Storia
Dopo che Hertz ebbe dimostrato
l’esistenza delle radioonde (nel 1888), a molte persone
venne in mente di utilizzare tali onde per trasmettere
segnali a distanza. Nel 1890 un fisico francese Edouard-Eugène
Branly inventò un rilevatore composto da un
contenitore di limatura metallica poco compatta,
generalmente conduceva poca corrente ma ne conduceva
parecchia se investita da radioonde. Altri perfezionarono
questo congegno fino la 1895 quando un fisico russo Alexandr
Stepanovic Popov e un
ingeniere elettrotecnico italiano Guglielmo Marconi
scoprirono che un lungo filo verticale collegato alla
fonte e un altro collegato al ricevitore rendevano i
segnali molto più forti e facili da individuare.
Questi lunghi fili vennero chiamati antenne,
probabilmente dalla somiglianza con le antenne degli
insetti.
Premessa
Le onde radio sono un
sottoinsieme delle onde elettromagnetiche, con frequenza
che varia da 3 kHz a 300 GHz. Entro questa gamma di
frequenza e di lunghezza d’onda, le onde radio sono
ulteriormente suddivise in bande. Generalmente vengono
impiegate per la trasmissione di informazioni
(conversazioni nella radiotelefonia, segnali codice
telegrafico, parole , musica, immagini e suoni) questi
elementi vengono dapprima convertiti da un trasduttore
(microfono, codificatore telegrafico, telecamera
televisiva, ecc..) in segnali elettrici di ampiezza
variabile. In seguito tali segnali vengono modulati
su un’onda, di ampiezza e frequenza opportuna. Questa
onda è chiamata portante ed è generata da
un circuito oscillante. Il segnale così ottenuto dopo
essere stato amplificato viene mandato all’antenna, che
provvederà a irradiarlo nello spazio sotto forma di
radiazione elettromagnetica. I ricevitori captano il
segnale mediante un’altra antenna e dopo un processo di
amplificazione e demodulazione, ricavano in uscita
dell’apparato ricevente l’informazione trasmessa.
Cosa vuol dire modulare?
La modulazione consiste nel
modificare in funzione del tempo una grandezza
caratteristica di un segnale periodico. Il segnale
periodico è utilizzato come vettore per la trasmissione,
pertanto viene chiamato portante, il
segnale portante modificato con le informazioni da
trasportare viene chiamato modulato. Nella
modulazione di ampiezza detta AM (Amplitude
Modulation) le informazioni vengono trasmesse nel
circuito variando l’ampiezza dell’onda portante. Nella
modulazione di frequenza detta FM
(Frequency Modulation) le informazioni vengono trasmesse
nel circuito variando la frequenza dell’onda portante.
Per capire il funzionamento della produzione di onde
radio è necessario che introduca il funzionamento dei
circuiti oscillanti. Il circuito preso in esame è un
circuito ideale che rappresenta le caratteristiche di uno
reale. Nel circuito vengono rappresentati con C
il condensatore, con R la resistenza e con L
l’induttanza. Questi sono gli elementi di base per
ottenere un circuito oscillante. Vediamo come si
comporta.
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Qui è raffigurato il circuito; idealmente raffiguriamo la resistenza in un punto particolare ma ricordo che in realtà questa è presente su ogni componente (condensatore, induttanza, ecc…). Nei circuiti reali dobbiamo evitare lo smorzamento dovuto alle resistenze, e in genere questo lo facciamo applicando un triodo. |
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Ora carichiamo il condensatore utilizzando un generatore esterno, qui l’energia viene immagazzinata sotto forma di campo elettrico nel condensatore. Esso tende a scaricarsi facendo passare corrente in un verso. |
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Qui la corrente passa dall’induttanza, la quale genera una forza elettromotrice di autoinduzione che fa circolare una corrente nel verso opposto (per lo stesso principio , una molla se allungata genera una forza di richiamo che tende a riportarla in una posizione di riposo) |
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Questa corrente generata dalla magnetizzazione dell’induttanza ricarica il condensatore, che a sua volta si scaricherà facendo passare corrente nel circuito con verso opposto a quello iniziale |
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Qui si ripete il processo nell’induttanza ma con verso della corrente opposta. |
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Il ciclo si ripete , l’energia elettrica viene di nuovo convertita in energia magnetica, questa conversione genera campi elettrici e magnetici concatenati, a 90° l’uno con l’altro.Dall’equazioni di Maxwell sappiamo che è l’oscillazione di una carica elettrica che genera una radiazione elettromagnetica. |
Risposta
Un circuito oscillante è quindi
un emettitore di onde elettromagnetiche, ma si vede che
questo costituisce una sorgente molto debole. Infatti in
questi circuiti si ha un campo elettrico oscillante nel
condensatore e un campo magnetico oscillante nel
solenoide che crea l’induttanza; per realizzare un
emettitore efficace dobbiamo creare nello stesso punto
campi elettrici e magnetici oscillanti. Questo è quello
che avviene nelle antenne, in cui la capacità e
l’induttanza sono distribuite lungo tutta la loro
lunghezza e in cui si producono dei fenomeni di onde
stazionarie per cui esse emettono onde elettromagnetiche
con lunghezza d’onda determinata dalle loro dimensioni.
Per capire bene il funzionamento della produzione di
radiazione elettromagnetiche dovremmo studiare
accuratamente le equazioni di Maxwell, non
mi inoltrerò oltre nella complessa teoria.
Qui sopra ho riportato un esempio
di produzione di onde utilizzando un circuito. In termini
del tutto generali possiamo dire che la radiazione
elettromagnetica viene prodotta dall’oscillazione di una
o più cariche (particelle cariche elettricamente),
nelle modalità descritte sopra. Per ulteriori
informazioni vedere il lavoro sul meccanismo
della visione e sulle onde elettromagnetiche di Davide Del Vento.
Complemento “Antenne”
Le antenne sono dispositivi per
trasmettere (antenna trasmittente) o ricevere (antenna
ricevente) onde elettromagnetiche. L’antenna trasmittente
è costituita da uno o più conduttori collegati tramite
una linea di trasmissione a un generatore a
radiofrequenza, che produce nel conduttore correnti
elettriche oscillanti. Gli elettroni del conduttore,
accelerati dalle correnti, emettono energia
elettromagnetica che si propaga nello spazio circostante
alla velocità della luce, con direzione e polarizzazione
definite dalla forma e dal tipo di antenna. Anche
l’antenna ricevente è costituita da conduttori. Quando
viene investita da una radiazione, gli elettroni dei
conduttori vengono accelerati dal campo elettromagnetico,
e il loro spostamento produce corrente che viene rivelata
e amplificata dai circuiti elettronici. Le dimensioni
dell’antenna dipendono dal tipo di radiazione
interessata: quanto più questa è piccola, tanto minore
può essere l’antenna. Lunghezze d’onda molto grandi
richiedono antenne molto grandi. La lunghezza
dell’antenna deve essere pari a metà o ha un quarto
della lunghezza d’onda della radiazione che deve
ricevere; fanno eccezione le antenne a bobina usate nelle
radio a transistor, che sono in grado di ricevere le onde
(con lunghezza d’onda di circa 300 metri) pur essendo
lunghe solo pochi centimetri, grazie al nucleo di ferrite
di cui sono dotate.
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