Παρουσίαση της εκπομπής ραδιοκυμάτων με ένα απλό πείραμα Teach article

Μετάφραση: Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos). Αισθανθήκατε ποτέ αποκαρδιωμένοι με όλη αυτή την ακαταστασία από τα καλώδια που συνδέουν το DVD σας με το δορυφορικό…

Χορηγία εικόνας από
Pixelquelle.de

Εξαιτίας της διαδεδομένης χρήσης των σύγχρονων ασύρματων συσκευών, όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι δορυφορικοί δέκτες τηλεόρασης και τα ασύρματα δίκτυα υπολογιστών, πολλοί μαθητές ενδιαφέρονται για το θέμα της ραδιομετάδοσης. Αναγνωρίζοντας αυτό το ενδιαφέρον, έχουμε αναπτύξει τόσο έντυπο εκπαιδευτικό υλικό όσο και πειράματαw1, μερικά από τα οποία χρησιμοποιούν κοινό σύγχρονο ασύρματο εξοπλισμό. Το πρόγραμμα έχει εμπλέξει πολλούς δασκάλους που συνεργάζονται για να γράψουν φύλλα εργασίας, πολυμεσικές δραστηριότητες και πρακτικά πρωτόκολλα.

Παρακάτω, περιγράφουμε ένα απλό πείραμα που παρουσιάζει τις ραδιομεταδόσεις στους νεαρούς μαθητές χρησιμοποιώντας ένα βίντεο (VCR) και μια τηλεόραση (TV).

Το πείραμα της ραδιομετάδοσης

Ένα βίντεο μπορεί να διαβιβάσει τον ήχο και τις εικόνες σε μια τηλεόραση μέσω είτε του καλωδίου SCART είτε του κλασικού ομοαξονικού καλωδίου κεραιών. Κατά διαβίβαση μέσω του ομοαξονικού καλωδίου, το βίντεο μιμείται μια συσκευή αποστολής σημάτων τηλεόρασης: με άλλα λόγια, ο δέκτης δεν ξέρει εάν λαμβάνει ένα πρόγραμμα που διαβιβάζεται από μια απόμακρη, κανονική συσκευή αποστολής σημάτων ή από το κοντινότερο βίντεο. Το βίντεο παράγει ένα ραδιοφωνικό σήμα που φθάνει στην τηλεόραση μέσω του ομοαξονικού καλωδίου. Εάν κόψουμε το καλώδιο, και συνδέσουμε τα δυο κομμάτια του καλωδίου με δύο κεραίες, η τηλεόραση θα λάβει τα ακουστικά και τηλεοπτικά σήματα που διαβιβάζονται από το βίντεο χωρίς οποιαδήποτε φυσική σύνδεση: έχουμε έτσι επιτύχει τη ραδιομετάδοση. Το σήμα που διαβιβάζεται είναι πολύ αδύνατο, έτσι οι δύο κεραίες μπορούν να απέχουν μερικά μόνο μέτρα.

Οι ακόλουθες οδηγίες πρέπει να είναι επαρκείς για όλους τους δασκάλους, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που δεν είναι εξοικειωμένοι με τον ηλεκτρικό εξοπλισμό. Μία παρουσίαση σε PowerPointw2 και ένα σύντομο βίντεοw3 είναι διαθέσιμα στο διαδίκτυο.

Υλικά

Ένας αναλυτής φάσματος,
μια κλασική κατευθυντική
κεραία και ένα ομοαξονικό
καλώδιο: τρεις πολύ
σημαντικές συσκευές που
χρησιμοποιούνται στα
πειράματα ραδιομετάδοσης
  • Μία τηλεόραση
  • Ένα βίντεο
  • Δύο ομοαξονικά καλώδια κεραιών που χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν ένα βίντεο με μια τηλεόραση (με έναν αρσενικό και έναν θηλυκό ομοαξονικό συνδετήρα). Το ένα καλώδιο παρέχεται στη συσκευασία του βίντεο, ενώ το δεύτερο, όμοιο με το πρώτο, μπορεί να αγοραστεί σε ένα κατάστημα τηλεοράσεων, ή να κατασκευαστεί από υλικά (ένα ομοαξονικό καλώδιο και συνδετήρες) που μπορούν να αγοραστούν σε ένα κατάστημα ηλεκτρικού εξοπλισμού.
  • Ένα μεταλλικό πλέγμα (προαιρετικά)

