Libertà via radio - Tesina per Liceo scientifico

LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni prodotte dall’accelerazione di cariche elettriche, cui è concatenato un

sistema di campi elettrici e magnetici variabili, che si sposta nello spazio con andamento generalmente periodico e

velocità definita, a partire dal punto in cui si è prodotta l’accelerazione.

Le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi e quindi si propagano anche nel vuoto.

Le proprietà delle onde elettromagnetiche sono definite matematicamente dalla equazioni di Maxwell, che legano in

maniera indissolubile il campo elettrico e il campo

magnetico. Un campo magnetico variabile produce, in

direzione perpendicolare a se stesso, un campo

elettrico variabile, e, analogamente, un campo

magnetico variabile produce, in direzione

perpendicolare a se stesso, un campo elettrico

variabile: ne risulta un campo elettromagnetico che si

propaga nello spazio sottoforma di onda

elettromagnetica.

Caratteristiche della propagazione:

Nel caso semplice di un’onda piana il campo elettrico e magnetico si mantengono durante le propagazioni

perpendicolari tra loro e alla direzione di avanzamento e si diffondo con velocità v secondo la relazione:

dove è la costante dielettrica e la permeabilità magnetica del mezzo in cui si diffonde l’onda; nel caso in cui il

mezzo si il vuoto, la velocità v coincide con c della luce. La lunghezza d’onda landa delle onde elettromagnetiche

risolta dalla relazione:

dove f è la frequenza di oscillazione.

Se il moto delle cariche è armonico, la variazione dei

campi avviene secondo una legge sinusoidale.

A seconda della lunghezza d’onda e della frequenza, le onde elettromagnetiche possono essere utilizzate per diversi radio

scopi, e sono prodotte e rivelate da vari strumenti; si dividono in diverse classi: onde hertziane, raggi infrarossi (IR), via

raggi luminosi, raggi ultravioletti (UV), raggi X, raggi gamma. Libertà

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Immagine spettro di onde (spettro elettromagnetico) LE ONDE RADIO

Il campo di frequenza della radio onde è molto esteso e va da un minimo di circa 3000 Hz, pari a una lunghezza d’onda

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λ=c/f=100 km, a un massimo di circa 3x10 Hz, pari a una lunghezza d’onda di 1 cm. Per questo motivo le radio onde

sono suddivise in onde lunghe, onde medie, onde corte, onde cortissime e onde centimetriche. Le onde lunghe,

medie e corte sono utilizzate prevalentemente nelle comunicazioni audio (telefonia, telegrafia, ponti radio,

radionavigazione, aerea e marittima, radio diffusione). Le onde cortissime vengono impiegate per la trasmissione delle

immagini (televisione), mentre le onde centimetriche vengono sfruttate nei sistemi radar.

Il comportamento delle radio onde nella propagazione a distanza è diverso a seconda del campo di frequenza. Le onde

lunghe e parte delle onde medie hanno la proprietà di seguire la curvatura terrestre e possono quindi essere utilizzate

per le trasmissioni a grande distanza. Le onde corte e cortissime, invece, non seguono la curvatura terrestre ma si

propagano in linea retta come le radiazioni ottiche, per cui l’antenna ricevente deve “vedere” l’antenna trasmittente.

ASSEGNAZIONE DELLE FREQUENZE

Campo di frequenza Categoria di frequenza Uso

da 3 a 30 kHz Onde miriametriche (VLF) Onde sonore – sonar – trasmissioni da e

per sottomarini

da 30 a 300 kHz Onde kilometriche (LF) Navigazione e radiodiffusione

da 300 kHz a 3 MHz Onde ettometriche (MF) Navigazione – radiodiffusione – difesa –

radioamatori – telescriventi ecc.

da 3 MHz a 30 MHz Onde decametriche (HF) Radiodiffusione in onde corte – difesa –

navi – aerei – radioamatori – CB – privati

e radiocomandi

da 30 a 300 MHz Onde metriche (VHF) Navigazione – difesa – aereonautica –

radioastronomia – privati – TV –

radiodiffusione – FM – radioamatori –

ponti radio civili ecc.

da 300 MHz a 3000 MHz Onde decimetriche (UHF) TV – ponti radio privati – aereonautica –

satelliti – radioastronomia –

radioamatori – ponti radio televisivi –

radar ecc.

