. Virzīts šaurs staru kūlis atstarojas no objekta virsmas, atgriežas uztvērējā un paziņo par tā klātbūtni. Lai konkrētais lokators efektīvi darbotos, jābūt tā, lai noraidītā impulsa viļņa garums l būtu mazāks par reģistrējamā priekšmeta izmēru. Pretējā gadījumā vilnis aplieks šķērsli un lokatora stars priekšmetu nepamanīs. Tāpēc radiolokatori izmanto radioviļņus, kuru viļņa garumi ir robežās no dažiem metriem līdz pat milimetriem (tā sauktos milimetru viļņus).

Radiālo attālumu r līdz priekšmetam lokators nosaka, zinot radioviļņu izplatīšanās ātrumu. Ja var uzskatīt, ka gaisā tas ir tuvs gaismas ātrumam vakuumā c, tad r = c tD

2 , kur ∆t — laiks starp lokācijas impulsa izstarošanu un atstarotā impulsa uztveršanu. Divas pārējās koordinātas, kas nepieciešamas, lai noteiktu punkta koordinātas telpā, ir azimuts a un augstums θ virs horizonta. Šīs koordinātas nosaka pats lokators, ja tā antena rotē horizontālajā un vertikālajās plaknēs.

Radiolokatorus izmanto arī dažādu objektu ātruma no-teikšanai. Radioviļņiem, tāpat kā visiem citiem viļņiem, piemīt īpašība mainīt frekvenci, atstarojoties no kustīgiem objektiem. Viļņa svārstību frekvence palielinās, ja objekts kustās pretī uztvērējam, bet samazinās — ja attālinās no tā. Šo parādību dēvē par Doplera efektu. Atcerēsimies Doplera efektu skaņas vilnim. Vilcienam pabraucot garām, tā svilpienu dzirdam ze-mākā tonī. Zinot lokatora izstarotā impulsa frekvenci n0 un

2.35. att. Radiolokatora kustīgā antena.

2.37. att. Ceļa malā stāvošā policijas ekipāža nosaka tuvojošos transporta līdzekļu ātrumu.

2.36. att. Radiolokators nosaka lidojošā objekta atrašanās koordinātas un izmēra tā kustības ātrumu.

2.38. att. Radioviļņu Doplera efektu izmanto ātruma noteikšanas ierīcēs.

n0

n0

n

n

n n0

n n0

v

v

QN

x

r

z

y

a

Q

Fiz12_02.indd 66 10/08/2007 14:39:40

67

salīdzinot to ar atstarotā impulsa frekvenci n, pēc frekvenču starpības ∆n = n – n0 var noteikt objekta ātrumu.

2.13. Izskaidro!a) Kāpēc radiolokācijā izmanto radioviļņus, nevis cita diapazona

elektromagnētiskos viļņus?b) Vai cilvēka veselībai var kaitēt ilgstoša uzturēšanās intensīva

mikroviļņu starojuma zonā?2.14. Aprēķini!a) 1961. gadā aizsākās Merkura izpēte ar radiolokācijas paņēmie­

nu. Raidītais signāls tika reģistrēts pēc 14 minūtēm. Cik tālu atradās Merkurs no Zemes eksperimenta veikšanas laikā?

b) Pirmo reizi no Mēness atstarotu radiosignālu uztvēra 1946. ga­dā. Cik ilgs laiks pagāja no signāla noraidīšanas līdz uztver­šanai, ja var pieņemt, ka attālums tajā brīdī starp Mēnesi un Zemi bija 380 000 km?

Lai varētu nodrošināt televīzijas raidījumu raidīšanu un uztveršanu dažādās zemeslodes vietās, kā arī lai nodrošinātu sakarus, mūsdienās aizvien plašāk izmanto Zemes mākslīgo pavadoņu jeb satelītu starpniecību.

Uz satelītiem novieto īpašus tehnisko ierīču komplek-sus, kuri raida un uztver superaugstas frekvences radioviļ-ņus (SHF). Šos sakaru satelītus ievada ģeostacionārajās orbītās 35 800 km augstumā, kur tie izvietojas zemeslodes ekvatoriā-lajā plaknē. Satelīts, atrodoties šādā orbītā un riņķojot Zemes rotācijas virzienā, vienu apgriezienu ap zemeslodi veic precīzi vienas diennakts laikā. Raugoties no Zemes, tas nekustīgi “ka-rājas” vienā un tajā pašā vietā. Ja uz šāda satelīta ir uzstādīta radioviļņus raidoša antena, tad tās izstarotie viļņi nepārtraukti “apgaismos” plašu zemeslodes teritoriju. Pietiek ar trim šā-diem pavadoņiem, kas orbītā nobīdīti ik pa 120°, lai to raidītie radioviļņi spētu aptvert gandrīz visu zemeslodi. No ekvato-riālās plaknes raidītais radiostars neskars tikai ziemeļpola un dienvidpola apkārtni.

