Che cos'è un'antenna

Ricordiamo la definizione di onda (un disturbo che si propaga nello spazio) e supponiamo di avere una macchina che produce il disturbo. Ora la domanda è: come facciamo a far propagare questo disturbo nello spazio? In altre parole: come si traduce un disturbo in un'onda? La risposta è: "grazie ad un'antenna" (trasmittente).

Un'antenna è un dispositivo in grado di irraggiare nello spazio un disturbo che si produce al suo interno.

Viceversa: come facciamo a convogliare l'energia di un'onda, generalmente sparpagliata in una vasta regione dello spazio, in una piccola zona, dove possiamo manipolarla a piacere (amplificarla, filtrarla, trasformarne l'energia in energia di altro tipo, ecc.)? Ancora con un'antenna (ricevente).

Un'antenna è un dispositivo in grado di captare un disturbo che avviene nello spazio circostante, e trasformarlo in un disturbo al suo interno.

• La motivazione fisica di queste osservazioni può essere così riassunta: per ottenere che un disturbo prodotto da una sorgente sia in grado di propagarsi nel mezzo l'energia generata dalla sorgente deve accoppiarsi col "mezzo" oscillante in modo efficiente.
• L'antenna quindi è un mediatore tra le proprietà della sorgente e le proprietà del mezzo, volto ad ottimizzare la trasmissione dell'energia dalla sorgente al mezzo (o viceversa).

Alcuni esempi

Trasmissione del suono

Gli strumenti a fiato

• Negli strumenti a fiato il mezzo delle onde è l'aria, e l'esecutore mette in vibrazione direttamente la colonna d'aria presente all'interno dello strumento. Lo strumento stesso deve costituire un'antenna in grado di trasmettere la vibrazione dal suo interno al suo esterno.
• In questo caso un solo accorgimento è veramente necessario: le dimensioni dello strumento devono accordarsi alle lunghezze d'onda che esso vuole irradiare (infatti strumenti dal registro grave sono generalmente più grandi di strumenti dal registro acuto).
• Altri accorgimenti (come i padiglioni conici presenti alla fine di molti ottoni) migliorano le prestazioni dello strumento facilitando ulteriormente la trasmissione del suono all'esterno.

Gli strumenti a corda

• Il caso degli strumenti a corda è leggermente più difficile: la corda che oscilla è già un'antenna. Infatti, a differenza di un pendolo, o di un sistema massa-molla, in cui la massa oscillante è concentrata in un punto preciso, la massa della corda si estende per una lunghezza pari a metà della lunghezza dell'onda stazionaria con cui essa vibra (si veda modi normali di una corda).
• Tuttavia questo tipo di antenna non è sufficiente. Il motivo è semplice: la corda è un antenna di acciaio (o simile), mentre noi vogliamo trasmettere l'oscillazione all'aria. Poiché la velocità del suono in aria è molto minore che nell'acciaio, a parità di frequenza di oscillazione, l'onda in aria ha lunghezza d'onda molto minore che nell'acciaio.
• Quindi serve un ulteriore elemento in grado di trasferire l'oscillazione ad un maggior numero di molecole d'aria. Questo si ottiene tramite una cassa di risonanza, che costituisce il corpo cavo (in genere in legno) dello strumento.

Trasmissioni radio

• Le leggi dell'elettromagnetismo, completate da J. C. Maxwell alla fine del XIX secolo, affermano che ad ogni oscillazione del campo elettrico è associata un'oscillazione del campo magnetico, e viceversa, e che esse sono in grado di viaggiare nel vuoto ad una velocità definita (la velocità della luce).
• Questo significa che è possibile costruire particolari circuiti in grado di sostenere l'oscillazione del campo elettromagnetico, ed apre la strada alla possibilità di trasmettere questa oscillazione da un punto ad un altro. Da un circuito trasmittente ad uno ricevente.
• In pratica, tuttavia, un circuito oscillante "a costanti concentrate", in cui ogni componente occupa una piccola regione di spazio (come quelli che si trovano dentro i moderni apparecchi elettronici) pur essendo in grado di oscillare, non è in grado di trasmettere o ricevere efficacemente.
• Heinrich Hertz per primo costruì nel 1886 un circuito adatto allo scopo: aveva costruito un'antenna (poi detta dipolo hertziano). L'invenzione era stata ideata unicamente per dimostrare l'esistenza delle onde elettromagnetiche previste teoricamente da Maxwell pochi anni prima. Alla domanda se ci fossero possibili applicazioni del suo dispositivo Hertz rispose: "Non serve a nulla. È solo un'esperimento che mostra che Maxwell aveva ragione".^[1]

Laboratorio virtuale: esperimenti di interferenza

Se sei interessato a visualizzare fenomeni di interferenza collegati al nostro laboratorio virtuale sulle onde. Ti proponiamo di seguito una serie di esperienze guidate, ma puoi benissimo sperimentare nuove configurazioni e nuovi esperimenti. L'applet è molto intuitivo; per una corretta comprensione di quello che osservi, tieni solo presente che le zone colorate rappresentano l'ampiezza dell'oscillazione. Tanto più brillante appare il colore, maggiore è l'ampiezza delle oscillazioni (verde per le cime, rosso per le valli). Ovviamente le zone di buio rappresentano assenza di oscillazione causata dall'interferenza distruttiva.

Esperienze proposte:

• Interferenza tra due o più sorgenti puntiformi isofrequenziali
• Interferenza tra due sorgenti puntiformi non isofrequenziali
• Interferenza tra onde di frequenze diverse generate da un'unica sorgente (battimenti)
• Riflessione da uno specchio parabolico

Riferimenti

Approfondimenti e Collegamenti

• Per notizie sull'interferenza in generale si veda interferenza, e aspetti matematici dell'interferenza.
• Nella pagina antenne e interferenza si illustra come sia possibile ottenere antenne direzionali sfruttando il fenomeno dell'interferenza.

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