da 3 GHz a 30 GHz Onde centimetriche (SHF) Satelliti – ponti radio – radioamatori –

radar ecc.

da 30 GHz a 300 GHz Onde millimetriche (EHF) Satelliti – ponti radio – radioamatori radio

via

Libertà

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INVENZIONE DELLA RADIO

La radio non necessita di un collegamento fisico perché si basa sull’emissione di energia sotto forma di onde

elettromagnetiche da parte di un’antenna. Queste onde radio, che viaggiano alla velocità della luce (300000 km/s)

trasportano l’informazione; quando arrivano all’antenna ricevente, esse producono una piccola tensione elettrica,

dalla quale dopo un’opportuna amplificazione, si riottiene l’informazione originale (suono, parole, musica) in forma

comprensibile.

I primi sperimentatori

I principi della radio sono stati dimostrati da scienziati come Michael Faraday e Joseph Henry ai primi dell’Ottocento.

Essi hanno individualmente sviluppato la teoria per la quale una corrente che scorre in un filo può produrre, per

induzione, una corrente in un altro filo che non è fisicamente connesso al primo.

Nel 1820 Hans Oersted aveva dimostrato che una corrente che scorre in un filo produce un campo magnetico intorno

al filo stesso. Se si fa variare la corrente e in particolare utilizzando una corrente alternata (che scorre

alternativamente nei due sensi), la variazione di campo magnetico prodotto provoca, per induzione, una corrente in

un altro campo conduttore posto in questo campo magnetico variabile (induzione elettromagnetica).

Nel 1864 James Clerk Maxwell pubblicò il suo primo lavoro nel quale dimostrava per via teorica che un disturbo

elettrico, dovuto a una variazione di tensione o di corrente, si poteva propagare nello spazio alla velocità della luce.

Egli postulava che la luce fosse costituita da onde elettromagnetiche costituite dall’interazione di campi elettrici e

magnetici.

Alla fine degli anni 1880, Heinrich Hertz riuscì effettivamente a produrre in laboratorio onde radio e a rivelarne la

presenza (da qui anche il nome di “onde hertziane”). Per trasmettere e ricevere onde si servì di circuiti oscillanti

(condensatori e induttori). Gli studi di Hertz si esaurirono nello studio delle proprietà di tali onde (riflessione,

rifrazione, diffrazione, assorbimento).

Misurando la lunghezza dell’onda ( ) e conoscendo la frequenza di oscillazione (f), egli fu in grado di calcolare la

velocità (v) dell’onda usando l’equazione , verificando così la teoria di Maxwell secondo cui le onde

elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce.

Il contributo di Marconi radio

via

Guglielmo Marconi ebbe l’intuizione di utilizzare le onde elettromagnetiche per comunicazioni su lunghe distanze: nel Libertà

1894 iniziò a compiere i primi esperimenti per utilizzarle per inviare segnali a distanza senza ricorrere ai fili della

telegrafia ordinaria. Nel 1895 egli riuscì a realizzare il primo sistema telegrafico senza fili: riuscì a inviare segnali a 2 km 5

di distanza, al di là di una collina situata tra l’apparato di trasmissione e quello di ricezione. Marconi decise così di

trasferirsi in Inghilterra, paese economicamente e industrialmente avanzato a fortemente interessato al

potenziamento delle reti di comunicazione, in modo tale da assicurarsi un riconoscimento ufficiale per la sua

promettente invenzione e di trovare le condizioni migliori per poterla sviluppare; ottenne il brevetto nel 1896 dal

governo britannico. Il suo dispositivo era in parte basato sulla teoria che il raggio di comunicazione aumentasse

notevolmente con l’altezza dell’antenna.

