Onde elettromagnetiche

Onde del mare - Muxía, Costa da Morte.

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In questa pagine sono brevemente richiamati alcuni concetti relativi alla propagazione delle onde elettromagnetiche, già incontrati nel corso di fisica. Il contesto è quello dei segnali radio oggi usati nei sistemi di telecomunicazione digitali, ma molti aspetti possono essere trattati con le usuali leggi dell'ottica perché in effetti sono lo stesso fenomeno fisico, solo con numeri un po' diversi.

Anche le onde del mare, a cui l'immagine di apertura si riferisce, hanno alcuni aspetti in comune con quanto qui descritto (e sono a volte più piacevoli, a volte più pericolose...).

Gi esempi seguenti fanno riferimento a volte alla luce e a volte ad onde meccaniche, ma sono tutti tipici dei fenomeni ondulatori. Il motivo è semplicemente dovuto al fatto che, a differenza delle onde radio, gli effetti sono visibile e fanno parte della nostra esperienza diretta.

Non ci interessiamo invece al dualismo onda-particella.

Campo elettrico e campo magnetico

(Qui una spiegazione) La radiazione elettromagnetica si propaga nel vuoto a partire da un punto di origine (antenna), in tutte le direzioni e alla velocità della luce (c = 3·108 m/s).

Nei materiali trasparenti la velocità di propagazione è inferiore a c di un fattore indicato come indice di rifrazione (n, strettamente maggiore di 1). Alcuni esempi:

La radiazione elettromagnetica è costituita un campo elettrico variabile ed un campo magnetico variabile, tra loro perpendicolari e proporzionali (nota 1). La figura seguente mostra

Campo elettrico e magnetico

Lunghezza d'onda

La lunghezza d'onda è la distanza in metri tra due massimi, e viene indicata dalla lettera greca λ. Lunghezza d'onda e frequenza sono legate nel vuoto dalla relazione λ = c / f.

La tabella seguente mostra alcuni esempi di frequenza e lunghezze d'onda usati in comuni sistemi di telecomunicazioni.

  f λ
Radio LW 150 kHz 2 km
Radio FM 100 MHz 3 m
Televisione e telefonia 1 GHz 300 mm
WiFI 5.4 GHz 55 mm
Satellite TV 12 GHz 25 mm
Ponte radio digitale 80 GHz 3.8 mm
Fibra ottica 230 THz 1300 nm

In genere tecnologie che ricadono nelle prime sei righe sono classificate come trasmissione a radiofrequenza; l'ultima come trasmissione ottica (infrarosso). Si tratta ovviamente di una classificazione solo orientativa e qualitativa: i principi ed anche le equazioni sono gli stessi.

Polarizzazione

(qui una spiegazione) In genere i segnali a radiofrequenza più utilizzati sono polarizzati, cioè il campo elettrico ha un allineamento ben preciso:

Riflessione

(Qui una spiegazione) Quando un'onda elettromagnetica incide una superficie viene, in parte, riflessa. Questo fenomeno è tipico nel passaggio tra due materiali con caratteristiche diverse: esempi sono la luce che si riflette sulla superficie dell'acqua o su un metallo lucido.

La riflessione può essere speculare, tipica delle superfici lisce:

Riflessione speculare

Se la superficie è irregolare, si parla invece di diffusione:

Riflessione diffusa

Rifrazione

(Qui una spiegazione, nella seconda parte) Quando un'onda elettromagnetica attraversa la superficie di separazione tra due materiali trasparenti aventi indice di rifrazione diverso viene deviata. Esempio tipico è la posizione reale di un oggetto immerso in acqua, diversa da come appare ad un osservatore esterno; oppure il funzionamento di una lente.

La figura seguente mostra il percorso dell'onda elettromagnetica nel caso in cui il passaggio avviene dal mezzo con indice di rifrazione minore, per esempio aria, a quello con indice di rifrazione maggiore, per esempio acqua; si osserva un avvicinamento del raggio rifratto alla normale (θ1 > θ2).

Rifrazione

 

Nel caso in cui invece i'onda elettromagnetica passa dal materiale con indice di rifrazione maggiore a quello con indice di rifrazione minore si osserva che raggio rifratto viene deviato allontanandosi dalla normale ed avvicinandosi alla superficie di separazione:

 

Il legame tra i due angoli θ1 e θ2 è dato dalla legge di Snell.

Riflessione totale

In genere un'onda elettromagnetica che incide la superficie tra due materiali trasparenti diversi è sia riflessa che rifratta. L'immagine seguente mostra questo comportamento nel caso in cui l'onda elettromagnetica ha origine nel materiale con indice di rifrazione maggiore:

Un caso particolare è la riflessione totale che si manifesta solo quando l'onda elettromagnetica ha origine nel materiale con indice di rifrazione maggiore: se l'onda incidente è quasi parallela alla superficie di separazione (linea blu), tutto il segnale viene riflesso ed il segnale rifratto è nullo.

In pratica tutto il campo magnetico rimane confinato entro il materiale con indice di rifrazione maggiore. Questo comportamento è la base del funzionamento della fibra ottica.

Diffrazione

(Qui una spiegazione) Se un'onda elettromagnetica incontra nel suo percorso rettilineo un ostacolo è in grado di aggirarlo a condizione che le dimensioni fisiche dell'ostacolo siano paragonabili alla lunghezza d'onda. Tale proprietà è stata usata soprattutto in passato per realizzate comunicazioni in grado di superare ostacoli molto grandi, quali montagne e la stessa curvatura terrestre. Questo spiega perché le radio ad onde lunghe (frequenza di centinaia di chilohertz) possono essere ricevute a distanza di centinaia di chilometri mentre le radio FM (un centinaio di megahertz) non possono essere ricevute in molte zone montagnose in assenza di ripetitori.

Interferenza

(Qui una spiegazione) Questo fenomeno ha la stessa origine della diffrazione sebbene, in questo contesto, viene spiegato in modo separato.

L'interferenza viene tipicamente descritta in ottica come i fenomeni che si manifestano quando due onde con la stessa frequenza di incontrano (nota 2). In alcuni punti dello spazio le intensità delle due onde si sommano (interferenza costruttiva), in altri punti si sottraggono, fino ad annullarsi (interferenza distruttiva). La posizione di tali punti dipende dalla lunghezza d'onda dei due segnali e dalla distanza dalle due sorgenti.

Inerferenza

Note

  1. Quanto descritto è vero solo ad una certa distanza dal punto di origine, maggiore di qualche volta rispetto alla dimensione fisica dell'antenna trasmittente
  2. A volte viene usato il termine interferenza per indicare l'interazione non voluta tra due o più segnali diversi, per esempio per indicare alcune forme di rumore di origine esterna


Pagina creata nel gennaio 2022
Ultima modifica: 3 gennaio 2022


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