"Oberpfaffenhofen, έχουμε πρόβλημα!" Μία διερευνητική μελέτη της εκπομπής, διάδοσης και λήψης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με μία συσκευή βίντεο (VCR) και μία αναλογική τηλεόραση

Η παρακάτω πειραματική πρόταση παρουσιάστηκε στους 8ους Πανελλήνιους Αγώνες Κατασκευών και Πειραμάτων Φυσικών Επιστημών, οι οποίοι έγιναν στην Αθήνα 7-8 Νοεμβρίου 2014. Η πρόταση επιλέχθηκε, μαζί με άλλες επτά, και συμμετείχε στο Ελληνικό περίπτερο στην κεντρική εκδήλωση του προγράμματος Science on Stage - Europe, που πραγματοποιήθηκε στο Λονδίνο 17-20 Ιουνίου 2015, όπου και παρουσιάστηκε, μετά από επιλογή, σε κεντρική συνεδρία.

Εισαγωγή

Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ένα απλό στην εκτέλεση αλλά εντυπωσιακό πείραμα: η ασύρματη μετάδοση εικόνας και ήχου με μία συσκευή βίντεο VCR και μία τηλεόραση (ή έναν υπολογιστή με κάρτα τηλεόρασης). Αξιοποιείται ο διαμορφωτής RF που υπάρχει στην έξοδο μίας συσκευής VCR για την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Παρέχεται έτσι η δυνατότητα διερεύνησης από τους μαθητές διάφορων χαρακτηριστικών των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων αλλά και φαινομένων που σχετίζονται με τη διάδοσή τους.

Συγκεκριμένα, οι μαθητές έχουν τη δυνατότητα να μελετήσουν τα φαινόμενα της ανάκλασης, της συμβολής και της πόλωσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, ενώ μπορούν να προσομοιώσουν την επίδραση των κεραυνών, της βροχόπτωσης και των ηλιακών καταιγίδων στην ποιότητα των τηλεπικοινωνιών καθώς και την αναμετάδοσης σήματος που καθιστά δυνατή την επικοινωνία μέσω δορυφόρων.

Α. Η βασική πειραματική διάταξη

Για να μπορέσουν οι μαθητές να διερευνήσουν διάφορα φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων απαιτείται να έχουν πρόσβαση σε έναν πομπό και σε ένα δέκτη ώστε, μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά τους, να καταφέρουν να φτάσουν σε συμπεράσματα που αποκαλύπτουν μερικές χαρακτηριστικές ιδιότητες των κυμάτων αυτών.

Αντί να προσφύγουμε σε εξειδικευμένο εργαστηριακό εξοπλισμό θα αξιοποιήσουμε ως δέκτη μία τηλεόραση ή έναν Η/Υ εξοπλισμένο με TV Tuner (κάρτα τηλεόρασης), ενώ ως πομπό θα αξιοποιήσουμε μία (μάλλον παροπλισμένη πλέον) συσκευή βίντεο VCR (Video Cassette Recorder)[1].

Υλικά που θα χρειαστούν

1 βίντεο VCR με έξοδο RF

1 συσκευή τηλεόρασης (ή εναλλακτικά Η/Υ με κάρτα TV tuner)

1 ομοαξονικό καλώδιο 75-ohm (αρσενικό - θηλυκό) μήκους περίπου 1 m

2 στατήρες

2 σφιγκτήρες

Τι θα κάνετε

Αποκατάσταση επικοινωνίας μεταξύ συσκευής VCR και τηλεόρασης ή TV Tuner

Συνδέστε τη συσκευή VCR με την τηλεόραση ή το TV Tuner του υπολογιστή σας με το ομοαξονικό καλώδιο. Συνδέστε την έξοδο RF OUT της συσκευής VCR με την είσοδο ANTENNA της αντίστοιχης συσκευής λήψης. Ενεργοποιήστε τη συσκευή VCR και την τηλεόραση και από το μενού της τηλεόρασης επιλέξτε σάρωση (αντίστοιχα κάνετε αν χρησιμοποιείτε κάποιο TV Tuner). Συνήθως, τα προεπιλεγμένα κανάλια εκπομπής των συσκευών VCR είναι το κανάλι 22 (με συχνότητα εκπομπής f₁=472250 kHz = 4,7225·10⁸ Hz) ή το κανάλι 36 (με συχνότητα εκπομπής f₂=591250 kHz = 5,9125·10⁸ Hz). Μπορείτε οποιαδήποτε στιγμή να αλλάξετε τη συχνότητα εκπομπής από το μενού επιλογών της συσκευής VCR (συνήθως ακολουθείται η διαδρομή, ανάλογα με τη συσκευή, MENUàINITIAL SET UPàRF OUT).

