Le onde elettromagnetiche e loro propagazione Modulo 3 Progetto Edusat I.I.S.S. G. MARCONI -Bari

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1 Le onde elettromagnetiche e loro propagazione Modulo 3 Progetto Edusat I.I.S.S. G. MARCONI -Bari Nella storia La trasmissione via etere di segnali viene utilizzata già da un secolo, da quando cioè, nella sua giovinezza, Guglielmo Marconi, inventò l antenna e quindi l applicazione pratica delle onde elettromagnetiche, cioè la radio. Figura 1 Ogni trasmissione radio, utilizza due stazioni ( trasmittente e ricevente) separate dallo spazio come schematicamente indicato in figura 1. Figura 2 Se abbiamo un circuito elettrico dove è presente una induttanza (bobina) ed una capacità (condensatore) (figura 2) l energia può passare dal circuito allo spazio esterno modificando le armature del condensatore. Il campo elettrico è indicato dalle linee nel condensatore, il campo magnetico dalle linee all interno della bobina, le linee di forza sono perpendicolari tra loro. L energia si conserverebbe all infinito se non ci fosse la dissipazione sulla resistenza del circuito stesso. Le onde elettromagnetiche, ipotizzate teoricamente da James Clerk Maxwell nel 1864, sperimentate in laboratorio da Hertz e utilizzate nella Radio da Marconi nel 1895, sono costituite da oscillazioni, del campo elettrico e del campo magnetico, che si propagano nel vuoto alla velocità di circa: c = Km/sec secondo il disegno seguente(figura 3):

2 Figura 3 Le onde elettromagnetiche sono classificabili a seconda delle loro caratteristiche e del loro impiego nei vari campi della tecnica, in base alla lunghezza d'onda od anche alla frequenza, in quanto queste grandezze sono legate fra loro dalla seguente espressione: c = λ f dove: c = km/s velocità della luce nel vuoto λ = lunghezza d'onda (metri) f = frequenza (Hertz = sec-1) La luce fa parte delle onde elettromagnetiche. Qualunque tipo di onda, ad esempio quella sonora, quella elastica di una molla, o quella generata da una pietra che cade in uno stagno, od anche l'onda sismica di un terremoto, è sempre costituita dall'alternanza di valori della stessa energia o da due tipi diversi di energia, che nel caso dell'onda elettromagnetica sono quella elettrica e quella magnetica. Le onde possono essere, in generale, però di due tipi diversi: longitudinali o trasversali a seconda che l'oscillazione avvenga nella stessa direzione della propagazione o in una direzione ad essa perpendicolare. Le oscillazioni del campo elettrico e di quello magnetico avvengono dunque perpendicolarmente alla direzione di propagazione, e i due campi sono inoltre ortogonali tra loro. Sono quindi onde trasversali ( chiamate anche TEM)

3 Figura 4 Le onde elettromagnetiche sono sempre polarizzate, cioè il campo elettrico che le compone, oscilla in diversi modi mentre l'onda si propaga. Si possono avere tre tipi di polarizzazione essenzialmente: LINEARE CIRCOLARE ELLITTICA Le onde elettromagnetiche hanno polarizzazione lineare, circolare ed ellittica a seconda che nel propagarsi nello spazio, il vettore campo elettrico si muova su di una retta, su di un cerchio o su di un'ellisse. (Figura 4) In quella lineare, il vettore campo elettrico oscilla mantenendo sempre la propria punta su di un segmento. Il campo magnetico, naturalmente, si muove restando sempre a 90 nello spazio rispetto al campo elettrico, e si dimostra che un'onda elettromagnetica, con polarizzazione lineare, può essere generata dall'oscillazione di una carica elettrica oscillante lungo un'antenna a dipolo. La polarizzazione circolare è usata, spesso, con antenne paraboliche, sia nei ponti radio satellitari, nella versione destrorsa e sinistrorsa, che nei collegamenti stazione di terra e satelliti artificiali. Flusso di potenza Quando un'antenna isotropa ( sorgente ideale che irradia uniformemente in tutte le direzioni) genera un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio, ad essa è sempre associata una densità di potenza elettromagnetica, rappresentata dal vettore di Poynting, la cui direzione è quella della propagazione, ed il cui valore è determinato dal prodotto vettoriale del campo elettrico per il campo magnetico secondo la formula seguente: S=ExH La densità di potenza a distanza r dalla sorgente vale S=P/4πr 2 PROPAGAZIONE Bisogna distinguere subito due circostanze totalmente diverse: Propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto. Propagazione delle onde elettromagnetiche all'interno dell'atmosfera terrestre. Nel vuoto, quindi lontano dall'atmosfera terrestre, da corpi materiali e da ostacoli, il mezzo è isotropo ed omogeneo (la velocità di propagazione è costante in tutti i punti), quindi il

