Cosa sono le onde elettromagnetiche?
L’onda elettromagnetica è una sorta di energia, che appartiene a una sorta di onda, proprio come l’onda meccanica, l’onda gravitazionale e l’onda di materia (onda di probabilità). Più alta è la frequenza, più alta è la frequenza dell’onda elettromagnetica emessa e più corta è la lunghezza d’onda. Questa onda elettromagnetica è chiamata radiazione del corpo nero. Proprio come le persone sono sempre vissute nell’aria ma gli occhi non possono vedere l’aria, oltre alle onde luminose, le persone non possono vedere altre onde elettromagnetiche che sono ubiquitarie.
Come si generano le onde elettromagnetiche?
Il campo elettromagnetico include due aspetti del campo elettrico e del campo magnetico e le sue caratteristiche sono rappresentate rispettivamente dall’intensità del campo elettrico E (o dallo spostamento elettrico D) e dalla densità del flusso magnetico B (o dall’intensità del campo magnetico H).
Secondo la teoria del campo elettromagnetico di Maxwell, queste due parti sono strettamente correlate. Un campo elettrico variabile nel tempo causa un campo magnetico e un campo magnetico variabile nel tempo causa un campo elettrico.
Quando la sorgente del campo elettromagnetico cambia nel tempo, il campo elettrico e il campo magnetico si eccitano a vicenda per causare il movimento del campo elettromagnetico per formare onde elettromagnetiche. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è uguale alla velocità della luce. Nel vuoto, è c=299792458m/s≈3×108m/s. Il viaggio delle onde elettromagnetiche è anche accompagnato dalla fornitura di energia.
Proprietà delle onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche hanno tre proprietà, ovvero ampiezza (intensità, intensità luminosa), frequenza (lunghezza d’onda) e forma d’onda (distribuzione spettrale). Per la luce visibile, questi tre corrispondono rispettivamente alla luminosità, alla tonalità e alla cromaticità del colore della luce. Per quanto riguarda l’onda elettromagnetica, esiste anche il concetto di fase iniziale. La sua forma d’onda è una curva sinusoidale (curva coseno), chiamata onda sinusoidale (onda coseno). Più la forma d’onda di un’onda elettromagnetica si avvicina a un’onda sinusoidale, più puro è il suo spettro e migliore è la sua monocromaticità. Un esempio tipico di ciò sono i laser.
1. Ampiezza elettromagnetica
Il valore assoluto massimo che l’intensità del campo elettrico (E) e l’intensità del campo magnetico (H) dell’onda elettromagnetica possono raggiungere è chiamato valore massimo o ampiezza dell’onda elettromagnetica. L’ampiezza delle onde elettromagnetiche è divisa in ampiezza del campo elettrico e ampiezza del campo magnetico e le unità sono rispettivamente V/m e A/m. Possono entrambi rappresentare l’intensità delle onde elettromagnetiche, ma nelle applicazioni pratiche, l’intensità del campo elettrico è più spesso utilizzata come metodo di rappresentazione dell’ampiezza dell’onda elettromagnetica.
1.1 Intensità del campo elettrico
L’intensità del campo elettrico è una quantità fisica utilizzata per esprimere la forza e la direzione del campo elettrico e viene spesso espressa con “E“.
1.11 Formula di calcolo
In diversi casi, il metodo di calcolo dell’intensità del campo elettrico è diverso. La seguente formula è applicabile solo a cariche puntiformi:
E=KQ/r2
Il “E” è l’intensità del campo elettrico, il “K” è la costante della forza elettrostatica, il “Q” è l’entità della carica sorgente e il “r” è la distanza tra la carica sorgente e la carica di prova.
1.2 Intensità del campo magnetico
La forza del campo magnetico è stata derivata per la prima volta dal punto di vista della carica magnetica nella storia. Analogamente alla legge di Coulomb della carica, si ritiene che esistano due tipi di cariche magnetiche, positive e negative, in natura, e viene proposta la legge di Coulomb della carica magnetica. La forza sperimentata da una carica elettromagnetica positiva unitaria in un campo magnetico è chiamata forza del campo magnetico (simbolo H).