Όταν αποκατασταθεί επικοινωνία μεταξύ συσκευής VCR και τηλεόρασης ή TV Tuner, θα πρέπει να βλέπετε στο δέκτη μια μπλε οθόνη ή το χαρακτηριστικό μενού επιλογών της συσκευής VCR. Αν τοποθετήσετε μία κασέτα στη συσκευή VCR και τη θέσετε σε κατάσταση PLAY πρέπει να βλέπετε το περιεχόμενο της κασέτας να προβάλλεται στην οθόνη σας.

Προετοιμασία της διάταξης

Κλείστε τις δύο συσκευές, αποσυνδέστε το ομοαξονικό καλώδιο και κόψτε το στη μέση με ένα ψαλίδι ή ένα κοπίδι. Για κάθε ένα (Εικόνα 1α) από τα δύο κομμάτια που προκύπτουν: α. βγάλτε, με ένα κοπίδι, το πλαστικό κυλινδρικό φύλλο του καλωδίου σε μήκος περίπου 10 cm από το σημείο τομής του αρχικού καλωδίου. Θα αποκαλυφθεί ένα χάλκινο σωληνωτό συρμάτινο πλέγμα που περιβάλει ένα σωληνοειδές μονωτικό στρώμα πλαστικού, το οποίο με τη σειρά του περιβάλλει ένα εσωτερικό χάλκινο αγωγό (Εικόνα 1β). β. αποπλέξτε προσεκτικά, χωρίς να το κόψετε, το χάλκινο πλέγμα ώστε να μπορέσετε να βγάλετε μέσα από αυτό το πλαστικό σωληνοειδές με το ενσωματωμένο σύρμα (Εικόνα 1γ). γ. Πλέξτε το χάλκινο πλέγμα γύρω από τον άξονά του ώστε να σχηματίσετε ένα «χοντρό» χάλκινο σύρμα. δ. Διπλώστε τα δύο μέρη που έχετε απομονώσει ώστε να είναι στην ίδια διεύθυνση μεν αλλά αντικριστά, όσο το δυνατόν κάθετα στο υπόλοιπο καλώδιο (Εικόνα 1δ).

Εικόνες 1α, β, γ, δ. Δημιουργώντας κεραίες εκπομπής και λήψης με ένα ομοαξονικό καλώδιο.

 

Συνδέστε το καλώδιο με το αρσενικό βύσμα στην έξοδο RF OUT της συσκευής VCR (Εικόνα 2α). Αυτό θα αποτελεί πλέον τη διπολική κεραία εκπομπής. Συνδέστε το καλώδιο με το θηλυκό βύσμα στην είσοδο ANTENNA της τηλεόρασης ή της κάρτας TV TUNER (Εικόνα 2β).

Εικόνα 2. α. Σύνδεση της κεραίας εκπομπής στην έξοδο RF OUT της συσκευής VCR. β. Σύνδεση της κεραίας λήψης σε TV Tuner που συνδέεται σε θύρα USB υπολογιστή.

Για να διατηρήσετε τις δύο κεραίες σε σταθερό προσανατολισμό (π.χ. κατακόρυφο) στερεώστε τις με τη βοήθεια ενός στατήρα και ενός κατάλληλου σφιγκτήρα (Εικόνες 2β και 3). Τοποθετήστε τις δύο κεραίες στο ίδιο ύψος από το τραπέζι, π.χ. σε ύψος 25 cm και ρυθμίστε την μεταξύ τους απόσταση σε περίπου 45 cm (Εικόνα 3).

Αυτή είναι η βασική διάταξη των πειραματισμών που θα ακολουθήσουν.

Ανοίξτε τη συσκευή VCR και θέστε την τηλεόραση ή το TV Tuner στο κανάλι που έχετε συντονίσει (π.χ. στο κανάλι 22). Μολονότι δεν υπάρχει ενσύρματη επαφή μεταξύ VCR και τηλεόρασης βλέπετε στην οθόνη σας, με ελαφρύ «χιόνι» ό,τι προβάλλει η συσκευή VCR (Εικόνα 3). Το σήμα μεταφέρεται ασύρματα στη συχνότητα του καναλιού που έχετε επιλέξει (εδώ στη συχνότητα f₁= 4,7225·10⁸ Hz).

