Campo elettromagnetico, onde e telecomunicazioni: una panoramica completa

Campo Elettromagnetico

Il campo elettromagnetico è composto dal campo elettrico più il campo magnetico, i quali si dispongono perpendicolarmente l'uno all'altro e alla risultante. Il campo elettrico e il campo magnetico sono direttamente proporzionali e la velocità di propagazione è la velocità della luce. Il campo elettromagnetico è descritto dalle equazioni di Maxwell, le prime due descrivono il teorema di Gauss, la terza e la quarta, invece, la circuitazione.

Equazioni di Maxwell

I Equazione - Per il campo elettrico, ci permette di calcolare il suo flusso ®Sc(E)= EQ. Int ε 0 Nella sommatoria vengono prese solo le cariche interne in quanto quelle esterne si annullano, le cariche entranti sono negative mentre quelle uscenti sono positive. Le cariche esterne prima entrano e poi escono, essendo negative prima e positive dopo si annullano, non vengono così considerate nella sommatoria. §0 è la costante dielettrica nel vuoto e vale 8,85 . 10-12 ℃2 / N m2.

II Equazione - Il flusso del campo elettrico è uguale a zero quando non uniforme. Le linee di campo magnetico sono sempre linee chiuse, si originano nel polo nord di un magnete e convergono verso il polo sud. PSc (B) = 0

III Equazione - Spiega la circuitazione del campo elettrico, ovvero l'origine e la disposizione attorno alla sorgente. La sorgente del campo elettrico è una variazione nel tempo del flusso del campo integrale. A(B)= d +PS (B) dove il primo termine è la derivata negative del tempo.

IV Equazione - Spiega la circuitazione del campo magnetico. La sorgente è composta sia dalle cariche sia da una variazione nel tempo del flusso del campo elettrico. 1 (B)= Mo I+ Ho 0 at + Pc(E) dove il primo termine rappresenta la corrente di spostamento mentre il secondo la variazione del flusso di E.

Onde Elettromagnetiche

Alle onde elettromagnetiche si applicano le leggi dell'ottica quali riflessione, rifrazione, diffusione, diffrazione. La riflessione è una variazione nel percorso dell'onda quando incontra un ostacolo; la rifrazione si ha quando la direzione dell'onda passa da un mezzo all'altro, c'è un angolo limite oltre il quale non si potrà più avere rifrazione bensì solo riflessione. La diffusione è causata da un ostacolo e l'onda si propaga in tutte le direzioni dopo averlo incontrato. La diffrazione è quel fenomeno che permette alle onde elettromagnetiche in presenza di un ostacolo riescono a girarvi attorno. Si ha infine l'attenuazione, ovvero la diminuzione del valore della forza di campo che va diminuendo con la propagazione dell'onda.

Classificazione delle Onde Elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche si possono classificare in differenti categorie come segue.

• Radioonde. Prodotte mediante elettroni accelerati o mediante correnti alternate che circolano in antenne metalliche.
• Microoonde. Prodotto mediante circuiti elettronici, come i magnetron.
• Raggi Infrarossi. Sono prodotte dalla rotazione e vibrazione delle molecole, in parte anche dal sole.
• Luce visibile. 4,2 1014 Hz - 7,5 1014 Hz - Dal rosso al violetto è quanto l'occhio umano vede.
• Raggi Ultravioletti. Provengono dal Sole e la maggior parte è assorbita dall'ozono presente nell'atmosfera.
• Raggi X. Prodotti facendo urtare elettroni molto veloci contro una lastra metallica, per esempio tungsteno.Raggi y. Prodotti da radiazioni nucleari o spontaneamente da nuclei radioattivi, distruggono le cellule viventi e per questo motivo sono utilizzati per bruciare le cellule tumorali.

Classificazione delle Radioonde

Le radioonde si possono poi classificare come segue:

Classe Sigla Frequenza Lunghezza d'Onda Onde miriametriche V.L.F. 3 - 30 kHz 100 - 10 km Onde chilometriche L.F. 30 - 300 kHz 10 - 1 km Onde ettometriche M.F. 300 - 3.000 kHz 1.000 - 100 m Onde decametriche H.F. 3 - 30 MHz 100 - 10 m Onde metriche V.H.F. 30 - 300 MHz 10 - 1 m Onde decimetriche U.H.F 300 - 3.000 MHz 100 - 10 cm Onde centimetriche S.H.F. 3.000 - 30.000 MHz 10 - 1 cm