Inizialmente la possibilità della radiotelegrafia sembrava limitate alla sole comunicazioni marittime (tra le navi in

movimento e tra le navi e la costa). Per Marconi invece l’invenzione aveva davanti a sé ulteriori sviluppi, primo fra tutti

la possibilità di funzionale a distanze molto maggiori rispetto a quelle ottenute nei primi mesi di prove. Tra i passi

fondamentali della “conquista della distanza” vi fu il collegamento tra Inghilterra e Francia (50 km nel 1899) e il primo

collegamento transatlantico, che consisteva nella trasmissione in codice Morse della lettera “s”, che fu effettuato il 12

dicembre 1901 dalla Cornovaglia (Inghilterra) a Saint John’s (Terranova), dove Marconi aveva installato un apparato

per la ricezione. Quest’ultima impresa costituì una vera e propria sfida: secondo le conoscenze scientifiche di fine

Ottocento le onde elettromagnetiche utilizzate da Marconi potevano propagarsi soltanto in linea retta e quindi la

curvatura della terra e un’enorme montagna d’acqua avrebbero impedito qualsiasi trasmissione tra le due sponde

dell’Atlantico. La sua riuscita procurò grande fama e al tempo stesso grande ostilità a Marconi, sia da parte delle

compagnie dei cavi sottomarini che si sentivano minacciate dai clamorosi sviluppi della radiotelegrafia, sia da parte dei

molti scettici secondo i quali la ricezione del primo segnale radio transatlantico poteva essere frutto d’immaginazione

o forse un fenomeno di elettricità atmosferica.

“In riconoscimento del suo contributo allo sviluppo della telegrafia senza fili" vinse il Premio nobel per la Fisica, che

condivise con Karl Ferdinand Braun, nel 1909.

Una delle principale applicazioni della sua invenzione fu quella dei servizi radio marittimi per la sicurezza in mare e in

questo settore è ben noto l’episodio del Titanic (1912), a bordo del quale un terzo dei passeggeri si salvò grazie ai

segnali di soccorso lanciati con gli apparati radiotelegrafici marconi.

Sviluppi successivi

Per un certo tempo la radiocomunicazione furono effettuate solo in forma di radiotelegrafia, cioè con le singole

lettere del messaggio in codice Morse, mentre la comunicazione radio del parlato ha avuto luogo per la prima volta

nel 1906 quando il fisico Reginald Aubrey Fessender parlò per mezzo della radio da Brant Rock (Massachusetts) a una

nave nell’oceano Atlantico.

Ulteriori progressi nel campo della radio furono ottenuti con l’invenzione della valvola termoionica ossia un dispositivo

che grazie ad una fonte esterna di energia, fornisce in uscita un segnale di potenza amplificato. Il DIODO, inventato da

Sir Ambrose Fleming nel 1905, rese possibile la rivelazione delle onde radio ad alta frequenza; mentre nel 1907 Lee De

Forest realizzò il TRIODO, capace di amplificare i segnali radio.

Gran parte dei miglioramenti dei radioricevitori è dovuta al lavoro svolto dall’inventore americano Edwin Amstrong.

Nel 1918 egli sviluppò il circuito supereterodina; in precedenza ciascuno stadio amplificatore del ricevitore doveva

essere sintonizzato sulla frequenza della stazione radio desiderata. Questa era un’operazione radio molto delicata, ed

era molto difficile ottenere un perfetto allineamento su un ampio campo di frequenze. Usando il principio

dell’eterodina, il segnale in arrivo è mescolato a una frequenza che varia in modo da ottenere sempre una frequenza

fissa. Questa frequenza fissa contiene l’informazione della particolare stazione sulla quale è sintonizzato il ricevitore e

può essere amplificata centinaia di volte prima di arrivare all’altoparlante. Questo tipo di ricevitore è molto più stabile

del suo predecessore, quello cioè sintonizzato a radio-frequenza (TRF, da Tuned-Radio-Frequency). radio

via

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FUNZIONAMENTO DELLA RADIO

Le informazioni da trasmettere (parole, musica, suoni) sono prima convertite da opportuni trasduttori (microfoni, tubi

da ripresa, apparecchi Morse ecc.) in segnali elettrici (correnti e tensioni) di ampiezza variabile. In seguito tali segnali

vanno ad agire attraverso un processo detto di modulazione su un’onda, di ampiezza e frequenza costanti, detta

portante e generata da un opportuno circuito elettrico oscillante (formato schematicamente da un conduttore e un

induttore) del radiotrasmettitore. Il segnale ottenuto (segnale modulato), dopo amplificazione, è inviato all’antenna

trasmittente che lo irradia nello spazio sotto forma di onda elettromagnetica, I ricevitori, più o meno distanti, captano