2.11. Satelītu sakari. Globālās pozicionēšanas sistēmas

UZDE

VUM

I

2.39. att. Ģeostacionārā orbītā esošā satelīta raidītie ultraīsviļņi aptver gandrīz visu zemeslodi, izņemot ziemeļpola un dienvidpola rajonus.

RR0

Fiz12_02.indd 67 10/08/2007 14:39:40

68

2.40. att. Globālās pozicionēšanas sistēma. Tāda tā izskatītos plaknē, kad vajadzētu divus, nevis trīs pavadoņus, lai noteiktu atrašanās vietu.

2.41. att. Sakaru pavadoņu sistēmu NAVSTAR veido 24 satelīti, kas atrodas 6 dažādās orbītās, kas viena pret otru ir novietotas 60° leņķī. Katra pavadoņa masa ir 787 kg, izmērs apmēram 5 m (ieskaitot saules baterijas). Uz katra pavadoņa ir atompulkstenis, signālus kodējošā ierīce un raidītājs, kas izstaro radiovilni ar 1575,42 MHz lielu frekvenci (l ≈ 20 cm).

Eiropas kontinentā sakaru satelīti izmanto radioviļņus 2,3 cm ... 2,8 cm diapazonā. Tos uztver ar antenām, kas no-vietotas parabolisku šķīvju vidū, un šīs antenas tiek orientētas izmantotā sakaru satelīta virzienā.

Sakaru satelītus izmanto ne tikai televīzijas raidījumu pār-raidīšanai. Aizvien nozīmīgāka loma gan zinātnē, gan ikdienas dzīvē ir globālās pozicionēšanas sistēmai jeb GPS (Global Positioning System). Izrādās, ka precīzi zinot vairāku satelītu atrašanās vietu orbītā, kā arī tikpat precīzi fiksējot signāla uztveršanas laika momentus, var noteikt raidītāja koordinātas uz Zemes. Precīza koordināšu noteikšana ļauj pētīt gan tādas globālas problēmas kā zemeslodes kontinentu dreifu, gan precīzi veikt pavisam ikdienišķus zemes uzmērījumus un noteikt vietas augstumu virs jūras līmeņa.

Tikpat nozīmīgi ir sekot savai atrašanās vietai jūras vai gaisa navigācijā un pat braucot automašīnā. Turklāt šādas pozicionēšanas sistēmu precizitāte var sasniegt pat dažus centimetrus, kas zinātniskajos pētījumos ir svarīgi.

Globālās pozicionēšanas sistēmā vienlaikus darbojas vai-rāki desmiti satelītu, kas atrodas orbītās 20 200 km augstumā virs Zemes un to apriņķošanas periods ir apmēram 12 stundas. Satelīti izvietoti pa četriem sešās dažādās orbītas plaknēs tā, lai nodrošinātu vismas 4 līdz 8 satelītu vienlaikus “redzamību” jebkurā vietā un laika momentā uz Zemes. Katrs no tādiem satelītiem ir aprīkots ar 4 atomlaika standartiem (atompulk-steņiem), datoriem un raidītāju. Šo satelītu kustību un dar-bību kontrolē novērošanas stacijas uz Zemes, kas ir saslēgtas vienotā tīklā.

GPS pakalpojumu izmantotājam ir nepieciešams savs in-dividuāls GPS uztvērējs, kuru var novietot jebkurā transporta līdzeklī vai ielikt kabatā. Savas vietas koordinātu noteikša-na ar GPS notiek šādi. Visi satelīti regulāri raida impulsus uz Zemi. Kādā mirklī un kaut kur ieslēgts uztvērējs reģistrē radioviļņu impulsus vismaz no četriem, dažādās orbītās riņ-ķojošiem pavadoņiem. Trīs no tiem nepieciešami koordinātu noteikšanai. Piemēram, signāli tiek uztverti laika momen-tā t, taču no satelītiem tie izsūtīti dažādos momentos t1, t2 un t3. Ja šie laika momenti ir zināmi, tad zināmi ir arī attālumi no satelītiem līdz uztvērējam uz Zemes. Tie ir r1 = c|t – t1|,r2 = c|t – t2|, r3 = c|t – t3|, kur c ir radioviļņu (gaismas) iz-platīšanās ātrums. (Protams, ka precīzākās ierīcēs ievēro gan radioviļņa ātruma korekcijas, kas atkarīgas no atmosfēras stā-vokļa, gan hronometru iespējamo kļūdu, gan vēl daudzko citu). Atliek no satelītu vietām laika momentos t1, t2 un t3 no-vilkt sfēras ar rādiusiem r1, r2 un r3. Tad, acīmredzot, uztvērējs atrodas punktā, kurā uz Zemes virsmas krustojas šīs trīs sfēras. GPS uztvērējs, izmantojot ģeometriskas sakarības, aprēķina punkta koordinātas.

