LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
Il campo elettrico indotto
In generale, quando una carica elettrica è in accelerazione, su di essa agisce un campo elettrico; in questo caso, però, la corrente è indotta dal campo magnetico variabile. Di conseguenza, il campo elettrico non è generato dal movimento di cariche elettriche libere, ma anch’esso è indotto, generato cioè dal campo magnetico variabile.
Quindi, il campo elettrico indotto è generato da un campo magnetico che varia nel tempo.In particolare, le linee di campo magnetico sono perpendicolari a quelle del campo elettrico; il verso delle linee del campo elettrico, inoltre, dipende da come varia il campo magnetico: se il campo magnetico aumenta, le linee del campo elettrico hanno il verso definito dalla legge di Lenz, mentre se il campo magnetico diminuisce, esse hanno verso opposto.
Il campo magnetico indotto
Abbiamo visto che un campo magnetico variabile genera un campo elettrico indotto; tuttavia, il fisico scozzese James Clerk Maxwell scoprì che anche una variazione del flusso del campo elettrico genera un campo magnetico.
Il verso delle linee di campo magnetico indotto segue delle regole differenti; se il campo elettrico aumenta, le linee di campo magnetico hanno verso opposto a quello previsto nel caso del campo elettrico indotto; se, invece, il campo elettrico diminuisce, le linee di campo magnetico indotto hanno verso che si oppone al precedente.
Le equazioni di Maxwell e il campo elettromagnetico
Negli anni successivi alle scoperte di Oersted e Faraday, il fisico scozzese James Clerk Maxwell formulò la sua teoria del campo elettromagnetico, secondo cui anche nel vuoto campi elettrici variabili producono campi magnetici e, viceversa, campi magnetici variabili producono campi elettrici. Le azioni elettromagnetiche subite da un corpo sono dunque dovute alle modificazioni nello spazio delle proprietà fisiche di una regione, il campo elettromagnetico, generata da cariche elettriche e da magneti.
La teoria di Maxwell è sintetizzata dalle sue equazioni che descrivono il comportamento del campo elettromagnetico e permettono di prevedere l'esistenza di onde che vi si propagano e al tempo stesso lo trasportano, dette onde elettromagnetiche, di cui fanno parte anche le onde luminose.
Le prime due equazioni descrivono i campi elettrico e magnetico e concernono l'esistenza di "cariche" che li producono.
In particolare la prima descrive il campo elettrico generato da cariche ferme, secondo la legge di Coulomb.
La seconda stabilisce che non esistono cariche magnetiche isolate, diversamente da quanto accade per le cariche elettriche, ma che il polo positivo di un magnete è sempre letto al polo negativo.
La terza equazione esprime la legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday-Neumann, secondo cui un corpo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico.
La quarta equazione afferma che una qualsiasi corrente genera un campo magnetico, sia una corrente continua sia un campo elettrico variabile nel tempo: in quest'ultimo caso si introduce una quantità detta corrente di spostamento, che non viene generata da cariche elettriche in movimento, ma produce effetti magnetici paragonabili a una corrente vera e propria.
Il campo elettromagnetico ha un'esistenza autonoma poiché si propaga nello spazio come un'onda che trasporta energia.
Lo spettro elettromagnetico
Possiamo distinguere diversi tipi di onde elettromagnetiche, che differiscono tra loro per una diversa lunghezza d’onda, e quindi una diversa frequenza di propagazione.Lo spettro elettromagnetico riassume l’insieme delle frequenze delle onde elettromagnetiche, che vengono divise in base alla frequenza e alla lunghezza d’onda in diversi tipi di radiazione.
La colonna delle finestre atmosferiche indica qualitativamente quali radiazioni sono assorbite dall'atmosfera.
Le onde radio e le microonde
Le onde radio (o radioonde) occupano la fascia dello spettro delle lunghezze d'onda maggiori, ovvero la parte a bassa frequenza dello spettro, comprese tra 10 cm e 1 km, e sono prevalentemente usate per le trasmissioni radiofoniche e televisive.
Le informazioni che si vogliono far viaggiare vengono prima convertite da un trasduttore in segnali elettrici di ampiezza variabile.
In seguito tali segnali agiscono su un'onda, detta portante, di ampiezza e frequenza costante, generata nel trasmettitore attraverso un processo detto di modulazione.
La modulazione consiste nel variare, istante per istante, una delle grandezze caratteristiche del segnale periodico (ampiezza o frequenza) usato come "vettore" per la trasmissione (la portante), in conformità con le variazioni del segnale che contiene le informazioni da trasmettere, detto modulante.
Le microonde sono particolari onde radio situate nella regione dello spettro appena successivo a quello delle radiazioni infrarosse e hanno lunghezze d'onda che vanno da 1 mm a 30 cm.
Trovano numerosi impieghi nel campo delle telecomunicazioni e in apparecchiature di rilevamento come i radar.
Nei radar un apparecchio trasmettitore emette onde delle frequenze tipiche delle microonde, le quali, quando incontrano un ostacolo riflettente, tornano indietro, permettendo a un apparecchio ricevente di ricostruirne la forma e la distanza.
Nei forni a microonde, che vengono usati per la cottura rapida dei cibi, viene sfruttata l'azione del calore che si genera all'interno degli alimenti in seguito all'assorbimento dell'energia elettromagnetica di frequenze opportune.
Raggi infrarossi, visibili e ultravioletti
Una lampadina emette radiazioni infrarosse, visibile e ultravioletta.
Le radiazioni ultraviolette, o raggi ultravioletti (UV), fanno parte di quella regione dello spettro elettromagnetico che si estende dai raggi X alla radiazione visibile e che comprende lunghezze d'onda che vanno da circa 4 a 400 nm sono emesse da corpi molto caldi, come le stelle, o prodotte artificialmente attraverso apposite lampade a incandescenza o tubi a scarica a bassa pressione.
Sono radiazioni dal forte potere ionizzante e favoriscono le reazioni fotochimiche come il sole che emette radiazioni ultraviolette con lunghezze d'onda comprese tra 0,25 e 0,36nm.
Le radiazioni visibili, ovvero la luce , occupano la piccolissima zona dello spettro elettromagnetico compresa tra la radiazione ultravioletta e la radiazione infrarossa. Le sue lunghezze d'onda variano tra 400 e 750 nm.
La regione delle radiazioni infrarosse (IR) copre lunghezze d'onda comprese tra 0,75 nm e 1 mm. Le radiazioni IR sono invisibili all'occhio umano, ma possono impressionare pellicole fotografiche opportunamente trattate. Vengono emesse da qualunque corpo caldo, anche dal corpo umano, e la loro emissione aumenta all'aumentare della temperatura.
I raggi X e i raggi gamma
I raggi X sono quella porzione di spettro elettromagnetico con lunghezza d’onda compresa approssimativamente tra 10 nm e 1/1000 di nm e sono usati principalmente per fini medici (attraverso le radiografie).
Hanno un potere di penetrazione molto elevato: solo spessori dell’ordine dei centimetri di piombo o delle decine di centimetri di calcestruzzo possono fermarli.
I raggi gamma sono le radiazioni elettromagnetiche di maggiore energia. In genere con tale nome si indicano le onde elettromagnetiche prodotte dal decadimento radioattivo dei nuclei atomici. Essendo delle radiazioni a frequenza molto alta sono tra le più pericolose per l’uomo, come tutte le radiazioni ionizzanti.
I raggi gamma si distinguono dai raggi X principalmente per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre i raggi X sono prodotti da transizioni energetiche dovute ad elettroni che da livelli energetici quantizzati esterni vanno in livelli energetici liberi più interni.
Raggi x