1.21 Formula di calcolo
In un mezzo, la formula per calcolare la forza del campo magnetico è:
H=B/μ0-M
“B” è l’induzione magnetica, “M” è la magnetizzazione, “μ0” è la permeabilità magnetica nel vuoto, μ0=4π×10-7 Tesla m/A. L’unità di “H” è An/metro.
2 Frequenza elettromagnetica
Il numero di fluttuazioni elettromagnetiche al secondo è chiamato frequenza elettromagnetica.
Formula di calcolo
La formula per calcolare la frequenza delle onde elettromagnetiche è:
f(Hz)=c(m/s)/λ(m)
“c“: velocità dell’onda (la velocità della luce è una costante, pari a 299792458m/s nel vuoto, approssimativamente pari a 3×108m/s) unità: m/s;
“f“: frequenza (unità: Hz, 1MHz=1000kHz=1×106Hz);
“λ“: lunghezza d’onda (unità: m);
3 Spettro elettromagnetico
Disporre queste onde elettromagnetiche in ordine di lunghezza d’onda o frequenza è lo spettro elettromagnetico. Se le frequenze di ciascuna banda sono disposte in ordine crescente, sono onde elettromagnetiche a frequenza di rete, onde radio (divise in onde lunghe, onde medie, onde corte, microonde), raggi infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma. La radio ha la lunghezza d’onda più lunga e i raggi cosmici (raggi X, raggi gamma e raggi con lunghezze d’onda più corte) hanno le lunghezze d’onda più corte.
Grafico dello spettro elettromagnetico
Applicazioni delle onde elettromagnetiche
- Onde radio: per la comunicazione, ecc;
- Microonde: utilizzate nei forni a microonde, nelle comunicazioni satellitari, ecc;
- Raggi infrarossi: utilizzati per il telecomando, le termocamere, i missili a guida infrarossa, ecc;
- Luce visibile: è la base per cui tutti gli esseri viventi vedono le cose;
- Luce ultravioletta: utilizzata per la disinfezione medica, la verifica delle banconote false, la misurazione della distanza, il rilevamento dei difetti ingegneristici, ecc;
- Raggi X: per la fotografia TC;
Raggi gamma: utilizzati per il trattamento, facendo saltare gli atomi per produrre nuovi raggi, ecc.
Controlli tecnici per onde elettromagnetiche nella progettazione PCB
Prima di applicare queste indicazioni a una PCB, al firmware, a una riparazione o alla validazione, verificare i dettagli costruttivi che determinano l’affidabilità.
Checklist di progettazione e diagnosi
| Area | Cosa verificare | Perché conta |
|---|---|---|
| Frequenza e lunghezza d’onda | Usare lunghezza d’onda, costante dielettrica e tempo di salita per stabilire quando le tracce si comportano da linee di trasmissione | Fronti rapidi possono creare problemi RF anche con frequenze di clock moderate |
| Percorsi di accoppiamento | Identificare accoppiamento capacitivo, induttivo, irradiato e a impedenza comune | Le correzioni EMI dipendono dal meccanismo di accoppiamento |
| Accorgimenti di layout | Assicurare continuità del ritorno e usare schermatura, filtraggio e impedenza controllata quando necessario | La geometria della PCB influisce direttamente su emissioni e immunità |
Verifica di componenti e contenitori rispetto agli effetti elettromagnetici
Usare queste note prima di applicare le informazioni in un progetto reale.
Controlli
- Prima dell’integrazione, verificare tecnologia di processo, contenitore, passo dei pin, resistenza termica, tensione I/O, classificazione ESD e sequenziamento delle alimentazioni.
- Per i contenitori avanzati, verificare con il produttore substrato, passo dei bump, strato di ridistribuzione, underfill e limiti della resa di assemblaggio.
- Pianificare la testabilità con boundary scan, linee di alimentazione accessibili, configurazione di avvio verificabile e nodi di clock o reset misurabili.