Ceturtā satelīta signāls nepieciešams laika kontrolei. Radio-viļņu lielā ātruma dēļ satelīta signāls 20 200 km lielo attālumu

r1 r2

t1 t2

t

Fiz12_02.indd 68 10/08/2007 14:39:41

69

2.42. att. GPS lietošana automašīnā.

līdz Zemei noiet sekundes desmittūkstošās daļas laikā. Tāpēc laiks jāmēra ļoti precīzi. Uz satelītiem ir novietoti savstarpēji sinhronizēti augstas precizitātes atomhronometri, kuri no-drošina laika mērīšanas precizitāti 10–9 s. Uz Zemes esošajā mobilajā uztvērējā hronometrs ir mazāk precīzs. Tāpēc arī tā gaitu pastāvīgi nākas koriģēt ar signālu no ceturtā satelīta.

2.14. Izskaidro!a) Kāpēc satelīttelevīzijas signālu uztveršana ir apgrūtināta

ziemeļpola un dienvidpola tuvumā?b) Izdomā paņēmienu, kā ar GPS palīdzību varētu sameklēt ap­

maldījušos cilvēku?

Globālā pozicionēšanas sistēma (GPS) jeb globālā navi-gācijas satelītu sistēma (GNSS) sastāv no trijām savstarpēji saistītām daļām — no satelītiem, kas riņķo ap Zemi, no sta-cijām, kas atrodas uz Zemes un kontrolē satelītu darbību, un lietotāju GPS uztvērējiem.

ASV Globālās navigācijas satelītu sistēma, kuras lietotāji ir arī Latvijas dienesti un iedzīvotāji, sastāv no 24 satelītiem. Šī sistēma ir izveidota vienlaicīgai mērījumu veikšanai jeb-kurā laikā momentā un jebkurā vietā uz Zemes. Katrā GPS satelītā uzstādītos atomlaika standartus vienlaicīgi kontrolē un koriģē datori un raidītāji no piecām kontrolstacijām, kas atrodas dažādās zemeslodes vietās. Lai tajā brīdi, kad informā-ciju pieprasīs kāds GPS lietotājs no Zemes, tai būtu vajadzīgā precizitāte. Šī precizitāte tiek nodrošināta, izmantojot arī ģeo-fizikālo GPS observatoriju mērījumus, ar kuriem precizē GPS izmantoto koordinātu sistēmu. Šādas observatorijas uz Zemes ir gandrīz divi simti, un viena no tām atrodas arī Latvijā. Rīgas GPS stacija uzsāka darbu 1995. gadā un pašlaik ir viena no labākajām šajā tīklā. Jāpiebilst, ka pašlaik top arī mūsdienīga Eiropas satelītu sistēma GALILEO.

2.43. att. Izmantojot globālās pozicionēšanas sistēmu darbojas daudzas transportlīdzekļu kontroles sistēmas. Tās ļauj nepārtraukti sekot transportlīdzekļu kustībai un drošībai.

UZDE

VUM

S

GPS un ģeodēzija

2.44. att. GPS lietotāji Latvijā uztver četru satelītu raidītos signālus.

Sakarupavadonis

GPS pavadonis

Īsziņas un mobilā telefona sarunas

Mobilo telefonu GSM pārklājums

Internets

Vadības centrā notiek transportlīdzekļu kustībasparametru automātiska uzskaite

Mobilā telefona vaisatelīttelefona

īsziņas

GPS pavadonis

GPSpavadonis

Noliktavas, ražošanas uzņēmumi

Transportlīdzekļu kustības laiku un atrašanās vietugan uz sauszemes,gan jūrā fiksēGPS pavadoņi

Īsziņu pakalpo-jumu centrs

Mobilā telefona vaisatelīttelefona īsziņas

Fiz12_02.indd 69 10/08/2007 14:39:42

70

Aizvien lielāku popularitāti GPS iegūst individuālo lieto-tāju vidū, jo, to izmantojot, piemēram, braucot ar automa-šīnu, var ātri orientēties nepazīstamā apvidū, precīzi atrast norādīto adresi pilsētā. Tomēr tautsaimniecībā nozīmīgākie GPS lietotāji ir speciālisti, kas strādā ar ģeodēziju, mērniecību, būvniecību un navigāciju saistītās nozarēs. GPS tehnoloģijas aizvien vairāk izmanto konkrētiem praktiskiem mērķiem ze-mes kadastra veidošanā, fotogrammetrijā, hidrogrāfijā, de-formāciju novērošanā un daudzviet citur.

Runājot par ģeodēziju kā lietišķu zinātni, tās uzdevumu izpildei ļoti nozīmīgi ir GPS iegūtie mērījumi. Tos izmanto, lai sekotu līdzi Zemes virskārtas kustībai. Daudzās pasaules un visās Eiropas valstīs ir uzstādītas un darbojas GPS pastāvīgās bāzes stacijas, kas nepārtraukti sūta savus datus kopējiem datu apstrādes centriem, kuros tiek rēķināts šo bāzes staciju savstarpējais stāvoklis un tas salīdzināts ar iepriekšējo stāvokli. Tas nozīmē, ka tiek nepārtraukti noteikts staciju savstarpējais stāvoklis ar Zemi saistītā koordinātu sistēmā. Šādas stacijas kalpo par pamatu vienotai koordinātu sistēmai visā pasaulē. Šo staciju uzturēšanu apkalpo un tajās iegūto mērījumu kop-sakarības pēta ģeodēzijas speciālisti.

