La verifica della teoria di Maxwell

La verifica della teoria di Maxwell

Esperimento di Hertz e principali caratteristiche delle onde elettromagnetiche

Maxwell non ebbe modo di verificare sperimentalmente la propria teoria.

Heinrich Hertz (1857-1894) nel 1886 riuscì per la prima volta a produrre e a rivelare le onde elettromagnetiche di cui Maxwell aveva previsto l'esistenza. Secondo la teoria maxwelliana , le onde elettromagnetiche avrebbero dovuto essere prodotte dalle oscillazioni di cariche elettriche lungo un circuito.

Hertz ebbe l'idea di alimentare con un rocchetto di Ruhmkorff[1] un circuito "aperto", in cui l'induttanza era rappresentata da due aste metalliche allineate, separate da una breve distanza, e la capacità era realizzata con due sfere poste alle estremità delle due aste: tale circuito prende il nome di "dipolo hertziano".

Il rocchetto di Ruhmkorff, collegato alle estremità affacciate del dipolo, caricava ad ogni apertura del primario le due sfere, così, nel breve spazio vuoto del dipolo scoccava una scintilla. La scarica oscillatoria, smorzata di alta frequenza, creava un'onda elettromagnetica. La trasmissione delle onde era rilevata da un risonatore a scintilla costituito da un cerchio di grosso filo di rame interrotto da uno spazio di lunghezza regolabile tra due sferette. Il passaggio di una corrente oscillante nel risuonatore si manifestava attraverso la scintilla che illuminava le due sferette. Hertz variò le dimensioni della spira adiacente per ottenere un massimo per la scintilla indotta, riuscendo a calcolare la frequenza di risonanza per una assegnata induttanza e capacità della spira. Sebbene questi calcoli implicassero molte approssimazioni, Hertz trovò una frequenza di circa 100 MHz.

I campi elettromagnetici sono prodotti dall'oscillazione delle cariche elettriche. L'oscillazione di una carica determina la variazione del flusso del campo elettrico. A causa di questa variazione verrà generato un campo magnetico (quarta equazione di Maxwell) il quale a sua volta determinerà la variazione del campo elettrico (terza equazione di Maxwell) e così via. Una volta che il campo elettromagnetico è stato prodotto dall'oscillazione di una carica, esso avrà un'esistenza autonoma. Si generano in questo modo delle onde elettromagnetiche.

Consideriamo la quarta equazione di Maxwell. Nel caso di una particella che oscilla nel vuoto (i=0) essa diventerà

() = 

L'equazione può essere scritta nella forma equivalente

() =

dove viene detta "permeabilità magnetica del vuoto" di valore T m/A

e è detta "costante dielettrica assoluta del vuoto" pari a C²/Nm².

Calcolando le dimensioni del prodotto si ottiene

= = = = = =

Il rapporto equivalente a ha quindi le dimensioni di una velocità numericamente pari a m/s.

Poiché questo valore coincide con quello della velocità della luce nel vuoto, Maxwell fece l'ipotesi che la luce fosse costituita da onde elettromagnetiche.

Rappresentazione grafica della propagazione nel tempo di un'onda elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche piane sinusoidali si possono descrivere con la seguente legge. Nel generico punto distante x dall'origine degli assi e nel generico istante t, i valori di E e B sono dati da:

L'andamento del campo elettrico e del campo magnetico è in fase; ciò significa che i due campi assumono contemporaneamente, nello stesso istante, o il valore massimo o il valore minimo o quello nullo.

In queste formule t è il tempo, x è la coordinata spaziale, T è il periodo e è la lunghezza d'onda.

L'onda elettromagnetica trasporta energia, la cui intensità cresce al diminuire della lunghezza d'onda (quindi all'aumentare della frequenza) ed è definita come l'energia presente nell'unità di tempo sull'unità di superficie posta perpendicolarmente alla direzione di propagazione.

In ogni onda il campo elettrico e quello magnetico sono sempre ortogonali tra loro e a loro volta sono sempre entrambi perpendicolari alla direzione di propagazione. Il campo elettrico e l'induzione magnetica sono sempre in fase tra loro.

La luce e le altre onde elettromagnetiche hanno tutte le stesse proprietà. La riflessione, la rifrazione e la diffrazione sono il risultato macroscopico dell'interazione microscopica tra il campo elettromagnetico e gli atomi che costituiscono la materia.