Podręcznik

3.2. Sygnał elektryczny a fala elektromagnetyczna

Sygnały elektryczne (prądowe lub napięciowe) są transmitowane w materiale przewodzącym (przewodniku) i towarzyszy im ruch elektronów. Co ciekawe elektrony nie poruszają się z taką samą prędkością jak towarzysząca sygnałowi elektrycznemu fala elektromagnetyczna. Jest to prędkość o wiele rzędów wielkości mniejsza (wynosić może, np. zaledwie 20 mm/s). Czy oznacza to, że sygnały elektryczne propagują w torze transmisyjnym tak bardzo wolno? Odpowiedź brzmi: oczywiście, że nie. Ruchowi elektronów towarzyszy fala elektromagnetyczna, a fali elektromagnetycznej towarzyszy ruch elektronów. Zatem prędkość propagacji fali elektromagnetycznej jest dokładnie taka sama jak prędkość z jaką w torze wędrują sygnały elektryczne.  
Na rysunku 2.7 pokazano linie pola elektrycznego i magnetycznego w przypadku toru symetrycznego i współosiowego. W przypadku dobrze ekranowanego kabla współosiowego pole elektromagnetyczne jest zawarte wewnątrz kabla. Inaczej jest w przypadku toru symetrycznego, gdzie pole teoretycznie rozciąga się do nieskończoności. 
Jeżeli w polu elektromagnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w torze symetrycznym umieścimy przewodnik w płaszczyźnie innej niż płaszczyzna utworzona przez wektory pola elektrycznego i magnetycznego, to w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej będzie w nim płynął prąd. W szczególności, jeżeli w tym polu umieścimy inny tor to indukowany prąd będzie zakłócał sygnały w nim płynące. Zakłócanie będzie największe, gdy tor będzie równoległy do toru wytwarzającego pole elektromagnetyczne i tym większe im tor ten będzie znajdował się bliżej źródła pola elektromagnetycznego,  Oczywiście, gdy dwa lub więcej torów symetrycznych biegnie równolegle obok siebie i we wszystkich płyną prądy to będą się one wzajemnie zakłócać. Taka sytuacja jest typowa dla kabli wieloparowych. Zjawisko zakłócania nazywa się przenikiem. Często używa się określenia przesłuch, co najczęściej jest niepoprawne. Przesłuchy dotyczą częstotliwości akustycznych i są podzbiorem przeników. 

Rys. 2.7.  Pole elektromagnetyczne w torze symetrycznym i koncentrycznym. E-wektor pola elektrycznego, H-wektor pola magnetycznego

Przejdźmy teraz do definicji toru symetrycznego. Tor symetryczny to tor, w którym potencjały w obu żyłach tego toru są identyczne co do wartości, ale przeciwne co do znaku względem odniesienia. Oznacza to, że nie struktura geometryczna toru ma tu decydujące znaczenie. Oczywiście osiągnięcie symetrii elektrycznej jest dużo łatwiejsze, gdy tor cechuje się symetrią geometryczną. Są dwa typowe tory potencjalnie symetryczne. Pierwszy to tor, w którym żyły leżą w jednej płaszczyźnie, odległość między nimi jest zawsze taka sama, a same żyły są identyczne. Drugi typ to, tak zwana skrętka, w której jednakowe żyły są skręcone, są jakby nawinięte wokół  prostej stanowiącej oś symetrii. Załóżmy, że tor pierwszego typu został umieszczony w polu elektromagnetycznym, i że źródłem tego pola jest inny tor leżący w tej samej płaszczyźnie rysunek 2.8. W żyłach a i b są indukowane prądy o natężeniu odpowiednio I_a oraz I_b . Ponieważ linia a leży bliżej źródła pola niż żyła b natężenie prądu w żyle a jest większe niż w żyle b. Prąd w obciążeniu linii spowodowany indukcją elektromagnetyczną jest różny od zera, a zatem będzie zakłócał sygnał użyteczny transmitowany w tym torze. Aby prądy indukowane w obu żyłach zrównoważyć średnia odległość obu żył od źródła pola powinna być jednakowa. Rozwiązaniem jest skręcanie żył i stworzenie skrętki. Gdyby taka idealnie skręcona para żył, z których każda ma taką samą pojemność względem ziemi i taką samą rezystancję była umieszczona na całej jej długości równolegle do toru zakłócającego szkodliwe zakłócenia – przeniki –  nie występowałyby. W praktyce tory, szczególnie, gdy linie mają większe długości niż kilka metrów nie spełniają tego warunku.

Rys. 2.8.  Prądy indukowane w  torze symetrycznym prostym i w torze symetrycznym ze skręconymi żyłami

Tory symetryczne z nieskręconymi żyłami też mogą zapewniać, że prądy indukowane w obu żyłach będą jednakowe, ale tylko wtedy, gdy źródło pola leży w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny toru symetrycznego przechodzącej przez jego oś symetrii.  Należy pamiętać, że jeżeli tor wytwarzający pole elektromagnetyczne jest prostopadły do toru zakłócanego to przeników nie będzie.
Nie zawsze indukcja elektromagnetyczna jest zjawiskiem negatywnym.

Rys. 2.9. Prądy indukowane w antenie dipolowej