Lai radītu pamatu vienotam koordinātu tīklam, tiek ierīkoti un nostiprināti ģeodēziskie punkti, kas aptver visu valstu te-ritorijas. Ģeodēziskie darbi ir notikuši jau agrāk. Kopš seniem laikiem ģeodēzistiem ir bijis vajadzīgs atskaites sākumpunkts, ko parasti saistīja ar kādas pilsētas ievērojamu vietu. Latvijas valsts pirmajos pastāvēšanas gados par tādu kļuva Pētera baznīcas torņa smaile. Vēlāk šis punkts tika pārnests uz torņa centrālās ieejas pamatos iebūvētu atzīmi. Šo atzīmi atjaunoja par godu Rīgas 800 gadu jubilejai. Tagad šīm koordinātām, protams, ir tikai vēsturiska nozīme. Šobrīd mūsu valsts ģeo-dēziskais tīkls sastāv no 20 līdz 25 tūkstošiem punktu. Lai būtu drošība par kopējo sistēmas stabilitāti, atsevišķos tīkla punktos nepārtraukti tiek veikti GPS novērojumi, kas sniedz gan praktiskas, gan zinātniskas nozīmes informāciju. Lai šos mērījumus varētu veikt, Latvijas teritoriju noklāj 18 stacionā-ras GPS stacijas, kas darbojas kopējā tīklā.

Globālās navigācijas satelītu sistēmas novērojumi kalpo par pamatu ne tikai vietas koordinātu noteikšanai, bet kom-binācijā ar datiem par Zemes gravitācijas lauku sniedz ziņas par vietas augstumu virs jūras līmeņa. Šādi vietas augstumu ir iespējams noteikt līdz viena centimetra precizitātei. Šādu datu iegūšana un to analīze ir globāls, daudzu valstu zināt-nieku kopīgi risināms uzdevums. Tāpēc zinātnisku projektu ietvaros ir izveidota Globālā ģeodēzijas novērošanas sistēma (GGOS). Tā seko līdzi Zemes rotācijas ass stāvokļa maiņai, at-sevišķu Zemes plātņu pārvietošanās procesiem un kontinentu dreifam, kas vidēji mērāmi ar kārtu viens līdz divi centimetri gadā. Šādas precizitātes mērījumi ir iegūstami tikai tad, ja ģeodēziskajos mērījumos izmantojo GPS.

2.47. att. Gravimetriskie mērījumi notiek arī Latvijā. Brīvās krišanas paātrinājuma vērtības uz zemeslodes virsmas nosaka gravimetriskais ģeoīds. Šajā kartē attēlotas paātrinājuma lokālās izmaiņas Latvijas teritorijā.

27 m152124 18

2.46. att. Atjaunotais ģeodēzoskais sā­kumpunkts Latvijā ir Pētera baznīcas torņa ieejas pamatos. Tā koordinātām B 56° 56’ 50.91232’’, L 24° 06’ 31.63497’’ tagad ir tikai vēsturiska nozīme.

2.45. att. Stacionārās GPS stacijas Lat­vijas teritorijā. No viena centra koordi­nētā staciju darbība kalpo kā atbalsta tīkls ģeodēziskajiem mērījumiem mūsu teritorijā.

Fiz12_02.indd 70 10/08/2007 14:39:43

71

Kopsavilkums1. Ideālu svārstību kontūru veido kondensators un spole. Uzlādējot kondensatoru, kontūrā sākas brīvas, nerimstošas elektriskās svārstības, kurās kondensatora elektriskā lau-ka enerģija periodiski pārvēršas spoles magnētiskā lauka enerģijā un pretēji.

2. Brīvu nerimstošu elektrisko svārstību lineārā frekvence ir n0 = 1

2π LC un svārstību periods T = 2p LC. Vaļējs elek-tromagnētisko svārstību kontūrs veido elektrisko dipolu, kas kā antena izstaro elektromagnētisko vilni.

3. Elektromagnētiskais vilnis ir šķērsvilnis. Tajā perpendi-kulāri viļņa izplatīšanās virzienam notiek elektriskā lauka intensitātes E un magnētiskā lauka indukcijas B svārstības. Elektromagnētiskajā vilnī

E un

B vektori svārstās vienādās fāzēs un ir savstarpēji perpendikulāri.

4. Elektromagnētiskā viļņa garumu l un svārstību periodu T saista sakarība l = vT, kur v ir elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums dotajā vidē.

Vakuumā v = c, kur c = 299 579 278 m/s ir absolūtā konstan-te ( c ≈ 3 ∙ 108 m/s ). Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā c ir vislielākais iepējamais ātrums dabā.

Vielā v = cn, kur n = ε , bet ε — vides relatīvā dielektriskā caurlaidība.

5. Dažādas izcelsmes elektromagnētiskos viļņus pēc to viļņa garuma l vai viļņa svārstību frekvences n sakārto elek­tromagnētisko viļņu skalā. Tajā izšķir trīs plašus viļņu diapazonus — radioviļņus, gaismas viļņus, rentgena un gamma starojumu.

