Senza fili

Michael Faraday,

Nel 1831 fisico e chimico britannico, tra le altre

cose primo inventore del becco di Bunsen, continuando le ricerche in

campo elettromagnetico scopri l'induzione elettromagnetica

dimostrando come un campo magnetico variabile può produrre un

campo elettrico secondo la “Legge di Faraday­Neumann­Lenz”

A metà del XIX secolo, precisamente nel 1864, il fisico scozzese

James Clerk Maxwell elaborò una teoria unitaria

sull'elettromagnetismo unificando i lavori dei suoi predecessori in

quattro equazioni differenziali capaci di descrivere completamente,

insieme alla “Legge di Lorenz” riguardante l'effetto che campi elettrici

e campi magnetici hanno su di una carica elettrica in movimento, James Clerk Maxwell

l'interazione elettromagnetica.

Nella ricerca di una simmetria tra le equazioni riferite al campo elettrico e quelle riferite al campo

magnetico Maxwell giunse a teorizzare l'esistenza delle onde elettromagnetiche.

Sempre per via teorica deduce inoltre la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica nel

vuoto pari a quella della luce, misurata nel 1676 per via astronomica durante le eclissi dei satelliti di

Giove da Olaf Romer e nel 1849 per via sperimentale da H.l. Fizeau.

Tutto ciò lo portò a capire la natura di onda elettromagnetica della luce, omogeneizzando così

l'ottica con l'elettromagnetismo puro.

Equazioni di Maxwell

Teorema di Gauss (E)

Q

 i



E

  =

s ε 0

Teorema di Gauss (B)



B

  =0

s

Teorema di Faraday – Henry – Lenz



B

  

s



C E

 =− 

l t



Teorema di Ampere ­ Maxwell



E

   

s



C B

 = iε ⋅ 

l 0 0 t

 3

Dovettero però passare più di vent'anni perchè le onde

elettromagnetiche fossero verificate sperimentalmente. Finalmente nel

Heinrich Rudolf Hertz,

1887 fisico tedesco e professore all'università

di Karlsruhe, dimostrò la bontà delle deduzioni di Maxwell riuscendo a

produrre delle onde elettromagnetiche a partire dall'elettricità e a

riceverle a distanza.

A tale scopo costruì un dispositivo detto oscillatore che produceva

delle scariche elettriche che a loro volta generavano delle onde

elettromagnetiche. Accanto ad esso pose un secondo apparecchio di

sua invenzione detto risonatore dove era possibile osservare delle

minuscole scintille che si manifestavano in concomitanza con le

scariche elettriche dell'oscillatore nonostante i due dispositivi non Heinrich Rudolf Hertz

fossero in collegamento tra loro.

Hertz inoltre escluse l'esistenza dell'etere e riformulò le equazioni di Maxwell nella forma che

conosciamo noi oggi. Purtroppo non capì l'importanza dei propri

esperimenti, e agli studenti impressionati che

chiedevano quali potevano essere gli usi di questo

meraviglioso fenomeno rispondeva:

«Non c'è nessun tipo di utilizzo, è solo un

esperimento che dimostra che Maxwell

aveva ragione. Abbiamo queste misteriose

onde elettromagnetiche che non possiamo

vedere ad occhio nudo, ma che ci sono.»

Rappresentazione dell'esperimento

Negli anni successivi molti furono gli scienziati che si impegnarono

nell'approfondimento dei fenomeni elettromagnetici, ricordiamo

Temistocle Calzecchi Onesti, Edouart Branly e Oliver Lodge, che

attorno al 1890 furono i padri di un nuovo rivelatore di onde hertziane

basato su polveri metalliche denominato coherer. Citiamo inoltre il

Augusto Righi, Aleksandr Stepanovič

fisico italiano il fisico russo

Popov Nikola Tesla,

e poliedrico fisico serbo naturalizzato

statunitense, inventore, oltre che della corrente alternata e numerose

altre cose, di lampade a scarica di gas senza fili e di dispositivi di

trasmissione di energia elettromagnetica senza fili.