Πώς λειτουργεί;

Οι πρώτες αναλογικές τηλεοράσεις σχεδιάστηκαν για να δέχονται σήματα μέσω της ατμόσφαιρας (σήματα που εκπέμπει ένας τηλεοπτικός σταθμός και λαμβάνει η κεραία λήψης της τηλεόρασης). Προκειμένου μία αναλογική τηλεόραση να απεικονίσει εικόνες που προέρχονταν από άλλες πηγές (π.χ. συσκευή VCR ή οικιακό υπολογιστή) έπρεπε τα δεδομένα που δέχεται να διαμορφώνονται στη μορφή που η τηλεόραση αναγνώριζε. Τεχνικά, αυτό σημαίνει ότι τα δεδομένα που στέλνονται προς την τηλεόραση πρέπει να μεταφερθούν με ένα φέρον κύμα μίας συγκεκριμένης συχνότητας έχοντας υποστεί διαμόρφωση κατά πλάτος ή συχνότητα [2].

Για να επιτευχθεί αυτό, στην έξοδο της συσκευής VCR υπάρχει ένας διαμορφωτής RF (RF modulator), ένα κύκλωμα που μετατρέπει την πληροφορία που προκύπτει από την ανάγνωση μίας κασέτας σε σήμα που μπορεί να ανιχνευτεί από μία συσκευή όπως μία τηλεόραση ένα ραδιόφωνο, όπου και γίνεται η αντίστροφη διαδικασία [3], [4]. Για λόγους ποιότητας της εικόνας η πληροφορία αυτή μεταφέρεται με ένα ομοαξονικό καλώδιο, όπως υποδεικνύει όμως το συγκεκριμένο πείραμα αυτό δεν είναι απαραίτητο.

Ωστόσο, λόγω της μικρής ισχύος του σήματος εξόδου (μεταξύ 1 μW και μερικών mW, ανάλογα με τη συσκευή VCR [5]), οι δύο κεραίες πρέπει να είναι σχετικά κοντά. Έτσι, αν προσπαθήσετε να φέρετε πιο κοντά τις δύο κεραίες η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται (τα «χιόνια» μειώνονται) ενώ αν τις απομακρύνετε η ποιότητα χειροτερεύει (η εικόνα γίνεται αρχικά ασπρόμαυρη και αν η απόσταση ξεπεράσει το 1 m το σήμα εξασθενεί σημαντικά, σχεδόν χάνεται). Εδώ επιλέξαμε την απόσταση των 45 cm γιατί οδηγεί σε ικανοποιητική ποιότητα λήψης και ταυτόχρονα αφήνει στον πάγκο εργασίας επαρκή χώρο για την πραγματοποίηση πειραματισμών.

Παρά την απλότητα των υλικών που χρησιμοποιούμε και την όχι τέλεια ποιότητα εικόνας που επιτυγχάνεται, είμαστε πλέον σε θέση να διερευνήσουμε τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Εικόνα 3. Η βασική διάταξη. Οι δύο κεραίες βρίσκονται, κατακόρυφα, απέναντι η μία από την άλλη σε απόσταση 45 cm. Το σήμα λαμβάνεται και απεικονίζεται στην οθόνη του υπολογιστή.

Β. Ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Με την παραπάνω διάταξη μπορούμε να ελέγξουμε/επιβεβαιώσουμε διάφορα φαινόμενα που αφορούν την μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Προτείνεται να ακολουθηθεί η μέθοδος της καθοδηγούμενης ανακάλυψης [6]: θέτουμε ερωτήματα στους μαθητές και περιμένουμε από αυτούς να αξιοποιήσουν τη βασική πειραματική διάταξη και όσα υλικά κρίνουν χρήσιμα από το εργαστήριο, για να καταλήξουν σε απαντήσεις και συμπεράσματα. Ενθαρρύνουμε επίσης τους μαθητές να θέσουν δικά τους ερωτήματα και να επιχειρήσουν να σχεδιάσουν τις κατάλληλες πειραματικές διαδικασίες για να τα ελέγξουν.

Ακολουθούν ενδεικτικές πειραματικές δραστηριότητες.

1. Πόλωση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Ενδεικτικά ερωτήματα

Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος από τον προσανατολισμό των δύο κεραιών; Πώς μπορούμε να το ελέγξουμε;

Υλικά που απαιτούνται

Δεν απαιτούνται επιπλέον υλικά πέρα από τη βασική διάταξη.