4 comportamento delle onde elettromagnetiche è assolutamente indipendente dalla frequenza e quindi dalla lunghezza d'onda. In questo ambiente astrale, le onde elettromagnetiche si muovono tutte e sempre in linea retta e si propagano tutte alla stessa velocità: c = km/sec che è una costante universale, di ciò si tiene conto nello studio dell'astronomia e, soprattutto, della radioastronomia. Viceversa, entro l'atmosfera terrestre, poiché l'aria che noi respiriamo non è un mezzo né isotropo, né omogeneo, la propagazione delle onde elettromagnetiche è soggetta a: ATTENUAZIONE RIFLESSIONE RIFRAZIONE DIFFRAZIONE Attenuazione E dovuta, invece, all'assorbimento di una parte dell'energia dell'onda da parte del mezzo in cui essa transita, cioè l'aria che contiene sempre polvere, molecole d'acqua in sospensione nelle nuvole, atomi ionizzati, ozono. Gli atomi stessi dell'aria in taluni casi determinano di per sé un'attenuazione, basti pensare all'effetto schermante, a tutti noto oggi, dell'ozono nell'alta atmosfera, che ci protegge dai raggi ultravioletti del sole. Questi raggi, che sono onde elettromagnetiche come tutte le altre, entrando nell'atmosfera urtano contro le molecole dell'ozono presenti nell'aria e si attenuano fortemente cedendo loro quell'energia che per noi potrebbe essere dannosa. Questo tipo di attenuazione varia molto con la lunghezza d'onda. Riflessione e rifrazione La riflessione delle onde elettromagnetiche si studia come quella della luce secondo le due leggi di Snell. Si definisce indice di rifrazione n il rapporto fra la velocità della luce nel vuoto c, e la velocità della luce v, in un altro mezzo. N=c/v Un raggio luminoso, che si propaga in un mezzo trasparente, ad esempio il vetro, con indice di rifrazione n1 ed incontra un altro mezzo pure trasparente, con indice di rifrazione n2 diverso, ad esempio minore, come l'aria, viene in parte riflesso ed in parte rifratto come indicato in figura 5. Figura 5

5 La prima legge di Snell riguarda la riflessione e dice che il raggio incidente ed il raggio riflesso formano lo stesso angolo con la normale inoltre con il raggio rifratto sono tutti e tre complanari. La seconda legge di Snell, invece, riguarda il fenomeno della rifrazione, e lega l' angolo di incidenza e l'angolo di riflessione, con gli indici di rifrazione, secondo la formula: Se n1 > n2, di conseguenza, Φ 2 > Φ 1, ma sen Φ 2, può assumere al massimo il valore di 1, cui corrisponde un angolo di rifrazione di 90, cioè praticamente l'assenza di rifrazione. Si deduce, come conseguenza che, al crescere dell'angolo di incidenza, anche l'angolo di rifrazione cresce, ma più rapidamente, fino a che, quando il primo raggiunge il valore detto angolo limite, il secondo raggiunge il valore di 90, non dando più luogo a rifrazione, come si vede dalla figura 6 seguente. Figura 6 Diffrazione La DIFFRAZIONE è un fenomeno fisico in base al quale L'ONDA PUÒ PROPAGARSI AL DI LÀ DI UN OSTACOLO delle dimensioni della propria lunghezza d'onda. L onda diffonde energia anche dietro l ostacolo ed è come se si incurvasse attorno al margine dell ostacolo stesso. Nel vuoto, quindi lontano dall'atmosfera terrestre, da corpi materiali e da ostacoli, il mezzo è isotropo ed omogeneo (la velocità di propagazione è costante in tutti i punti), quindi il comportamento delle onde elettromagnetiche è assolutamente indipendente dalla frequenza e quindi dalla lunghezza d'onda. In questo ambiente astrale, le onde elettromagnetiche si muovono tutte e sempre in linea retta e si propagano tutte alla stessa velocità: c = km/sec che è una costante universale, di ciò si tiene conto nello studio dell'astronomia e, soprattutto, della radioastronomia.

