Radiowellen sind eine Art elektromagnetischer Strahlung, die am besten für ihre Verwendung in Kommunikationstechnologien wie Fernsehen, Mobiltelefonen und Radios bekannt ist. Diese Geräte empfangen Radiowellen und wandeln sie in mechanische Schwingungen im Lautsprecher um, um Schallwellen zu erzeugen.
Das Hochfrequenzspektrum ist ein relativ kleiner Teil des elektromagnetischen (EM) Spektrums. Das EM-Spektrum ist nach Angaben der Universität von Rochester im Allgemeinen in sieben Regionen unterteilt, um die Wellenlänge zu verringern und Energie und Frequenz zu erhöhen. Die gebräuchlichen Bezeichnungen sind Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (IR), sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Radiowellen haben laut NASA die längsten Wellenlängen im EM-Spektrum und reichen von etwa 1 Millimeter bis zu mehr als 100 Kilometern. Sie haben auch die niedrigsten Frequenzen von etwa 3.000 Zyklen pro Sekunde oder 3 Kilohertz bis zu etwa 300 Milliarden Hertz oder 300 Gigahertz.
Das Funkspektrum ist eine begrenzte Ressource und wird häufig mit Ackerland verglichen. So wie Landwirte ihr Land organisieren müssen, um die beste Ernte in Bezug auf Menge und Vielfalt zu erzielen, muss das Funkspektrum nach Angaben der British Broadcasting Corp. (BBC) auf die effizienteste Weise unter den Nutzern aufgeteilt werden. In den USA verwaltet die National Telecommunications and Information Administration des US-Handelsministeriums die Frequenzzuteilungen entlang des Funkspektrums.
Entdeckung
Der schottische Physiker James Clerk Maxwell, der in den 1870er Jahren eine einheitliche Theorie des Elektromagnetismus entwickelte, sagte laut der National Library of Scotland die Existenz von Radiowellen voraus. Heinrich Hertz, ein deutscher Physiker, wandte 1886 Maxwells Theorien auf die Erzeugung und den Empfang von Radiowellen an. Hertz verwendete einfache hausgemachte Werkzeuge, darunter eine Induktionsspule und ein Leyden-Gefäß (ein früher Kondensatortyp, der aus einem Glasgefäß mit Folienschichten innen und außen besteht), um elektromagnetische Wellen zu erzeugen. Hertz war der erste, der kontrollierte Funkwellen sendete und empfing. Die Frequenzeinheit einer EM-Welle - ein Zyklus pro Sekunde - wird ihm zu Ehren nach Angaben der American Association for the Advancement of Science als Hertz bezeichnet.
Bänder von Radiowellen
Die Nationale Telekommunikations- und Informationsverwaltung unterteilt das Funkspektrum im Allgemeinen in neun Bänder:
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| Band | Frequenzbereich | Wellenlängenbereich |
|---|---|---|
| Extrem niedrige Frequenz (ELF) | <3 kHz | > 100 km |
| Sehr niedrige Frequenz (VLF) | 3 bis 30 kHz | 10 bis 100 km |
| Niederfrequenz (LF) | 30 bis 300 kHz | 1 m bis 10 km |
| Mittelfrequenz (MF) | 300 kHz bis 3 MHz | 100 m bis 1 km |
| Hochfrequenz (HF) | 3 bis 30 MHz | 10 bis 100 m |
| Sehr hohe Frequenz (VHF) | 30 bis 300 MHz | 1 bis 10 m |
| Ultrahochfrequenz (UHF) | 300 MHz bis 3 GHz | 10 cm bis 1 m |
| Superhochfrequenz (SHF) | 3 bis 30 GHz | 1 bis 1 cm |
| Extrem hohe Frequenz (EHF) | 30 bis 300 GHz | 1 mm bis 1 cm |
Niedrige bis mittlere Frequenzen
ELF-Funkwellen, die niedrigste aller Funkfrequenzen, haben eine große Reichweite und sind nützlich, um Wasser und Gestein für die Kommunikation mit U-Booten sowie in Minen und Höhlen zu durchdringen. Die stärkste natürliche Quelle für ELF / VLF-Wellen ist laut der Stanford VLF Group der Blitz. Wellen, die durch Blitzeinschläge erzeugt werden, können laut Phys.org zwischen der Erde und der Ionosphäre (der Atmosphärenschicht mit einer hohen Konzentration an Ionen und freien Elektronen) hin und her springen. Diese Blitzstörungen können wichtige Funksignale verzerren, die zu Satelliten übertragen werden.
Zu den LF- und MF-Funkbändern gehören laut RF Page See- und Luftfunk sowie kommerzielles AM-Radio (Amplitudenmodulation). AM-Radiofrequenzbänder liegen laut How Stuff Works zwischen 535 Kilohertz und 1,7 Megahertz. AM-Radio hat eine große Reichweite, insbesondere nachts, wenn die Ionosphäre die Wellen besser zur Erde zurückbrechen kann, aber Interferenzen ausgesetzt sind, die die Klangqualität beeinträchtigen. Wenn ein Signal teilweise blockiert wird - beispielsweise durch ein Gebäude mit Metallwänden wie einen Wolkenkratzer - wird die Lautstärke des Schalls entsprechend verringert.