Πειραματικές διαδικασίες

Στρέψτε τη μία από τις δύο κεραίες, π.χ. την κεραία εκπομπής, ώστε να γίνει οριζόντια. Η κεραία λήψης παραμένει κατακόρυφη (Εικόνα 4). Τι παρατηρείτε να συμβαίνει ενώ στρέφετε την κεραία; (Μεταβάλλεται η ποιότητα λήψης. Όταν  οι δύο κεραίες αποκτούν κάθετους μεταξύ τους προσανατολισμούς το σήμα χάνεται εντελώς και η οθόνη γεμίζει «χιόνια» 

Γιατί; (Τα κύματα που εκπέμπονται από την κεραία εκπομπής είναι γραμμικά πολωμένα με διεύθυνση πόλωσης αυτήν της διεύθυνσης της κεραίας: κατακόρυφη. Επειδή η κεραία λήψης έχει προσανατολισμό οριζόντιο τα ελεύθερα ηλεκτρόνιά της δεν μπορούν να τεθούν σε εξαναγκασμένη ταλάντωση από το Η/Μ κύμα στη διεύθυνση της κεραίας γεγονός που οδηγεί στην αποτυχία επαγωγικής σύζευξης των δύο κεραιών και επομένως της λήψης του σήματος.)

Στρέψτε και τις δύο κεραίες οριζόντια. Τι παρατηρείτε να συμβαίνει; (Η εικόνα επανέρχεται: η ποιότητα λήψης δεν επηρεάζεται από τον προσανατολισμό των δύο κεραιών σε σχέση με τον πάγκο εργασίας αλλά μόνο με τη μεταξύ τους σχετική θέση.)

Εικόνα 4. Οι δύο κεραίες έχουν κάθετους προσανατολισμούς. Το σήμα που λαμβάνεται είναι ανεπαρκές. Η οθόνη δείχνει μόνο «χιόνια».

2. Παρεμβολή αντικειμένων μεταξύ των δύο κεραιών

Ενδεικτικά ερωτήματα

Πώς επηρεάζεται άραγε η λήψη του σήματος από την παρεμβολή ανάμεσα στις δύο κεραίες διάφορων αντικειμένων; Τι είδους υλικά έχει ενδιαφέρον να παρεμβάλλουμε; Παίζει ρόλο ο προσανατολισμός τους; (Έχει ενδιαφέρον να παρεμβάλλουμε αγώγιμα υλικά, μονωτές (διηλεκτρικά) καθώς και ανακλαστικά (λεία) υλικά.)

2.1 Παρεμβολή διηλεκτρικού (φελιζόλ)

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

Ένα μεγάλο κομμάτι φελιζόλ

Πειραματικές διαδικασίες

Ενώ υπάρχει ζεύξη μεταξύ των δύο κεραιών και στην οθόνη προβάλλεται το σήμα του βίντεο, τοποθετήστε ανάμεσα στις κεραίες το φελιζόλ (Εικόνα 5). Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος; (Το σήμα δεν επηρεάζεται, η ποιότητα της εικόνας παραμένει σταθερή για κάθε προσανατολισμό του φελιζόλ.)

Γιατί; (το φελιζόλ είναι διηλεκτρικό υλικό και η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε αυτά τα υλικά δεν επηρεάζεται σημαντικά [7] )

 

Εικόνα 5. Μεταξύ των δύο κεραιών παρεμβάλλεται διηλεκτρικό υλικό (κομμάτι φελιζόλ). Η λήψη του σήματος παραμένει ανεπηρέαστη.

2.2 Παρεμβολή αγώγιμου υλικού (αλουμινόχαρτο)

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

Αλουμινόχαρτο

Πειραματικές διαδικασίες

Ενώ υπάρχει ζεύξη μεταξύ των δύο κεραιών και στην οθόνη προβάλλεται το σήμα του βίντεο, τοποθετήστε ανάμεσα στις κεραίες  αλουμινόχαρτο (Εικόνα 6). Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος; (Το σήμα χάνεται, η οθόνη γεμίζει χιόνια για κάθε προσανατολισμό του φύλλου αλουμινόχαρτου.)

Γιατί; (Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα πρώτον, ανακλάται στην επιφάνεια του αγώγιμου υλικού και δεύτερον, απορροφάται ισχυρά κατά τη διάδοσή του σε αυτό. Συνεπώς το κύμα δεν διέρχεται και η λήψη χάνεται [8])

Εικόνα 6. Μεταξύ των δύο κεραιών παρεμβάλλεται αγώγιμη επιφάνεια (κομμάτι αλουμινόχαρτο). Η κεραία λήψης δεν λαμβάνει σήμα. Η οθόνη γεμίζει «χιόνια».

