Riassunti Fisica generale

Elettromagnetismo e onde

Le onde sono delle perturbazioni/oscillazioni che si propagano trasportando energia, non materia. Ad esempio, se gettiamo un sasso in acqua vediamo formarsi delle ondine, ma se guardiamo un galleggiante, questo non si sposterà, ma oscillerà in direzione alto-basso. Per cui non è la materia a spostarsi, ma è soltanto l’onda a propagarsi.

Tipi di onde

Possiamo distinguere le onde in:

• Onde trasversali: i punti del materiale si muovono in direzione perpendicolare al moto dell’onda. Esempi includono corda e acqua.
• Onde longitudinali: i punti del materiale si muovono in direzione parallela al moto dell’onda, come in una molla.

Un'altra distinzione è:

• Onde sonore: si trasmettono nell’atmosfera fino ad arrivare al nostro orecchio (timpano); sono delle variazioni di pressione di un mezzo (l’atmosfera). Se non c’è un mezzo per far variare la pressione queste onde non si possono propagare.
• Onde elastiche: ad esempio, la molla. Abbiamo un’energia meccanica/elastica che si propaga sempre tramite un mezzo (la molla).
• Onde elettromagnetiche: al contrario di quelle viste finora, queste si propagano anche nel vuoto perché ciò che viene trasmesso è proprio il campo elettromagnetico.

Onde periodiche

Le onde periodiche descrivono il comportamento di moltissime onde che incontriamo nella vita quotidiana. Si tratta di un’oscillazione nello spazio intorno a un punto di equilibrio (0) che avrà un’ampiezza (in positivo o in negativo), ovvero quanto si allontana dal punto di equilibrio, e un periodo T, cioè dopo quale intervallo di tempo l’onda si ripete in maniera identica (distanza tra due creste). Questo intervallo di tempo dopo il quale l’onda si ripete è costante. Rappresentazione su grafico spazio-tempo.

Se invece sull’asse delle ascisse consideriamo lo spazio, la distanza tra due creste prenderà il nome di lunghezza d’onda. Quindi parlando in termini temporali corrisponde al periodo, mentre in termini spaziali alla lunghezza d’onda. La frequenza invece corrisponde a quante volte otteniamo un’oscillazione completa all’interno di un secondo (=quanto l’onda oscilla al secondo).

Frequenza f = 1 / T l’unità di misura sarà 1/s (secondo). Lunghezza d’onda λ l’unità di misura sarà metri o multipli/sottomultipli. La velocità con la quale l’onda si propaga è v = λ f e descrive proprio il fatto che la lunghezza d’onda e la frequenza sono inversamente proporzionali e la costante è la velocità di propagazione dell’onda. v = λ / T.

Onde elettromagnetiche

L’onda elettromagnetica è il campo elettromagnetico che si propaga come un’onda (= l’onda elettromagnetica è un’onda che trasporta il campo elettromagnetico) trasportando energia e a differenza delle altre onde, non ha bisogno di un mezzo per propagarsi (si propaga anche nel vuoto). Ad oscillare, quindi, sono i campi elettromagnetici: vi è un campo magnetico che oscilla su un piano ed un campo elettrico che oscilla su un altro piano e sono perpendicolari tra loro. La velocità di propagazione dell’onda è: v = c = 3·10⁸ m/s e corrisponde alla velocità della luce nel vuoto; caratteristica fondamentale che distingue le onde elettromagnetiche dalle altre è proprio la possibilità di propagazione nel vuoto (ovviamente si può propagare anche in un mezzo, ma quest’ultimo non è appunto necessario).

Fenomeni tipici delle onde

Interferenza

Supponiamo di avere due sorgenti identiche, con la stessa lunghezza d’onda, quindi di avere due fenomeni ondulatori che si incontrano. Succede che si ha l’interferenza; questa può essere:

• Costruttiva: se le onde si sovrappongono; l’ampiezza dell’onda risultante è uguale alla somma delle ampiezze delle due onde che la compongono.
• Distruttiva: se le onde vanno in verso opposto, quindi si sottraggono. Le ampiezze delle due onde si sottraggono (se il massimo di un’onda si sovrappone esattamente a un minimo dell’altra, lo fanno totalmente).

Diffrazione

La diffrazione è la deviazione della traiettoria di propagazione delle onde quando queste incontrano sul loro cammino aperture di dimensioni comparabili alla loro lunghezza d’onda. Considerando di avere una fenditura, è come se tutti i punti di essa diventassero delle sorgenti di onde che si propagano in tutte le direzioni dello spazio.

Riflessione

Ciò che ci circonda nella realtà ha dimensioni più grandi della lunghezza d’onda, quindi supponiamo che ad esempio la luce si propaghi in linea retta e che non sia un fenomeno ondulatorio. Consideriamo di avere una superficie, ad esempio uno specchio, e un raggio di luce incidente che impatta su questa superficie; succede che il raggio di luce viene riflesso con lo stesso angolo che aveva il raggio incidente. Quindi l’angolo di incidenza sarà uguale all’angolo di riflessione. Il raggio incidente, il raggio riflesso e la perpendicolare alla superficie riflettente nel punto di incidenza appartengono allo stesso piano.

