WS: Het Spectrum - p3 Draadloze communicatie

WS: Het Spectrum - p3

Wordt behandeld bij het onderwerp trillingen en golven. Theorie op WS Het Spectrum p3: Draadloze communicatie.
Let op: in deze LessonUp staat ook informatie uit de rest van het hoofdstuk 'het Spectrum' dat je voor dit onderdeel ook moet weten / beheersen. Tevens wordt wat dieper ingegaan op de radiogolven.

Leerdoelen (informatie dus in p3 en op de volgende pagina's van deze LessonUp):

-Je snapt wat er met het electromagnetische spectrum wordt bedoelt, en welke soorten straling hierin voorkomen.

-Je weet welke informatie van straling uit het EM-spectrum in de BINAS is te vinden met betrekking tot golfverschijnselen.
-Je snapt het principe van het produceren en ontvangen van radio-signalen met betrekking tot resonantie.

-Je snapt het verschil tussen AM en FM, en herkent beide vormen in een tekening.

-Je kunt werken met de termen draaggolf, bandbreedte, kanaal en kanaalscheiding.

VWO

-Je begrijpt wat het digitaliseren van een analoog signaal inhoudt en wat de voor- en nadelen zijn.

-Je snapt wat de invloed van de bemonsteringsfrequentie en het aantal bits is op de kwaliteit van het signaal.

-Je kunt de koppeling leggen tussen het oorspronkelijke signaal en het bemonsterde signaal.

1 / 20

Slide 1: Slide

NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 4-6

This lesson contains 20 slides, with interactive quizzes, text slides and 2 videos.

Lesson duration is: 45 min

Items in this lesson

WS: Het Spectrum - p3

Leerdoelen (informatie dus in p3 en op de volgende pagina's van deze LessonUp):

-Je snapt wat er met het electromagnetische spectrum wordt bedoelt, en welke soorten straling hierin voorkomen.

-Je snapt het verschil tussen AM en FM, en herkent beide vormen in een tekening.

-Je kunt werken met de termen draaggolf, bandbreedte, kanaal en kanaalscheiding.

VWO

-Je begrijpt wat het digitaliseren van een analoog signaal inhoudt en wat de voor- en nadelen zijn.

-Je snapt wat de invloed van de bemonsteringsfrequentie en het aantal bits is op de kwaliteit van het signaal.

-Je kunt de koppeling leggen tussen het oorspronkelijke signaal en het bemonsterde signaal.

Slide 1 - Slide

Slide 2 - Video

Radiogolven en EM-spectrum

Radiogolven zijn, net als licht, elektro-magnetische (EM) golven. Dit is een energiesoort die zich als een golf voort kan planten. In het algemeen wordt dit 'straling' genoemd. Naast radiogolven heb je dus licht, maar ook UV-straling (ultra-violet), IR-straling (Infrarood) en bijv. röntgen- en gammastraling.

Het geheel van alle EM-straling wordt het EM-spectrum genoemd. Een overzicht van alle soorten (bekende) straling vind je in de BiNaS in tabel 19B. In tabel 19A vind je een overzicht van de EM-straling die in ons zichtbare gebied valt ('licht').

Net als 'materie' golven praten we bij EM-straling ook over de frequentie f, trillingstijd T, A en golflengte λ.
In tegenstelling tot materiegolven, heeft EM-straling geen medium nodig om zich voort te kunnen planten. EM-straling plant zich zelfs het beste voor zonder medium (in vacuüm). ALLE EM-straling heeft (in vacuüm) dezelfde voortplantingssnelheid,
die we de lichtsnelheid 'c' noemen. Je vindt deze waarde in tabel 7 van de BiNaS: c = 2,997 924 58 10^8 m/s.
Voor 'normale' golven geldt v = f λ. Voor EM-straling wordt dit c = f λ.

De golflengtes van zichtbaar licht worden vaak uitedrukt in nanometer. Er geldt: 1 nm = 1 .10^-9 m.

Uitwerking

Rekenvoorbeeld

Slide 3 - Slide

Opwekken radiogolven

Radiogolven kunnen worden opgewekt door elektriciteit. Rondom een geladen deeltje bevindt zicht een elektrisch veld, en als het deeltje beweegt, verandert dit elektrische veld mee (en ontstaat er ook een magnetisch veld). Het doorgeven van (de verandering) van deze velden kan worden gezien als een EM-golf.