6. Radioviļņus izmanto informācijas pārraidei ar gaismas izplatīšanās ātrumu praktiski neierobežotos attālumos.

7. Radioviļņi, kurus izstaro cilvēku radītas ierīces, izplatās ap Zemi un Kosmosā. Radioviļņu izplatīšanās īpatnības ap Zemi ir atkarīgas gan no viļņa garuma l, gan no atmosfēras dažādu slāņu īpašībām.

8. Radioviļņus izstaro arī Visuma objekti. Uz Zemes šo kos-misko radiostarojumu uztver ar radioteleskopiem.

9. Radioviļņus izmanto radiolokācijā, lai noteiktu ķermeņu attālumu un kustības ātrumu uz Zemes un Kosmosā.

10. Globālās pozicionēšanas sistēmās jeb GPS radioviļņus izmanto, lai ar lielu precizitāti noteiktu objektu koordinātas uz Zemes, kā arī sekotu objektu kustībai.

Fiz12_02.indd 71 10/08/2007 14:39:43

72

Uzdevumi

2.16. No kādiem elementiem sastāv svārstību kon­tūrs? Kā elementi ir savienoti?

2.17. Kāda veida enerģiju uzkrāj kondensators? Kādu — spole?

2.18. Svārstību kontūra kondensatoru uzlādē un ļauj tam izlādēties caur spoli. Attēlo grafiski, kā mainās spriegums uz kondensatora klāju­miem viena perioda laikā!

2.19. No kādiem lielumiem ir atkarīga uzlādēta kondensatora enerģija; spoles magnētiskā lauka enerģija?

2.20. Uz kādas enerģijas rēķina notiek brīvās svār­stības svārstību kontūrā?

2.21. Kāpēc norimst elektriskās svārstības kontūrā? Kur pazūd elektriskā enerģija?

2.22. Uzraksti formulu, pēc kuras aprēķina svārs­tību kontūra pašsvārstību frekvenci? Kas ir L un C šajā formulā?

2.23. Kā jārīkojas, lai iegūtu elektriskas svārstības, kuru frekvence ir 1 Hz?

2.24. Kā jārīkojas, lai iegūtu elektromagnētiskos viļņus?

2.25. Ko sauc par vaļēju svārstību kontūru?

2.26. Ko sauc par viļņa fronti?2.27. Ko sauc par staru un ko tas raksturo?2.28. Kāda atšķirība ir starp garenviļņiem un šķēr­

sviļņiem?2.29. Elektromagnētiskais vilnis ir šķērsvilnis. Ko

tas nozīmē?2.30. Kā svešvārdā sauc vilni, kura frekvence ne­

mainās?2.31. Kas ir viļņa garums? Kādās vienībās mēra

viļņa garumu?2.32. Kā var aprēķināt viļņa garumu, ja zināms

viļņa izplatīšanās ātrums un frekvence?

2.33. Vai elektromagnētiskie viļņi var izplatīties vakuumā?

2.34. Kāds ir lielākais iespējamais ātrums dabā?2.35. Kā var aprēķināt gaismas izplatīšanās ātru­

mu kādā vielā?2.36. No kādiem faktoriem ir atkarīgs gaismas iz­

platīšanās ātrums kādā konkrētā vidē?

2.37. Nosauc galvenos starojumu veidus, sākot ar lielāko viļņa garumu!

2.38. Salīdzini televīzijā izmantoto elektromag­nētisko viļņu garumu ar to viļņu garumu, kurus cilvēks var uztvert ar acīm!

2.39. Kādā elektromagnētisko viļņu spektra daļā at­rodas vilnis, kura garums ir 1000 km; 1 km; 1 m; 1 cm; 1 mm; 1 µm?

2.40. Kur izmanto radioviļņus?2.41. Kādā elektromagnētisko viļņu spektra daļā at­

rodas mikroviļņi; ultravioletais starojums?2.42. Kas izstaro rentgenstarojumu; gamma staro­

jumu?

2.43. Cik „īss” ir viļņa garums ultraīsajiem ra­dioviļņiem? Kādā frekvenču diapazonā tie ietilpst?

2.44. Kāda ierīce jāizmanto, lai pārvērstu skaņu elektriskajā signālā?

2.45. Kā var iegūt augstfrekvences elektriskās svār­stības?

2.46. Kāpēc pie augstfrekvences svārstību ģenera­tora nepieciešams slēgt mikrofonu?

2.47. Ko nozīmē jēdziens „modulācija”?2.48. Kādi ir modulācijas veidi? Kāda ir atšķirība

starp tiem?2.49. Kā jārīkojas, lai elektrisko signālu pārvērstu

skaņas signālā?2.50. Kāda ierīce pārvērš elektrisko signālu skaņas

signālā?

2.51. Kāpēc televīzijas raidījumus, kurus raida ar antenu, var uztvert tikai tiešas redzamības robežās? Kādos vēl veidos var pārraidīt tele­vīzijas pārraides?