6 A seguito di tutti questi fenomeni appena elencati, il comportamento delle onde elettromagnetiche all'interno dell'atmosfera terrestre si diversifica molto con il variare della frequenza dando luogo a problemi alquanto diversi. Figura 7 L'atmosfera terrestre è suddivisa in vari strati come indicato, orientativamente, in figura 7. Si possono avere pertanto tipi diversi di propagazione: ONDA DI SUPERFICIE ONDA DIRETTA ONDA RIFLESSA DAL SUOLO SCATTERING TROPOSFERICO ONDE SPAZIALI L onda di superficie L'onda di superficie segue la superficie terrestre, scavalcando le colline, superando laghi e fiumi ed anche mari. È molto condizionata, nella sua attenuazione, dalla conducibilità del terreno. La propagazione per onde di superficie è limitata alle basse ed alle bassissime frequenze, nelle gamme LF e VLF in quanto l'attenuazione cresce con la frequenza. L'onda, per propagarsi, è bene che sia polarizzata verticalmente, perché una componente orizzontale del campo elettrico determinerebbe correnti indotte sulla superficie che ha pur sempre una sua conducibilità, determinando assorbimento di energia e quindi attenuazione.

7 Poiché la superficie del mare le attenua poco, vengono usate di preferenza per le comunicazioni nautiche ed anche con sommergibili. Si riesce così a coprire distanze di circa 1000 chilometri. Per le loro caratteristiche, erano usate per il sistema dei radiofari LORAN ora superato dal GPS L onda diretta L'onda diretta è quella che viaggia direttamente dal trasmettitore al ricevitore, per cui questi devono essere visibili l'un l'altro. Questo tipo di propagazione viene usato dalle onde cortissime fino alle microonde nelle gamme VHF, UHF, SHF, EHF. In realtà la traiettoria dell'onda non è esattamente una retta, ma segue quasi la curvatura terrestre determinando degli ampi archi di cerchio a seguito della rifrazione determinata dalla diversa densità degli strati dell'atmosfera al crescere della quota. (Scattering troposferico) Figura 8 Nelle VHF e frequenze superiori può avvenire un tipo di propagazione detta Super Tropo con particolari condizioni di mare calmo e gradiente di temperatura differenziato, tanto da creare un condotto dove tra due strati ad indice di rifrazione simile c è ne è uno ad indice di rifrazione più basso l onda entra ed il condotto con continue riflessioni totali gli fa da guida d onda con attenuazione bassissima, tale che il segnale si conserva sino all uscita con la stessa forza di quando è entrato. Le distanze raggiungibili sono oltre 1000 Km. (Figura 8) L onda riflessa dal suolo Due antenne sono collegate, di fatto, oltre che dall'onda diretta, anche da quella che viene riflessa dal suolo, che, di norma intensifica l'onda diretta, talora, invece può creare problemi in quanto, nel riflettersi alla superficie, il campo elettrico si ribalta, ed inoltre, facendo più strada di quella diretta, ed arrivando in ritardo, determinare interferenza o fading, come si vede schematicamente in figura 9. Figura 9