Method

  • Βήμα 1. Συνδέστε το βίντεο με την τηλεόραση χρησιμοποιώντας μόνο το κανονικό ομοαξονικό καλώδιο κεραιών. Ένα βίντεο συνδέεται κανονικά με μία τηλεόραση με ένα παχύ καλώδιο που ενώνει δύο ορθογώνιους συνδετήρες (οι συνδετήρες SCART) ή/και με ένα λεπτό καλώδιο που ενώνει δύο κυλινδρικούς συνδετήρες (το ομοαξονικό καλώδιο κεραιών). Αυτή η τελευταία σύνδεση είναι απαραίτητη για να λαμβάνει τα κανονικά τηλεοπτικά κανάλια, έτσι πρέπει να υπάρχει εάν η τηλεόραση χρησιμοποιείται όχι μόνο για να προβάλλει βιντεοταινίες. Το πρώτο πράγμα που έχετε να κάνετε είναι να αφαιρέσετε κάθε άλλες συνδέσεις από το πίσω μέρος του βίντεο:  η μόνη σύνδεση πρέπει να είναι προς την τηλεόραση μέσω του ομοαξονικού καλωδίου (δείτε παρακάτω).
Το βίντεο συνδεδεμένο με την τηλεόραση χρησιμοποιώντας μόνο το ομοαξονικό καλώδιο
Μία διπολική κεραία που
σχηματίζεται από ένα
κομμάτι ομοαξονικού
καλωδίου
  • Βήμα 2. Προσπαθήστε να παίξετε μια βιντεοταινία χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση που περιγράφεται στο βήμα 1. Αυτό μπορεί απλά να απαιτήσει από εσάς να εισάγετε την βιντεοταινία για να παίξει, και κατόπιν να αναζητήσετε τα προκαθορισμένα προγράμματα χρησιμοποιώντας το τηλεχειριστήριο της τηλεόρασης. Δεδομένου ότι το βίντεο είναι αποσυνδεμένο από την κανονική κεραία, η τηλεόραση μπορεί μόνο να λάβει τα σήματα που εκπέμπει το βίντεο.
    Εάν κανένα πρόγραμμα τηλεόρασης δεν έχει οριστεί ακόμα στο βίντεο, θα πρέπει να το κάνετε. Μπορεί να χρειαστεί να συμβουλευθείτε το εγχειρίδιο οδηγιών της τηλεόρασης ή να ζητήσετε βοήθεια από έναν τεχνικό.
  • Βήμα 3. Αντικαταστήστε το αρχικό ομοαξονικό καλώδιο με το δεύτερο ομοαξονικό καλώδιο, και ελέγξτε ότι το σύστημα εξακολουθεί να λειτουργεί. Κατόπιν κόψτε το νέο ομοαξονικό καλώδιο. Η τηλεόραση δεν θα λαμβάνει πλέον σήμα.
  • Βήμα 4. Αφαιρέστε τα δύο κομμάτια του νέου ομοαξονικού καλωδίου από την τηλεόραση και το βίντεο και αφαιρέστε το εξωτερικό και εσωτερικό μονωτικό υλικό κατά μήκος μιας απόστασης περίπου 20-30 εκατ. (αυτό το μήκος δεν είναι κρίσιμο για την επιτυχία του πειράματος).
  • Βήμα 5. Από τα γυμνά, χωρίς μόνωση, μέρη των δύο κομματιών του καλωδίου, δημιουργήστε δύο μικρές κεραίες. Κάντε βγάζοντας προς τα έξω τον εσωτερικό αγωγό και στρέφοντας τον εξωτερικό αγωγό ώστε να σχηματίσει ένα ενιαίο κομμάτι, φτιάχνοντας τη διαμόρφωση που φαίνεται παρακάτω. Δείτε αυτούς τους δικτυακούς τόπουςw2,w3 για περισσότερη βοήθεια.
  • Βήμα 6. Καλύψτε τις δύο κεραίες με μονωτική ταινία.
  • Βήμα 7. Επανασυνδέστε τα κομμάτια του καλωδίου στην τηλεόραση και το βίντεο. Διατηρήστε μια απόσταση περίπου 1 m μεταξύ των δύο κεραιών. Η τηλεόραση πρέπει να λάβει ένα σήμα από το βίντεο, το οποίο ενεργεί ως αδύναμη συσκευή αποστολής ραδιοσημάτων (δείτε παρακάτω).
Ραδιομετάδοση και πόλωση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων: Το Ε αντιπροσωπεύει το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου και το Η, το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου. Η διαστιγμένη γραμμή αναπαριστά την κατεύθυνση της διάδοσης

Παρεμβολές

Εάν το πείραμα εκτελείται υπαίθρια ή εάν η τάξη είναι κοντά σε μια συσκευή εκπομπής τηλεοπτικού σήματος, η τηλεόραση μπορεί να λάβει σήματα πέρα από εκείνα που εκπέμπει το βίντεο. Σε αυτήν την περίπτωση, συντονίστε ξανά τόσο την τηλεόραση όσο και το βίντεο. Κατ’ αρχάς, αναζητήστε ένα κανάλι στο οποίο η τηλεόραση δε λαμβάνει κανένα σήμα. Κατόπιν συντονίστε το κανάλι εξόδου του βίντεο στο ίδιο κανάλι με την τηλεόραση. Εάν είναι απαραίτητο, συμβουλευθείτε τα εγχειρίδια οδηγιών. Εναλλακτικά, δοκιμάστε το πείραμα σε ένα άλλο δωμάτιο όπου η παρεμβολή μπορεί να είναι μικρότερη.