Molti di essi però non credevano nella possibilità di comunicare a

distanza utilizzando le onde hertziane o non si interessarono

immediatamente della comunicazione possibile grazie a tali onde,

limitandosi alla loro produzione e ricezione. Guglielmo Marconi,

Fu il giovane tecnico italiano di 21 anni, che,

nell'estate del 1895, riuscì per primo ad effettuare una

telecomunicazione trasmettendo e ricevendo segnali elettromagnetici ad

una distanza di 2400 metri. Nell'inverno dello stesso anno Marconi con

una trasmissione supera l'ostacolo di una collina; questo esperimento

storico, concluso col famoso colpo di fucile, celebra la “nascita della

radio.” 4

2.2 Descrizione fisica delle onde elettromagnetiche campo elettrico

Le onde elettromagnetiche sono costituite da due componenti accoppiate: un

campo magnetico

oscillante (indicato solitamente con la lettera E) e il (indicato invece con la

lettera B) da esso generato. I due campi sono mutuamente

perpendicolari e oscillano in fase in

modo perpendicolare alla direzione di

propagazione determinando così il

carattere trasversale dell'onda.

Essi sono inoltre tra loro dipendenti

cosicché conoscendo l'uno, l'altro è

perfettamente determinabile ed è

calcolabile utilizzando le equazioni di

Maxwell.

Nel vuoto l'onda elettromagnetica si propaga, nella direzione perpendicolare al piano identificato

velocità

dalle direzioni delle due oscillazioni dei campi elettrico e magnetico, con una costante e

pari a quella della luce ovvero 299792,458 km/s, circa 3x10 m/s. Tale valore è stato assunto dalla

8

fisica come valore esatto, privo di incertezza, ed è indicato con la costante c.

La velocità di propagazione è inoltre indipendente dalla velocità della sorgente come da quella

dell'osservatore.

Nei mezzi materiali non conduttori invece la velocità delle onde è minore di quella nel vuoto ed è

ricavabile dall'equazione dove n è l'indice di rifrazione del mezzo che può però assumere

v=c/ n

valori diversi al variare della frequenza d'onda.

lunghezza d'onda

La delle onde radio, intendendo per essa la distanza tra un punto in un ciclo e il

punto corrispondente nel ciclo successivo (vedi figura), varia dal millimetro per le microonde a

parecchi chilometri. frequenza

Legata alla lunghezza d'onda, attraverso la velocità dell'onda stessa, è la misurata in Herz

in onore del famoso fisico. Essa consiste nel numero di lunghezze d'onda che passa per un dato

punto nell'unità di tempo ed è in ricavabile dal rapporto c= f⋅ polarizzazione

Nelle onde elettromagnetiche, inoltre, viene definita col termine la direzione lungo

la quale il campo elettrico oscilla durante la propagazione dell'onda Essa può essere principalmente

di tre tipi: lineare, circolare o ellittica. 5

2.3 Lo spettro elettromagnetico

L'intero intervallo delle frequenze che può assumere un'onda elettromagnetica viene chiamato

spettro elettromagnetico.

La frequenza di un'onda elettromagnetica può assumere un qualsiasi valore positivo ed è

inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda ( ) e direttamente proporzionale

c= fλ

all'energia ( )

E=hf

Onde con diversa frequenza d'onda necessitano quindi di sistemi di generazione differenti e

presentano caratteristiche diverse che le rendono più o meno adatte a particolari utilizzi.

Lo spettro elettromagnetico è stato suddiviso in più regioni, generalmente in base al tipo di sorgente

e all'utilizzo della radiazione, che ci permette una rapida catalogazione delle onde

elettromagnetiche. Spesso il confine di divisione di queste regioni non è netto poiché onde a

determinate frequenze vengono prese in considerazione da più branche della scienza che le

utilizzano in modi diversi.

Onde radio inferiore ai 10

9 Hz

Sono le onde elettromagnetiche di frequenza minore, ovvero con lunghezza

d'onda maggiore di 0,3 m. Sono generalmente prodotte da correnti alternate in antenne metalliche e,

sia perché sono facilmente generabili con dispositivi elettrici presenti già ai tempi di Guglielmo

Marconi e Nikola Tesla, sia perché hanno la possibilità di propagarsi per riflessione ionosferica a

distanza intercontinentali, vengono utilizzate nella trasmissione di dati come le trasmissioni

radiofoniche o televisive. 6

La quantità di informazioni che può essere trasmessa da un segnale radio è proporzionale alla sua

frequenza, perciò le trasmissioni più complesse, come quelle della voce, sono possibili solamente

con frequenze nell'ordine di 10 Hz.

