Onde elettromagnetiche

1. Definizione e storia della scoperta delle o.e.

La radiazione elettromagnetica può essere considerata un fenomeno ondulatorio (Onda) le cui variazioni cicliche sono determinate da oscillazioni o accelerazioni di cariche elettriche. Ha una doppia componente, quella elettrica e quella magnetica. A differenza di altri movimenti ondulatori che avvengono solo in presenza di materiali concreti, le o.e. si spostano anche nel vuoto.
Fino all’inizio del 1800 nulla si sapeva di queste radiazioni. Anche quando, nel 1831, l’americano Joseph Henry e l’inglese Michael Faraday, indipendentemente l’uno dall’altro, cominciarono ad intuire e quindi a studiare l’esistenza di campi magnetici ed elettrici, scoprendo la loro reciproca interdipendenza (è il fenomeno dell’induzione elettromagnetica: una corrente elettrica genera un campo magnetico; una variazione di campo magnetico provoca corrente elettrica in un circuito immerso in quello stesso campo: vedi tavola n. 1.), si era ben lontani dall’immaginare che la luce fosse della stessa natura e che l’intera società sarebbe stata trasformata dalle applicazioni di quella scoperta.
Il primo studio teorico – decisamente anticipatore – delle o.e. venne proposto dal fisico inglese J. C. Maxwell (1831-1879): ne elaborò una teoria in termini matematici – resa pubblica nel 1873 – e, per primo, affermò che la luce visibile era un fenomeno elettromagnetico. Le tesi di Maxwell trovarono una sistematica conferma negli studi del tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), il quale mise a punto anche strumenti con cui generare delle o.e. e rilevarne la presenza, misurandone frequenza, lunghezza e velocità, compiendo di fatto un decisivo passo verso la loro utilizzazione per le telecomunicazioni. Non ne approfondì la potenzialità per le comunicazioni a distanza; sembra anzi che la escludesse, probabilmente perché egli lavorava su quelle che poi sono state chiamate microonde, caratterizzate dal fatto che si attenuano rapidamente. Di tutt’altro parere il giovane contemporaneo Guglielmo Marconi (1874-1937), che va ricordato non solo come colui che mise a punto il primo sistema pratico per trasmettere un segnale a distanza (elemento innovativo il tipo di antenna da lui adottato), ma come inventore-manager capace di sviluppare un’industria a partire dalle sue scoperte.
Alla fine del secolo la teoria che interpretava le radiazioni elettromagnetiche come un fenomeno ondulatorio venne messa in discussione; in particolare lo scienziato tedesco Max Planck (1858-1947) riuscì a provare che l’emissione e l’assorbimento dell’elettromagnetismo avveniva per quantità finite, per ‘quanti’. Alcuni anni più tardi – nel 1905 – Albert Einstein (1879-1955) avanzò l’ipotesi che l’energia elettromagnetica, trasportata dalle o.e., potesse assumere ambedue le forme (questo studio gli meritò il premio Nobel per la Fisica nel 1921). Studi ed esperimenti successivi provarono la fondatezza dell’idea: oggi si pensa che le radiazioni elettromagnetiche in determinate circostanze agiscano come un fenomeno ondulatorio, mentre in altre come particelle, come ‘quanti’.
La scoperta delle o.e. e la progressiva loro utilizzazione per la comunicazione hanno determinato un cambio radicale nella comunicazione umana: con un investimento minimo in termini di energia, sono in contatto tra loro tutti i punti della terra, annullando praticamente ogni distanza e riducendo a ‘zero’ il ritardo che da sempre si imponeva tra il momento della formulazione del messaggio e il momento della sua ricezione. Tempo e spazio sono entità diverse dopo l’invenzione della telecomunicazione attraverso le o.e.

