Elektromágneses hullámok

Átírás

1 Elektromágneses hullámok Két jelenség kapcsolódásával váltakozó elektromos és mágneses teret lehet létrehozni: Az indukció (mágneses tér változása elektromos teret, áramot hoz létre) és az elektromágnes (elektromos tér, áram változása változó mágneses teret hoz létre). A kialakuló periódikusan változó elektromos és mágneses tér egy antennára (hosszú vezetékre) kapcsolva leválik az antennáról és továbbterjed a térben. A térben haladó változó elektromos és mágneses mezőt elektromágneses hullámnak nevezzük. (rövödítve EM hullám) Az adó-antenna és vevő-antenna között az elektromágneses (EM) hullámok segítségével lehet jeleket, adatokat továbbítani (pl. rádió, mobiltelefon, TV) Az EM hullám légüres térben is terjed. Sebessége vákuumban: km/s = m/s Neve: fénysebesség A levegő az EM hullám számára ritka, ezért a levegőben is ekkora a sebessége. Optikailag sűrűbb anyagokban (pl. üveg, víz) a sebessége kisebb. A fénysebességnél nagyobb sebesség nem létezik. (Einstein megállapítása)

2 A különböző frekvenciájú és hullámhosszú EM hullámok tulajdonsága más, ezért különbözőképpen nevezzük őket. Az EM hullámok fajtáinak hullámhossz szerinti skálán való elhelyezését elektromágneses színképnek, vagy elektromágneses spektrumnak nevezzük. A nagyobb hullámhosszú elektromágneses hullám frekvenciája kisebb, a kisebb hullámhosszú elektromágneses hullám frekvenciája nagyobb. A nagyobb frekvenciájú elektromágneses hullámnak nagyobb az energiája. Az elektromágneses hullámok fajtáinak sorrendje a frekvenciájuk és így az enregiájuk sorrendjében (kisebb frekvenciától és energiától a nagyobb felé): rádióhullámok (legkisebb energiájú), mikrohullámok, infravörös sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgensugárzás, radioaktív gamma sugárzás (legnagyobb energiájú) Elektromágneses (EM) színkép, az EM hullám fajtái A különböző fajta EM hullámok sebessége ( c ) azonos anyagban azonos, a hullámhosszuk ( ) és frekvenciájuk ( f ) más.

3 Rádióhullámok fajtái: hosszúhullám (hullámhossza>km), középhullám ( m), rövidhullám (10 m 100 m), ultrarövidhullám URH (néhány m) Elektromos jelek továbbítására alkalmas (rádió, TV, ). Adóantennával sugározzák ki és vevőantenna képes visszaalakítani elektromos jellé. Mikrohullámok (hullámhossza: mm, cm, dm) A rádióhullámokhoz hasonlóan elektromos jelek továbbítására alkalmas, de mivel nagyobb energiájú, erősebb és zavarmentesebb adást lehet továbbítani. A mobiltelefon jeleit is mikrohullám továbbítja. A GPS műholdas rendszer is mikrohullámokat sugároz és a GPS vevő méri, hogy a műholdról mennyi idő alatt ért oda, így mérhető a műhold távolsága, és ez alapján a vevő helye. Fémről visszaverődik, ezért használható radarnak, vagy fémdetektornak. A mikrohullám felhasználása: távolság és iránymérés, mobiltelefon, adattovábbítás (GPS, radar), rádiócsillagászat, melegítésre is használható (mikrosütő, gyógyászat), radar, TV, rádió adás

4 Infravörös (infrared, IR) sugárzás (hősugárzás) (800 nm mm) A Nap és csillagokon kívül, minden tárgy is ad ki magából infravörös sugárzást. A melegebb tárgy erősebbet. Ezért lehet használni infravörös fényképezésre, tárgyak, élőlények által kibocsátott hősugárzást lehet érzékelni, hőfényképet készíteni. A Napból érkező IR sugárzás (hősugárzás) melegíti a Földet és az élőlényeket (napozás). Az IR sugárzás felhaszlása: vadállatok, vagy emberek, katonák megtalálása hőfénykép alapján, házak hőszigetelés vizsgálata, katonai felhasználás pl. hőkövető rakéta (a repülő vagy helikopter motorjának hősugárzását követi). Gyógyászatban: hőfénykép alapján gyulladt, beteg belső testrészek megtalálása, vagy melegítéssel gyógyítás (pl. infralámpa) Látható fény (400 nm 800 nm) (ibolyakék vörös) A látható fehér fény a különböző hullámhosszú színes fénysugarak keveréke. (Későbbi fejezetben tanuljuk részletesen.) Ultraibolya (ultraviolet, UV) sugárzás (1 nm 400 nm) Fajtái: UV-A, UV-B, UV-C Az UV-A a legkisebb energiájú UV sugárzás. Nem káros. Használják szórakozóhelyeken, a fehér fluoreszkál UV hatására. A Napból érkező UV-B sugárzás nagy részét az ózon réteg megszűri. Élettani hatása: D-vitamin képzést, barnulást okoz (napozás, solárium)

