A RÁDIÓTECHNIKA IDŐFIZIKAI ALAPJAI1. BEVEZETÉS
A klasszikus definíció szerint a minden elektromos áramot (az eltolási áramot is) gyűrű alakban körülvevő mágneses tér, valamint a változó mágneses teret körülvevő elektromos tér szétterjed a környező téridőben, véges sebességgel. Ez azonos a fény vákuumbeli terjedési sebességével. Az elektromos és mágneses tér erővonalai kölcsönösen körülzárják egymást, és az így keletkező elektromágneses térben egymásra merőlegesek. A hullámokat kisugárzó antennát (adót) egy átalakított rezgőkörnek képzelhetjük, amelynek önindukcióját maga a drót adja, a drót végén elhelyezett kondenzátorlemezeknek pedig a drót keresztmetszete felel meg. Ez a rezgőkör a rezgő dipólus. Az elektromágneses hullámok longitudinálisak, gömbszerűen terjednek és a távolsággal négyzetes arányban gyengül az anyagokra (vevőantennákra) gyakorolt hatásuk.
Ma a Földön főként az elektromágneses hullámokat használjuk távközlésre. Itt az ideje, hogy megvizsgáljuk őket az időfizikai modellünkben. Az alábbiakban az ezzel kapcsolatos kutatásainkból állítottunk össze egy tömör ismertetőt.2. AZ ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK KELETKEZÉSE
Mivel a létezésben csak léthullámok (időhullámok, múlthullámok, eseményhorizontok) vannak, így az anyag által keltett gravitációs hullámok is csak ebből lehetnek (mint a fénykvantumok hullámtere és a téridő). Tehát az anyagi rendszerek (atomok) mozgatása során keletkező elektromágneses hullámoknak is időhullámoknak kell lenniük. Nem részecske sugárzásról van szó, a jelenség teljesen transzcendens. Ezért is mondjuk, hogy a rádióadás az éter hullámain terjed. De mi ez az éter, a fizika méltatlanul megtagadott mostohagyermeke?
Nézzük a gyakorlatot. Az elektromágneses hullámok létrehozásának lényege az, hogy az adóantennában lévő elektronokat oda-vissza pumpáljuk (szivattyúzzuk, rángatjuk) valamilyen ütemben. A mozgó elektronok hullámterének doppler torzulása megfelelő sebességnél ugyanúgy fog viselkedni, mint a fénykvantumok orrkupakja, csupán sokkal erősebb lesz, mert az elektront keltő időforrások száma jóval nagyobb (512 körül ingadozik normál állapotban). Tehát az anyagban mozgó elektron hatását nevezzük elektromágneses hullámnak. A fény nem elektromágneses hullám, bár ugyanolyan jellegű hullámokat kelt a létezése során, mint az anyagok.
A mozgó elektron elektromos és mágneses teret kelt, váltakozó ütemben. Ebből egyrészt az következik, hogy mivel az elektronok mindig mozognak (egész létezésük során sosem állnak meg), állandóan keltik ezeket a hullámokat, másrészt minden anyagnak, halmazállapotától és szerkezetétől függetlenül van elektromágneses tere. Az más kérdés, hogy ez kifelé milyen tulajdonságokat mutat, illetve mennyire változtatható meg külső beavatkozással.
Vajon mi okozza ezt a váltakozást valójában? Mágneses tere az antennának addig van, amíg mozognak benne az elektronok (egy irányban!). A mágneses térerősség az elektronok számával és sebességével arányos. Ha tehát összevissza (rendezetlenül) mozognak benne az elektronok, nincs az anyagnak feltűnő mágneses tere (kivéve a permanens mágneseket, de erről egy külön írásunkban később még lesz szó). Amikor a mozgás leáll, ez a tér hirtelen eltűnik, viszont maximumra nő az elektromos tér potenciálja. Ilyenkor az elektronok által keltett lökéshullámfront elhagyja az anyagot, az antenna kisugározza a rádióhullámot. Az elektromos tér potenciálja maga az elektronfolyadék nyomása az anyagban, amit belepumpáltunk az antennába vagy kiszívtunk belőle.
Az anyagok tűrhető hasonlattal élve úgy viselkednek, mint a szivacs. Bennük az elektronfelhő a víz, ami csak kis mértékben nyomható össze. Szivattyúzáskor a vezetéken keresztül plusz elektronokat nyomunk az antennába vagy szívjuk ki őket onnan. Az elektronnyomás (sűrűség) megnövekedése a részecskék egy részét kipréseli a drót felszínére, ahol vékony felhőburok formájában elektroszmogot okoznak, kölcsönhatásba lépve a környező levegő részecskéivel (ionizáció, szkineffektus). Az antenna felülete negatív töltésűvé válik. Visszaszíváskor a felhő eltűnik (beszippantódik), elektron hiány lép fel az antenna felületén, ami ettől pozitív töltésű lesz és vonzani fogja a légköri szabad elektoronkat.