2. Energia e o.e.

Per focalizzare meglio la natura delle radiazioni elettromangetiche pensiamo ad alcuni effetti della corrente elettrica. Essa è un movimento di elettroni, di cariche elettriche negative; come è ampiamente dimostrato, qualsiasi movimento di cariche, in qualsiasi forma e direzione, crea sempre degli effetti di natura elettrica e magnetica, che possono manifestarsi come spostamento di elettroni tra atomi diversi all’interno di un materiale conduttore, ma anche come spostamenti tra orbite all’interno dello stesso atomo.
In situazioni di stabilità fisica l’atomo si trova in equilibrio elettrico. Gli elettroni ruotano su orbite prestabilite attorno al nucleo. Se però tale stabilità viene turbata per cause diverse (ad esempio una variazione di temperatura o di pressione), alcuni elettroni si spostano da un’orbita all’altra, cambiando stato energetico; subito dopo, però, l’attrazione esercitata dal nucleo li riporta nell’orbita in cui si trovavano prima dello spostamento. Questa brusca oscillazione degli elettroni – rapido spostamento e ritorno – determina una piccola corrente oscillatoria, che a sua volta crea un campo magnetico a cui si associa, per la legge dell’induzione magnetica, un campo elettrico. La trasformazione continua di campi elettrici in campi magnetici (e viceversa) produce delle o.e. con una frequenza ben definita e con una ampiezza legata alla quantità di energia in gioco.
È quest’energia che viene chiamata energia elettromagnetica.

3. Lo spettro delle o.e.

Le o.e. si spostano nel vuoto alla velocità di 300 milioni di metri al secondo. Dal momento che la velocità di un fenomeno ondulatorio (C) è pari al prodotto della lunghezza della singola onda (λ) per la frequenza ( f ) – in formula: C = λ • f ) – è evidente che i valori attribuibili ai due fattori λ e f per ottenere il numero 300.000.000 sono moltissimi. Infatti il numero di onde diverse è assai grande: assumendo come criterio la lunghezza d’onda, lo spettro delle o.e. è un continuum che va dall’onda lunga 300.000.000 di m (frequenza = 1 Hz) a onde la cui lunghezza viene misurata in frazioni di nanometri (un miliardesimo di metro, 10-9 m; questa misura è preferita oggi al tradizionale ångström, 10-10 m, dal nome dell’astronomo svedese A. J. Ångström, 1814-1874).
In questa tavola viene presentato uno schema riassuntivo di come questo continuum è stato organizzato in vista della sua utilizzazione.


Conviene però fare una premessa, ricorrendo a un esempio che appartiene a un ambito più familiare, quello del suono. Per fare musica, per fare in modo che vari strumenti suonino insieme, bisogna stabilire delle norme, decidendo quali suoni sono utilizzabili e quali no: si deve codificare l’universo sonoro. Per quanto riguarda la musica a noi oggi più familiare, i singoli suoni sono stati organizzati in una scala dal suono più basso a quello più alto, con passaggi a volte di un tono, altre di un mezzo tono, formando le varie ottave. La tastiera di un pianoforte visualizza bene il lavoro fatto. Partendo da sinistra, i tasti – bianchi e neri – corrispondono a suoni che diventano progressivamente più acuti, con una sequenza di toni e semitoni che obbedisce a uno schema costante; e ogni otto tasti bianchi lo schema si ripete. Si poteva però organizzare il tutto secondo altre scale e per passaggi di tono diversi rispetto a quelli che hanno finito per prevalere nella musica in Europa. E infatti culture ed epoche diverse hanno composizioni musicali con passaggi di tono e scale loro originali, con strumenti che non possono suonare – ad esempio – insieme a un nostro pianoforte. Tutte le culture però, per comunicare per mezzo della musica, hanno codificato l’universo sonoro: senza codice, la sonorità resterebbe un insieme indistinto, ricchissimo di informazione (massima incertezza), inadatto però alla comunicazione (Teoria dell’informazione). Concludendo: per poter comunicare con il suono, quanti partecipano devono adeguarsi a un codice comune, pena la confusione.
Un lavoro analogo si è dovuto fare per lo spettro delle o.e., un lavoro molto più ampio (la gamma delle frequenze elettromagnetiche utilizzabili è molto più estesa delle frequenze sonore udibili) e più esigente (il suono si smorza velocemente, mentre le o.e. si propagano nello spazio a grande distanza e dunque ‘interferiscono’ con altri utilizzatori). Il tutto è ora sancito da accordi internazionali (v. punto 7).
Nella tabella qui riprodotta per ciascun gruppo di onde è riportata sia la frequenza che la lunghezza, anche se di solito il valore più utilizzato per identificare un’onda è la sola frequenza. I termini usati sono: Hz per indicare 1 ciclo al secondo; kHz (kilohertz) per indicare 1.000 Hz ; 1.000.000 di Hz sono un MHZ (megahertz), un miliardo di Hz sono un GHz (gigahertz), 1.000 GHz sono un THz (terahertz). Vengono poi indicate quali sono le sorgenti normali di ciascun tipo di onde e qual è il rispettivo uso, dalla ricerca, all’industria, alla comunicazione, ecc.
(A proposito della classificazione delle diverse onde: è opportuno tenere presente che la diversità tra un tipo di onda e quello successivo è progressiva e la collocazione del limite tra un gruppo e l’altro è convenzionale. Inoltre tra le varie fasce di diversa utilizzazione si possono verificare delle sovrapposizioni. Le indicazioni dei limiti tra i gruppi sono quindi orientative).