Höhere Frequenzen
Zu den HF-, VHF- und UHF-Bändern gehören FM-Radio, Rundfunkfernsehen, öffentlich-rechtliches Radio, Mobiltelefone und GPS (Global Positioning System). Diese Bänder verwenden typischerweise "Frequenzmodulation" (FM), um ein Audio- oder Datensignal auf die Trägerwelle zu codieren oder zu prägen. Bei der Frequenzmodulation bleibt die Amplitude (maximale Ausdehnung) des Signals konstant, während die Frequenz mit einer Rate und Größe, die dem Audio- oder Datensignal entspricht, höher oder niedriger variiert wird.
FM führt zu einer besseren Signalqualität als AM, da Umgebungsfaktoren die Frequenz nicht so beeinflussen, wie sie die Amplitude beeinflussen, und der Empfänger Schwankungen der Amplitude ignoriert, solange das Signal über einem Mindestschwellenwert bleibt. FM-Radiofrequenzen liegen laut How Stuff Works zwischen 88 Megahertz und 108 Megahertz.
Kurzwellenradio
Kurzwellenfunk verwendet Frequenzen im HF-Band von etwa 1,7 Megahertz bis 30 Megahertz, so die National Association of Shortwave Broadcasters (NASB). Innerhalb dieses Bereichs ist das Kurzwellenspektrum in mehrere Segmente unterteilt, von denen einige regulären Rundfunkstationen wie der Voice of America, der British Broadcasting Corp. und der Voice of Russia gewidmet sind. Laut NASB gibt es weltweit Hunderte von Kurzwellenstationen. Kurzwellenstationen sind über Tausende von Kilometern zu hören, da die Signale von der Ionosphäre abprallen und Hunderte oder Tausende von Kilometern von ihrem Ursprungsort zurückprallen.
Höchste Frequenzen
SHF und EHF stellen die höchsten Frequenzen im Funkband dar und werden manchmal als Teil des Mikrowellenbandes angesehen. Moleküle in der Luft neigen dazu, diese Frequenzen zu absorbieren, was ihre Reichweite und Anwendung einschränkt. Ihre kurzen Wellenlängen ermöglichen es jedoch, Signale in engen Strahlen durch Parabolantennen (Satellitenantennen) zu lenken. Dies ermöglicht eine Kommunikation mit hoher Bandbreite und kurzer Reichweite zwischen festen Standorten.
SHF, das weniger von der Luft betroffen ist als EHF, wird für Kurzstreckenanwendungen wie Wi-Fi, Bluetooth und drahtloses USB (Universal Serial Bus) verwendet. SHF kann nur in Sichtlinienpfaden arbeiten, da die Wellen laut RF-Seite dazu neigen, von Objekten wie Autos, Booten und Flugzeugen abzuprallen. Und weil die Wellen von Objekten abprallen, kann SHF auch für Radar verwendet werden.
Astronomische Quellen
Der Weltraum ist voller Radiowellenquellen: Planeten, Sterne, Gas- und Staubwolken, Galaxien, Pulsare und sogar Schwarze Löcher. Durch das Studium dieser Informationen können Astronomen die Bewegung und chemische Zusammensetzung dieser kosmischen Quellen sowie die Prozesse, die diese Emissionen verursachen, kennenlernen.
Ein Radioteleskop "sieht" den Himmel ganz anders als im sichtbaren Licht. Anstatt punktförmige Sterne zu sehen, nimmt ein Radioteleskop entfernte Pulsare, sternbildende Regionen und Supernova-Überreste auf. Radioteleskope können auch Quasare erkennen, was für quasi-stellare Radioquelle steht. Ein Quasar ist ein unglaublich heller galaktischer Kern, der von einem supermassiven Schwarzen Loch angetrieben wird. Quasare strahlen Energie breit über das EM-Spektrum aus, aber der Name kommt von der Tatsache, dass die ersten identifizierten Quasare hauptsächlich Funkenergie emittieren. Quasare sind sehr energisch; Einige geben 1000-mal so viel Energie ab wie die gesamte Milchstraße.
Radioastronomen kombinieren häufig mehrere kleinere Teleskope oder Empfangsgerichte zu einem Array, um ein klareres oder höher auflösendes Radiobild zu erhalten, so die Universität Wien. Zum Beispiel besteht das VLA-Radioteleskop (Very Large Array) in New Mexico aus 27 Antennen, die in einem riesigen "Y" -Muster mit einem Durchmesser von 36 Kilometern angeordnet sind.
Dieser Artikel wurde am 27. Februar 2019 von Traci Pedersen, einem Mitarbeiter von Live Science, aktualisiert.