Op een zendantenne wordt de te verzenden informatie als een wisselspanning aangeboden, die de elektronen in de antenne laat trillen. Als de frequentie van de trilling zorgt voor een golflengte die 'past' op de antenne (L = ½ λ tot L = ¼ λ) zullen deze elektronen resoneren. Door het heftige trillen van de (lading) van de elektronen ontstaat er dan een EM-golf met dezelfde frequentie. Bij de ontvangstantenne gaan de daar aanwezige elektronen meetrillen met het wisselende veld en wordt de verzonden informatie weer meetbaar. Ook hier gaat dit het beste als er resonantie op kan treden.

De afmetingen van de antennes moeten dus kloppen met de grootte van de golflengte van het EM-signaal.
Bij de afmeting van de antenne hoort ook (een deel van) het elektrische schema erachter.

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/radio-waves

Slide 4 - Slide

Waarom radiogolven?

Waarom worden radio-golven gebruikt om informatie van de ene plek naar de andere plek te krijgen? Vroeger ging dit vooral om geluid (spraak / muziek), maar tegenwoordig is er natuurlijk ook veel digitale informatie te verzenden.

Een nadeel van geluid is dat het snel verzwakt door afstand en obstakels en dus niet heel ver reikt. Je kunt natuurlijk het volume wel opvoeren, maar dat is (zeker vlak bij de bron) onwenselijk, want iedereen tussen de zender en de bron kan het horen.
Zelfs al zou geluid wel zonder hulpmiddel kunnen worden overgezonden, dan zou er ook maar één bron tegelijk zijn informatie kunnen zenden, omdat anders de verschillende geluiden, elk met vergelijkbare frequenties, door elkaar zouden lopen.
Geluid gaat door lucht ook relatief langzaam (343 m/s). Een bericht van Maassluis naar Rotterdam zou al een vertraging van bijna een minuut geven, wat communicatie moeilijk maakt.

Radiogolven (dus EM-straling) hebben al deze nadelen niet:
Het heeft geen medium nodig (kan dus door vacuüm via satellieten) en wordt niet erg verzwakt door 'normale' obstakels.
Het heeft een groot gebied aan frequenties dat gebruikt kan worden. De frequenties storen elkaar dan niet.

Het gaat met de lichtsnelheid, waardoor aardse afstanden niet of nauwlijks een vertraging opleveren.

Slide 5 - Slide

Eigenschappen radiogolven

Radiogolven is dat gebied uit het EM-spectrum met de laagste frequenties; van 1 kHz tot zo'n 100 GHz. Dit maakt het (voor zover bekend) de minst schadelijke straling. In vergelijking met geluid, zijn de freqenties van radio-golven echter al flink hoog!
Hoe groter de frequentie van radio-straling, hoe kleiner bijbehorende golflengte en hoe kleiner dus de antennes die de radiogolven uitzenden en ontvangen kunnen zijn.
Bovendien heeft een hoge frequentie meer 'ruimte' om andere signalen van lagere frequentie in te 'verstoppen'.
Dit gebeurt via de AM en FM-modulatie. Zie voor meer informatie over AM en FM de paragraaf van de Wetenschapsschool.

Voordeel AM: heeft groot bereik door lage frequenties en dus grote golflengtes.
Hierdoor kan het signaal 'om obstakels heenbuigen'.

Nadeel AM: is storingsgevoelig door externe signalen die de amplitude veranderen.

Hierna volgt nog een video over AM & FM (in het engels), de mogelijheid om je

samenvatting in te leveren, en enkele stellingen over de theorie van deze

LessonUp en over de informatie op de wetenschapsschool.

Bron

https://tex.stackexchange.com/questions/440281/animated-cosine-waveform-with-fm-modulation-using-the-animate-package

Slide 6 - Slide

Slide 7 - Video

Bestudeer de paragraaf (WS + deze Lessonup!) en maak een samenvatting die in ieder geval de leerdoelen omvat. Lever een foto van je samenvatting in.

Slide 8 - Open question

Geef hieronder aan wat je nog niet (goed) snapt van de theorie.

Slide 9 - Open question

Wat is de snelheid van elektromagnetische golven zoals radiosignalen?

3,0*10^8 m/s

343 m/s

oneindig groot

hangt af van de temperatuur

Slide 10 - Quiz

Als de frequentie van een radiogolf omhoog gaat wat gebeurt er dan met de golflengte?

niets

gaat ook omhoog

gaat juist omlaag

niet te voorspellen