Til hovedinnhold
NyhetElektromagnetiske bølger

Den usynlige oppdagelsen som styrer absolutt alt

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

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 Maxvell, 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 bruksområdet? 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.

Bølger og informasjon

Radiobølgenes oppførsel i den dagligdagse verden

Mens det er helt åpenbart at du ikke kan se på TV når du er i et annet rom med dørene lukket, er det gjerne ikke like intuitivt at du kan plukke opp AM-radio fra Frankrike i bilen. Frekvensen til bølgene bestemmer nemlig hvordan den opptrer i vår makroskopiske verden.

To ting kan skje når stråling treffer på materie: Enten blir den reflektert, ellers går den gjennom. Hvis den går gjennom kan hele eller deler av strålingen blir absorbert av materien, slik at amplituden blir redusert. Målet på hvor stor andel av strålingen som blir absorbert av materien kalles absorpsjonskoeffisienten, og er spesifikk for hvert materiale og bølgelengde. Det er dermed ingen enkel korrelasjon mellom bølgelengden og strålingens evne til å passere gjennom materie.

Imidlertid viser det seg i praksis at stråling med høyere bølgelengder har lettere for å nå ut til mottakere som er plassert i vanlige omgivelser. Grunnen til dette er at de elektromagnetiske bølgene kan bøye seg rundt objekter og passere gjennom åpninger under et fenomen kalt diffraksjon. Jo større bølgelengden er kontra objektet eller åpningen, desto bedre vil bølgene kunne bøye seg rundt objektet eller spre seg ut fra åpningen. Bedre bøyning betyr mindre reduksjon i amplitude og mindre interferens – det vil si et sterkere og klarere radiosignal i praksis.

Selv om du har fri sikt til den trådløse ruteren eller en annen radiokilde er det ikke sikkert at signalet når frem i tilstrekkelig stryke. I likhet med bølger i vann, blir amplituden redusert til en fjerdedel når avstanden dobles. Dette er forutsatt at senderen stråler i alle retninger, og problemet minimeres med retningsbestemte antenner, slik at signalet sendes der det trengs.

Fra bølge til nyttig informasjon

Digital informasjon kan representeres som en rekke verdier av nuller og ettall. En helt uniform sinusbølge har ingen nyttig informasjon, ettersom hver kommende bølge er lik den forrige. For å kode den ønskede informasjonen inn i radiobølgen – la det være radiosendinger eller trådløst Internett – nyttes ulike modulasjonsprosesser.

De enkleste å demonstrere er teknikkene brukt til radio. AM-radio – Amplitude Modulation – varierer høyden på amplituden etter signalet som skal overføres. Tilsvarende står FM for Frequency Modulation hvor frekvensen på bølgene varieres etter signalet. Disse modulasjonsteknikkene kan også brukes til å kode digital informasjon, ved at en amplitude eller frekvens over en gitt størrelse tilsvarer et ettall.

Til trådløse rutere og mobiltelefoner brukes mer avanserte modulasjonsteknikker som bruker prinsippene fra både AM og FM. Disse teknikkene kan kode mer informasjon per bølge og er derfor mer effektive til å overføre store datamengder. Teknikken har ofte mer å si på hastigheten til kommunikasjonen enn frekvensen, men ved en gitt teknikk vil ytelsen øke i takt med frekvensen. Dette er grunnen til at den kommende trådløse ruterstandarden 802.11ad opererer på hele 60 GHz, men av grunnene vi har diskutert tidligere, vil nettet kun fungere i fri sikt.

Radiobølger i dag og i fremtiden

Radionettet blir stadig mer belastet.Foto: Shutterstock

Radiobølgene har hatt en enormt viktig rolle i fremveksten av informasjonsalderen, og det finnes stadig større bruksområder for å koble ting, mennesker og dyr sammen i store kommunikasjonsnettverk. En grunnleggende forståelse av de elektromagnetiske bølgene og hvordan de oppfører seg i vår verden er først og fremst interessant, men kan også være nyttig i praksis. Basert på kunnskapen i denne guiden kan vi for eksempel enkelt konkludere med at 2,4 GHz WiFi har lenger rekkevidde enn alternativet på 5 GHz, men i praksis viser ofte det motsatte seg til å være sant. Grunnen til dette er at radiobåndet rundt 2,4 GHz er veldig mye i bruk av trådløse nettverk, mikrobølgeovner, BlueTooth og et hav av andre typer enheter.

Kommersielle kringkastingsstasjoner, Forsvaret, og kontrollstasjoner for fly og båt er en liten håndfull av store aktører som kniver om ekstra plass i radiobåndet. Utviklingen av tingenes Internett virker også til å være høyst reell, og i fremtiden kan vi derfor vente mye større pågang på radionettet. Dette krever smartere antenneløsninger og effektiv allokering av frekvensbåndet fra myndighetene, slik at alle kan dra nytte av de utenkelige mulighetene til de elektromagnetiske bølgene.

annonse