2.52. Kādi ir divi galvenie radioviļņu izplatīšanās veidi ap Zemi? Paskaidro!

2.53. Kāpēc, lai nodrošinātu mobilo telefonu saka­rus, antenas uzstāda augstos torņos?

2.54. Kāda veida elektromagnētiskos viļņus Zemes atmosfēra absorbē, kādus — daļēji absorbē, bet kādus — laiž cauri? Norādi šo viļņu garumus!

2.55. Kas izstaro radioviļņus ārpus Zemes?2.56. Kādam nolūkam izmanto radioteleskopus?

Veido savu konspektu, atbildot uz jautājumiem!

Fiz12_02.indd 72 10/08/2007 14:39:43

73

2.81. Kuru no fizikālajiem lielumiem pārnes elek­tromagnētiskais vilnis?

A amplitūdu C viļņa garumu B frekvenci D enerģiju2.82. Jo elektromagnētiskajam vilnim ir lielāka

frekvence, jo tam ir A mazāks ātrums B īsāks viļņa garums C mazāka amplitūda D mazāka intensitāte2.83. Kā elektromagnētiskajā vilnī ir vērsts mag­

nētiskā lauka indukcijas vektors? A paralēli elektriskā lauka intensitātes vektoram B perpendikulāri elektriskā lauka intensitātes vektoram C paralēli viļņu izplatīšanās virzienam D haotiski2.84. No kā ir atkarīgs elektromagnētisko viļņu

ātrums vakuumā? A no frekvences B no viļņa garuma C no elektriskā un magnētiskā lauka stipruma D nav atkarīgs, jo tā ir konstante2.85. Kurš no minētajiem nav elektromagnētiskais

vilnis? A rentgenstarojums B skaņas vilnis C infrasarkanais stars D radara signāls2.86. Kur gaisma izplatās ātrāk? A ūdenī B gaisā C stiklā D visās šajās vidēs gaismas ātrums ir vienāds

Izvēlies pareizo atbildi!

2.66. Lādiņam vienmērīgi kustoties, rodas elektro­magnētiskie viļņi. (jā / nē)

2.67. Gaisma ir elektromagnētiskais vilnis. (jā / nē)

2.68. Gaismas ātrums ir dažādās vidēs ir atšķirīgs. (jā / nē)

2.69. Elektromagnētiskie viļņi izplatās tikai vaku­umā. (jā / nē)

2.70. Redzamā gaisma ir vienīgais elektromagnē­tiskais starojums, kuru uztver cilvēka acs. (jā / nē)

2.71. Gaismas ātrums vidē ir atkarīgs no vides elektriskajām īpašībām. (jā / nē)

2.72. Elektromagnētisko viļņu ātrums ir galīgs lielums. (jā / nē)

2.73. Gaismas ātrums nekad nevar būt mazāks par 3.108 m/s. (jā / nē)

2.74. Elektromagnētiskajā vilnī magnētiskā lauka indukcija B un elektriskā lauka intensitāte E svārstās pretējās fāzēs. (jā / nē)

2.75. Gaismai pārejot optiski blīvākā vidē, tās āt­rums palielinās. (jā / nē)

2.76. Radioviļņiem var novērot difrakciju un in­terferenci. (jā / nē)

2.77. Elektromagnētisko viļņu ātrums vakuumā ir atkarīgs no frekvences. (jā / nē)

2.78. Zemes atmosfēra laiž cauri radioviļņus, kuru garums ir robežās no dažiem milimetriem līdz apmēram 20 metriem. (jā / nē)

2.79. Rentgenstaru viļņu garums ir lielāks nekā gamma stariem. (jā / nē)

2.80. Kāds ir elektromagnētiskais vilnis? A plakans C garenvilnis B sfērisks D šķērsvilnis

2.57. Kāpēc radioteleskopiem nepieciešama liela diametra antena?

2.58. Ko pēta ar Irbenes radioteleskopu?

2.59. Kas ir ultraīsviļņi?2.60. Kur izmanto ultraīsviļņus?2.61. Kāds viļņa garums un frekvence ir viļņiem,

kurus izmanto mikroviļņu krāsnīs?

2.62. Kā darbojas radiolokators? Ko nosaka ar ra­diolokatoru?

2.63. Kā mūsdienās iespējams nodrošināt sakarus jebkurā zemeslodes vietā?

2.64. Ko nozīmē GPS? Kur to var izmantot?2.65. Kas un kādā veidā nodrošina GPS sakarus?

Fiz12_02.indd 73 10/08/2007 14:39:43

74

2.87. Kura viļņu īpašība ir radiolokācijas pa­matā?

A interference C atstarošanās B difrakcija D laušana2.88. Kā svārstību kontūrā nobīdīta strāva attiecībā

pret spriegumu? A p C π

4 B π2 D 2p2.89. Remontējot radiouztvērēju, tā svārstību

kontūra spoli apmainīja pret citu, kuras in­duktivitāte ir 4 reizes lielāka? Kā jāmaina kondensatora kapacitāte, lai radiouztvērējs uztvertu to pašu radiostaciju?