2.3 Παρεμβολή οριζόντιου/κάθετου αγώγιμου πλέγματος

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

Μία μεταλλική σχάρα με παράλληλα σύρματα (π.χ. από ένα ηλεκτρικό φούρνο)

Πειραματικές διαδικασίες

Ενώ υπάρχει ζεύξη μεταξύ των δύο κεραιών και στην οθόνη προβάλλεται το σήμα του βίντεο, τοποθετήστε ανάμεσα στις κεραίες τη σχάρα με τα σύρματά της να είναι παράλληλα στη διεύθυνση των δύο κεραιών (Εικόνα 7). Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος; (Το σήμα χάνεται και η οθόνη γεμίζει «χιόνια».

Εικόνα 7. Μεταξύ των δύο κεραιών παρεμβάλλεται μία σχάρα με τα σύρματά της παράλληλα στην διεύθυνση της κεραίας εκπομπής. Η οθόνη γεμίζει «χιόνια».

Γιατί; (Το μήκος κύματος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που χρησιμοποιούνται σε αυτό το πείραμα είναι, με δεδομένη τη συχνότητα f₁, λ≈0,63 m. Τα παράλληλα με την κεραία σύρματα της σχάρας απέχουν μεταξύ τους περίπου 1 cm, άρα τα κύματα “βλέπουν” τη σχάρα ως μία αγώγιμη επιφάνεια στην οποία ανακλώνται. Η λήψη διακόπτεται όπως και στην περίπτωση του αλουμινόχαρτου. Προσέξτε ότι οι κεραίες τηλεόρασης στις ταράτσες των σπιτιών έχουν στο πίσω μέρος τους μία σειρά από σύρματα παράλληλα στην κεραία λήψης: πρόκειται για ανακλαστήρα που επιστρέφει πίσω και ενδυναμώνει το σήμα που φτάνει στην κεραία)

Περιστρέψτε τη σχάρα κατά 90° ώστε τα σύρματά της να είναι κάθετα στη διεύθυνση των δύο κεραιών και τοποθετήστε την ανάμεσα στις δύο κεραίες (Εικόνα 8). Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος; (Το σήμα παραμένει ανεπηρέαστο και η ποιότητα της εικόνας είναι σταθερή).

 

Εικόνα 8. Μεταξύ των δύο κεραιών παρεμβάλλεται μία σχάρα με τα σύρματά της κάθετα στην διεύθυνση της κεραίας εκπομπής. Η λήψη του σήματος παραμένει ανεπηρέαστη.

Γιατί; (Ο προσανατολισμός των συρμάτων είναι κάθετος σε αυτόν της κεραίας εκπομπής, άρα δεν μπορούν να επαχθούν ρεύματα στη διεύθυνση της κεραίας, τα οποία θα προκαλούσαν τελικά την ανάκλαση του κύματος. Το σήμα διέρχεται κανονικά από το πλέγμα και η οθόνη απεικονίζει το σήμα που λαμβάνεται.)

3. Ανάκλαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Ενδεικτικά ερωτήματα

Μπορούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα να ανακλαστούν όπως και το φως; Ισχύει ο 2ος νόμος της ανάκλασης;

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

Μία μεταλλική σχάρα με παράλληλα σύρματα (π.χ. από ένα ηλεκτρικό φούρνο)

Αλουμινόχαρτο

Μία βάση στήριξης της σχάρας (π.χ. ένα μικρό κουτί)

Πειραματικές διαδικασίες

Ενώ υπάρχει ζεύξη μεταξύ των δύο κεραιών και στην οθόνη προβάλλεται το σήμα του βίντεο, τοποθετήστε ανάμεσα στις κεραίες αλουμινόχαρτο (Εικόνα 6). Το σήμα χάνεται, όπως παρατηρήθηκε κατά τη δραστηριότητα 2.2 (βλ. παραπάνω). Τοποθετήστε τη σχάρα, με τα σύρματά της παράλληλα στη διεύθυνση των κεραιών, όπως φαίνεται στην Εικόνα 9. Μετακινήστε τη σχάρα μπρος – πίσω (πλησιάζοντας ή απομακρύνοντας το επίπεδο της σχάρας από το νοητό επίπεδο που ορίζουν οι δύο κεραίες) και παρατηρήστε την οθόνη του δέκτη. Τι συμβαίνει; (Για κάποια θέση της σχάρας το σήμα επανέρχεται στην οθόνη, μολονότι η ποιότητά του δεν είναι άριστη.)