Az elektronok oda-vissza szivattyúzása tehát ütemes elektron lüktetést okoz az antennában. A folyamat hasonló, mint az inga lengése, ahol középen maximális a mozgási energia és minimális a helyzeti, míg a két szélső állapotban minimális a mozgási energia és maximális a helyzeti.
Az így keletkező longitudinális gömbhullámok különféle (amplitúdó, frekvencia, fázis) modulációja hordoz a gyakorlatban információt a számunkra.3. AZ ANYAGSZERKEZETI TÉNYEZŐK
A szivattyúzás folyamata nyilvánvalóan minden elektronra hatással van az antenna (és a vezeték) anyagában, mégsem érünk el vele akkora hatást, amekkorát elvileg várhatnánk. Ennek oka, hogy csak a vegyértékelektronok mozdulnak el számottevően az atomrácsban (több milliméterre), amik a legkülső héjon találhatók és ezért könnyebb őket elszakítani az atommagjuktól. Az elektronfolyadék nyomásváltozása tehát csak az atomok felszínét borzolja meg, picit perturbálva azok helyzetét az atomrács pontjaiban. Kellően nagy teljesítménynél ez a rángatás elkezdi kiszabadítani a részecskékbe zárt fény egy részét, vagyis a vezeték és az antenna melegedni, később pedig világítani (izzani) fog.
Az elektronfolyadék nyomásváltozása az atomszivacsban a rácsszerkezettől függő helyeken és mértékben örvényeket kelt. Rossz hatásfokú vezetőkben ez turbulens áramlásra kényszeríti az elektronokat, amit örvényáramnak nevezünk. Az örvényáram veszteséget okoz a hőtermelődés miatt, ráadásul rontja az elektronok által lesugárzott orrkupakok minőségét, így sok helyen nem kívánatos jelenségnek számít.
Az elektronok mozgását a tömegtehetetlenségükön és a párprotonjukhoz fűződő időszálas kapcsolatukon kívül az anyag térszerkezete is befolyásolja. Az amorf, szabálytalan rácsszerkezetű anyagokban nehezebben tudnak az elektronok vándorolni, míg a kristályos, szabályos térgeometriájúban könnyebben és ezért gyorsabban. Úgy mondjuk, kisebb az anyag elektromos ellenállása.
A többféle atomból felépülő vegyületek, ötvözetek vezetőképessége a kristályrács hibái, torzulásai, valamint az egyenlőtlen atomeloszlás miatt nem olyan jó. Ezt az atomok eltérő mérete okozza. Kisebb és nagyobb golyócskákból nem lehet olyan szép, szabályos rácsmintázatot létrehozni, mint egyféléből (bárhogy erőlködnek is a kohászaink).
Az időhullámok (gravitációs és elektromágneses) mindenre hatnak, tehát a protonokra, neutronokra és elektronokra is. Ennek számos következménye van.
Az antennában a kicsi és könnyű elektronokat rángatjuk, amiket könnyű mozgatni. A nehéz, szilárdan rögzült magnukleonok nagyjából állva maradnak a rácspontokban. Az így keltett hullámok később a vevőkészülék antennájában az elektronokat jobban meg fogják lökdösni, mint a nagy (tömegtehetetlenségű) és nehéz protonokat és neutronokat. Ezért lehet a vevőkészüléknél az elektronok rezgését, lokális nyomásváltozását levenni az antennáról és a változás modulációjából kinyerni az információt (erősítés, szűrés).
A közegben található anyag (légkör) azért nyeli el (látszólag) az elektromágneses hullámokat, mert bár a gravitációs hullámok mindenen zavartalanul áthatolnak, de azok elektromágneses komponensét, szépen modulált sűrűségváltozását az útjukba kerülő anyagok rezonanciája elzajosítja, lerontja. A közeg zaja hozzáadódik a rádióhullámhoz (a tömegtehetetlenség miatt piciny fáziskéséssel), együtt repülve vele minden irányba. A végeredmény: a hullámnak csak a gravitációs hatásért felelős komponense marad meg érintetlenül, a többi belevész a recsegésbe.
