Principii ale undelor radio

Principii ale undelor radio

Una dintre cele mai fascinante aplicatii a energiei electrice consta in generarea undelor invizibile de energie, si anume, a undelor radio. Desi subiectul este prea vast pentru a fi acoperit in acest scurt capitol, vom prezenta totusi unele principii de baza.

Unde electromagnetice

Odata cu descoperirea accidentala a electromagnetismului de catre Oersted, lumea stiintifica a realizat legatura stransa dintre electricitate si magnetism. La trecerea unui curent electric printr-un conductor, se genereaza un camp magnetic perpendicular pe axa de curgere. Asemanator, daca un conductor este expus unui flux magnetic variabil perpendicular pe lungimea acestuia, se va produce o cadere de tensiune pe aceasta portiune. Pana in acel moment, oamenii de stiinta stiau ca electricitatea si magnetismul erau strans legate prin aceste principii enumerate mai sus. Totusi, o descoperire cruciala se ascundea sub acest concept simplu al perpendicularitatii celor doua campuri. Aceasta descoperire reprezinta un moment crucial in istoria stiintei.

Cel responsabil de aceasta revolutie conceptuala in domeniul fizicii a fost James Clerk Maxwell (1831-1879), cel care a unificat studiul electricitatii si a magnetismului sub forma unor ecuatii diferentiale compacte (in numar de 4) ce-i poarta numele (ecuatiile lui Maxwell). Acestea descriu practic intreg comportamentul campurilor electrice si magnetice, dar, necesita un nivel inalt de abstractizare si pregatire matematica pentru a le putea intelege. Formal insa, descoperirea lui Maxwell poate fi rezumata astfel: un camp electric variabil produce un camp magnetic perpendicular, iar un camp magnetic variabil produce un camp electric perpendicular.

Acest comportament poate avea loc in spatiu liber, cele doua campuri alternante mentinandu-se unul pe celalalt pe masura ce parcurg spatiul cu viteza luminii (in vid). Aceasta structura dinamica formata din campuri electrice si magnetice este cunoscuta sub numele de unda electromagnetica.

Exista multe tipuri de energie radianta naturala compusa din unde electromagnetice. Chiar si lumina este o unda electromagnetica. La fel razele-X si radiatia gamma. Singura diferenta dintre aceste tipuri de radiatie electromagnetica este frecventa lor de oscilatie (schimbarea polaritatii campurilor electrice si magnetice).

Crearea undelor electromagnetice cu ajutorul antenelor

Folosind o sursa de tensiune de curent alternativ, si un dispozitiv special ce poarta numele de antena, putem crea unde electromagnetice (cu o frecventa mult mai mica decat cea a luminii) relativ usor. O antena nu este altceva decat un dispozitiv construit pentru a produce un camp electric sau magnetic dispersiv. Cele doua tipuri fundamentale de antene sunt antena dipol si antena cadru, prezentate in figura de mai jos:

Desi cele doua tipuri de antene nu sunt altceva decat un circuit deschis (dipol), respectiv un scurt-circuit (cadru), acesti conductori reprezinta surse eficiente de campuri electromagnetice atunci cand sunt conectate la surse de curent alternativ de o frecventa corespunzatoare. Cei doi conductori ai antenei dipol joaca rolul unui condensator (doi conductori separati de un dielectric). Dispersia campului electric este insa permisa, spre deosebire de condensatoarele propriu-zise unde acesta este concentrat intre cele doua armaturi.

Circuitul inchis al antenei cadru se comporta precum o bobina cu miez (mare) de aer. Din nou, si in cazul acestei antene, dispersia campului este facilitata dinspre antena spre mediul inconjurator. Acest lucru este in contradictie cu o bobina propriu-zisa, unde campurile magnetice sunt concentrate in interior.

Pe masura ce antena dipol radiaza un camp electric in spatiu, va lua nastere un camp magnetic variabil la unghiuri drepte. In acest fel, campul electric este sustinut mai departe in spatiu, iar unda electromagnetica se propaga cu viteza luminii (in vid). Acelasi lucru este valabil si pentru antena cadru, cu deosebirea ca aceasta radiaza initial un camp magnetic si nu electric. Rezultatul final este insa acelasi: producerea controlata a unui camp electromagnetic.

Transmisia si receptia undelor electromagnetice

Alimentata de o sursa de curent alternativ de frecventa inalta, o antena joaca rolul unui dispozitiv de transmisie. Tensiunea si curentul alternativ sunt convertite in energie sub forma undelor electromagnetice. Antenele pot de asemenea sa intercepteze undele electromagnetice si sa transforme energia lor in tensiunea si curent alternativ. In acest mod de functionare, antena joaca rolul unui dispozitiv de receptie: