Что поглощает электромагнитные волны

47) Диэлектрики способны поглощать электромагнитные волны.

Частота — количество оборотов биона в единицу времени. Скорость света — скорость передачи вращений от одного биона к другому. Фаза — расположение одного из полюсов биона относительно линии распространения электромагнитной волны.

Распространение радиоволн, процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Радиоволны, излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т.д.

Радиолока́ция — область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн. Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации — радиолокационная станция (англ. Radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную РЛ. Подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

Телеви́дение — комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние. В обиходе используется также для обозначения организаций, занимающихся производством и распространением телевизионных программ.

48) светова́я волна́-электромагнитная волна видимого диапазона длин волн Частота световой волны (или набор частот) определяет «цвет». Энергия, переносимая световой волной, пропорциональна квадрату её амплитуды.

Законы отражения света

Падающий луч, отражающий луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Угол отражения γ равен углу падения α: γ = α

Преломле́ние (рефра́кция) — изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.

Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько позже, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы. По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали.

Полное отражение света

Из закона преломления следует, что Если n1 > n2, то > , т.е. если свет переходит из среды, оптически более плотной, в среду, оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис. 16.25). При увеличении увеличивается и . При некотором угле = пр преломленный луч 2 будет скользить вдоль границы раздела ( = 90°). При > пр свет не пройдет во вторую прозрачную среду (так как не может быть >1), он полностью отразится. Это явление называется полным отражением света.

49)Линза — деталь из оптически (и не только, линзы также применяются в СВЧ технике, и там обычно состоят из непрозрачных диэлектриков или набора металлических пластин) прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и«асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло,оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

Линзами также называют и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками. Например:

Плоские «линзы», изготовленные из материала с переменным показателем преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра

зонная пластинка Френеля, использующая явление дифракции

«линзы» воздуха в атмосфере — неоднородность свойств, в частности, коэффициента преломления (проявляются в виде мерцания изображения звёзд в ночном небе).

Гравитационная линза — наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами.

Магнитная линза — устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах.

Изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы. Используется при расчёте сложных оптических систем.

Ход лучей в тонкой линзе

Линза, для которой толщина принята равной нулю, в оптике называется «тонкой». Для такой линзы показывают не две главных плоскости, а одну, в которой как бы сливаются вместе передняя и задняя.

Рассмотрим построение хода луча произвольного направления в тонкой собирающей линзе. Для этого воспользуемся двумя свойствами тонкой линзы:

Луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления;

Параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.

К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая рассеивающая линза.

Построение изображения тонкой собирающей линзой

При изложении характеристики линз был рассмотрен принцип построения изображения светящейся точки в фокусе линзы. Лучи, падающие на линзу слева, проходят через её задний фокус, а падающие справа — через передний фокус. Следует учесть, что у рассеивающих линз, наоборот, задний фокус расположен спереди линзы, а передний позади.

Построение линзой изображения предметов, имеющих определённую форму и размеры, получается следующим образом: допустим, линия AB представляет собой объект, находящийся на некотором расстоянии от линзы, значительно превышающем её фокусное расстояние. От каждой точки предмета через линзу пройдёт бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображён ход только трёх лучей.

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A1B1, образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым.

В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Далее приведены различные случаи построения изображений предмета, помещённого на различных расстояниях от линзы.

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным, перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.

Если предмет приближён к линзе и находится на расстоянии, превышающем двойное фокусное расстояние линзы, то изображение его будет действительным, перевёрнутым и уменьшенным и расположится за главным фокусом на отрезке между ним и двойным фокусным расстоянием.

Если предмет помещён на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится по другую сторону линзы на двойном фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным, перевёрнутым и равным по величине предмету.

Если предмет помещён между передним фокусом и двойным фокусным расстоянием, то изображение будет получено за двойным фокусным расстоянием и будет действительным, перевёрнутым иувеличенным.

Если предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы, то лучи, пройдя через линзу, пойдут параллельно, и изображение может получиться лишь в бесконечности.

Если предмет поместить на расстоянии, меньшем главного фокусного расстояния, то лучи выйдут из линзы расходящимся пучком, нигде не пересекаясь. Изображение при этом получается мнимое,прямое и увеличенное, т. е. в данном случае линза работает как лупа.