4. La propagazione delle onde radio

Le o.e. sono di tipo sferico, nel senso che, generate in un determinato punto, si diffondono in tutte le direzioni, salvo il caso in cui vengano utilizzati degli apparecchi capaci di orientarle. Non tutti i tipi di o.e., però, si comportano allo stesso modo; infatti, a seconda della loro frequenza, esse sono influenzate da determinate caratteristiche dello spazio che attraversano. A questo riguardo, analizziamo brevemente due forme di utilizzazione delle o.e. nelle radiotrasmissioni.
L’onda di terra (o di superficie) segue da vicino la superficie della terra senza attenuarsi troppo velocemente, soprattutto quando si propaga sul mare o sull’oceano. Le onde lunghe (LF), usate in questo modo, sono particolarmente efficaci: poco sensibili ai disturbi provenienti dallo spazio, raggiungono grandi distanze (oltre i 400 km). Le onde medie (MF) e le corte (HF)si diffondono anche a livello di superifice, benché la loro maggior efficacia la ottengano in modo diverso.
Vengono invece chiamate onde spaziali quelle irradiate nell’atmosfera. Prendiamo in considerazione soprattutto le onde corte e le onde cortissime (VHF e UHF).

Le onde corte raggiungono grandissime distanze sfruttando un fenomeno assai interessante, la riflessione della ionosfera, gli strati ionizzati dell’atmosfera, tra i 60 e i 400 km dalla terra (vedi tavola a fianco). Questi strati funzionano nei confronti delle o.e. da filtro o da specchio, a seconda del tipo di onda e dell’alternarsi del giorno e della notte nelle diverse stagioni ( l’intensità di ionizzazione delle diverse ‘fasce’ – così come il conseguente effetto filtro o specchio – dipende in modo particolare dal sole). Tra i 60 e i 90 km c’è la fascia chiamata ‘D’; tra gli 85 e i 140 km la fascia ‘E’; la ‘F’ tra i 200 e i 400 km. Dagli strati più bassi le onde lunghe e le onde medie, di giorno, vengono assorbite o fortemente attenuate, mentre vengono riflesse di notte, quando il livello di ionizzazione diminuisce. Le onde corte, invece, non assorbite - o solo parzialmente assorbite - da questi primi strati, raggiungono la fascia più altra (la ‘F’) contro la quale rimbalzano. Poiché la ionizzazione della fascia ‘F’ è piuttosto stabile nel tempo, l’effetto è proporzionatamente costante. In questo modo, con riflessioni multiple cielo/terra, un’emittente a onde corte può raggiungere punti estremi del globo. è quanto ottenne G. Marconi il 12.12.1901, contro ogni aspettativa del mondo scientifico: il segnale, generato in Inghilterra, fu ricevuto oltre l’Atlantico. L’ipotesi dell’effetto ‘ionosfera’ venne proposta l’anno seguente da due ricercatori, l’inglese O. Heaviside e l’americano A.E. Kennelly, ma solo nel 1925 se ne è avuta la prova sperimentale.
Le onde VHF e UHF (e tutte le onde di frequenza superiore) si muovono sempre in forma rettilinea, come i raggi della luce (anch’essa fatta di o.e.). Inviate verso l’alto, non vengono riflesse ma si disperdono nello spazio senza subire l’effetto della ionosfera. Ciò significa che l’antenna emittente, per stabilire un collegamento, deve sempre ‘vedere’ l’antenna ricevente (vedi tavola a fianco). è per questo che le antenne e i ripetitori delle trasmissioni FM e televisive, ma anche dei cellulari e dei ponti radio, sono installati sui rilievi o comunque il più in alto possibile (la stessa curvatura della terra ne riduce il raggio di azione: da una torre alta 100 m si copre soltanto un’area di 30 km). Un’alternativa molto valida è offerta oggi dai satelliti, soprattutto quelli della classe DBS (Direct Broadcasting Satellite): il segnale arriva a pioggia su territori così vasti, che tre satelliti, opportunamente collocati, coprono tutta la terra abitata.