Γιατί; (Το απευθείας σήμα παρεμποδίζεται από το αλουμινόχαρτο. Ωστόσο, σήμα από την κεραία προσπίπτει στην ανακλαστική επιφάνεια που σχηματίζει η σχάρα και ανακλάται με γωνία ίση με τη γωνία πρόσπτωσης. Μετακινώντας μπρος – πίσω της σχάρα επιτυγχάνεται η κατάλληλη γεωμετρία ώστε το ανακλώμενο σήμα να κατευθυνθεί προς την κεραία λήψης. Η ποιότητα του σήματος δεν είναι άριστη καθώς κατά την ανάκλαση μέρος της ενέργειας του κύματος απορροφάται από την ανακλαστική επιφάνεια.)

Τι θα γίνει αν η σχάρα τοποθετηθεί με τα σύρματά της οριζόντια; (Το σήμα θα χαθεί, καθώς, όπως δείχθηκε και στη δραστηριότητα 2.3, η οριζόντια σχάρα δεν μπορεί να ανακλάσει το κατακόρυφα γραμμικά πολωμένο κύμα.)

Εικόνα 9. Μεταξύ των δύο κεραιών παρεμβάλλεται αγώγιμη επιφάνεια (αλουμινόχαρτο). Η κεραία λήψης λαμβάνει σήμα από ανάκλαση στη σχάρα, με βάση το 2ο νόμο της ανάκλασης.

4. Συμβολή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Ενδεικτικά ερωτήματα

Μπορούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως και το φως, να δώσουν φαινόμενα συμβολής;

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

Μία μεταλλική σχάρα με παράλληλα συρμάτα (π.χ. από ένα ηλεκτρικό φούρνο)

Μία βάση στήριξης της σχάρας (π.χ. ένα μικρό κουτί)

Πειραματικές διαδικασίες

Στρέψτε και τις δύο κεραίες ώστε να είναι οριζόντιες. Ενώ υπάρχει ζεύξη μεταξύ των δύο κεραιών και στην οθόνη προβάλλεται το σήμα του βίντεο, τοποθετήστε ανάμεσα στις κεραίες και πάνω στο τραπέζι τη σχάρα με τα σύρματά της να είναι παράλληλα στη διεύθυνση των δύο κεραιών. Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος; (Το σήμα αδυνατίζει, ωστόσο δεν χάνεται.)

Τοποθετήστε τη σχάρα πάνω σε ένα κουτί (Εικόνα 10, στη συγκεκριμένη περίπτωση το κουτί έχει ύψος 7 cm). Πώς επηρεάζεται η λήψη του σήματος; (Ανάλογα με το ύψος του κουτιού και το ύψος των κεραιών από την επιφάνεια του πάγκου, το σήμα εξαφανίζεται.)

Γιατί; (Στην κεραία λήψης φτάνουν δύο κύματα: απευθείας από την κεραία εκπομπής και από ανάκλαση στη σχάρα. Τα δύο κύματα συμβάλλουν. Για ένα συνδυασμό της συχνότητας (ή ισοδύναμα του μήκους κύματος) και του ύψους της κεραίας από το έδαφος, η διαφορά μεταξύ των δύο διαδρομών που ακολουθούνται από τα δύο κύματα είναι ακριβώς μισό μήκος κύματος. Τότε στην κεραία λήψης θα έχουμε πλήρη εξουδετέρωσή του συνιστάμενου κύματος. Αν η σχάρα δεν έχει τέλειες ανακλαστικές ιδιότητες τότε στο σημείο λήψης θα έχουμε μερική εξουδετέρωση.)   

Εικόνα 10. Μεταξύ των δύο κεραιών, πάνω στον πάγκο εργασίας, τοποθετείται αγώγιμη επιφάνεια (η σχάρα) σε κάποιο ύψος πάνω από τον πάγκο. Το σήμα χάνεται και η οθόνη γεμίζει «χιόνια».

Τι θα συμβεί αν αλλάξει ο προσανατολισμός της σχάρας; (Η σχάρα δεν λειτουργεί ως ανακλαστήρας, οπότε δεν υπάρχει πλέον συμβολή: το σήμα παραμένει ισχυρό στην κεραία λήψης.)

