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La propagazione delle onde
elettromagnetiche
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Nella storia…
• La trasmissione via etere di
segnali viene utilizzata già
da un secolo, da quando
cioè, Guglielmo Marconi,
qui a sinistra in una foto
relativa alla sua giovinezza,
inventò la radio.
• A destra: La stazione San
Filippo, la prima stazione
radiotelegrafica
trasmittente realizzata da
Guglielmo Marconi
a Roma.
Si deve a questo scienziato bolognese il primo esperimento di trasmissione di
onde elettromagnetiche via etere a grande distanza e si devono a lui gli studi
sulla loro propagazione, studi, però iniziati da Hertz.
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Schema sistema tlc via etere
• Ogni trasmissione radio via etere, utilizza due stazioni
( trasmittente e ricevente) separate dall’etere come
schematicamente indicato in figura.
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Le onde elettromagnetiche (1)
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 = 300.000 Km/sec
secondo il disegno seguente
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Le onde elettromagnetiche (2)
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 = l·f
dove:
c = 300.000 km/s velocità della luce nel vuoto
l = lunghezza d'onda (metri)
f = frequenza (Hertz = sec-1)
La luce fa parte delle onde elettromagnetiche.
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Le onde elettromagnetiche (3)
• 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
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).
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La polarizzazione delle onde
elettromagnetiche (1)
• Le onde elettromagnetiche poi, possono
avere 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.
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La polarizzazione delle onde
elettromagnetiche (2)
• 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
• Supponendo di guardare verso l'antenna trasmittente l'onda
che si propaga, si avrebbero le immagini indicate nelle tre
animazioni seguenti.
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La polarizzazione lineare
• 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 come indicato nell'animazione
seguente che mostra, anche, come un'onda
elettromagnetica, con polarizzazione lineare, può
essere generata dall'oscillazione di una carica
elettrica oscillante lungo un'antenna.
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La polarizzazione circolare
• Nell'animazione seguente è
mostrato, invece, un esempio
di polarizzazione circolare,
usata, spesso, con antenne
paraboliche, nei ponti radio
satellitari, sia nella versione
destrorsa che sinistrorsa.
• Per ragioni di semplicità del
disegno, questa volta, è
indicato solo il vettore campo
elettrico.
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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/4πr2
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Propagazione (1)
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 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 = 300.000 km/sec
che è una costante universale, di ciò si tiene conto nello studio
dell'astronomia e, soprattutto, della radioastronomia.
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Propagazione (2)
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
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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.
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Riflessione e rifrazione (1)
• 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
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Riflessione e rifrazione (2)
• 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.
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Riflessione e rifrazione (3)
• 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 e
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:
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Riflessione e rifrazione (4)
• Se n1 > n2 , di conseguenza, Θ2 > Θ1,
ma sen Θ2, 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 dall'animazione seguente.
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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.
Lampadina
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Propagazione delle onde e.m.
• 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.
• L'atmosfera terrestre è
suddivisa in vari strati come
indicato, orientativamente, in
figura.
Si possono avere pertanto tipi diversi di propagazione:
ONDA DI SUPERFICIE
ONDA DIRETTA
ONDA RIFLESSA DAL SUOLO
SCATTERING TROPOSFERICO
ONDE SPAZIALI
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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.
• 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
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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 per le
microonde delle 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.
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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
dall'animazione seguente.
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Onda spaziale (1)
• 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.
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Onda spaziale (2)
•
L’indice di rifrazione dipende dalla concentrazione di cariche N e dalla frequenza
secondo la legge:
81N
n  1
•
•
f2
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 sup di separazione di due
strati di ionosfera a n differenti, tali per cui si ha la riflessione totale.
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