Tek.no

Artikkel Elektromagnetiske bølger

Den usynlige oppfinnelsen som styrer absolutt alt

Enorme mengder informasjon suser gjennom luften til enhver tid – men vet du egentlig hvordan?

Shutterstock
28 Apr 2014 18:00

Synlige og usynlige bølger

Starten på en trådløs epoke

Marconi heiser en antenne i Newfounderland, Canada som ble brukt i den første transatlantiske, trådløse kommunikasjonen. Foto: Wikipedia

Allerede i 1887 testet Heinrich Hertz trådløs kommunikasjon ved hjelp av elektromagnetiske bølger. Eksperimentene var basert på arbeidet til James Clerk Maxwell, som hadde demonstrert at elektrisitet, magnetisme og optikk var forskjellige manifestasjoner av samme fenomen, nemlig elektromagnetiske bølger.

Maxwell la grunnlaget for en helt ny forståelse av lys og kvantemekanikk, og er av den grunn anerkjent som en av de største fysikerne noensinne. Men det han kanskje ikke visste var hvilke enorme praktiske bruksområder som ble avdekket når man først så sammenhengen mellom lys og elektrisitet, ikke minst muligheten til å sende elektromagnetiske bølger ut i rommet – i andre former enn synlig lys.

Italieneren Guglielmo Marconi var en av de første som virkelig begynte å teste grensene for hva de elektromagnetiske bølgene kunne brukes til. I 1901 reiste han én antenne på hver side av Atlanterhavet, og etter første forsøk var verdens første trådløse, transatlantiske melding et faktum – bokstaven «s» i morsekode.

Det er mildt sagt mye som har skjedd på kommunikasjonsfronten siden 1901, og utviklingen ble muliggjort takket være Maxwell, Hertz og andre nysgjerrige sjeler. I dag suser enorme mengder informasjon gjennom luft, vegger og tak – til alle døgnets tider, i nesten alle verdens hjørner. Selv mens du leser denne teksten er det et titalls radio- og TV-kanaler, noen trådløse nettverk og kanskje babymonitorer og garasjeportåpnere som deler luften foran nesen din for å kommunisere.

Elektromagnetiske bølger

Bølgelengden til rødt, grønt og blått lys.Foto: Wikipedia

All slik trådløs kommunikasjon foregår med de elektromagnetiske bølgene Maxwell forutså på 1800-tallet. Slike bølger er du allerede godt kjent med – synlig lys og varmestråling fra peisen er eksempler på akkurat dette fenomenet.

De elektromagnetiske bølgene har en viss høyde og avstand mellom seg, men felles for de alle er at de reiser med lysets hastighet – cirka 300 000 kilometer per sekund. Høyden på en bølge kalles for amplituden, og høyere amplitude gir høyere intensitet på bølgen.

Justerer du opp lysdimmeren i stua, blir amplituden høyere og lyset sterkere. Avstanden mellom to bølgetopper kalles bølgelengde, og dersom du kunne justert bølgelengden på lyset i stua ville det da endret farge.

Frekvensen er invers av bølgelengden, og sier dermed hvor tett bølgene ligger – desto høyere frekvens, desto lavere bølgelengde.

Det elektromagnetiske spekteret. Foto: Wikipedia

De fleste kjenner nok dog lys som en strøm av individuelle partikler, såkalte fotoner. Hvorvidt lys er kontinuerlige bølger eller individuelle partikler har vært et av de mest omstridte spørsmålene i fysikkens verden, men svaret endte opp som «verken eller og begge deler». Arbeidet til kjente fysikere som Albert Einstein og Richard Feynman kulminerte i teorien om kvanteelektrodynamikk som forener disse to ulike modellene, men for enkelhets skyld brukes enten bølge- eller partikkelmodellen til alle praktiske formål.

Tar vi begrepene fra bølgemodellen over til partikkelmodellen, tilsvarer frekvensen energien til fotonet mens amplituden tilsvarer antall fotoner som kommer per tidsenhet. For enkelhets skyld fortsetter vi med å tenke på elektromagnetisk stråling som bølger.

Frekvens er nøkkelordet

Allokering av radiospekteret i Norge: hvert bruksområde eller utstyr har eget frekvensbånd.Foto: Post- og teletilsynet

Hvordan disse bølgene oppfører seg i den dagligdagse verden avhenger først og fremst av frekvensen. Synlig lys har frekvens på rundt 430 til 790 Terahertz, mens informasjonen som farter gjennom luften, gjerne kalt radiobølger, har frekvens på 300 Gigahertz og lavere. Størsteparten ligger mellom 1 KHz og 10 GHz, og som eksempel kan vi nevne fjernkontrollen til TV-en på 38 KHz, FM-radio på 100 MHz og 4G mobilnett på 2,6 GHz. Til mer ekstreme situasjoner finnes det ubåter med radiokommunikasjon i underkant av 100 Hz og den nye WiFi-standarden, 802.11ad, på 60 GHz.

Elektromagnetiske bølger som svinger med omtrentlig samme frekvens vil interferere med hverandre og resultere i signaler som er vanskelig eller umulig å tyde. For å unngå interferens og for å holde rette signaler til rett utstyr, har myndighetene i de fleste land delt inn radiospekteret i bånd etter bruksområde.

Men hvordan bestemmer man hvilken frekvens som er hensiktsmessig til et gitt bruksområde? For å finne svar på dette må vi se videre på hvordan elektromagnetiske bølger oppfører seg når de kolliderer med materiale, og hvordan bølgene frakter informasjon fra sender til mottaker.

Les også