Le onde e la loro trasmissione

LE ONDE

Le onde sono un fenomeno fisico che si manifesta con la propagazione di energia, senza trasportare materia.

Le onde elettromagnetiche sono generate da una corrente elettrica alternata attraverso un mezzo materiale con un andamento sinusoidale, formando una serie di creste, i punti più alti, e di ventri, i punti più bassi. Sono infatti delle oscillazioni delle proprietà elettriche e magnetiche nello spazio.
Le caratteristiche delle onde sono:

-La lunghezza d’onda, ovvero la distanza tra due creste d’onda o tra due ventri.
-L’ampiezza d’onda, cioè il massimo spostamento che subisce dallo stato di quiete e corrisponde alla metà del dislivello tra la cresta e il ventre dell’onda.
-Il periodo, il tempo in cui avviene un ciclo, ovvero un oscillazione completa.
-La frequenza, ovvero il numero delle oscillazioni compiute in un secondo. L’unità di misura è l’Hertz, Hz, che prende il nome dal fisico tedesco Heinrich Hertz, che studiò durante il secolo XIX le onde e le loro proprietà.
La frequenza e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali, ovvero maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d’onda.

Sono proprio la frequenza e la lunghezza d’onda a determinare la varietà delle onde elettromagnetiche.

LA LUCE

La luce è energia in grado di propagarsi nel vuoto ed è formata da onde elettromagnetiche, cioè da oscillazioni delle proprietà elettriche e magnetiche.
Infatti la luce non trasporta materia, ma energia. Nel vuoto la luce si propaga alla velocità di circa 300.000 Km/s: la velocità massima raggiungibile nell’universo: infatti fino a oggi non esiste nulla più veloce della luce. La luce ha origine da una sorgente e arriva al nostro occhio, dove viene raccolta da speciali terminazioni nervose che ci permettono di percepire le onde luminose: vedere.
Il nostro occhio non è però in grado di vedere tutte le onde. Ci consente di vedere solo le onde che hanno una lunghezza d’onda compresa tra i 0,4 e i 0,7 micrometri (millesimi di millimetri). Queste onde elettromagnetiche sono percepite da noi sotto forma di colori, e vanno dal violetto, ovvero 0,4
micrometri, fino al rosso, 0,7 micrometri. Quando la luce solare illumina un oggetto, la sua superfice diffonde le componenti della luce di alcuni colori e ne assorbe altre. In realtà i corpi non possiedono colori, ma ci appaiono quindi del colore che corrisponde alla radiazione che emettono. I colori costituiscono lo spettro visibile delle onde, mentre l’insieme di tutte le onde elettromagnetiche
di frequenza e lunghezza d’onda diversa si chiama spettro elettromagnetico.

Noi ne riusciamo a vedere solo una piccola parte. Oltre alla luce visibile fanno parte dello spettro elettromagnetico anche:
-I raggi gamma, che vengono utilizzati nella radioterapia, nella sterilizzazione degli strumenti medici e per fabbricare gli orologi nucleari. Inoltre le esplosioni nucleari producono raggi gamma.
-I raggi X, che sono utilizzati nella radiologia e nella cristallografia, ovvero la distribuzione delle facce nei cristalli.
-L’ultravioletto è utilizzato nelle lampade abbronzanti ed è anche prodotto dal sole. Il suo nome deriva dal fatto che la sua lunghezza d’onda è più corta rispetto a quella del colore viola.
-Gli infrarossi sono usati negli allarmi, nella fotografia e anche per la trasmissione del calore. Il loro nome deriva dal fatto che la loro lunghezza d’onda è superiore rispetto a quella del colore rosso.
-Le microonde sono invece utilizzate nelle telecomunicazioni satellitari, nei forni e nei radar. Nei radar in particolare le microonde vengono riflesse da alcuni oggetti e permettono così di determinare la loro posizione.
-Le onde radio sono le onde più grandi per lunghezza d’onda e vengono usate nelle telecomunicazioni terrestri, ovvero quelle che non si appoggiano su satelliti.