Нетрудно заметить, что при приближении предмета из бесконечности к переднему фокусу линзы изображение удаляется от заднего фокуса и по достижении предметом плоскости переднего фокуса оказывается в бесконечности от него.

Эта закономерность имеет большое значение в практике различных видов фотографических работ, поэтому для определения зависимости между расстоянием от предмета до линзы и от линзы до плоскости изображения необходимо знать основную формулу линзы.

Эти величины находятся в зависимости между собой и определяются формулой, называемой формулой тонкой линзы(открытой Исааком Барроу):

где — расстояние от линзы до предмета; — расстояние от линзы до изображения; — главное фокусное расстояние линзы. В случае толстой линзы формула остаётся без изменения с той лишь разницей, что расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от главных плоскостей.

Для нахождения той или иной неизвестной величины при двух известных пользуются следующими уравнениями:

Следует отметить, что знаки величин , , выбираются исходя из следующих соображений — для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе — все эти величины положительны. Если изображение мнимое — расстояние до него принимается отрицательным, если предмет мнимый — расстояние до него отрицательно, если линза рассеивающая — фокусное расстояние отрицательно.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец.

Дифракционная решётка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори который использовал в качестве решётки птичьи перья.

Поперечность световых волн

Из описанных выше опытов следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).

Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.

Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.

Первое предположение относится к самому свету. Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн (рис. 36).

Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости.

Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной. Такое название оправдано, так как в обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная).

Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости (плоскость Р на рис. 37). Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным. Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскополяризованная волна. При скрещенных кристаллах (угол между осями 90) она не проходит сквозь второй кристалл. Если оси кристаллов составляют между собой некоторый угол, отличный от 90. то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.

Итак, кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА —Свойство лучей света, которые, будучи отраженными или преломленными, утрачивают способность отражаться или преломляться вновь, по известным направлениям.

8. Излучение и поглощение электромагнитной волны. Спонтанное и вынужденное излучение. Резонансное поглощение. Ширина спектральной линии. Коэффициенты Эйнштейна.

1. Излучение и поглощение электромагнитной волны.

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей). Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики: наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H. электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум. Распространение электромагнитных волн, временные зависимости электрического и магнитногополей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды. Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

1. Спонтанное и вынужденное излучение.

Вынужденное излучение, индуцированное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

1. Резонансное поглощение.

Поглощение фотонов частоты v, гдеи— энергии возбуждённого и основного состояний поглощающей системы (напр., атома), h — Планка постоянная. Резонансноепоглощение наблюдается и в ядерной физике.

1. Ширина спектральной линии.

Ширина спектральных линий, интервал частот v(или длин волн,с— скорость света), характеризующий спектральные линии в спектрах оптических атомов, молекул и др. квантовых систем. Каждому излучательному квантовому переходу между дискретными уровнями энергииисоответствует некоторый интервалчастот, близких к частоте перехода. Значениеопределяет ширину спектральной линии. ¾ степень немонохроматичности данной спектральной линии. Контур спектральной линииj(n)[зависимость интенсивности испускания (поглощения) от частоты] обычно имеет максимум при частоте переходаили вблизи неё; заШ. с. л. принимают разность частот, которым соответствует уменьшение интенсивности вдвое (её называют иногда полушириной спектральной линии). Если не учитывать Доплера эффект, Ш. с. л.определяется суммой ширин уровней энергиии , т. е. тем больше, чем меньше времена жизнии. Радиационная (естественная) Ш. с. л. соответственно равна:(гдеи— полные вероятности спонтанных переходов с уровнейина все нижележащие уровни); она очень мала и обычно Ш. с. л. для атомов и молекул определяется в основном уширением их уровней энергии при взаимодействии с окружающими частицами (в газе и плазме — при столкновениях), а также уширением спектральных линий вследствие эффекта Доплера. В зависимости от типа уширения получается симметричный или асимметричный контур спектральных линий (на рис. показан симметричный, т. н. дисперсионный, контур, характерный для радиационного уширения).

1. Коэффициенты Эйнштейна.