5. Onda portante e modulazione

Il segnale elettromagnetico, in cui viene convertito qualsiasi messaggio sonoro, oppure il segnale che codifica le informazioni di un’immagine o i dati di un computer, non possono essere trasmessi direttamente da un’antenna, in quanto non hanno l’intensità sufficiente né utilizzano frequenze capaci di raggiungere i destinatari dell’informazione. La soluzione consiste:
a) nello scegliere un generatore che emetta un’onda ben definita, di ampiezza e di frequenza costanti, che per le sue caratteristiche riesce a raggiungere l’antenna dell’apparecchio destinatario;
b) nel modificare quest’onda in modo tale che porti con sé le informazioni desiderate. Per questo l’onda è detta portante.
Le informazioni che si vogliono trasmettere possono essere affidate all’onda portante in vari modi; i tre più diffusi sono la modulazione di ampiezza, la modulazione di frequenza e la modulazione digitale.

5.1. Modulazione di ampiezza (AM = Amplitude Modulation).
Come si è detto, l’onda portante viene generata con ampiezza e frequenza costanti. Facendola passare per un circuito opportuno si può modificare la sua ampiezza in modo tale che le variazioni introdotte corrispondano all’andamento dell’onda che si vuole trasmettere (vedi tavola n. 5). Al punto di arrivo ci sarà uno strumento in grado di separare la portante (di cui si conoscono perfettamente le caratteristiche) dal segnale vero e proprio.
La portante può essere scelta tra le onde radiofoniche lunghe, medie e corte, sfruttandone in pieno la potenzialità di diffusione; in questo modo una stazione radio che trasmette in AM può raggiungere distanze ragguardevoli senza ulteriori ripetitori.

5.2. Modulazione di frequenza (FM= Frequency Modulation).
Nel 1936 E. H. Amstrong propose un altro sistema di modulazione della portante, che in fase di ricezione garantiva una migliore qualità del segnale: invece di affidare l’informazione alla modulazione dell’ampiezza dell’onda portante, si trattava di modulare la sua frequenza. Lo schema del processo è analogo, cambiano ovviamente le caratteristiche dei circuiti impiegati e cambia soprattutto la frequenza della portante, che deve essere del tipo VHF, UHF e oltre (vedi tavola).
La qualità della trasmissione aumenta notevolmente, ma a scapito della semplicità del sistema di diffusione del segnale. Il tipo di onda portante scelto, infatti, non può usufruire della riflessione degli strati ionizzati dell’atmosfera: li supera e si disperde nello spazio. Il segnale a modulazione di frequenza emesso da un’antenna raggiunge soltanto gli apparecchi che sono visibili dal punto in cui essa è installata. In alternativa, come si è visto, bisogna costruire un sistema di ripetitori a terra, oppure servirsi di satelliti o ricorrere alla distribuzione per mezzo di cavi coassiali.
Questo che sembrava essere un grave limite della trasmissione FM si è rivelato un prezioso vantaggio, quando si è moltiplicato il numero delle emittenti operanti su uno stesso territorio (si pensi alla rete di ripetitori a servizio dei telefoni cellulari). Proprio perché il segnale in FM non va oltre una certa distanza, la stessa frequenza può essere riutilizzata – senza reciproco disturbo – da un altro soggetto che trasmette a pochi chilometri di distanza dal primo, cosa impossibile con le trasmissioni in AM.