Mivel pedig az univerzum általunk lakott részén sehol sincs teljes vákuum (anyagmentes téridő), a közeggel mindenhol számolni kell, még a világűrben is. Anyag (atomok, részecskék formájában) mindenhol van, így igazi vákuumról a kozmoszban sem beszélhetünk, csak légritka térről.
A bot antennák köztudomásúlag nem egyforma erővel sugároznak oldal és tengely irányba, mivel az elektronok mozgása és az így keletkező torzult időhullámtér geometriája aszimmetrikus. A hullámfront sűrűségének változásai a mozgás irányában lesznek nagyobbak, tehát egy bot antenna két irányba (a két vége felé) sugároz erősebben.4. TECHNIKAI LEHETŐSÉGEINK
Az eddigiek alapján talán már tisztán látható, milyen lehetőségeink vannak a rádiótechnikában. Most nézzük meg, hogyan lehetne javítani a rádió adóvevőink működési paramétereit. Először lássuk, hogyan növelhető az adásteljesítmény (hatékonyság).
Ha olyan anyagból állítjuk össze az antennát, aminek atomjai sok vegyértékelektront tartalmaznak, nagyobb lesz az elérhető lökéshullám. Az elektronok száma növelhető azzal, ha az antennát valami módon még plusz feltöltjük szabadelektronokkal vagy elektrondús környezetben használjuk. Például egy cső alakú antennát feltöltünk elektronfolyadékkal. Természetesen minden anyagnak megvan a rá jellemző elektron telítettségi szintje, hogy mennyit tud befogadni a rácsszerkezete, illetve az elektronsűrűségnek is van egy felső határértéke, amin túl a részecskék már annihilálódnak a kölcsönös taszítás miatt.
Az elektronhéjak telítettsége is számít, mert az atomjukat el nem hagyó elektronok szintén befolyásolják a vegyértékelektronok mozgását. Minél kevesebb kötött elektron van a legkülső héjon, annál könnyebb elslisszolnia mellette a kóbor elektronoknak. Ideális lenne az olyan kémiai elem, aminek a külső héján csak 0 vagy 1 kötött elektron van, a többi vegyértékelektron.
Az antenna anyaga az elektronok mozgása szempontjából akkor a legideálisabb, ha hexaéderes (kocka) alakú, növesztett egykristályból van a rácsszerkezete, amit csak 100%-os tisztaságú, egyféle kémiai elemet tartalmazó elemből lehet készíteni. Kár, hogy ilyet ma még nem igazán tudunk gyártani, pláne nem nagyot és ipari méretekben, mert kevés hozzá az atomfizikai tudásunk. Fontos, hogy a kristályrács élei lehetőleg párhuzamosak legyenek az antenna felületével, pontosabban az elektronok mozgási irányával, hogy minél átjárhatóbb legyen az anyag.
Az egyes atomok közti kötéstávolságok, vagyis a kristályrács élhosszúsága abból a szempontból számít, hogy mennyi hely van belül a rácsban az elektronfolyadák számára. Mennyire "szellős", lyukacsos az anyag az elektronok előtt.
További módosító tényezők az antenna (és a vezeték) hőmérséklete, vagyis a részecskék fénnyel való feltöltöttsége (zaj), valamint a környezettel való reakciók (mechanikai rezgések, oxidáció, gravitációs és mágneses tér). A szupravezető adóvevők használata alacsony hőmérsékleten a lehető legkisebbre csökkenti az antenna saját hőzaját.
Az, hogy egy kémiai elem melyik stabil izotópja bizonyul a számunkra legalkalmasabbnak, a magnukleonok hatóereje miatt fontos, mert ezek a hullámterükkel szintén befolyásolják az elektronokat. Ha az antenna anyaga érzékeny a különféle sugárzásokra, illetve bomlékony (radioaktív), az szintén gondokat okozhat.
Az adás erejét azzal is lehet változtatni, hogy milyen erővel, milyen gyorsan szivattyúzzuk az elektronokat az antennában. A gömbhullámok sűrűsége minden irányban különböző, a lökés irányában a legnagyobb, ellenkezőleg a legkisebb. Így működik az irányított sugárzás és az FM. Az elektronok mozgatási sebessége a kritikus paramétere a teljesítménynek.