A jāpalielina 4 reizes B jāpalielina 2 reizes C jāsamazina 2 reizes D jāsamazina 4 reizes

2.90. Kurā elektromagnētisko viļņu spektra daļā galvenokārt staro Saule?

A ultravioletajā C redzamajā B infrasarkanajā D rentgena2.91. Elektromagnētiskā viļņa frekvence ir 8,7 ∙ 1016 Hz. Kas tas ir par starojumu? A redzamā gaisma B radioviļņi C ultravioletais starojums D rentgena starojums2.92. Kāds ir to radioviļņu garums (metros), kuri

Zemes atmosfērā izplatās, vairākkārt atstaro­joties no jonosfēras un no Zemes virsmas?

A lielāks par 1000 m B no 100 līdz 1000 C no 10 līdz 100 D mazāks par 10

Aprēķini! Attēlo grafiski! Analizē grafikus!

2.93. Svārstību kontūra kondensatora kapacitāte ir 100 pF. Cik lielai jābūt spoles induktivitātei, lai kontūrā rastos svārstības, kuru frekvence ir 530 kHz?2.94. Tabulā apkopoti daži piemēri, kur mūsdienās ikdienā un sadzīvē izmanto dažādas frek-

vences elektromagnētiskos viļņus. Pārveido minētās frekvences norādītajās mērvienībās! Lieto skaitļa 10 pakāpes, kur tas ir nepiecie­

šams!Pielietošanas joma Hz kHz MHz GHz

Maiņstrāva 50FM radio 88 līdz 108 Mobilo telefonu sakari Eiropā 900; 1800Mobilo telefonu sakari ASV 0,8; 1,9Radio vadāmās rotaļlietas 27 līdz 75TV 5,4 ∙ 104 līdz 8,8 ∙ 104 Medicīnas iekārtas 1,3 ∙ 107

GPS 1,3 Policijas radars ātruma mērīšanai 20

2.95. Pārbaudi ar aprēķiniem, ka c = 10 0ε m = 3,0 ∙ 108m/s!

2.96. Aprēķini, cik ilgā laikā gaisma no Saules nokļūst līdz Zemei!2.97. Mums tuvākā zvaigzne Centaura alfa atrodas 4,2 gaismas gadu attālumā. Cik tas ir kilometru?2.98. Iespējams, ka drīzumā cilvēks varēs nokļūt uz Marsa. Cik ilgs laiks būs nepieciešams, lai varētu nosūtīt savu fotoattēlu no Marsa uz Zemi?

2.99. Mobilā telefona antenas garumam jābūt vienādam ar 14

daļu no uztveramo viļņu garuma. Ar cik lielu frekvenci darbojas mobilais telefons, ja tā antenas garums ir 8,5 cm? Cik gara antena

nepieciešama lidmašīnā esošam raidītājam, ja tās radiosakari tiek nodrošināti ar 165 MHz frek­venci?

Fiz12_02.indd 74 10/08/2007 14:39:43

75

2.100. Sinusoidālu signālu, kura amplitūda ir 2,0 V un frekvence 440 Hz, pārnes vil-nis, kura amplitūda 40 V un frekvence 100 MHz.

a) Kādi divi signāla modulācijas veidi ir iespē­jami, lai nodrošinātu signāla pārraidi?

b) Attēlo grafikā nesējvilni un pārraidāmo sig­nālu!

c) Kāpēc nepieciešams nesējvilnis? d) Attēlo atsevišķā grafikā nesējfrekvences

skaitliskās izmaiņas amplitūdas modulācijā! e) Kāda nozīme ir nesējviļņa joslas platumam?2.101. Radiouztvērēja svārstību kontūra spoles

induktivitāte ir 1 µH. Lai radiouztvērēju noskaņotu rezonansē ar raidītāju, kas raida ar 98,7 MHz frekvenci, jāmaina svārstību kontūra kapacitāte.

Aprēķini, cik lielai jābūt kondensatora ka­pacitātei!

2.102. Cik tālu atrodas lidmašīna, ja radiolokatora raidīto signālu atpakaļ uztvēra pēc 6 ∙ 10–4 sekundēm?

2.103. Aprēķini, cik garus elektromagnētiskos viļņus izstaro

a) maiņstrāva, kuras frekvence ir 50 Hz; b) sarkanās krāsas lāzers, kura frekvence ir

4,7 ∙ 1014 Hz; c) mobilais telefons, kas strādā 900 MHz

frekvencē; d) radiostacijas „Star FM” raidītājs, kura rai­

dīšanas frekvence ir 106,2MHz! Cik garai jābūt FM radiouztvērēja antenai, ja tās ga­rumam jābūt vienādam ar pusi no elektro­magnētisko viļņu garuma?