8 L Onda spaziale È detta onda spaziale o sky wave, quell'onda che consente il collegamento a grande distanza, anche con piccole potenze, utilizzando la riflessione ionosferica. La ionosfera è la parte più alta dell'atmosfera ed è esposta, oltre che alla luce visibile del sole, anche ai raggi ultravioletti, ai raggi X provenienti dal sole, al vento solare, ed ai raggi cosmici provenienti dallo spazio cosmico. Sia i raggi ultravioletti, che i raggi X ed i raggi cosmici, oltre a radiazioni comprendenti il vento solare, danno luogo alla ionizzazione delle molecole dell'aria costituenti la ionosfera, spezzandone i legami elettrici e generando elettroni, ioni positivi ed ioni negativi. L indice di rifrazione dipende dalla concentrazione di cariche N e dalla frequenza secondo la legge: Se f>>30 MHz n~1 e quindi la ionosfera non modifica il percorso rettilineo delle onde e.m. A queste frequenze avvengono i collegamenti con i satelliti. La ionosfera è trascurata. A frequenze inferiori a 30 MHz ha peso anche il numero N di particelle cariche. La ionosfera è divisa in tanti strati a n costante. Si ha rifrazione e riflessione. Fino a quando non incidiamo con un certo angolo limite sulla superficie di separazione di due strati di ionosfera a n differenti, tali per cui si ha la riflessione totale. (figura 10) Figura 10 Dopo aver esaminato le leggi fisiche che governano la propagazione vediamo come sono classificati i vari tipi di propagazione delle onde elettromagnetiche, considerando le riflessioni sui vari strati ionizzati (figura 11):

9 Figura 11 Da notare di giorno la presenza dello strato D e di due strati F1 ed F2. Di notte lo strato D scompare ed F1 ed F2 si uniscono in unico strato unico F ionizzato. In questa tabella troverete il riepilogo di quanto già esposto. TIPO DI ONDE frequenza lunghezza d'onda banda TIPO DI PROPAGAZIONE APPLICAZIONI lunghissime / lunghe da 3 a 300 KHz da 100 a 1 Km VLF - LF Medie da 0,3 a 3 MHz da 1 a 0,1 Km MF per onda di superficie (sino 1500 Km) per rifrazione / riflessione nella ionosfera per onda di superficie (sino ad alcune centinaia di Km, maggiore attenuazione delle onde lunghe) per riflessione nella ionosfera maggiore la notte, quando si attenua l'effetto dello strato D e si modifica lo strato F, rispetto al giorno comunicazioni intercontinentali,radio navigazione, radio localizzazione, radiodiffusione LW radiocomunicazione navi e aerei, radiodiffusione MW (in modulazione di ampiezza AM da 520 a 1605 MHz)

10 Corte da 3 a 30 MHz da 100 a 10 mt. HF per onda di superficie sino ad alcune decine di Km (forte attenuazione) per riflessione nella ionosfera, minore attenuazione delle onde lunghe e maggiore riflessione dallo strato F (distanze maggiori che le onde lunghe) radiodiffusione SW a media e lunga distanza (stazioni internazionali), banda cittadina CB (27 MHz), servizi utility Cortissime da 30 a 300 MHz da 10 a 1 mt. VHF-UHF-SHF-EHF propagazione per onda di superficie praticamente nulla propagazione per onda diretta con rifrazione nella troposfera propagazione per riflessione su satellite (l'onda non viene rifratta nella ionosfera causa l'elevata frequenza) VHF: collegamenti a brevi distanze, radiodiffusione FM ( MHz), banda radioamatoriale (c.d. banda dei 2 mt.) tra 144 e 146 MHz, televisione banda I e II UHF: televisione in banda III e IV, banda radioamatoriale tra 430 e 440 MHz, radar, ponti radio telefonici (2 GHz), telefonia mobile a 900 MHz SHF e EHF: radar e ponti radio telefonici digitali fra 11 e 13 GHz, radionavigazione, satelliti geostazionari