Эйнштейна коэффициенты характеризуют вероятности излучательных квантовых переходов. Были введены Альбертом Эйнштейном в 1916 при построении теории испускания и поглощения излучения атомами и молекулами на основе представления о фотонах; при этом им впервые была высказана идея существования вынужденного излучения. Вероятности спонтанного испускания, поглощения и вынужденного испускания характеризуются соответственно коэффициентами ,и(индексы указывают на направление перехода между верхними нижнимуровнями энергии). Соотношения между Эйнштейна коэффициенты были впервые получены Эйнштейном при выводе Планка закона излучения путём рассмотрения термодинамического равновесия вещества и излучения. Пусть — вероятность вынужденного перехода атома в единицу времени с энергетического уровня на уровень , а —вероятность обратного перехода. Выше было указано, что при одинаковой интенсивности излучения =.Вероятность вынужденных переходов пропорциональна плотности энергии «и вынуждающего переход электромагнитного поля), приходящейся на частоту , соответствующую данному переходу.Обозначив коэффициент пропорциональности буквойВ, получим . В е л и ч и н ы и н а з ы в а ю т с я к о э ф ф и ц и е н т а м и Э й н ш т е й н а . Согласно сказанному выше = .Основываясь на равновероятности вынужденных переходов п-т и т-п, Эйнштейн дал весьма простой вывод формулы Планка. Равновесие между веществом и излучением будет достигнуто при условии, что число атомов , совершающих в единицу времени переход из состояния п в состояние т, будет равно числу атомов , совершающих переход в обратном направлении. Допустим, что .Тогда переходыт-п смогут происходить только под воздействием излучения. Переходы же m-n будут совершаться как вынужденно, так и спонтанно.

24.09.2019 168.95 Кб 4 ekzamen_sotsiologia.docx

10.05.2015 925.7 Кб 95 EVT-lectures.doc

10.05.2015 950.78 Кб 9 Filosofia.doc

25.09.2019 242.69 Кб 6 Filosofiya.doc

22.11.2019 157.59 Кб 2 Finansy_i_kredit.docx

10.05.2015 1.31 Mб 215 Fizika_Teoria_1 (1).docx

10.05.2015 1.2 Mб 27 fizika_wpori.pdf

05.09.2019 389.63 Кб 2 FM_ekzamen.doc

02.08.2019 606.72 Кб 6 FRAKTAL.doc

10.05.2015 530.94 Кб 31 GIS-tekhnologii_obzor.doc

10.05.2015 596.44 Кб 6 GOS.docx

Ограничение

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

23.3. Поглощение электромагнитных волн.

Часть энергии первичного электромагнитного поля, проникающего в среду, остается в ней в виде кинетической энергии частиц, соответствующей как упорядоченному, так и неупорядоченному их движению. Рассчитаем изменения кинетической энергии частиц среды под действием сил со стороны электромагнитного поля

(23.30)

Вычислим среднее от (23.30) за время , большее периода колебаний в волне.

Так как электромагнитное поле меняется по гармоническому закону (23.10), то

(23.31)

где .

Скорость частиц, индуцированная воздействием электромагнитной волны, имеет вид, следующий из (23.14)

(23.32)

Подставляя (23.32) в (23.31), получаем

(23.33)

Изменение первоначальной энергии электромагнитного поля равно (23.33) с противоположным знаком

(23.34)

Учитывая, что плотность энергии электромагнитного поля есть

(23.35)

(Так как поле электромагнитной волны меняется по гармоническому закону, при усреднении в (23.35) появляется коэффициент . Кроме того в плоской электромагнитной волне ).

Перепишем (23.34) с учетом выражения (23.35) в виде

(23.36)

где является характеристикой первичного объекта – электромагнитного поля.

Введем величину, равную потоку энергии в падающей электромагнитной волне

(23.37)

После подстановки (23.37) в (23.36) это выражение принимает вид

(23.38)

Формула (23.38) позволяет ввести полное сечение поглощения электромагнитных волн в среде

(23.39)

(23.40)

Сечение поглощения описывает убывание потока первичного излучения за счет передачи энергии частицам среды. Таким образом, изучая нагрев системы в зависимости от частоты электромагнитного поля, можно найти .

Из (23.40) следует, что

(23.41)

при этом всю информацию о системе несет коэффициент трения

(23.42)

Если трение в системе минимально и сводится к радиационному трению

(23.43)

(23.44)

То есть , и сечения поглощения и рассеяния при , совпадают. Однако, эти величины находятся в разных экспериментах. Если среда, в которой распространяется электромагнитные волны близка к идеальной, то . Если коэффициент трения больше минимального радиационного трения, то эти величины не совпадают, так как в среде действуют другие механизмы, связанные с диссипацией.

