Взаимодействие электрического и магнитного полей не есть нечто обособленное, независимое друг от друга. Оно — проявление единого целого, которое носит название электромагнитного поля.
В физике изменяющееся во времени, т. е. движущееся, пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины называется волной. Волны мы наблюдаем при бросании камешков в воду. Волну можно пустить по натянутой веревке. Звуковые волны испускает колеблющаяся струна. Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле образует электромагнитную волну.
Самые разные по своей природе волны имеют одну и ту же общую характеристику — длину волны. Пояснить ее можно на простом и знакомом примере движения волны на поверхности воды. Длина волны (обозначается греческой буквой λ — лямбда) — это расстояние между соседними гребнями. Время, за которое один гребень сменяет другой, составляет период колебания волны Т. Если знать скорость с, с какой происходит эта смена, то легко вычислить расстояние между гребнями, т. е. длину волны, как произведение скорости на время: λ = с∙Т. Величина, обратная периоду колебания волны, — это частота колебания f = 1/T. Поэтому λ = с/f.
Скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света с = 300 000 км/с. Следовательно, ток, колеблющийся с частотой, например, 300 000 Гц, создает электромагнитную волну длиной 1 км, а с частотой 300000000 Гц — 1 м.
Чем с большей частотой колеблется ток в проводе, тем интенсивнее излучаемые им волны. Вот почему в антеннах радиостанции возбуждаются колебания с частотами от сотен тысяч до сотен миллионов герц. Поля таких радиостанций могут быть обнаружены на значительных расстояниях от антенны. Промышленный же переменный ток (частота 50 Гц, длина волны 6000 км) практически ничего не излучает.
Взгляните на шкалу любого радиоприемника. Вы увидите там хорошо знакомые сокращения: ДВ, СВ и КВ — длинные, средние и короткие волны. В современных моделях приемников еще одно обозначение: УКВ — ультракороткие волны. Давайте включим радиоприемник и совершим путешествие по диапазонам радиоволн.
Во всем диапазоне длинных волн нам встретились лишь несколько радиостанций. Почему? Ведь благодаря большой длине (10-1 км) эти волны легко огибают все препятствия в виде оврагов и гор, огибают и сам земной шар. На них не влияют ни грозы, ни штормы, ни дожди, ни снега, ни электрические, ни магнитные бури (из радиоприемника всегда льется громкий и чистый звук), так как распространяются они преимущественно около поверхности Земли, их так и называют — земные или поверхностные волны.
Дело в том, что длинные волны сильно поглощаются землей и нижними слоями ионосферы, поэтому мы слышим лишь расположенные близко радиостанции. Для работы длинноволновых радиостанций требуются передатчики очень большой мощности. Так, уже в 1933 г. в Москве была построена 500-киловаттная радиовещательная станция (для сравнения: электрическая лампочка потребляет мощность всего 100 Вт). В то время это была самая мощная радиостанция в мире.
Из теории известно: для эффективного излучения электромагнитной волны антенной ее размеры должны быть соизмеримы с длиной волны. А теперь представьте, что вы слушаете передачи на волне 2 000 м. Ясно, что построить антенну даже в 2 раза меньшей высоты вряд ли удастся. Сейчас в радиовещании применяются антенны высотой 75-300 м. Надо сказать, что это довольно дорогие и громоздкие сооружения в виде стальных башен, установленных на изоляторах, или стальных мачт, поддерживаемых оттяжками.
Длинные волны возбуждаются колебаниями с частотами 30-300 кГц. В этом диапазоне не могут работать, не мешая друг другу, много радиостанций. Действительно, если частоты, на которых они вещают, разнести друг от друга на 10 кГц (чтобы не прослушивались соседние радиостанции), то в отведенный диапазон "влезет" всего 26 радиовещательных станций.
Продолжим наше путешествие. Следующий диапазон — средневолновый. Но и здесь в дневные часы прослушивается мало радиостанций. Зато ночью их число возрастает: мы начинаем слышать дальние станции. Это объясняется тем, что средние волны имеют меньшую длину (1000-100 м) и, распространяясь поэтому не только по поверхности Земли, но и во все стороны, "наталкиваются" на ионосферу, отражаются от нее и перекрывают тем самым большие расстояния. Днем же под воздействием лучей Солнца нижний, отражающий слой ионосферы разрушается и радиоволны поглощаются верхними ее слоями.
Вещание на средних волнах мало чем отличается от вещания на длинных волнах. Так же требуются мощные радиопередатчики, применяются те же громоздкие антенные сооружения, по-прежнему "тесным" оказывается частотный диапазон 0,3–3 МГц.
Короткие волны (100-10 м) могут многократно отражаться от ионосферы и поверхности Земли и огибать нашу планету. Поэтому на коротких волнах даже сигнал маленькой радиолюбительской станции при благоприятных условиях можно принять в любой точке земного шара. Для вещания на таких волнах требуется значительно меньшая мощность передатчика. Существенно уменьшаются размеры антенн. В диапазоне частот 3-30 МГц. соответствующем коротким волнам, даже в дневное время мы ловим десятки радиостанций, а ночью, когда прохождение волн лучше, прослушивается так много станций, что эфир начинает казаться "тесным".
В то же время всем нам хорошо знакомы внезапные ухудшения качества радиоприема на коротких волнах. Бывает даже, что радиостанции исчезают на время от нескольких секунд до нескольких минут. Это дает себя знать неприятное явление — замирание. Передающая антенна излучает волны не в одном направлении, а во многих, поэтому на ионосферу падает не один луч, а как бы пучок лучей. В приемную антенну приходят волны, которые распространялись разными путями. Взаимодействуя, они то "гасят", то усиливают друг друга.
Последний диапазон радиоволн — ультракоротковолновый. В нем размещаются волны длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые. Первые из них занимают частоты 30-300 МГц, а последние — 30 000-1 000 000 МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а терагерцем (ТГц) — каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым волнам соответствуют частоты 30 ГГц-1 ТГц.
Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не поглощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два "окна". Одно из них — в области видимого света. Им человечество пользуется уже тысячи лет, изучая звезды в телескоп. Второе — "радиоокно" в области УКВ. Оно обнаружено только в XX в. благодаря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью этого "окна" осуществляется связь с космическими кораблями.
Из-за "прямолинейного" характера распространения ультракоротких волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна приемника "видит" антенну передатчика. Если на пути волны встречается препятствие (высокий дом, гора, лес), связь становится невозможной. "Зачем же тогда наносить на шкалы современных радиоприемников волны этого диапазона, — спросит наблюдательный читатель, — если их невозможно принимать так же, как длинные, средние и короткие? Дело в том, что "необъятный" частотный диапазон ультракоротких волн очень привлекателен для радио- и телевизионного вещания. Во-первых, в нем могут работать с большим разносом частот, не мешая друг другу, сотни радиостанций. При этом чем большая полоса частот отводится радиостанции, тем легче сохранить все самые тончайшие оттенки транслируемых звуков. В настоящее время на ультракоротких волнах ведется высококачественное стереофоническое вещание на обычные радиоприемники. Во-вторых, только в таком широком диапазоне и можно организовать телевизионное вещание. Что же касается выполнения условия "прямой видимости", то не остается ничего иного, как поднять антенну как можно выше. Например, Останкинская телевизионная башня "вытянулась" вверх на 525 м.
