Vorrei sapere come varia l’attenuazione delle onde EM al variare della frequenza (grafici e/o formule) nei mezzi:atmosfera (perché per i satelliti si usano frequenze di circa 10GHz?), metalli (l’onda si attenua o è riflessa sul metallo o dipende dalla frequenza?), corpo umano (le alte frequenze sono più penetranti?) e in tutti gli altri mezzi che riuscite a citare.

Un’onda elettromagnetica allontanandosi dalla sorgente distribuisce la sua energia in superfici sferiche via via più grandi, e subisce quindi un’attenuazione (puramente geometrica) proporzionale a R² (R è la distanza dalla sorgente). Nel vuoto questo è l’unico tipo di attenuazione, salvo fenomeni di alta energia (raggi gamma cosmici).

Quando le onde interagiscono con la materia invece possono essere attenuate per scattering e per assorbimento. Questi fenomeni dipendono fortemente dalla frequenza e dalle caratteristiche chimiche e fisiche del mezzo.

I mezzi propriamente detti per la propagazione delle onde elettromagnetiche sono l’aria e le strutture guidanti: cavi, microstrisce, guide d’onda; gli altri citati (metalli, corpo umano) sono piuttosto ostacoli alla propagazione.

L’aria è un ottimo mezzo per la tramissione delle onde EM fino alle decine di GHz: a 22 GHz c’è un primo picco di assorbimento del vapore acqueo, a 60 GHz c’è un picco di assorbimento della molecola di ossigeno. Si veda la figura:

Per le trasmissioni satellitari è stata scelta una frequenza relativamente alta per avere antenne più compatte (la direttività di un’antenna è legata al rapporto tra le sue dimensioni e la lunghezza d’onda).
La maggiore attenuazione atmosferica rispetto a frequenza più basse è trascurabile perché interviene solo per una piccola parte della tratta: l’atmosfera si fa sempre più rarefatta con l’altitudine; possiamo considerare la sua attenuazione approssimativamente fino a 10 – 15 km, mentre l’altitudine di un satellite geostazionario è circa 36000 km!

Strutture guidanti:
i cavi coassiali attenuano in modo inversamente proporzionale al diametro; i cavi in aria attenuano meno di quelli con dielettrico. Ad alta frequenza (f>10 GHz) sono più convenienti le guide d’onda.
Tipiche attenuazioni di cavi coassiali:
0.1 – 1 dB/m @ 1 GHz
5 – 10 dB/m @ 10 GHz

I metalli, e in generale i conduttori certamente riflettono la maggior parte dell’energia incidente, quella trasmessa invece viene dissipata per effetto Joule in uno spessore individuato dalla skin depth, (d) che dipende fortemente dalla frequenza (f).

d = (π f μ σ)^-1/2

Nella formula μ rappresenta la permeabilità magnetica e σ la conduttività; per il rame (σ = 5.8e7 Si/m) si ha a f = 1 kHz d = 2.09mm; per f = 1MHz d = 0.07 mm; per f = 1 GHz d=2.09 μm.

Quindi per le frequenze fino alle VHF/UHF la profondità di penetrazione diminuisce con la frequenza, perché diminuisce la skin depth, mentre sopra gli ultravioletti aumenta di nuovo perché aumenta l’energia dei fotoni, e diventa sicuramente pericolosa per la salute.

Per una geometria semplice di un muro molto esteso si può valutare l’attenuazione di un’onda elettromagnetica (una normale parete domestica presenta un’attenuazione tra 7 e 15 dB alle bande della telefonia cellulare), mentre in una configurazione reale i vari ostacoli che si incontrano ad esempio nella propagazione indoor causano riflessioni e diffrazioni di cui è difficile tener conto analiticamente.

Vi sono applicazioni percui anche l’acqua può essere considerata un mezzo di propagazione delle onde em, ad esempio per le comunicazioni sottomarine; in questo caso l’acqua salata è un buon conduttore e quindi presenta dissipazione con la legge esponenziale della skin depth, bisogna quindi utilizzare frequenze estremamente basse (vedi http://vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=4270)