23.4. Распространение электромагнитных волн в диэлектрической среде.

Выше были рассмотрены и просчитаны эксперименты с распространением потока излучения в среде. Можно поставить задачу о распространении электромагнитных волн в среде иначе. Пусть в диэлектрической среде распространяется электромагнитное поле, характеризуемое векторами и . Те же эффекты, которые были рассмотрены в первых пунктах этого параграфа, можно рассчитать, решив уравнения Максвелла, описывающие взаимодействие излучения со средой

(23.45)

(среда немагнитоактивна). Плотность свободных зарядов .

Рассчитаем поляризацию диэлектрической среды, вызванную электромагнитными волнами. По определению, поляризация

(23.46)

где – концентрация частиц в среде, – дипольный момент среды, индуцированный полем ( в отсутствии поля, под воздействием электромагнитных волн на связанные заряды среды).

Уравнение движения связанных зарядов «» среды под действием поля волны есть

(23.47)

Выполним, как и выше (23.14), экспресс-анализ уравнения (23.47). Обозначим

(23.48)

Просуммируем (23.48) по всем зарядам в единице объема среды и найдем ее дипольный момент

(23.49)

Поляризация среды излучением есть

(23.50)

Найдем комплексную (как и в плазме см. §19) диэлектрическую проницаемость рассматриваемой изотропной среды , которая по определению, находится из выражения

(23.51)

Подставляя (23.50) в (23.51) находим

(23.52)

В отсутствие временной (частотной) дисперсии , и уравнения Максвелла свелись бы к уравнениям для пассивной электродинамической среды вида (6.235), которые рассматривались ранее.

Выполним экспресс-анализ уравнений Максвелла с учетом временной дисперсии диэлектрической проницаемости. Вместо системы (23.45) получим

(23.53.1)

(23.53.2)

(23.53.3)

(23.53.4)

Из системы (23.53.1-4) следует, что

(23.54)

Таким образом, поперечность электромагнитных волн в среде с частотной дисперсией сохраняется. Исключая , из (23.53.3-4) получаем дисперсионное соотношение для электромагнитных волн в диэлектрической среде

(23.55)

Остановимся несколько подробнее на области применимости полученных формул (В.Л. Гинзбург, 1967). Если не принимать во внимание взаимодействие носителей зарядов друг с другом, которое в рассматриваемой модели считается малым и не учитывается, то можно говорить о необходимости пренебрежения квантовыми поправками к взаимодействию движущихся зарядов с переменным полем излучения. Тогда классическая теория применима при энергии квантов много меньшей энергии покоя свободно движущегося под действием поля волны заряда «» массы «»

(23.56)

где .

Будем для определенности говорить о массе , как о массе электрона, считая движение ионов под действием поля волны подавленным в отношении 1 . Тогда приведенное выше неравенство выполняется, как в радиодиапазоне, так и в области мягких рентгеновских лучей. Оценим граничную частоту , ниже которой оно справедливо из условия

При электромагнитные волны можно считать низкочастотными. Именно для низкочастотных электромагнитных волн и применима рассматриваемая теория.

Заметим, что из формул и при учете выражения (23.55) следует зависимость фазовой скорости распространения волны в среде от частоты

(23.57)

Так как комплексно, то дисперсионное соотношение (23.55) содержит информацию о скорости распространения волны и, кроме нее, еще дополнительную информацию, природу которой необходимо установить.

В самом деле, из (23.52), (23.55) следует, что величина комплексна

(23.58)

Будем считать, что частота действительна и задается генератором волны. Предполагаем также, что трение в среде мало . Но тогда и . По определению, .

Подставим (23.58) в дисперсионное соотношение (23.55), предполагая мнимую часть малой

(23.59)

Разделяя в (23.59) действительную и мнимую части, получим

(23.60)

(23.61)

где .