2.104. Elektromagnētiskā viļņa frekvence ir 7,5 ∙ 1018 Hz.

a) Aprēķini viļņa garumu! b) Kurai elektromagnētisko viļņu spektra

daļai pieder šis starojums? c) Kā iespējams konstatēt šo starojumu? d) Zvaigzne, kas izstaro elektromagnētiskos

viļņus ar minēto frekvenci, atrodas 2 miljo­nu gaismas gadu attālumā no Zemes. Cik tālu no Zemes atrodas zvaigzne?

2.105. Svārstību kontūrs sastāv no kondensatora, kura kapacitāte C, un spoles, kuras induktivi-tāte L. Kondensatoru uzlādē un ļauj tam izlādēties caur spoli. Rodas elektriskās svārstības, kuru pašsvārstību frekvence ir n un periods ir T. Kontūrs izstaro elektromagnētiskos viļņus, kuru garums ir l. Tabulā apkopoti dotie un nezināmie lielumi pieciem uzdevu-miem. Aprēķini tos lielumus, kas nav doti!

Nr. L, H C, F n, Hz T, s l, m

1. 3,2 ∙ 10–8 2,0 ∙ 10–7

2. 8,0 ∙ 10–6 4,0 ∙ 106

3. 4,0 ∙ 10–12 6004. 5,0 ∙ 10–11 2,0 ∙ 10–8

2.106. Zīmējumā attēlota vienkārša radiouztvērēja shēma. Radiouztvērēja daļas (1,2 un 3) atdalītas ar punktotu līniju.

a) Kā sauc 1. un 2. daļu? Kādam nolūkam varētu būt paredzēta 3. daļa? b) Kāpēc 2. daļā ir ieslēgta diode? c) Kāpēc ķēdē pirms skaļruņa ir ieslēgts transformators? d) Aprēķini, kādās frekvenču diapazonā strādā šis uztvērējs!

1 2 3

C1000 µH

Fiz12_02.indd 75 10/08/2007 14:39:44

76

2.107. Ar datorsimulācijas palīdzību tiek pētīti pro-cesi svārstību kontūrā. Kontūrā ieslēgtajam kondensatoram tiek pievadīts elektriskais lā-diņš un sākas svārstības.

Atbildi uz jautājumiem, izmantojot attēlā redzamo informāciju!

a) Cik liela enerģija piemīt uzlādētam kondensatoram? b) Kādas būs svārstības: rimstošas vai nerimstošas? c) Aprēķini svārstību periodu! d) Cik liela ir svārstību frekvence? e) Nosaki svārstību periodu! f) Cik garus radioviļņus izstarotu šāds kontūrs?

Izskaidro!

2.108. Kādi lielumi svārstību kontūrā mainīsies un kādi nemainīsies, ja samazinās kondensato­ra lādiņu?

2.109. Kā jāmaina svārstību kontūrā ieslēgtā kon­densatora kapacitāte, lai panāktu augstāku svārstību frekvenci?

2.110. Kāpēc tad, ja svārstību kontūrs ir noslēgts, elektromagnētiskais vilnis nevar izplatīties apkārtējā telpā?

2.111. Braucot pa citām valstīm, var redzēt, ka daļa televīzijas antenu ir orientētas horizontāli, bet daļa — vertikāli.

Kāpēc tā?2.112. Noskaidro, kādas ierīces tavās mājās uztver

vai raida elektromagnētiskos viļņus! Kādam elektromagnētisko viļņu skalas diapazonam pieder šie viļņi?

2.113. Svārstību kontūrā notiek elektriskās svārstības.

Kā izmainīsies svār­stību frekvence, ja no­slēgs spolei pievienoto slēdzi?

2.114. Kādu elektromagnētisko starojumu ietekmē Tu atrodies mājās; skolā?

2.115. Diezgan liels skaits Zemes mākslī-go pavadoņu ir ievadīti polārajās un ģeostacionārajās orbītās, daļa no tiem nodrošina informācijas pārraidīšanu, daļa — kontrolē laika apstākļus uz Ze-mes.

a) Izskaidro, kāpēc Zemes mākslīgos pavado­ņus ievada dažādās orbītās!

b) Kādas ir Zemes mākslīgo pavadoņu lieto­šanas priekšrocības salīdzinājumā ar citām datu vākšanas un informācijas pārraidīša­nas metodēm?

c) Kā Zemes mākslīgo pavadoņu izmantošana ietekmē cilvēku dzīvi un sabiedrības attīstību?

2.116. Ir atklāts, ka radio ierīču starojums uz Zemes 100 līdz 200 miljonu reižu pār-sniedz dabisko no Saules nākošo radio-starojumu.

Noskaidro, kā cilvēku veselību ietekmē ze­mas frekvences elektromagnētiskais lauks; elektromagnētiskie viļņi, ko staro mobilie telefoni un GPS!

2.117. Salīdzini mehāniskos un elektromagnētiskos viļņus! Pārzīmē tabulu un aizpildi to!

Salīdzināmaisparametrs Mehāniskie viļņi Elektromagnētiskie viļņi

Viļņu avotsViļņu garumsObjekts, kas svārstāsVai nepieciešama vide?Izplatīšanās ātrumsViļņu veids

C

L

Fiz12_02.indd 76 10/08/2007 14:39:44