Elektromagnetiska vågor

Allt som händer i radio bygger på ett enda fenomen: elektromagnetiska vågor. De är samma sorts vågor som ljus, men med mycket lägre frekvens. En elektromagnetisk våg är ett elektriskt och ett magnetiskt fält som svänger i takt och hela tiden skapar varandra på nytt, och därför kan vågen färdas genom tomma rymden utan att något behöver bära den. Den här artikeln förklarar vad fälten är, hur en antenn sätter igång en våg och varför fältet nära antennen skiljer sig från fältet långt bort.

Fält – en osynlig påverkan#

Ett fält är ett sätt att beskriva att något påverkar sin omgivning på avstånd. Tyngdkraften är ett välkänt exempel: jorden drar i ett äpple utan att röra vid det.

Det elektriska fältet finns runt allt som har elektrisk laddning. Om du gnider en ballong mot håret blir ballongen laddad, och håret reser sig mot den innan de nuddar varandra. Det är det elektriska fältet som verkar. Elektriska fält mäts i volt per meter (V/m) och betecknas med bokstaven E.

Det magnetiska fältet uppstår runt elektriska strömmar och runt magneter. En kompassnål vrider sig om du håller den nära en sladd som leder en stark ström. Magnetfältets styrka betecknas H och mäts i ampere per meter (A/m). Ofta används i stället den magnetiska flödestätheten B, som mäts i tesla.

Så länge laddningar ligger stilla och strömmar är konstanta sitter fälten fast runt sina källor. Det intressanta händer när något ändras.

Fält som föder varandra#

På 1800-talet upptäckte forskarna två viktiga samband:

1. Ett magnetfält som ändras skapar ett elektriskt fält. Det är så en generator eller en cykeldynamo fungerar: en magnet som snurrar intill en spole får en ström att flyta i spolen.
2. Ett elektriskt fält som ändras skapar ett magnetfält. Det var den skotske fysikern James Clerk Maxwell som på 1860-talet insåg att detta måste gälla även i tomma rymden.

Sätter man ihop de två sambanden händer något märkligt. Ett elektriskt fält som ändras skapar ett magnetfält som ändras, som i sin tur skapar ett nytt elektriskt fält en bit längre bort, och så vidare. Fälten ”knuffar” varandra framåt, ungefär som en våg på läktaren där varje person reser sig när grannen gör det. Resultatet är en elektromagnetisk våg som kan färdas i evighet genom vakuum.

Maxwell räknade ut hur snabbt vågen måste färdas och fick fram ungefär samma värde som man hade mätt för ljusets hastighet. Hans slutsats var att ljus är en elektromagnetisk våg och att det borde finnas fler sådana vågor med andra våglängder. Ungefär tjugo år senare kunde Heinrich Hertz skapa och mäta radiovågor i sitt laboratorium. Historien berättas i Från Maxwell till Marconi.

Så ser vågen ut#

I en elektromagnetisk våg långt från antennen svänger det elektriska och det magnetiska fältet i takt med varandra. De har följande egenskaper (figur 1):

• E-fältet och H-fältet står vinkelrätt mot varandra.
• Båda står vinkelrätt mot den riktning vågen färdas i. Därför kallas vågen transversell, precis som en våg på ett rep.
• Fälten är i fas: när E-fältet är som störst är H-fältet också som störst.
• Mönstret upprepas efter en sträcka som kallas våglängd (λ). Hur många gånger per sekund fälten svänger är vågens frekvens. Se Frekvens, våglängd och periodtid.

Den riktning som E-fältet svänger i kallas vågens polarisation. I figur 1 svänger E-fältet lodrätt, och vågen är då vertikalt polariserad. Det har praktisk betydelse för hur antenner ska riktas, vilket förklaras i Polarisation.

Hur en antenn skapar vågen#

En laddning som ligger stilla har ett elektriskt fält, och en laddning som rör sig med jämn fart ger också ett magnetfält. Men det är först när laddningen ändrar fart eller riktning – när den accelererar – som den strålar ut elektromagnetisk energi.