5 Nagy mennyiségben az UV-B sugárzás káros a szemre, bőrre. Megvakulást, leégést, bőrrákot okozhat. A bőrnél tovább nem halad. Az UV-B sugárzás elleni védelem: napszemüveg, hegesztő védőszemüveg (hegesztésnél is keletkezik UV sugárzás), napolaj Az UV-C sugárzás a legnagyobb energiájú, de a földfelszínre nem jut, mert a levegőréteg megszűri. Űrhajósoknak kell védekezni ellene. Röntgensugárzás (0,01 nm nm) Nagy energiájú sugárzás, áthatol a testen, különböző anyagokon nagyobb vagy kisebb mértékben hatol át. Ezért röntgen-fényképezésre használható. Nagy mértékben használva az élő szöveteket károsítja. Használják anyagvizsgálatra, átvilágításra is (pl. repülőtéri csomagvizsgálat) Rádioaktív gamma sugárzás (< 0,01 nm) A legnagyobb energiájú sugárzás. Atommag átalakuláskor jön létre (atombomba, atomreaktor, csillagok). Az élő szövetekre nagy roncsoló hatása van. Atombomba robbanáskor keletkező gamma sugárzás a sejtroncsoló hatás miatt halált okoz. Daganatos sejtek pusztítására használják a gyógyászatban (sugárkezelés). A világűrben is van gamma sugárzás (kozmikus gamma sugárzás). A csillagokban folyó atommag átalakulások hozzák létre. Ez a sugárzás is éri a Földet, de ez kis mértékű (háttérsugárzás).

6 Digitális adattovábbítás, kommunikáció Az információs és kommunikációs technika gyorsuló ütemben fejlődik. Az elektromágneses hullámok néhány fajtájának (rádióhullámok, mikrohullámok, fény) segítségével fénysebességgel továbbíthatjuk az információkat. Az adatok, jelek továbbításának első lépése: - Jelek, adatok átalakítása elektromos árammá. Minden adatot, jelet először váltakozó elektromos feszültséggé, árammá, elektromos jellé alakítanak. Hangot mikrofonnal, képet kamerával, szöveget számítógéppel. (Vannak egyéb átalakítók, mérőszenzorok pl. hőmérsékletmérő, fénymérő, stb..., amelyek az adatokat szintén elektromos jellé alakítják.) Kétféle elektromos jel jöhet így létre, analóg és digitális jel Analóg jel (ma már kevés helyen alkalmazzák): A váltakozó feszültségű jel minden értéket felvehet. Hátránya: A továbbítás során a külső elektromos zajok miatti jeltorzulásokat, zajokat nehéz vagy nem is lehet a vevőáramkörrel javítani, helyreállítani. Ezért analóg jellel továbbított adatokkal nem lehet tökéletes minőségű (pl. HD TV, zajmentes rádióadás, vagy telefon, internet) jeltovábbítást megvalósítani.

7 Digitális jel: A váltakozó elektromos feszültség két érték váltakozásának sorozata. Ez a két érték: Van feszültség (általában 5 Volt) 1-essel jelöljük Nincs feszültség 0-val jelöljük. A digitális jeleket áramköri elemek tudják tárolni. Ezek félvezetőkből, szilíciumból és germániumból készülnek. Egy memóriaáramkörben több millió digitális jel (1-es vagy 0) tárolható. Ezeket egyre kisebb méretben tudják gyártani. Bit-ek, byte-ok Egy db 1-es vagy 0 jelet, adatot 1 bit-nek nevezünk. 8 db bit egymás után, egy 8 helyiértékes kettes számrendszerbeli számot képes tárolni 0 és 255 között. Egy ilyen nyolcas egység, 8 bit a byte. Nagyobb egységek kb (kilobyte), MB (megabyte), GB (gigabyte)

