Fale - WŁASNOŚCI i prawa
Fale elektromagnetyczne otaczają nas na co dzień. Dlatego warto poznać ich własności i prawa, które je opisują. Jeśli niektóre zagadnienia są niejasne – sprawdź wpis poświęcony wprowadzeniu do świata fal i anten.
POLARYZACJA fali
Polaryzacja jest kierunkiem rozchodzenia się fali magnetycznej i elektrycznej. Wykorzystuje się ją w technice antenowej lub przy tworzeniu szkieł fotograficznych po to, by zmniejszyć ilość światła na obrazie.
Jak widać na poniższym obrazku, fale o różnej polaryzacji próbują przejść przez ośrodek, lecz tylko fala o odpowiedniej polaryzacji jest w stanie dotrzeć do celu.
Odbicie fali
To zjawisko podczas którego fala zmienia swój kierunek rozchodzenia po napotkaniu ośrodka, przez który nie może się przedostać. Przykładem odbicia jest rzucenie piłki w kierunku ściany, piłka oczywiście odbije się od ściany i poleci w naszym kierunku.
Przykładowy wykres odbicia fali na granicy dwóch ośrodków:
Załamanie (refrakcja) fali
To zmiana kierunku rozchodzenia się fali przez zmianę jej prędkości podczas zmiany ośrodka. Zmiana prędkości powoduje zmianę długości fali przy niezmienionej częstotliwości. Zjawisko załamania światła szczegółowo opisuje prawo załamania światła, nazywane także prawem Snelliusa.
Zjawisko załamania można w łatwy sposób zauważyć w życiu codziennym. Gdy pod kątem włożymy ołówek do przezroczystego naczynia z wodą, to będzie się nam wydawało, że ołówek zmieni swój wygląd, będzie przecięty. Po wyjęciu ołówka z wody oczywiście będzie miał swój pierwotny wygląd.
Prawo załamania:
Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka drugiego n2 do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka pierwszego n1, czyli współczynnikowi załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego.
SINa/SINb =N2/N1=V1/V2
prawo załamania, a technologia światłowodowa
Ze zjawiska załamania światła korzysta również technologia światłowodowa. W światłowodzie wiązka światła, która “płynie” przez światłowód tak naprawdę jest odbijana na granicy dwóch ośrodków. Jednym z ośrodków jest rdzeń włókna światłowodowego (na rysunku n1), a drugim jest płaszcz włókna (na rysunku n2).
Interferencja fali
To zjawisko nakładania się na siebie dwóch lub większej ilości fal elektromagnetycznych.
Zjawisko interferencji negatywnie wpływa na działanie np. sieci komórkowych. Z tego powodu Inżynierowie muszą brać pod uwagę nakładanie się fal podczas tworzenia sieci bezprzewodowych. Przykładowo może zdarzyć się sytuacja, gdzie w mieście na jednym skrzyżowaniu nie będzie można wykonywać połączeń. To dlatego, że fale generowane przez telefon będą się ze sobą znosiły, ponieważ odbicia od najbliższych budynków będą powodowały nakładanie się fal.
Dyfrakcja fali
Dyfrakcja polega na uginaniu fali przy rozchodzeniu się blisko różnych obiektów lub podczas przechodzenia przez szczeliny.
Fala, która ulega zjawisku dyfrakcji zmienia swój kierunek oraz może ulec wygaszeniu (stłumieniu).
Zasada Huygensa
Sformułowaną przez Christiaana Huygensa zasadę stosuje się do określenia rozchodzenia się fali w ośrodku. Mówi ona iż każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali, można uważać za źródło nowej fali kulistej.
Fala stojąca
To efekt nałożenia się na siebie dwóch takich samych fal o identycznych amplitudach, częstotliwościach i kierunkach, ale przeciwnych zwrotach. Jest zjawiskiem niepożądanym w transmisji radiowej, ponieważ oznacza niedopasowanie anten.
Absorbcja
Absorbcja to zjawisko, podczas którego część energii fali jest tracona w ośrodku zależnie od częstotliwości lub grubości warstwy ośrodka.
Ze zjawiska absorbcji korzysta się chociażby przy tworzeniu studiów nagraniowych, gdzie ściany są pokrywane specjalnymi materiałami dobrze tłumiącymi dźwięki. Takie rozwiązanie umożliwia realizację nagrań bez szumów otoczenia.
fale, a strefy atmosfery
Ziemska atmosfera jest niezwykle zróżnicowana – można wyróżnić kilka jej stref. Poniższy obrazek przedstawia charakterystykę poszczególnych stref atmosfery.
Różne sposoby rozchodzenia się fal radiowych w otoczeniu.
Fale radiowe występujące w pobliżu Ziemi
- troposferyczne, docierające do odbiornika dzięki refrakcji w troposferze.
- jonosferyczne, docierające do odbiornika dzięki istnieniu jonosfery:
- wracają na Ziemię po odbiciu od jonosfery,
- rozchodzą się w przestrzeni ograniczonej powierzchnią Ziemi i dolną granicą jonosfery.
Fale przyziemne, rozchodzące się w bliskości Ziemi
- powierzchniowe fale nadawane są przez anteny umieszczone na powierzchni Ziemi i rozchodzą się wzdłuż tej powierzchni,
- fale przestrzenne, są emitowane przez anteny umieszczone nad powierzchnią Ziemi i można wyróżnić:
- bezpośrednie, rozchodzące się bezpośrednio od nadajnika do odbiornika
- odbite, docierające do odbiornika po odbiciu się od powierzchni Ziemi
Fale elektromagnetyczne, a sieci bezprzewodowe
Sieci bezprzewodowe wykazują szereg różnic w stosunku do sieci przewodowych. W wielu przypadkach stosowanie w sieci bezprzewodowej rozwiązań znanych z sieci przewodowych jest niemożliwe bądź nieefektywne. Dotyczy to również protokołów dostępu do łącza transmisyjnego. W sieciach bezprzewodowych bez przeszkód można stosować jedynie protokoły dostępu sterowanego, jak np. odpytywanie czy przekazywanie żetonu. Pierwszy z nich może być stosowany, jeżeli stacja centralna posiada łączność z każdą z pozostałych stacji; drugi natomiast – gdy wszystkie stacje sieci posiadają wzajemną łączność, podobnie jak w analogicznej sieci przewodowej. W drugim z wymienionych przypadków można także stosować protokoły rywalizacyjne, jednak warunek ten nie musi być spełniony.
W przypadku stosowania protokołów rywalizacyjnych w sieciach bezprzewodowych pojawia się szereg problemów związanych ze zjawiskami niewystępującymi w sieciach przewodowych. Najważniejsze z nich to:
- zjawisko ukrytej i odkrytej stacji,
- interferencje,
- efekt przechwytywania.
Zachęcamy do skorzystania z portalu https://epodreczniki.pl/, gdzie można znaleźć wiele materiałów naukowych.
Artykuł został przygotowany przez działaczy KN Wireless Group oraz Stowarzyszenia Studenckiego WIGGOR. Jeśli technologia jest Twoją pasją – sprawdź naszego Facebooka!