Κίνδυνοι

Η χωρίς άδεια ραδιομετάδοση απαγορεύεται αυστηρά. Μην παρεμβάλετε συσκευές όπως είναι οι ενισχυτές μεταξύ του βίντεο και της κεραίας εκπομπής.

Το απλό πείραμα που περιγράφεται εδώ επιδεικνύει τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον αέρα και η τοποθέτηση ενός εμποδίου ανάμεσα στις δύο κεραίες (π.χ. ένα βιβλίο, ένα κομμάτι φύλλου αλουμινίου ή ένας τοίχος), μπορεί να αξιοποιηθεί για να επιδειχθεί πώς τα κύματα διαπερνούν τα αντικείμενα.

Ο δάσκαλος μπορεί επίσης να επιδείξει την πόλωση των κυμάτων με την τοποθέτηση ενός μεταλλικού πλέγματος μεταξύ των δύο κεραιών. Τα κύματα δεν μπορούν να περάσουν μέσω του πλέγματος εάν οι ραβδώσεις του πλέγματος είναι παράλληλες στο διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου (το Ε στο παραπάνω σχήμα). Εντούτοις, το πλέγμα είναι διαπερατό εάν οι ραβδώσεις είναι κάθετες στο διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου.

Μια ερμηνεία των παρατηρούμενων φαινομένων

Η ραδιομετάδοση πραγματοποιείται όταν μεταφέρεται ενέργεια από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αυτή η μετάδοση μπορεί να επιτευχθεί απλά με την εφαρμογή μιας τάσης υψηλής συχνότητας σε μια διπολική κεραία με συνολικό μήκος παρόμοιο με το μήκος κύματος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Το βίντεο παράγει σήματα πολύ υψηλής συχνότητας (UHF) στην περιοχή των 470-862 MHZ. Το ακριβές φάσμα συχνοτήτων εξαρτάται από το ευρωπαϊκό κανάλι που επιλέγεταιw4. Επειδή μήκος κύματος (λ) συνδέεται με τη συχνότητα (f) με τον απλό τύπο λ= c/f (όπου το c είναι η ταχύτητα του φωτός), το μήκος κύματος κυμαίνεται μεταξύ 0.35-0.63 m, γεγονός που απαιτεί μια μικρή κεραία.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από τη διπολική κεραία είναι γραμμικά πολωμένα. Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου (το Ε στο παραπάνω σχήμα) είναι παράλληλη στην κεραία.

Ένα σχετικό γεγονός

Ένας σπιτικός
συμπυκνωτής, που
φτιάχτηκε από τους
σπουδαστές του Liceo
Scientifico Nicoloso da
Recco, χρησιμοποιείται για
να δείξει ότι ένα
μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό
πεδίο παράγει ένα
μαγνητικό πεδίο

Τα σχολεία που συμμετέχουν σε αυτό το πρόγραμμα οργάνωσαν πρόσφατα μια δημόσια εκδήλωση για τις επιστημονικές, τεχνικές και κοινωνικές πτυχές των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Κατά τη διάρκεια αυτού του γεγονότος, παρουσιάστηκαν επτά προγράμματα στους επισκέπτες από τους σπουδαστές.

Το γεγονός υποστηρίχθηκε από το Consorzio Elettra 2000w5, το οποίο οργάνωσε έναν εθνικό διαγωνισμό – Campi Elettromagnetici e Società (Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία και Κοινωνία) – για να προκαλέσει τα σχολεία της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης να αναπτύξουν προγράμματα για να δημοσιοποιήσουν τις κοινωνικές πτυχές του ηλεκτρομαγνητισμού. Το Consorzio Elettra 2000 παρείχε τα απαραίτητα όργανα για να μετρηθούν τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία. Περισσότερες λεπτομέρειες για αυτό το γεγονός είναι διαθέσιμα στο διαδίκτυοw6.

Τα επτά σχολικά προγράμματα συμμετείχαν επίσης στον εθνικό διαγωνισμό, και ένα από αυτά κέρδισε ένα ταξίδι στη Ρώμη.

 

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Ο Alessandro Iscra διδάσκειστο IIS “Deambrosis-Natta” στην Sestri Levante, Ιταλία.

Η Maria Teresa Quaglini διδάσκειστο IIS “Maserati” στην Voghera, Ιταλία.

Η Giuseppina Rossi διδάσκειστο Liceo “Cairoli” στην Pavia, Ιταλία.


Review

Αυτό το άρθρο περιγράφει ένα εύκολο να προετοιμαστεί και ταυτόχρονα ενδιαφέρον πείραμα φυσικής που επιδεικνύει τον ασύρματο ηλεκτρομαγνητισμό. Καλύπτονται τόσο απλά θεωρητικά ζητήματα όσο και πρακτικά.


Myrto Pouangare, Κύπρος




License

CC-BY-NC-SA