Γ. Προσομοιώσεις της επίδρασης φυσικών φαινομένων στη μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Έχοντας διερευνήσει μερικές από τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, μπορούμε να αξιοποιήσουμε τη βασική πειραματική διάταξη για να προσομοιώσουμε την δορυφορική αναμετάδοση τηλεοπτικού σήματος και την επίδραση διάφορων φυσικών φαινομένων στη μετάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

1. Δορυφορική αναμετάδοση σήματος

Ενδεικτικά ερωτήματα

Πώς μεταδίδεται το τηλεοπτικό σήμα, π.χ. από τη Βραζιλία κατά τη διάρκεια του παγκοσμίου κυπέλλου ποδοσφαίρου στην Ελλάδα, ενώ δεν υπάρχει απευθείας «οπτική επαφή» ανάμεσά τους;

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

1επιπλέον συσκευή VCR

1 ομοαξονικό καλώδιο 75-ohm (αρσενικό-θηλυκό) μήκους περίπου 1 m

1 επιπλέον στατήρας

Πειραματικές διαδικασίες

Συντονίστε τη δεύτερη συσκευή VCR, ακολουθώντας τις οδηγίες που δόθηκαν στην περιγραφή της βασικής διάταξης, ώστε να εκπέμπει σε διαφορετικό κανάλι απ’ αυτό της πρώτης (π.χ. στο 36). Συνδέστε με το ομοαξονικό καλώδιο την έξοδο RF OUT αυτής της συσκευής (Β) με την είσοδο ANTENNA της πρώτης συσκευής (Α). Επιλέξτε από το μενού της συσκευής (Α) τη διαδικασία σάρωσης ώστε να εντοπίσετε το σήμα που στέλνει η συσκευή (Β). Αποθηκεύστε σε κάποιο πρόγραμμα, π.χ. στο 1, το σήμα που ανιχνεύσατε (και που παρακολουθείτε στην οθόνη της τηλεόρασής σας ή του υπολογιστή μέσω της ασύρματης ζεύξης της αρχικής διάταξης).

Αποσυνδέστε το ομοαξονικό καλώδιο και σχηματίστε, με τον τρόπο που περιγράφηκε για τη βασική διάταξη, δύο διπολικές κεραίες. Συνδέστε τις δύο κεραίες στις δύο θέσεις των συσκευών (Α) και (Β) που προηγουμένως ήταν συνδεδεμένο το ομοαξονικό καλώδιο. Επιλέξτε για τις δύο αυτές κεραίες προσανατολισμό κάθετο σε αυτόν των άλλων δύο κεραιών (Εικόνα 11).

Εικόνα 11. Η τηλεοπτική εικόνα από ένα βίντεο αναμεταδίδεται ασύρματα και λαμβάνεται από ένα δεύτερο βίντεο το οποίο με τη σειρά αναμεταδίδει το σήμα ασύρματα στην οθόνη.

Βάλτε σε κατάσταση PLAY μία κασέτα στο πρώτο βίντεο. Το σήμα αναμεταδίδεται, μέσω του δεύτερου βίντεο στον τηλεοπτικό δέκτη. Αυτή είναι η βασική αρχή μετάδοσης τηλεοπτικού σήματος από τους τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη Γη.

Μπορείτε, αν το επιθυμείτε, να επαναλάβετε μέρος των παραπάνω πειραμάτων σε οποιαδήποτε από τις δύο ζεύξεις για να διαπιστώσετε την επίδρασή τους.

2. Παρεμβολή λόγω ηλεκτρικών εκκενώσεων ή ηλιακής καταιγίδας

Ενδεικτικά ερωτήματα

Πώς μπορεί να χαθεί το τηλεοπτικό σήμα κατά τη διάρκεια είτε μίας καταιγίδας είτε μίας ηλιακής καταιγίδας;

Υλικά που απαιτούνται

Η βασική διάταξη

Μία μηχανή Whimshurst, μία συσκευή Fun Fly Stick

Πειραματικές διαδικασίες

Ενώ υπάρχει ζεύξη μεταξύ των δύο κεραιών και στην οθόνη προβάλλεται το σήμα του βίντεο, αρχίστε να περιστρέφετε τη μηχανή Whimshurst την οποία έχετε τοποθετημένη κοντά στις δύο κεραίες (Εικόνα 12). Τι παρατηρείτε να συμβαίνει στην οθόνη του δέκτη σας; (Όσο η μηχανή φορτίζεται δημιουργούνται «χιόνια» στην οθόνη ενώ όταν ξεσπάει σπινθήρας η εικόνα χάνεται και επανέρχεται μετά από μερικά δευτερόλεπτα. 