3

Diversamente vengono utilizzate frequenze ultrabasse per la comunicazione coi i sottomarini a

causa dell'attenuazione del segnale effettuata dall'acqua che aumenta in modo proporzionale con

l'aumentare della frequenza delle onde radio utilizzate.

Convenzionalmente l'intervallo di frequenze delle onde radio è suddiviso nelle seguenti bande:

Banda Frequenza Lunghezza d'onda Principali utilizzi

< 3 Hz > 100.000 km

ELF 3 – 30 Hz 100.000 – 10.000 Comunicazione radio con i sottonarini,

– Extremely low frequency km ispezione tubazioni

30 – 300 Hz 10.000 – 1.000 km Comunicazione con i sottomarini

SLF – Super low frequency

ULF 300 – 3000 Hz 1.000 – 100 km

– Ultra low frequency 3 – 30 KHz 100­ 10 km Marina militare, comunicazione con

VLF – Very low frequency sommergibili in emersione

LF 30 – 300 KHz 10 – 1 km Trasmissioni radio intercontinentali AM

– Low frequency 300 – 3000 KHz 1000 – 100 m Trasmissioni radio in AM

MF – Medium frequency

HF 3 – 30 MHz 100 – 10 m Radioamatori, CB (banda cittadina)

– High frequency 30 – 300 MHz 10 – 1 m Radio in FM, Aviazione, Marina, Forze

VHF – Very High frequency dell'ordine, Radioamatori, Radiofari,

Televisione

300 – 3000 MHz 1m – 100 mm Televisione e Telefonia cellulare

UHF – Ultra High frequency

La banda UHF è a cavallo tra la regione delle onde radio e delle microonde. Il confine non è netto e

può variare a seconda dei diversi campi d'uso tanto che spesso vengono individuate due ulteriori

SHF(Super EHF

bande high frequency) e (Extremely high frequency) entro la definizione di onde

radio, sebbene onde di tali frequenze siano più propriamente denominate microonde.

Microonde 10

9 e 3x10

11 Hz

Sono le radiazioni elettromagnetiche con frequenza compresa tra generalmente

prodotte da circuiti elettrici di piccola capacità e induzione. Secondo alcuni testi queste rientrano

nelle bande UHF, SHF e EHF delle onde radio pur presentando caratteristiche specifiche dovute alla

loro alta frequenza.

Vengono impiegate nei radar, nei sistemi di telefonia

cellulare e nella tecnologia wireless di comunicazione senza

fili tra computer ma sono utilizzate anche per cuocere

alimenti. Vengono impiegate inoltre nelle comunicazioni

satellitari poiché attraversano l'atmosfera senza subire

interferenze o fenomeni di riflessione permettendo inoltre di

trasferire quantità maggiori di informazioni. Antenna ad onde corte a Moosbrunn in Austria 7

Infrarosso dai 3x10

11

Questa regione copre l'intervallo di frequenze dello spettro elettromagnetico

ai 4x10 Hz

14 corrispondenti a lunghezze d'onda variabili da qualche millimetro a qualche micron.

Sono prodotte da corpi caldi (con cui si intende anche a temperatura ambiente) ma non

incandescenti e sono associate principalmente alle vibrazioni atomiche conseguenti all'urto delle

molecole fra loro. Reciprocamente la loro frequenza è adatta a porre in

vibrazione le cariche dei corpi da esse investiti e, pertanto, questo tipo

di radiazione è fortemente calorifico. Per questo motivo possiamo

percepire queste onde, chiamate anche radiazione termica, come calore

sulla pelle. A causa della loro lunghezza d'onda relativamente grande,

sono poco assorbite dall'atmosfera e persino dalle particelle di nebbia o

smog.

La radiazione infrarossa viene utilizzata negli apparecchi per la visione

Immagine ad infrarossi in "falsi notturna permettendo di vedere anche in mancanza di luce visibile: i

colori", le aree arancioni sensori infrarossi infatti convertiranno la radiazione in arrivo in

corrispondono alle zone più calde

mentre le aree azzurre alle più fredde un'immagine che potrà essere monocromatica o in un sistema di falsi

colori rappresentanti le diverse temperature. Poiché il fumo è maggiormente trasparente

all'infrarosso che alla luce visibile anche i pompieri posso trarre vantaggio da questi visori a

infrarossi.

Altri impieghi degli infrarossi sono i telecomandi per il controllo a distanza degli elettrodomestici, i