Az irányított sugárzású antennák hatása nagyobb távolságra képes áthatolni a közegen, mint a körsugárzóké. Ennek érdekében egyrészt megfelelő alakú antennát kell készíteni, másrészt arra kell kényszeríteni az elektronokat, hogy turbulencia nélkül, csak lineárisan mozogjanak. Ha szigetelőréteggel vonjuk be az antenna felületét, csak a végét hagyva szabadon, az elektronok nem tudnak oldalirányban kitüremkedni a vezetőből. Az antenna így csővé alakul, amiben az elektronfolyadék oda-vissza mozog, két szűk nyalábban lőve ki magából az elektronok orrkupakjait.
Elvileg arra is lehetőségünk lenne, hogy nem az elektronokat rángatjuk az anyagban, hanem az egész antennát rezgetjük, cibáljuk oda-vissza mechanikusan. Az elektronok ekkor is mozogni fognak, tehát van elektromágneses hullámterük. A sorozatos gyorsulásoknak persze el kell érniük azt a sebességet, ami a hatékony orrkupakok kialakításához szükséges. Ezt viszont megnehezíti az atomok (magnukleonok) hatalmas tömegtehetetlensége. A gyorsulások mechanikai vibrációkkal járnak és idővel szétrázhatják, eltörhetik az antennát, ráadásul sokezerszer több energia kell az anyag mozgatásához és ennek modulációjához, mintha a könnyű elektronokat lökdösnénk.
A mozgó antenna hullámtere természetesen jóval erősebb lesz, olyanannyira, hogy nagyfrekvenciás hanghullámokat (ultrahangot) is kelteni fog a berendezés, ami további járulékos problémákat okoz, ezért ez a módszer nem tűnik igazán hatékonynak. A gyakorlatban ezt a jelenséget inkább a hangszóróknál és piezóknál hasznosítjuk, ahol az elektromos áramot rezgőmozgássá kell alakítani és fordítva.
Elektromágneses lökéshullámok keltésére (az atomrobbanás mellett) még használhatunk fényt is. A fotinók könnyen és gyorsan pattogtathatók oda-vissza egy tükörfelületű palackban (lézerberendezés), amiből csak az orrkupakjaik lépnek ki a két végén. A fotinók még picit gyorsabbak is az elektronoknál, mert nincs tömegük (tömegtehetetlenségük), és kevésbé lassítja őket a közeg rácsszerkezete (mert kisebbek). Igaz ugyan, hogy kevesebb időforrásból állnak, és ezért jóval gyengébb az okozott hatásuk az anyagra (vevőantenna), mint az elektronoknak, viszont sokkal nagyobb sűrűségben lehet őket felhalmozni az antennacsőben. Mivel azonban könnyebben eltérülnek az anyagok gravitációs terének hatására, célszerű erősen légritkított térben pattogtatni a fotinókat.
A fő gondot itt a tükrök fényvisszaverő képességének tökéletlensége okozza. A rendszerből emiatt folyamatosan szökni fog a fény, amit pótolni kell. Másrészt az orrkupakok igen megterhelik (melegítik, átégetik) az antenna két végén lévő tükrök anyagát, aminek vékonynak kell lennie, hogy minél kevésbé zajosítsa el a lökéshullámokat (a saját hőzajával). Transzcendens időtükrökkel ezek a gondok kiküszöbölhetők lennének, de olyat egyelőre nem tudunk csinálni.
A fotinók viszonylag könnyen szétszóródnak és elnyelődnek az anyagi közegben, de az orrkupakjaik (meddőhullámok) mindenen simán átmennek. Természetesen itt is jelentkezni fog a közeg háttérzajának zavarása és a hatékony moduláció sem lesz könnyű feladat. Előnye viszont a módszernek, hogy az adást sima anyagi antennával is lehetne fogni, nem kell hozzá spéci vevőberendezés.
A felsorolt tényezők természetesen nem csak erősíthetik, hanem ronthatják is egymás hatását, ha fokozni akarjuk az adásteljesítményt, de elvileg találhatunk olyan optimális megoldást, ami az elérhető legjobb hatásfokot eredményezi.5. A GRAVITÁCIÓS RÁDIÓZÁS
Az elektromágneses hullámok távközlési célra történő alkalmazásának számos hátránya van. Egyrészt nagyon lassú (csupán fénysebességgel terjed), így bolygóközi, csillagközi távolságokra nem használható. Másrészt a nem szűk nyalábban irányított sugárzást mindenfelé érzékelni lehet, tehát bárki belehallgathat és megzavarhatja a kommunikációt. Harmadrészt nem jut át akadálytalanul a jel az anyagi dolgokon (elzajosodás), így nem használható bármilyen körülmények között. Mindezen problémák miatt ideje volna végre új módszereket keresnünk a távközlésre. Az időszálas kommunikáció mellett (ami a létező leghatékonyabb az univerzumban), van még egy lehetőségünk, éspedig a gravitációs hullámok útján való rádiózás.