Если среда – поглотитель излучения состоит из одинаковых частиц, то в (23.61) заменяется плотностью частиц такой гомогенной среды и (23.61) принимает вид

(23.62)

где выражение совпадает с (23.40). Тогда зависимость волнового поля от при распространении, например, вдоль оси системы координат принимает вид

(23.63)

Поэтому, интенсивность волны в среде ведет себя как

(23.64)

Из (23.64) следует, что длина пробега электромагнитной волны в среде есть

(23.65)

1 Для массы ионов кислорода , например, .

Основы радиолокации

Электромагнитная волна может частично или полностью поглощаться при распространении в поглощающей среде вследствие взаимодействия с молекулами и атомами этой среды. В этом процессе энергия волны передается веществу, что может вызывать значительные изменения внутри среды. В основном, энергия волны преобразуется в тепловую энергию.

Поглощение электромагнитного излучения незначительно на низких частотах, меньших 3 Гигагерц (то есть на длинах волн больше десяти сантиметров или четырех дюймов) в условиях ясной погоды. С увеличением частоты электромагнитного излучения происходит достижение резонансных частот молекул, содержащихся в атмосфере Земли. В таких случаях ослабление энергии электромагнитной волны, вызванное поглощением, увеличивается. Данное явление иллюстрируется двумя пиками кривой зеленого цвета на Рисунке 1.

Величина поглощения зависит от частоты волны и от длины пути, проходимого волной в поглощающей среде.

Количество неконденсированного водяного пара в атмосфере характеризуется параметром «относительная влажность» и зависит от температуры: теплый воздух может вмещать больше водяного пара, чем холодный. Таким образом, поглощение электромагнитных волн зависит также от относительной влажности и температуры среды.

Потери за счет атмосферного поглощения определяются двумя составляющими: основное атмосферное поглощение (см. выше), а также дополнительное поглощение, определяемое погодными условиями (туман, дождь и т.п.). При прохождении через слои воздуха и водяного пара электромагнитные волны испытывают ослабление. Этот процесс определяется, в основном, наличием водяного пара и двухатомных молекул кислорода. Часть энергии электромагнитной волны преобразуется в тепло, а другая часть рассеивается на молекулах, которые, в данном случае, действуют как диполи.

По Рисунку 1 видно, что поглощение увеличивается с увеличением относительной влажности воздуха. Кроме этого, поглощение растет с увеличением частоты излучаемой волны.

Из этого можно сделать вывод о том, что не все частоты одинаково подходят для разных радиолокационных задач. Например, высокие частоты не подходят для радиолокаторов дальнего действия. И наоборот, сильное поглощение электромагнитных колебаний на частоте около 75 Гигагерц, вызванное молекулами кислорода, используется, например, в разработанной компанией Mercedes системе Pre-Safe Brake Assist Plus (система упреждающего торможения), построенной на основе радиолокационных датчиков. В данном случае атмосферное поглощение помогает избегать (уменьшать влияние) взаимных помех.

Следует отметить, что атмосферное поглощение электромагнитных волн присутствует всегда и избежать его невозможно. Кроме этого, его трудно точно рассчитать по причине постоянного изменения определяющих факторов.

Затухание, вызванное дождем

мощность эхо
дальность (км)

Рисунок 2. Ослабление, вызванное дождем

Ослабление электромагнитных волн из-за дождя зависит от длины волны излучаемого сигнала (Рисунок 2). Самая верхняя (синяя) кривая показывает геометрическую протяженность грозы диаметром 20 км как причину затухания, с увеличением количества осадков к центру до 100 мм/ч. Следующая кривая (розовая) показывает скорректированную по уровню амплитуду радиолокационных сигналов радиолокатора S-диапазона. Следующие две кривые соответствуют радиолокаторам C-диапазона (желтая) и X-диапазона (голубая). Все данные нормированы.

Очевидно, что радиолокатор Х-диапазона больше всего подвержен затуханию и плохо видит грозу, в то время как в S-диапазоне затухание слабое. C-диапазон обеспечивает хороший компромисс. По этим причинам метеорологический радиолокатор X-диапазона используется только на небольших дальностях. Радиолокаторы S-диапазона используются в тропическом климате, так как они могут довольно хорошо «видеть» районы с сильными дождями. Радиолокаторы C-диапазона предпочтительны в умеренном климате и обеспечивают хорошую чувствительность и дальность действия.

Источник: Recommendation ITU-R P.676-10 “Attenuation by atmospheric gases and related effects”

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)