Радиоволны в среде

Распространение радиоволн происходит в некоторой среде вблизи поверхности Земли, в ее атмосфере, в космическом пространстве, причем на условия распространения радиоволн оказывают влияние электрические свойства среды, определяемые ее проводимостью и диэлектрической проницаемостью. Проводимость веществ определяется наличием свободных электронов в веществе. Чем больше свободных (способных перемещаться) электронов в кубическом сантиметре вещества, тем ближе его электрические свойства к свойству проводника. Диэлектрические свойства вещества определяются способностью молекул вещества поворачиваться под действием электрического поля. Чем больше проводимость вещества, тем больше энергии теряет электромагнитная волна при распространении в этом веществе, большая часть электромагнитной энергии переходит в тепловую. (Не следует смешивать это обстоятельство с явлением уменьшения потерь в проводе при увеличении его проводимости.)

Наличие у веществ свойств проводника и диэлектрика приводит к тому, что в веществах одновременно существуют токи проводимости, совпадающие по фазе с напряжением, и токи смещения, отличающиеся по фазе от напряжения на 90°. Если токи проводимости значительно больше токов смещения, то вещество можно считать проводником, при обратном соотношении — диэлектриком. Значение тока смещения зависит от частоты колебаний, поэтому и соотношение между токами проводимости и смещения меняется в зависимости от частоты колебаний. Таким образом, одно и то же вещество может проявлять на разных частотах то свойства проводника, то свойства диэлектрика. Это относится, конечно, и к электрическим свойствам поверхности Земли (суши и моря) и атмосфере.

Для характеристики поглощающих свойств среды пользуются понятием удельного коэффициента поглощения Г_уд (децибелы на километр), показывающего, во сколько раз уменьшилась напряженность поля при прохождении единицы пути (1 м или 1 км), и коэффициентом поглощения на всем пути r (в километрах). Коэффициент поглощения удобно выражать в децибелах Г (дБ) = Г_уд r = 20 lg Е/Е₀, где Е — напряженность поля волны, прошедшей расстояние r (в километрах) в поглощающей среде; E₀ — напряженность поля волны, прошедшей то же расстояние в свободном пространстве.

В однородной среде, т. е. в среде, свойства которой не меняются по всему объему, волна движется прямолинейно с постоянной скоростью. При переходе волны из одной среды в другую на границе раздела двух сред происходит преломление и отражение волны. Волна частично проходит во вторую среду, причем направление ее движения меняется, и частично отражается от границы раздела сред (рис. 4). В этом случае угол падения волны равен углу отражения, а угол падения φ и угол преломления ψ связаны соотношением

$$
\begin{equation}
\frac{sin\ \varphi}{sin\ \psi}=\frac{n_2}{n_1}
\tag{1}
\end{equation}\label{eq.1}
$$

где n₁ и n₂ — коэффициенты преломления первой и второй сред соответственно.

Если поверхность, на которую падает волна, представляет собой идеальный проводник, то волна полностью отражается от границы раздела и не проходит во вторую среду. Такое отражение называется зеркальным.

В случае, когда свойства среды (коэффициент ее преломления) неодинаковы в различных местах, т. е. когда среда неоднородна, волна преломляется и движется по криволинейной траектории. Чем более неоднородна среда, чем резче меняется коэффициент преломления, тем больше кривизна траектории (рис. 5).

Явление искривления траектории движения волны в неоднородной среде называется рефракцией. В том случае, когда волна переходит из среды с большим коэффициентом преломления в среду с меньшим коэффициентом преломления (например, из воды в воздух), при достаточно большом угле падения может наступить явление полного внутреннего отражения, т. е. вся энергия волны отразится от границы раздела и не проникает во вторую среду. Явление полного внутреннего отражения может иметь место и в неоднородной среде, когда коэффициент преломления среды уменьшается в направлении движения волны. При этом волна не проникает дальше некоторого определенного расстояния (расстояние h на рис. 5).

Нередко в место приема приходит не одна, а две или несколько волн одной и той же частоты. Например, если передающая антенна расположена в точке А (рис. 6, а), а на некотором расстоянии от нее имеется отражающая поверхность В, то в точку Б волны могут прийти двумя путями: прямым путем по линии АБ и по пути АВБ. В точке Б происходит сложение полей этих двух волн — интерференция, причем результирующее поле может оказаться либо больше, либо меньше полей отдельных волн. Если разность длин путей АВБ и АБ составляет целое число длин волн, то поля складываются в фазе и результирующее поле оказывается больше полей отдельных волн (рис. 6, б). Если же разность длин волн составляет целое число полуволн, то поля вычитаются (складываются в противофазе) и результирующая напряженность поля оказывается меньше складывающихся полей (рис. 6, в).

Представим себе, что положение отражающей поверхности меняется таким образом, что разность длин путей АВБ и АБ составляет то целое число длин волн, то целое число полуволн. Тогда амплитуда результирующего поля будет меняться от максимального значения до минимального, т. е. напряженность поля будет то увеличиваться, то уменьшаться. Такие колебания напряженности поля называют замираниями.

Если на пути распространения волны встречается непрозрачное препятствие, то волна стремится его обогнуть (рис. 7). Явление огибания волной встречающихся на ее пути препятствий называется дифракцией. Дифракция наиболее сильно проявляется в том случае, когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны. Если препятствие очень мало по сравнению с длиной волны, то напряженность поля за препятствием меняется незначительно (рис. 7, а). При относительно больших размерах препятствия волна практически его не огибает и за препятствием образуется область тени, где напряженность поля мала (рис. 7, б).