Propagazione delle Onde Elettromagnetiche

Propagazione delle Onde Elettromagnetiche. La propagazione delle onde elettromagnetiche vede due distinzioni, le onde spaziali e le onde terrestri, a loro volta, queste ultime, si dividono in onde dirette, riflesse e superficiali. L'onda spaziale, irradiata in direzioni inclinate rispetto all'orizzonte, fornisce supporto alle comunicazioni a grande distanza verso gli strati alti dell'atmosfera, questa è la sua importanza, nonostante sia meno affidabile dell'onda terrestre. Questo perché alle alte quote, quando le onde elettromagnetiche incontrano gli strati ionizzati dell'atmosfera, queste vengono riflesse verso il terreno secondo le leggi dell'ottica geometrica. Delle onde terrestri, l'onda diretta si propaga in linea retta, la limitazione è che le stazioni devono trovarsi a distanza ottica. L'onda riflessa si propaga nello spazio staccandosi dalla superficie terrestre e copre considerevoli distanze. Viene impiegata per comunicazioni quando le stazioni non si trovano a distanza ottica. L'onda superficiale si propaga seguendo la curvatura terrestre, data la conduttività del terreno che fa da guida, la resistività del suolo provoca però l'attenuazione dell'onda. Tale resistività, essendo minore sull'acqua, permette all'onda stessa di percorrere distanze maggiori quando l'onda percorre un percorso sull'acqua.

Caratteristiche di Propagazione a Differenti Frequenze

Caratteristiche di Propagazione. Rispetto alle caratteristiche di propagazione a differenti frequenze abbiamo: (1) frequenze basse (Inferiori a 500 kHz) - L'onda superficiale viene poco attenuata, l'onda spaziale subisce una doppia riflessione, verso il suolo prima e verso l'alto dopo. (2) Frequenze di radiodiffusione (500 - 1.500 kHz) - L'onda superficiale viene poco attenuata, l'onda spaziale subisce una rifrazione minore da parte della ionosfera. L'attenuazione è maggiore di giorno che di notte a causa dell'altezza dello strato ionizzato. (3) Onde corte (1,5 - 30 MHz) - L'onda superficiale subisce una notevole attenuazione, l'onda spaziale viene rifratta poco energicamente e non è possibile usarla al di sotto di certe distanze. (4) Onde ultracorte - Microonde (Oltre 30 MHz) - L'onda superficiale è inesistente, l'onda spaziale viene attenuata molto poco ma non riesce ad essere rifratta dai vari strati ionizzati.

Antenne e Telecomunicazioni

L'antenna è il dispositivo che permette di irradiare l'energia nello spazio e di captarla, la forma e le dimensioni dipendono da molti fattori, tra cui la frequenza d'onda da trasmettere, il rendimento e la potenza. L'antenna è costituita da un generatore di corrente alternata che alimenta due conduttori, di questi uno è caricato negativamente, avendo un eccesso di elettroni, e l'altro è caricato positivamente, avendo un difetto di elettroni. Si creano così delle linee di forza dal primo al secondo per equilibrare le cariche, più la tensione aumenta, più le linee di forza aumentano, fino ad arrivare al picco massimo, 90°. Da questo punto fino a tornare sull'asse x a 0°, con quindi una riduzione della tensione applicata, lelinee di forza vanno a diminuire. Nel punto 0° la tensione è nulla e le linee di forza si chiudono su sé stesse non avendo tempo per dissiparsi. Infine nel salto compreso tra 0° e 90° avviene un'inversione, in verso opposto vengono respinte le linee di forza chiuse non dissipate e si forma un campo irradiato, con linee di forze opposte rispetto all'inizio.

• 1 - Tensione Massima Positiva
• 2 - Riduzione Tensione + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
• 3 - Tensione Nulla
• 4 - Tensione Massima Negativa - - - - -. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Antenna Isotropa e Guadagno

Antenna Isotropa e Guadagno. L'antenna ideale, l'antenna isotropa, è un'antenna che irradia in tutte le direzioni la stessa quantità di energia, la densità di potenza a una data distanza R e quindi uguale a: DIIR = 4 TUR 2 dove al numeratore abbiamo la potenza irradiata e al denominatore l'area di una sfera. Nella realtà un'antenna ha una direzione preferenziale di irradiamento, in cui irradia una quantità di energia maggiore rispetto alle altre. Il rapporto tra la potenza irradiata e la potenza che sarebbe irradiata da un'antenna isotropa fornisce il guadagno ed è così possibile stabilire se irradia una quantità maggiore, minore o uguale a un'antenna isotropa. G = "DIREZIONALE ISOTROPA