I SUONI
Anche i suoni sono delle onde, generate dalla vibrazione di un corpo che oscilla ad una determinata frequenza. L’oscillazione della sorgente sonora si propaga attraverso vari mezzi e, quando raggiunge il nostro orecchio, genera una leggerissima pressione che fa oscillare il timpano, creando la sensazione uditiva.
Sono queste onde acustiche che costituiscono i suoni e sono quindi generate da un corpo che vibra in un mezzo elastico. Le onde sonore, a differenza delle onde elettromagnetiche, non si possono infatti propagare nel vuoto, ma solo in un mezzo capace di subire compressioni e rarefazioni.
Per esempio, quando una corda di una chitarra viene pizzicata, la corda inizia a vibrare producendo un suono che si propaga nell’aria. Inizia a comprimere lo stato di aria con cui è al contatto, che comprime lo strato successivo e così via. La compressione si propaga in aria, muovendosi in tutte le direzioni. Quando la corda retrocede, lo strato d’aria precedentemente compresso viene
decompresso e diventa più rarefatto. Anche la rarefazione si propaga negli strati d’aria successivi e il ciclo continua fino a quando la corda non torna allo stato di quiete.
L’onda acustica che arriva all’orecchio si può propagare a velocità diverse e, oltre che nell’aria, anche nei liquidi e nei solidi. Il suono infatti nel metallo si propaga più velocemente che nell’aria: mentre in quest’ultima si divulga ad una velocità di 340 m/sec, nel ferro raggiunge i 6000 m/sec. Infatti i materiali, in
base alla loro capacità di trasmettere i suoni, si dividono in buoni conduttori acustici, come i metalli, e in cattivi conduttori acustici, come la gomma, il sughero e il cartone. La velocità di propagazione dipende anche dalle caratteristiche del materiale in cui si trasmettono. Nell’aria, per esempio, la velocità è influenzata dalla temperatura: a 20°C raggiunge i 340 m/sec e più è alta la temperatura, più aumenta la velocità.
Come le altre onde, anche quelle acustiche possiedono una lunghezza, un’ampiezza e una frequenza d’onda e hanno un ruolo molto importante nei suoni:
-La frequenza d’onda, in relazione con la lunghezza d’onda, determina la differenza tra un suono acuto, con maggior frequenza d’onda, e uno grave, con minor frequenza d’onda. Per indicare l’altezza di un suono si utilizza l’Hertz. La voce umana è in grado di produrre suoni che vanno dagli 85 Hz fino ai 1000
Hz, mentre il nostro orecchio è in grado di percepire suoni dai 20 Hz fino ai 20.000 Hz: quelli al di sotto dei 20 Hz sono detti infrasuoni, quelli al di sopra dei 20.000 Hz sono detti ultrasuoni.
-L’intensità determina invece il volume di un suono, misurato in Decibel.
Maggiore è l’ampiezza d’onda, tanto più è forte il suono provocato, minore è l’ampiezza d’onda, tanto più debole è il suono realizzato. Si ottiene sempre lo stesso tipo di suono.
A differenza delle altre onde, quelle acustiche sono contraddistinte anche dal timbro. Il timbro è la caratteristica della sonorità che distingue un suono da un altro, ed è determinato da:
-La forma dell’onda sonora
-La natura, ovvero la forma e la composizione della sorgente del suono
-Il modo con cui essa viene posta in oscillazione.
Accanto alla frequenza fondamentale, infatti, una sorgente sonora produce altre frequenze secondarie chiamate armoniche. La loro intensità dipende dal modo in cui lo strumento vibra. Sono proprio queste vibrazioni secondarie che danno alle onde sonore forme diverse.

LA TRASMISSIONE
Le onde vengono emesse collegando i circuiti generatori delle onde ad un’antenna trasmittente. Mentre nel vuoto le onde si propagano in linea retta, nell’atmosfera terrestre vengono propagate in tre modi diversi:
-Le onde lunghe e medie non temono molti ostacoli, vengono disturbate solamente da montagne, e si diffondono seguendo la curvatura terrestre.
Questo tipo di divulgazione di onde viene molto utilizzato per le trasmissioni radio e si può calcolare la lunghezza dell’onda modulandone l’ampiezza attraverso speciali apparecchi. In questo caso si parla di modulazione di ampiezza, ovvero AM.
-Le onde corte non possono oltrepassare la ionosfera, lo strato superiore all’atmosfera terrestre, e vengono così riflesse verso la superficie dove verranno di nuovo riflesse verso la ionosfera; in questo modo riescono a superare grandi distanze.
-Le onde ultracorte compiono soltanto distanze che non possono superare l’orizzonte, partendo dal punto d’origine dell’onda. Vengono così indirizzate verso lo spazio dove i satelliti per le telecomunicazioni che ruotano attorno alla Terra raccolgono il messaggio e potenziandolo viene emesso verso le stazioni
riceventi. In questo caso la modulazione di frequenza, ovvero FM, determinata dagli oscillatori agisce sulla lunghezza delle onde.
La radio e i vari si temi di comunicazione sfruttano le onde elettromagnetiche per trasportare rapidamente i messaggi. Nelle radiocomunicazioni si ha un sistema di trasmissione di informazioni a distanza in cui è importante l’utilizzo delle onde elettromagnetiche. Si usano però quelle comprese in un determinato intervallo di frequenze, utilizzando quindi le onde radio. Queste onde viaggiano da un radiotrasmettitore ad un radioricevitore.
Le informazioni, ovvero la musica, i suoni, le immagini e i vari messaggi che vengono trasmessi, sono prima convertite da un trasduttore in segnali elettrici, come un microfono, e successivamente , attraverso un processo di modulazione, vengono convertiti in un onda, generata da un circuito oscillante che compone il radiotrasmettitore. Il segnale che si ottiene viene amplificato e inviato ad un’antenna trasmittente, che lo invia nello spazio sottoforma di onde elettromagnetiche. Il messaggio viene captato da un’antenna ricevente e dopo un processo di amplificazione e di demodulazione, si ricava l’informazione emessa in trasmissione.
Le onde sonore, prima di essere trasmesse, devono quindi essere convertite in impulsi elettrici. Lo strumento che permette di svolgere questa funzione è il microfono, che si basa sul principio della trasduzione, ovvero la trasformazione di un tipo di energia in un altro. L’energia meccanica della compressione e della rarefazione dell’aria da un suono viene convertita in energia elettrica.
Nella testina microfonica del microfono vi è una membrana che è pervasa da corrente elettrica a bassa tensione. Quando il suono investe questa membrana la fa muovere: questo movimento fa sì che la corrente venga interrotta aritmicamente. Questa corrente alterata arriva ad un elevatore di tensione,
ovvero l’amplificatore, e giunge fino al trasduttore opposto: l’altoparlante.
Nell’alto parlante un elettromagnete viene elettrizzato in base alla tensione ricevuta dagli impulsi elettrici. Un magnete cilindrico viene attirato dall’elettromagnete ed è collegato ad un diaframma a forma di cono, che muovendosi avanti e indietro, riproduce fedelmente le compressioni e le rarefazioni dell’aria.