Teoria delle onde elettromagnetiche

Genesi di un' onda elettromagnetica

Supponendo che in una determinata zona di spazio e in un certo istante si determini una variazione del campo elettrico, nei punti immediatamente vicini si produce allora per la quarta equazione di Maxwell un campo magnetico anch'esso variabile nel tempo:

C()= μ

La variazione del campo magnetico però determina, nei punti di spazio immediatamente vicini, un campo elettrico anch'esso variabile, come stabilito dalla terza equazione di Maxwell:

C()=

In questo modo nasce una perturbazione elettromagnetica che si propaga nello spazio.

La variazione di campo elettrico può essere prodotta, per esempio, da un condensatore inserito all'interno di un circuito RC.

	Rappresentazione di alcune linee di forza del campo elettrico (in rosso) e magnetico (in blu) che si propagano nello spazio in seguito alla variazione del campo elettrico da E1 a E2.

La perturbazione elettromagnetica può però avere origine anche da una variazione di campo magnetico, causata per esempio da una variazione dell'intensità di corrente. Infatti, i processi che hanno origine dalla variazione in un punto di un campo magnetico o di un campo elettrico sono concettualmente identici.

La grande novità introdotta da Maxwell non fu però la scoperta che la variazione del campo magnetico in un punto produca un campo elettrico variabile, concetto già noto prima di Maxwell e previsto infatti dalla legge Faraday-Neumann, ma fu il fatto che dalle sue equazioni si deduceva che una propagazione nello spazio dei campi elettrico e magnetico.

Da una brusca variazione di un campo elettrico o magnetico ha perciò origine una propagazione di un impulso elettromagnetico, così come da un rapido spostamento di una estremità di una molla ha origine un impulso elastico che si propaga lungo tutta la molla.

Producendo però una variazione che dura nel tempo, eventualmente periodica, di un campo elettrico o magnetico in un punto, si origina di conseguenza la propagazione di una successione continua di impulsi elettromagnetici, cioè di un' onda elettromagnetica, nello stesso modo in cui, muovendo con continuità l'estremità di una molla tesa, si genera un'onda elastica che si propaga lungo tutta la molla.

Fu James Clerk Maxwell che, in questo modo, nel 1861 riuscì a prevedere in modo teorico l'esistenza delle onde elettromagnetiche.

La prima verifica sperimentale si ebbe tra il 1886 e il 1889 con una serie di esperimenti compiuti dal fisico tedesco Heinrich Rudolph Hertz, in cui riuscì a trasferire energia da un circuito ad un altro circuito simile, lontano alcuni metri. Hertz dimostrò così che il trasferimento di energia presentava fenomeni tipici delle onde come: la riflessione, la rifrazione, l'interferenza, la diffrazione e la polarizzazione; ma, cosa ancora più importante, riuscì a dimostrare che la velocità di propagazione di queste onde era, con buona approssimazione, uguale alla velocità della luce.

Solo pochi anni dopo le verifiche sperimentali di Hertz, lo scienziato italiano Guglielmo Marconi intuì le possibili applicazioni pratiche delle onde elettromagnetiche, soprattutto nel campo delle comunicazioni. Già nel 1896, infatti, Marconi brevettò il suo primo apparecchio in grado di trasmettere segnali radio, senza quindi l'utilizzo di alcun filo.

Le proprietà delle onde elettromagnetiche 

Avendo dimostrato che le onde elettromagnetiche sono concettualmente del tutto simili ad altri tipi di onde, anch'esse saranno descritte quindi da grandezze come la lunghezza d'onda, periodo e frequenza.

Definiamo quindi la lunghezza d'onda come: la distanza percorsa dal fronte dell'onda in un tempo pari al periodo di oscillazione di ciascun punto della corda, e la indicheremo con λ.

Fra lunghezza d'onda e periodo vale quindi la seguente relazione:    λ = v T

ma sapendo che:     f =

la lunghezza d'onda sarà in relazione con la frequenza:          λ =

Le onde elettromagnetiche sono innanzitutto onde trasversali: il campo elettrico e magnetico sono, infatti, ortogonali fra loro, e sempre perpendicolari anche alla direzione di propagazione.

Rappresentazione di un onda elettromagnetica nello spazio

Si nota che per determinare il verso di propagazione dell'onda elettromagnetica è possibile utilizzare un'altra regola della mano destra:

se puntiamo le dita della mano destra nella direzione e nel verso di E e le ruotiamo verso B,

il pollice punterà nella direzione e nel verso di propagazione.

Una seconda proprietà (che non verrà dimostrata) è quella che con la propagazione dell'onda elettromagnetica si ha anche la propagazione di energia con la stessa velocità dell'onda.

La velocità con cui un'onda elettromagnetica e quindi anche l'energia ad essa associata si propagano nel vuoto fu già dedotta teoricamente da Maxwell:

C()= B ma contemporaneamente C()=

B                                 B = B =

	(velocità della luce              nel vuoto)

B =                1 =

Sostituendo però i valori delle costanti ε e μ, si ha:

v = 2,9979

In un mezzo con costante dielettrica relativa ε e di permeabilità magnetica relativa μ la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, per le equazioni di Maxwell, risulta:

La grandezza v essendo una velocità avrà quindi dimensione:

Il valore della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche che nel vuoto coincideva con buona approssimazione con quello della luce, già noto a Maxwell grazie a esperienze precedenti, mise in evidenza come la luce e le onde elettromagnetiche fossero accomunate non solo da vibrazioni trasversali ma anche dalla stessa velocità di propagazione. Questo permise a Maxwell di avanzare l'ipotesi della natura elettromagnetica della luce.

L'equazioni con cui sono descritte le onde elettromagnetiche che sono onde variabili, in quanto generate da campi elettrici e magnetici variabili, sono:

B = sin2π

E = sin2π

In cui T indica il periodo e λ indica la lunghezza d'onda, mentre x la distanza di punto dall'origine del sistema di riferimento, e  rappresentano i valori massimi di B e E.

Lo spettro elettromagnetico

Lo spettro elettromagnetico è l'intervallo di tutte le possibili frequenze delle radiazioni. Le varie parti dello spettro rappresentano intervalli di lunghezza d'onda e quindi di frequenza che si raccordano con continuità fra loro; praticamente è impossibile circoscrivere in modo univoco sia i limiti delle componenti sia il limite inferiore e superiore dello spettro. I nomi utilizzati per differenziare le radiazioni hanno origine storica e rappresentano i campi di lunghezza d'onda, per i quali esiste qualche comune tecnica di produzione e di rilevazione.

Bisogna distinguere però fra due grandi tipologie di onde elettromagnetiche: quelle ionizzanti e quelle non ionizzanti; le prime, corri­spondenti a frequenze superiori ai 300 GHz, sono in grado di modificare la struttura degli atomi, sino ad inte­ragire con il Dna delle cellule. In virtù quindi delle loro differenze, queste diverse tipologie di onde verranno trattate separatamente.

Discutiamo ora le caratteristiche generali delle componenti dello spettro, considerando prima le radiazioni elettromagnetiche di maggiore lunghezza d'onda (e minore frequenza), passando successivamente a energie dei fotoni via via più elevate.