Dipoli Hertziani

Dipoli Hertziani. L'antenna, di cui la più semplice è costituita da un conduttore metallico in cui scorre corrente alternata, presenta una certa capacità C, induttanza L e resistenza R, come mostrato in figura. Quella rappresentata è un'antenna marconiana o semidipolo, tale antenna, in cui le tre grandezze sono distribuite lungo tutto il circuito prende il nome di circuito oscillante chiuso. La sorgente è posta a una delle due estremità del circuito la frequenza di risonanza, ovvero la frequenza alla quale le grandezze di equivalgono, è pari a: R L C f= La lunghezza d'onda diventa così: 2 = c / f = 4L, l'antenna marconiana o semidipolo oscilla su 1/4 della lunghezza d'onda. Nel caso in cui la sorgente sia posta al centro dell'antenna avremmo un'antenna hertziana o dipolo, la frequenza di risonanza diventa: f = C -- >) = c / f = 2L, l'antenna marconiana o semidipolo oscilla su 1/2 della lunghezza d'onda.

Antenne Riflettore - Riflettore Parabolico

Antenne Riflettore - Riflettore Parabolico. Il riflettore parabolico è un'antenna direzionale, che concentra quindi la sua irradiazione in una direzione prestabilita. Tale antenna è costituita da un paraboloide di rotazione metallico ne cui fuoco è posto un dipolo. Oltre a questo è spesso presente un piccolo riflettore che non permette l'irraggiamento diretto del dipolo, mandando così tutta l'energia sullo specchio del paraboloide.I raggi uscenti, dopo la riflessione, sono paralleli gli uni agli altri. La lunghezza d'onda è molto bassa e per questo si impiegano nel campo delle onde ultra corte e delle microonde.

Antenna a Telaio e Antenna di Senso

Antenna a Telaio e Antenna di Senso. L'antenna a telaio è un circuito chiuso oscillatorio in cui la bobina presenta dimensioni relativamente grandi che sono, comunque, modeste rispetto alla lunghezza d'onda. Il telaio può assumere differenti forme, persiste sempre una spira rettangolare disposta su un piano verticale. Quando il piano della spira è perpendicolare alla direzione di propagazione delle onde, il a segnale ricevuto è pari a zero. La figura a fianco rappresenta il + diagramma di radiazione di un'antenna a telaio, data la sfericità della propagazione delle onde il punto prima detto lo si può identificare con due posizioni, differenziate di 180°. Tali posizioni sono l'intersezione delle due circonferenze. Per definire quale delle due sia la direzione corretta, si utilizza un'antenna non direttiva, ovvero che fornisce ai suoi capi sempre lo stesso segnale, qualunque sia il suo orientamento. Ora, il segnale ai capi dell'antenna a telaio è direttamente proporzionale al coseno di a e il diagramma di ricezione è composto da due cerchi tangenti nel centro della spira alla direzione di segnale nullo, di equazione k cos(a). L'antenna non direttiva viene chiamata antenna di senso e il suo diagramma circolare può avere raggio k con un proporzionamento di tutto il sistema. La somma del segnale delle due antenne sarà così uguale a: k (1 - cos(a)). Il U + Ư diagramma corrispondente in coordinate polari è una U cardioide e il segnale è nullo quando la direzione di ricezione giace sul piano del telaio.

Potenza Irradiata

Potenza Irradiata. La potenza irradiata da un'antenna è funzione del quadrato della corrente che percorre l'antenna stessa, della lunghezza e della lunghezza d'onda. Otteniamo il rendimento come segue, in cui R, è l'attitudine dell'antenna a irradiare potenza elettromagnetica mentre R è la resistenza dissipativa, propria dell'antenna: U U = R + R

ADF e Antenna a Telaio e di Senso

ADF e Antenna a Telaio e di Senso. L'ADF - Automatic Direction Finder - è stato il primo sistema radio impiegato e fornisce il valore angolare tra l'asse longitudinale dell'aeromobile e la congiungente con la stazione e opera nella banda 100 kHz - 2 MHz. Il sistema rileva la posizione occupata da un'antenna a telaio libera di ruotare attorno al proprio asse verticale, in condizioni di minimo accoppiamento con il campo magnetico di un radiofaro omnidirezionale. L'impianto di bordo è costituito da un radioricevitore al quale sono collegate due antenne, una direttiva e una omnidirezionale, detta di senso perché accoppiata a una a telaio. Il segnale ricevuto viene amplificato tramite un servoamplificatore e alimenta un servomotore che fa ruotare l'antenna direttiva finché non raggiunge la posizione con