 Γιατί; (Ο σπινθήρας, ως μεταβαλλόμενο χρονικά ηλεκτρικό ρεύμα που «ζει» ελάχιστα, δημιουργεί ραδιοκύματα που συμβάλλουν με αυτά του τηλεοπτικού σήματος προκαλώντας μέχρι και την απώλεια του σήματος. Θυμηθείτε, αντίστοιχα, ότι όταν ανοιγοκλείνετε έναν διακόπτη ρεύματος ακούτε στο ραδιόφωνο έναν ήχο παρασίτων πολύ μικρής διάρκειας [9].)

Εικόνα 12. Προσομοίωση της επίδρασης μιας καταιγίδας στην τηλεοπτική μετάδοση σήματος.

Για να προσομοιώσετε την επίδραση μίας ηλιακής καταιγίδας στις τηλεπικοινωνίες, χρησιμοποιήστε το παιχνίδι Fun Fly Stick που είναι μία μικρή φορητή γεννήτρια Van de Graaff [10]. Θέστε σε λειτουργία το παιχνίδι και πλησιάστε το στην κεραία εκπομπής. Τι συμβαίνει; (Η εικόνα γεμίζει με «χιόνια».) Γιατί; (Το παιχνίδι ιονίζει τον αέρα στην άκρη του σωλήνα του, δημιουργώντας μία ροή θετικών φορτίων που εδώ χρησιμοποιείται για να προσομοιώσει τον ηλιακό άνεμο. Οι μικροί σπινθήρες που δημιουργούνται από τις εκφορτίσεις με τα μόρια του αέρα προκαλούν ραδιοκύματα που ανιχνεύονται από τον τηλεοπτικό δέκτη.)

Δ. Επιπλέον πειράματα προς διερεύνηση

Η παραπάνω βασική διάταξη μπορεί να αξιοποιηθεί για την πραγματοποίηση και άλλων πειραμάτων διερευνητικού χαρακτήρα. Ενδεικτικά, ερώτημα τα οποία θα μπορούσαν τα τεθούν προς διαπραγμάτευση είναι τα εξής:

Πώς επηρεάζεται η ποιότητα λήψης για διαφορετικές συχνότητες εκπομπής; (Αξιοποιείται η δυνατότητα της συσκευής VCR να εκπέμψει σε 36 διαφορετικές συχνότητες.) Ποιο είναι το βέλτιστο μήκος κεραίας λήψης και εκπομπής για δεδομένη συχνότητα εκπομπής;

Πώς μεταβάλλεται η ισχύς του ηλεκτρομαγνητικού κύματος με την απόσταση από την πηγή; (Εναλλακτικά, αντί για την τηλεόραση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί παλμογράφος ο οποίος θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την πραγματοποίηση σχετικών μετρήσεων.)

Η βροχόπτωση επηρεάζει την ποιότητα του σήματος; (Μπορεί, ενδεικτικά, να χρησιμοποιηθεί ένα ποτιστήρι νερού που θα δημιουργεί «τεχνητή βροχή» ανάμεσα στις δύο κεραίες.)

Βιβλιογραφία

[1] Iscra, A., Quaglini, M.T., Rossi, G. (2006). Introducing radio transmission with a simple experiment. Science in School, issue 3, 39-42.

[2] Ιωάννου, Α., Ντάνος, Ι., Πήττας, Α. Ράπτης. Σ. (2001) Φυσική Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Γ' Λυκείου. σσ.  58-61. ΟΕΔΒ

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/RF_modulator

[4] Damjanovski, V. (2013). CCTV, Third Edition: From Light to Pixels. p 379. Waltham, MA : Butterworth-Heinemann

[5] http://www.abc.net.au/science/k2/homework/vcrtrans.htm

[6] H. Banchi, R. Bell. The many levels of inquiry. Science and children, Oct. 2008, 26-29.

[7] Lorrain, P., Corson, D. (1970) Electromagnetic Fields And Waves, 2nd ed., W. H. Freeman and Company, pp. 470-471.

[8] όπως πριν. pp. 471-475.

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Television_interference

[10] Pierratos, T., Tsakmaki, P., Papageorgiou, C. (2014). Simulating the effect of the solar wind. Science in School, issue 29, 23-29.