Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [54]
Но использование радиоволн не ограничилось телевидением. Широкое применение нашло их свойство отражаться от объектов, обнаруживая их и определяя расстояние до них и скорость движения объектов. Так родился радар. Сейчас радиоволны передаются на спутники и обратно на Землю, чтобы переносить телефонные и телевизионные сигналы, а также сигналы интернета в разные уголки Земли буквально за доли секунды. За исключением оптоволоконных систем связи, использующих лазерное излучение, почти все магистральные (передающие на большие расстояния) системы передачи используют сегодня радиоволны. Но как они работают? Как албанский певец проникает в ваш телевизор за долю секунды, используя всего лишь колебания в пространстве?
Как на самом деле работает радио?
Представьте себе, что вы хотите поговорить с другом в Африке, но у вас есть только один электрон. Одна из «мух», которые жужжат в пустом кафедральном соборе атома. Сможете ли вы решить свою задачу? Теоретически да. Когда по проводам идет электрический ток, он создает магнитное поле. Вы сможете увидеть это, если положите компас рядом с электропроводом: вы заметите, как задвигается его стрелка. Дело в том, что вокруг провода с электрическим током образуется магнитное поле. Оно и заставляет стрелку двигаться. А переменное (колебательное) магнитное поле создает поле электрическое. Когда вы крутите педали велосипеда с включенным динамо, то заставляете ротор в виде катушки медной проволоки вращаться внутри статора – магнита. Магнитное поле в катушке постоянно пульсирует, то есть совершает колебания, индуцируя электричество, питающее лампочку велосипеда[174]. За исключением солнечной энергии, практически всё электричество, используемое нами, производится электромагнитными генераторами того или иного типа.
Представьте себе, что вы берете единственный электрон и сильно встряхиваете его вверх и вниз, как бутылку с застрявшим кетчупом. У электрона отрицательный заряд, и его перемещения создают магнитное поле. Колебания магнитного поля создают поле электрическое. Перемещение заряда вверх и вниз генерирует одновременные взаимосвязанные электрическое и магнитное поля, которые обусловливают друг друга. Электромагнитное излучение исходит вовне от двигающегося электрона в виде волн со скоростью света. Именно их мы и имеем в виду, когда говорим о радиоволнах.
В практическом смысле для генерации радиоволн лучше всего заставить электрон двигаться вверх и вниз по металлическому стержню – радиоантенне. Можно превратить принимаемую радиоволну в электрические заряды, сигналы и звуки, которые вы услышите с помощью второй антенны (у приемника), так же как вибрацию электрона – в излучаемую радиоволну (из передатчика). Длина антенны должна составлять половину длины радиоволны, которую она передает или принимает. В случае мобильных телефонов, которые работают в диапазоне частот порядка 2 ГГц, микроволны, несущие речевое сообщение, имеют длину порядка 15 см[175], так что антенна должна быть длиной примерно с ваш мизинец (она может выдвигаться из корпуса телескопически либо, как в современных устройствах, быть встроенной в корпус). Транзисторные радиоприемники, работающие в диапазоне FM, используют более низкие частоты, чем мобильные телефоны (и большую длину волны). Как и более старые мобильники, эти радиоприемники оборудуются телескопическими антеннами длиной 1–1,5 м. Посчитайте, и вы увидите, что это примерно половина длины волны обычной радиопередачи в диапазоне FM[176].
Как и световые волны, радиоволны распространяются чаще всего по прямой. Если бы это было всегда так, то радиопередатчики приносили бы нам не больше пользы, чем маяки. Их сигналы просто «уходили» бы в космос, не позволяя использовать их для передачи сигнала на расстояние больше 15–30 км[177]. Радиоволны так хороши для связи, поскольку способны легко огибать сферическую поверхность Земли. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, если высокая радиомачта соединена с Землей, планета сама служит нижним плечом антенны. Представьте себе, что радиомачта стоит на поверхности озера с абсолютно спокойной водой. Если посмотреть со стороны, то мачта покажется вдвое выше: сама антенна плюс ее отражение в озере. То же происходит с заземленной радиомачтой: планета проводит электричество и служит подобием зеркального продолжения мачты. Когда радиоволна исходит от передающей антенны, она естественным образом окружает контуры планеты, превращаясь в поверхностную волну[178].
▲ Как работает транзисторное радио. Транзисторный приемник принимает радиоволны, распространяющиеся в воздухе. Когда волны (электромагнитное колебание) попадают на антенну, по ней начинают двигаться электрические заряды. Это создает электрический ток, который встроенная в приемник специальная цепь преобразует в звуковой сигнал. Входящие сигналы обычно очень слабые; транзистор – компонент радиоприемника, который усиливает их.