I en antenn ser sändaren till att elektronerna i metallen hela tiden svänger fram och tillbaka, med radiovågens frekvens. De accelererar alltså hela tiden, först åt ena hållet och sedan åt det andra. Varje svängning ger upphov till fältmönster som lösgör sig från antennen och vandrar ut som vågor (figur 2). Det liknar hur en hand som rör sig upp och ned i vattnet skickar ut ringar.

Samma sak fungerar baklänges. När en våg passerar en mottagarantenn får fältet elektronerna i antennen att svänga i takt med vågen, och det ger en liten växelström som mottagaren kan förstärka. Hur antenner är byggda förklaras i Så fungerar en antenn.

Ljusets hastighet#

Alla elektromagnetiska vågor färdas i vakuum med exakt samma fart, ljusets hastighet:

Värdet är exakt eftersom metern sedan 1983 definieras utifrån ljusets hastighet. I luft går vågorna bara ungefär 0,03 procent långsammare, så i radiosammanhang räknar man nästan alltid med $3·{10}^8$ m/s. I kablar och andra material går vågorna däremot märkbart långsammare, ofta 66–85 procent av ljushastigheten i en koaxialkabel. Se Matarledningar.

Närfält och fjärrfält#

Nära en antenn är fältet mer komplicerat än den enkla vågen i figur 1. Där finns stora mängder energi som bara pendlar fram och tillbaka mellan antennen och rummet runt den utan att stråla iväg. Det kallas närfält (eller reaktivt närfält). I närfältet är E-fältet och H-fältet inte i takt med varandra, och förhållandet mellan dem beror på antennens typ och avståndet.

Längre bort har vågen ”lossnat” och blivit en ren utbredande våg. Det kallas fjärrfält. Där gäller att:

• E-fältet och H-fältet är i fas och vinkelräta mot varandra.
• Förhållandet mellan E och H är alltid ungefär 377 ohm i luft, den så kallade vågimpedansen för fri rymd.
• Fältstyrkan avtar i proportion till avståndet, och effekttätheten med avståndet i kvadrat. Dubbla avståndet ger en fjärdedel av effekten per kvadratmeter.

Mellan dem finns en övergångszon. För en liten antenn brukar man räkna med att det reaktiva närfältet sträcker sig ungefär en sjättedels våglängd ($\lambda /2\pi$) ut, och att fjärrfältet börjar några våglängder bort (figur 3). För stora antenner, som paraboler, börjar fjärrfältet mycket längre ut.

Skillnaden spelar roll i praktiken. Antennegenskaper som strålningsdiagram och förstärkning mäts i fjärrfältet. Kontaktlösa betalkort och NFC arbetar däremot medvetet i närfältet, på några centimeters avstånd, där magnetfältet kopplar ihop kortet och läsaren. Vid mätning av exponering nära sändarantenner måste både E- och H-fält mätas, se Exponering, gränsvärden och mätning av fält.

Den tredje ekvationen (Faradays induktionslag) säger att ett magnetfält som ändras ger ett elektriskt virvelfält. Den fjärde (Ampères lag med Maxwells tillägg) säger att ett elektriskt fält som ändras ger ett magnetiskt virvelfält. Kombineras de får man vågekvationen

vars lösningar är vågor med hastigheten $c=1/\sqrt{{\mu }_0{\epsilon }_0}$. Med ${\mu }_0\approx 4\pi ·{10}^{-7}$ H/m och ${\epsilon }_0\approx \mathrm{8,854}·{10}^{-12}$ F/m blir $c\approx \mathrm{3,00}·{10}^8$ m/s. Vågimpedansen i fri rymd är $Z_0=\sqrt{{\mu }_0/{\epsilon }_0}\approx \mathrm{376,7}\Omega$ (ofta avrundat till $120\pi \approx 377\Omega$). I fjärrfältet gäller $E=Z_{0}H$ och effekttätheten är $S=E^2/Z_0$.