A gravitációs hullámok nagyjából fénysebességgel terjednek (picit gyorsabban), jól modulálhatók és mindenen áthatolnak. A tömegvonzást ugye nem olyan egyszerű leárnyékolni. Ahhoz, hogy az anyag által keltett tömeghullámokat információ közvetítésére használhassuk, speciális vevőre van szükségünk. A lehetséges megoldások közül az egyik vázlatosan a következő.:
Az adónak egyedi és ritka összetételű anyagból kell állnia, aminek a gravitációs színképe könnyen kiszűrhető a környezet vegyes háttérzajából. Az irányérzékeny vevőberendezéssel először meg kell találni az adót, ráhangolni (kiszűrni minden mást), majd figyelni az adó atomjait érő modulációkat, hely és helyzetváltozásokat. Egy ilyen készülékkel a Föld túloldalára is lehet gond nélkül rádiózni vagy gravizózni, viszont ebbe is bele lehet hallgatni. Zavarni már nehezebb feladat lesz, de nem megoldhatatlan.
A gravizózás elméleti alapjairól más cikkekben további információkat találhatnak az érdeklődők a honlapunkon, ahogy az időszálas távközlésről is. Ajánlott keresési kulcsszó még az interneten: gravitációs távcső.6. ENERGIATERMELÉS
Egy adóantennának adott kapacitása van, amekkora erővel sugároz. Kör (pontosabban gömb) sugárzó esetén a vevők nem egyszerűen az információt veszik, hanem a hordozóját is. Az elektromágneses hullám mintegy visszaalakul bennük elektromos árammá, nem túl jó hatásfokkal. Ezért kell erősíteni, szűrni, hogy kinyerjük belőle a számunkra fontos információt.
Mivel az időhullámok a forrásukat elhagyva már nem változnak, csak változtatnak, ha egy adótorony energiáját elkezdjük megcsapolni, elvileg több energiát is kinyerhetünk belőle, mint amennyit belefektettünk. Ez a lehetőség természetesen nagyon idegesíti a maradibb elméjű fizikusokat, ezért tilos a rádióadó tornyok közelében lakók számára ilyen módon "lopni" az áramot. A vevőkben keletkező visszhangok (zaj) miatt az áramlopás rontja az adás tisztaságát, illetve zavarja magát az adót is. Megfelelő technikai trükkökkel azonban megoldható lenne, hogy minimálisra csökkenjen a zavarás.
Ezen a módon lehetne olyan energiatermelő berendezést (mozgó alkatrész nélküli örökmozgót) építeni, ami egy adóból és körben elhelyezett vevőkből állna. A veszteségek alacsonyra szorításával még mindig maradna annyi energia, hogy visszacsatolva fenn lehessen belőle tartani a sugárzást és mellesleg egyéb fogyasztókat is ráterheljünk a rendszerre.7. ANYAGFÁRADÁS
A rádióantennáink végéből a nagy elektron nyomás miatt valószínűleg folyamatosan szóródnak le elektronok a levegőbe. Leszakadnak a szivattyúzás lökőerejétől, és elektroszmogot alkotva, később megpróbálnak visszaszivárogni az anyagba. A proton párjukhoz fűződő időszáluk visszahúzza őket a saját atomjukhoz.
Elvileg ez a rendszeres tortúra is roncsolja, öregíti az antenna rácsszerkezetét, tehát tönkremegy (elöregszik, korrodál) attól, hogy nagy erővel, folyamatosan használjuk az adót, pihentetés nélkül. Ha időnként kikapcsoljuk a készüléket, ez a leszóródás csökkenthető. A szabadban felállított antennák, amik felülete ki van téve az időjárásnak, jobban károsodnak, mivel a szél lefújja az elektronokat a fémről, messzire röpítve őket. Az így fellépő elektronhiány az atmoszférából pótlódik (napszél elektronjai), de ez nem ugyanaz, mint a saját elektronja egy protonnak. A jelenség időfizikai alapjairól később külön írásban fogunk értekezni.
Ha elektromosan szigetelő vékony réteget teszünk dugószerűen az antenna két végére, azzal ezt a szóródási veszteséget megszüntethetjük. Fontos, hogy a dugó alatt legyen elegendő hely (légrés) a nyomásnövekedés miatt, hogy legyen hová kitüremkednie az elektronoknak. Így a dugó a sugárzást nem fogja akadályozni.Készült: 2002.12.27.-30.