Rifrazione

Consideriamo di avere due mezzi diversi, ad esempio aria e acqua, che hanno densità diverse. Nel momento in cui abbiamo un raggio di luce incidente sull’acqua, con un determinato angolo di incidenza, la densità diversa dell’acqua rispetto all’aria fa sì che il raggio devii, cambiando direzione; per cui l’angolo di rifrazione sarà diverso rispetto all’angolo di incidenza. Il rapporto tra il seno dell’angolo di incidenza e quello dell’angolo di rifrazione è costante ed è uguale al rapporto tra gli indici di rifrazione. Questi ultimi sono dei valori tipici per ogni mezzo che riflettono il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella che c’è in quel mezzo preso in considerazione, ovvero ci dice quanto va veloce la luce in quel mezzo rispetto che nel vuoto.

Spettro elettromagnetico

Lo spettro elettromagnetico è un modo tramite cui rappresentiamo tutte le onde elettromagnetiche in base alle lunghezze d’onda. Ricordiamo quindi che il fenomeno è sempre lo stesso! Cambia la lunghezza d’onda.

I raggi X hanno lunghezze d’onda dell’ordine dell’Armstrong: la distanza tra le creste o tra le pance è estremamente piccola e le frequenze, dato che sono inversamente proporzionali, sono elevatissime. Quindi queste onde oscillano molto velocemente. Le onde che oscillano molto velocemente trasportano più energia (reagiscono in maniera più violenta con la materia, possono creare danni, ionizzare ecc poi lo vedremo).

Le onde radio, invece, hanno lunghezze d’onda dell’ordine del metro, per cui oscillano molto lentamente, hanno energie molto più basse ed in genere non riescono a penetrare la materia e creare danni.

La luce visibile o radiazione visibile è un’onda elettromagnetica con lunghezza d’onda tra 0,4 e 0,8 micron (μ) circa (piccole, ma non piccolissime). Ma perché noi vediamo i colori? Sempre per la differenza di lunghezza d’onda: il nostro occhio è dotato di “particelle” (coni e bastoncelli) che ci permettono di distinguere le lunghezze d’onda presenti in questo range appunto della luce visibile, e traducono queste differenze in termini di colori.

La luce visibile è vicina agli infrarossi come lunghezza d’onda, ciò motiva anche il nome -> infrarossi perché sono poco al di là del rosso. L’infrarosso non lo vediamo, però possiamo “sentirlo” attraverso il tatto sotto forma di calore. Se tocchiamo un calorifero acceso e sentiamo il calore, si tratta di un fenomeno di conduzione, ma se non tocchiamo il calorifero e sentiamo sulla pelle, comunque, il calore che emette o quando ci esponiamo al sole e sentiamo il calore dell’irraggiamento sulla pelle, in questo caso entriamo nel mondo degli infrarossi. Quindi parte di quello che chiamiamo calore può essere costituito da un’onda elettromagnetica che ci colpisce e che ha lunghezze d’onda tipiche delle radiazioni infrarossi.

Se ho un corpo che emette una certa radiazione, la lunghezza d’onda di questa radiazione/energia dipende dalla temperatura superficiale del corpo che l’ha emessa, per cui vi è uno stretto legame tra lunghezza d’onda e temperatura. L’energia contenuta in questa onda elettromagnetica che si propaga dipende dalla quarta potenza della temperatura del corpo. L’energia emessa da una superficie può essere rappresentata da una curva a campana che avrà un certo picco che si sposterà e si troverà in certe lunghezze d’onda ben precise che dipendono dalla temperatura.

• Sole (6000 K): UV, visibile, vicino IR
• Lampade a incandescenza (3000 K): Visibile (30%) e infrarossi (IR) (70%)
• Oggetti a temperatura ambiente (300 K): lontano IR (intorno ai 10 μm)

A seconda della lunghezza d’onda della radiazione che abbiamo possiamo creare delle macchine che riescano a schermarla; materiali diversi possono schermare lunghezze d’onda diverse. Ad esempio, la serra dei fiori che è caratterizzata da un rivestimento in vetro. La luce (onda elettromagnetica) che entra nella serra interagisce con l’ambiente della stessa; interagendo con la materia cambia la sua lunghezza d’onda. Queste lunghezze d’onda diverse, soprattutto quelle relative al calore, non riescono più a fuggire, perché il vetro è trasparente al visibile, ma non all’infrarosso. Questo permette di trattenere il calore all’interno. Ovviamente se ad esempio apro una finestra il calore esce, ma appunto non esce per irraggiamento, ma per convezione (una sorta di conduzione per capire).

Esposizione a radiazioni elettromagnetiche dei prodotti alimentari

Più le radiazioni hanno lunghezze d’onda piccole più diventano pericolose perché hanno frequenze elevate e di conseguenza energia elevata, per cui possono ionizzare la materia, danneggiandola. Nel caso dei prodotti alimentari, possono però essere utilizzate in nostro favore, ad esempio, per ridurre la carica microbica, distruggere parassiti o bloccare la germinazione e quindi per aumentare il tempo di conservazione. Per far ciò ci sono delle direttive da seguire e rispettare poiché non devono esserci residui nei prodotti trattati e le caratteristiche nutrizionali non devono essere compromesse (disciplinato dalla normativa europea, Direttiva 1999/3/CE).

Queste radiazioni a lunghezza d’onda piccola, oltre che per distruggere, possono essere utilizzate per “vedere”. Se noi abbiamo delle sorgenti che possono emettere radiazioni con lunghezza d’onda dell’ordine del visibile possiamo vedere determinate cose; se utilizziamo sorgenti che possono emettere radiazioni con lunghezza d’onda più piccole della luce visibile possiamo vedere cose più piccole.

Diagnostica per immagini

Radiografie

Le radiografie sono ottenute registrando l’immagine di un fascio di raggi X dopo che ha attraversato la struttura anatomica di interesse. A livello anatomico vi sono strutture radiotrasparenti.