8 Kettes számrendszer A digitális adatokat kettes számrendszerben tárolják a memória áramkörök, és kettes számrendszerben végeznek műveleteket ezekkel az adatokkal a digitális jeleket felhasználó eszközök (számítógép, mobiltelefon, TV, rádió adók). A kettes számrendszer helyiértékei 2 0, 2 1, 2 2, 2 3, 2 4, 2 5, 2 6, 2 7, stb... vagyis 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, stb... Ebben a rendszerben leírva egy szám (1-esek és 0-k sorozata): Példa: 10-es számrendszerben 149-es szám kettes számrendszerben: Helyiértékek: Számadat: ( =149) Adatok, jelek átalakítása digitális (kettes számrendszerbeli) adattá Minden adatot (pl. hang, kép, szöveg, fényerősség, mágneses térerő, hőmérséklet, stb...) megfelelő eszközzel át lehet alakítani digitális jelekké, 1-esek és 0-k sorozatává. Pl. Hangot mikrofonnal, képet kamerával, hőmérsékletet hőmérő szenzorral (pl. digitális hőmérő), szöveget számítógéppel, stb...) Szöveg átalakítása egy kódrendszer alapján történik. Pl. az ASCII kódrendszer minden betűt (kis és nagybetű), és jelet (pl. pont, kérdőjel, stb...) azonosít egy 0 és 255 közötti számmal, kettes számrendszerben.

9 Adatátviteli sebesség A digitális (másnéven bináris) adatokat lehet tárolni számítógépes mágneses merevlemezen, vagy pendrive-on, vagy más memória adattárolón. Az adattárolók között át lehet adni az adatokat. Az adatátvitel sebessége= adatmennyiség / idő Az adatmennyiséget Mbyte-ban, vagy Mbit-ben, vagy Gbyte-ban vagy Gbit-ben szokták megadni, az időt másodpercben. Pl. Egy film GB (gigabyte). Ha ezt USB-n 40 mp alatt át lehet másolni, akkor az USB adatátvételi sebessége 20 GB / 40 s = 0,5 GB/s = 500 MB/s. Az adatok, jelek továbbításának második lépése: - Moduláció: Az információt tartalmazó digitalizált adatokat, jeleket egy vivőhullámra (rádióhullám, mikrohullám, fény, infravörös sug.) kell ráültetni. Ez azt jelenti, hogy a jelnél sokkal nagyobb frekvenciájú vivőhullámmal adják össze a továbbítandó jelet. A modulációnak két fajtája van: Amplitúdó moduláció (AM): A információs jel a vivőhullám feszültség nagyságát, vagyis az amplitúdóját változtatja meg. Frekvencia moduláció (FM): A információs jel a vivőhullám frekvenciáját változtatja meg. Ma az FM-et használják a rádió és TV jeltovábbításoknál.

10 Pl. Egy rádióadás folyamata: Egy rádióadás vivőhullámának alapfrekvenciája 89,5 MHz, az információs jelet (hangot, zenét) erre a frekvenciára ültetik rá (modulálják), és az adó ezt a modulált jelet sugározza a térben. Egy vevőkészülékkel kiválasztva ezt a vivőhullámot, a vevőkészülék leveszi a vivőhullámról a jelet (demodulálás) és visszaalakítja az elektromos jelet hanggá, zenévé (hangszóróval). Ha másik vivőhullámot (pl. 103,3 MHz) választ ki a vevőkészülék, akkor másik rádióadó jelét lehet fogni. Az adatok, jelek továbbításának harmadik lépése: - A modulált jelek továbbítása a vivőhullámokkal a térben. Az antenna a változó elektromos és mágneses jelet kisugározza az antennát körülvevő térben. Az adó-antenna és vevő-antenna között az elektromágneses vivőhullám (rádióhullám, mikrohullám) továbbítja a jeleket a térben fénysebességgel. A rádióhullámok, mikrohullámok a légüres térben is terjednek. Sebességük vákuumban, vagy levegőben: km/s = m/s (fénysebesség)

11 A jeltovábbítás fajtái: 1. Az adótól a vevőig a jelek rádióhullámokon, mikrohullámokon jutnak el műholdakon keresztül. A műholdak ezer km magasságban vannak. (pl. TV, rádió adások, GPS) Előnye, hogy mivel a rádióhullámok egyenes vonalban terjednek, a Földet körülvevő sok műhold segítségével a jelek a Föld bármely helyére továbbíthatók. Hátránya, hogy a műhold nagy távolsága miatt a fénysebességgel haladó rádióhullámok néhány tized másodperc alatt jutnak az adótól a vevőig, vagyis néhány tized másodperc késleltetési idő van. 2. Az adótól a vevőig a jelek rádióhullámokon, mikrohullámokon jutnak el a Földön elhelyezett átjátszó állomásokon, átjátszó antennákon keresztül. Előnye, hogy gyorsabb, mint a műholdas adás. Hátránya, hogy mivel a rádióhullámok egyenes vonalban terjednek, a Föld domborzatától függ, hogy hova jutnak el a jelek. Vannak olyan helyek, ahol nincs térerő, vagyis ahová nem jut el a vivőhullám. (pl. mobiltelefon) 3. Az adótól a vevőig a jelek optikai kábelen (üvegszálkötegből álló fénykábelen) jutnak el fénysugárral.

