So funktioniert die drahtlose Kommunikation

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Textnachrichten, Bilder und Videos an Ihr Mobiltelefon gesendet werden? Täglich verbinden und teilen Milliarden von Geräten auf der ganzen Welt Daten mit Lichtgeschwindigkeit. Es mag wie Magie aussehen, aber es ist wirklich nur eine mächtige, unsichtbare und unterschätzte Kraft, die als Elektromagnetismus bekannt ist.

Elektromagnetismus ist eine der vier fundamentalen Kräfte in der Natur. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Elektrizität und Magnetismus waren ursprünglich getrennte Kräfte, wurden jedoch vereinigt, als James Clerk Maxwell 1873 seine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus veröffentlichte, in der gezeigt wurde, dass beide Phänomene durch eine Kraft erklärt werden konnten. In diesem Artikel untersuchen wir, wie diese Kraft in allen Formen der drahtlosen Kommunikation eingesetzt wird.

Radioantenne in der Nähe der Southeast Missouri State University

Elektromagnetische Wellen

Eine elektromagnetische Welle ist eine Störung im elektromagnetischen Feld. Dieses Feld existiert überall, und Störungen in diesem Feld existieren um das Vorhandensein von Elektrizität oder Magnetismus. Wenn das elektromagnetische Feld wie Wasser in einem See ist, sind elektromagnetische Wellen wie Wellen im Wasser.

Wie Wellen übertragen werden

Eine elektromagnetische Welle entsteht, wenn das elektromagnetische Feld gestört ist. Eine solche Störung kann entstehen, wenn Sie einfach beide Enden eines Kabels kurz mit den Anschlüssen einer Batterie in Berührung bringen. Dadurch kann ein elektrischer Strom durch den Draht fließen, der wiederum eine schwache elektromagnetische Welle erzeugt, die sich nach außen in alle Richtungen ausdehnt. Die in unserem Beispiel erzeugte Welle würde sich nicht weit bewegen und keine Informationen enthalten. Wenn es von einem Funksender abgefangen würde, würde es sich einfach wie statisch anhören. Tatsächlich ist es jedoch ziemlich einfach, elektromagnetische Wellen zu erzeugen, und es ist nicht viel schwieriger, sie zum Senden von Informationen zu verwenden.

Wie Wellen Informationen transportieren

Im frühen 20. Jahrhundert sendeten Radiowellen Daten als Morsecode. Dieser Prozess der Informationsübertragung war langsam und verfügte nur über begrenzte Funktionen. Der Erste Weltkrieg und der Zweite Weltkrieg haben die Entwicklung moderner Radios dramatisch beschleunigt und zu den ersten kommerziellen Radiosendungen in den 1920er Jahren beigetragen.

Heutzutage können elektromagnetische Wellen praktisch jede Art von Daten übertragen. Genauso wie sich Wellen in einem See auf und ab bewegen, während sie sich nach außen ausdehnen, können wir elektromagnetische Wellen dazu bringen, dasselbe zu tun. Beachten Sie, dass diese Art von Wellen einer Sinusfunktion ähneln, wie unten dargestellt.

Eine Standard-Sinusfunktion. Image By Geek3 (Eigene Arbeit) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)] über Wikimedia Commons

Wir können Informationen in diese Wellen codieren, indem wir eine Eigenschaft der Standard-Sinusfunktion wie Amplitude, Frequenz oder Phase modulieren (oder ändern). Die Welle wird dann durch die Luft gesendet, um von einem elektrischen Leiter wie einer Antenne abgefangen zu werden, wo die ursprüngliche Information durch Decodieren der modulierten Funktion erhalten werden kann.

Angenommen, Sie möchten mit dieser Methode Binärziffern senden. Sie könnten die Konvention übernehmen, dass eine Null durch eine Welle mit einer Amplitude von einer beliebigen Einheit dargestellt wird und dass eine Eins durch eine Welle mit einer Amplitude von zwei Einheiten dargestellt wird. Für jede Zeiteinheit würden Sie entweder eine Welle mit einer Amplitude von eins oder zwei erhalten, die entweder als Null oder als Eins interpretiert werden könnte.

Im Allgemeinen können wir Informationen in Sinusfunktionen codieren. Wir können diese Informationen dann an andere Geräte senden, indem wir die modulierten Funktionen als elektromagnetische Wellen übertragen. Wenn die Wellen von anderen Geräten empfangen werden, können die Daten decodiert und die ursprünglichen Informationen erhalten werden.

Eine begrenzte Anzahl von Frequenzen kann zum Senden von elektromagnetischen Wellen verwendet werden, daher bezeichnen wir Frequenzbereiche für bestimmte Zwecke, die zusammen das Funkspektrum bilden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen können mehrere Funksignale gleichzeitig in demselben Gebiet gesendet werden und voneinander unterschieden werden. Wenn Sie beispielsweise auf 95.1 einen Radiosender besuchen, stellen Sie einen Radiosender ein, der mit einer elektromagnetischen Frequenz von 95.100.000 Zyklen pro Sekunde sendet. Wenn Sie nur diese Frequenz hören, kann Ihr Radio diesen Radiosender von anderen unterscheiden.

Senden und Empfangen von Informationen

Die Übertragung von Informationen zwischen zwei Geräten mithilfe von Funkwellen erfordert einen Sender und einen Empfänger. Der Sender nimmt Informationen wie Audio oder Video auf, codiert sie in eine Sinusfunktion und überträgt die Funktion in Form einer elektromagnetischen Welle in die Luft. Der Empfänger erkennt die Welle und decodiert die Daten. Antennen werden von beiden Sendern zum Senden von Wellen und von Empfängern zum Erkennen von Wellen verwendet.

Elektromagnetische Wellen können sich je nach Sendeleistung von einigen Meilen (für Fernsehsendungen) bis zu Millionen Kilometern (für Weltraumsendungen) ausbreiten. Da sich Funkwellen in alle Richtungen ausbreiten, wird ihr Signal mit zunehmender Reichweite schwächer. Aus diesem Grund müssen Sie einen leistungsstärkeren Sender verwenden, um eine Funkwelle über eine größere Entfernung zu senden.

Die Macht ist überall um dich herum

Die Fähigkeit, elektromagnetische Wellen zu erfassen, wird als Magnetorezeption bezeichnet und wird von vielen im Tierreich, einschließlich Vögeln, Fledermäusen, Fruchtfliegen und Mäusen, geteilt. Vögel nutzen das Magnetfeld der Erde zur Navigation - eine Fähigkeit, die ihnen hilft, sich relativ zum Boden zu orientieren und regionale Karten zu entwickeln.

Obwohl wir sie nicht sehen können, gibt es überall um uns herum unzählige elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Elektromagnetische Wellen werden für Fernsehsendungen, Mobiltelefone, Bluetooth, Radio und jede andere Form der drahtlosen Kommunikation verwendet.