5.3. Modulazione digitale.
Per analogia con i due sistemi precedenti si parla di modulazione anche per indicare la trasformazione del segnale radio (analogico) in un corrispondente segnale digitale (Pulse Code Modulation, PCM). Attraverso l’operazione del campionamento l’onda è trasformata in una sequenza di byte. In questo modo si ottengono delle trasmissioni di alta fedeltà. (DAB)

6. Larghezza di banda

A una emittente non viene assegnata soltanto una singola frequenza, ma una gamma continua che si estende tra due frequenze limite.
L’ampiezza di questo intervallo è determinata sia dalla complessità del segnale trasmesso (un messaggio scritto è meno complesso del suono; il suono meno dell’immagine fissa; questa assai meno dell’immagine in movimento), sia dalla necessità di non disturbare i canali immediatamente vicini (devono esserci delle ‘zone’ franche), sia dal tipo di onde utilizzate (bassa frequenza o altissima frequenza). Così per il segnale telefonico, che deve garantire soltanto la riconoscibilità della voce umana, bastano alcune migliaia di Hz (da 300 a 3400 Hz); la radio invece, che trasmette voci, suoni e musica ad alta fedeltà, esige una banda più ampia: da 15 a 20.000 Hz; un’emittente televisiva PAL (suono e soprattutto immagine in movimento) ha bisogno di una larghezza di banda di circa 5,5 MHz.
(Per dare un’idea più familiare di quanto sia decisiva la larghezza di banda per la trasmissione di un determinato messaggio, si può ricorrere a un esempio musicale. Se si dispone di un solo pianoforte e sono tre i pianisti che vogliono disporre in modo esclusivo di un pezzo di tastiera, a ciascuno si possono assegnare al massimo un paio di ottave. È evidente però che la loro non potrà essere una grande musica, dal momento che melodia e accompagnamento dovranno restare entro la gamma di note a disposizione. Insensato sarebbe chiedere a ciascuno di loro di eseguire una diversa sonata di Chopin, perché ogni partitura prevede l’utilizzo dell’intera tastiera).
Lo spettro delle o.e., per quanto ampio, è una risorsa esauribile e solo degli accordi internazionali possono regolarne l’uso (vedi il paragrafo successivo).
In questo momento si osservano due tendenza tra loro correlate: da una parte cresce a ritmi molto alti il bisogno di canali a banda sempre più ampia, in modo che attraverso uno stesso canale si possano trasmettere testi, parole, musica, dati, immagini fisse o in movimento (vedi la nuova generazione di cellulari e Internet); dall’altra la ricerca scientifica e la tecnologia lavorano incessantemente per migliorare l’utilizzazione dello spettro elettromagnetico: si sfruttano le potenzialità delle frequenze della fascia più alta; si codificano segnali digitali invece che analogici; vengono messi a punto degli algoritmi di compressione del segnale molto potenti (un caso significativo è costituito dalla compressione della musica secondo il sistema MP3).

7. Assegnazione delle o.e. e accordi internazionali

Lo spettro delle o.e. non è infinito e dunque non c’è spazio per ogni tipo di trasmissione, senza che intervengano delle interferenze. Di qui la necessità di leggi e di accordi specifici e vincolanti, sia a livello nazionale che internazionale.
Per l’Italia l’autorità di riferimento è il Ministero delle Telecomunicazioni, sotto la cui responsabilità viene varato il Piano Nazionale di Ripartizione delle Frequenze (quello vigente è stato pubblicato sul Supplemento Ordinario n. 45 - Gazzetta Ufficiale n. 65 del 18 marzo 2000).
A livello internazionale esiste la International Telecommunication Union (ITU), con sede a Ginevra. Nata nel 1932 dalla fusione di due agenzie che presiedevano alle trasmissioni telegrafiche (International Telegraph Union, dal 1865) e radiofoniche (International Radiotelegraph Union, dal 1906), è entrata a far parte delle agenzie dell’ONU nel 1947. Il suo compito è di promuovere la collaborazione, assegnare le frequenze, prevenire e risolvere il contenzioso tra i diversi Stati, organizzare incontri internazionali dove si definiscono gli standard di tipo tecnico e nuovi criteri di uso dello spettro elettromagnetico.