12 Az optikai kábel működése a fény teljes visszaverődésén alapul: Ha az üvegszálban haladó fény a belső felületére elég laposan, nagy szögben esik, akkor nem tud kilépni, hanem teljesen visszaverődik, és az üvegszálban halad tovább (vízben is megvalósul ez a jelenség). Akkor is elég nagy ez a szög, és visszaverődik, ha az üvegszálat meghajlítják. Ezt a jelenséget használják az optikai kábeleknél vagy orvosi alkalmazásként is (pl. üvegszálas endoszkóp). Előnye: gyors (fényseb.), hátránya: sérülhet a kábel. Ha az optikai kábel egyik végén belevilágítják a fényre modulált adatjeleket, akkor a kábel másik végén jön ki akkor is, ha a kábel meg van hajlítva. A szárazföldeken és a tengerek, óceánok alatt is számtalan kábel van lefektetve. A városokban is ilyen kábeleken vezetik a szolgáltatók a lakásokig a TV, internet, vezetékes telefon jeleket. Az országok és földrészek között is az internet, és vezetékes telefon jelek ilyen optikai kábeleken keresztül haladnak.

13 4. Hagyományos áramvezetéken (árnyékolt antennakábelen) keresztül. Kis távolságokon használják, pl. a lakásokban levő vevőkészülékekhez ezeken vezetik be a szolgáltatók a TV, vezetékes telefon, internet jeleket. Hátránya, hogy hosszú távolságra lassú lenne (az elektromos áram lassú, nem fénysebességgel haladnak az elektronok). A kábelek sok év alatt elöregednek, megrepedhetnek. Előnye: olcsó, és kis távolságra nem jelentős a lassúság. Az adatok, jelek továbbításának utolsó lépése: - A felhasználóhoz vevőhöz továbbított modulált jel visszaalakítása először elektromos árammá, aztán az eredeti jellé (hanggá, képpé, szöveggé). A vevőberendezés, áramkör a vivőhullámről leveszi demodulálja a digitális jelet, adatot, és átalakítja hanggá, képpé, szöveggé. Ilyen vevőberendezés a rádióvevő, TV beltéri egység, GPS vevő (ezek vevők), mobiltelefon, számítógép, vezetékes telefon (ezek nem csak vevők, hanem adók is).

14 A LED TV működése A TV-k képernyője pontokból, pixelekből áll. Minden TV egy db pixel színét a 3 alapszínből állítja össze: kék, zöld, piros A TV felbontása a pixelek számát jelenti. Pl. egy nagy felbontású HD TV 1920 x 1080 azaz 2 millió pixelből áll. Minél nagyobb a felbontás, annál élesebb képet látunk. LED TV energiatakarékos LED égőkkel állítják elő egy-egy pixel színét. Ez a legkorszerűbb TV, energiatakarékos, gyors, és nagy felbontás lehetséges

15 A mobiltelefon jel továbbítása A mobiltelefon jele mikrohullámú vivőhullámmal továbbítódik átjátszó állomásokon (bázisállomásokon) keresztül. A felhasználó telefonáló a legközelebbi bázisállomáshoz kapcsolódik. Mivel több felhasználó is kapcsolatot tart a szolgáltatóval egyszerre, ezért különböző frekvenciájú vivőhullámra, mikrohullámra állítja őket a szolgáltató ( MHz között). Ha viszont többen akarnak egymással beszélgetni (konferencia beszélgetés), akkor azoknak a jelei azonos frekvencián továbbítódnak. Kisebb energiájú mikrohullámmal lehet továbbítani az adatokat, ha a telefon közelebb van a bázisállomáshoz. Ezért is szükséges, hogy az átjátszó állomások (bázisállomások) elég sűrűn helyezkedjenek el. Érzékelők (szenzorok) a telefonokban: A telefonok (típustól függően) több-kevesebb érzékelőt tartalmaznak: fényérzékelő, kamera, jelenlét-érzékelő, helyzetérzékelő, mágneses érzékelő, Megfelelő szoftverekkel, alkalmazásokkal a mobilok ezekkel az érzékelőkkel különböző funkciókra, mérésekre alkalmasak. Pl. sebességmérés, GPS helymeghatározás, útvonaltervezés, fényképezés, iránytű, vízmérték, hangerősség mérés, stb...