Vita e onde elettromagnetiche

Liceo scientifico tecnologico ITIS Castelli

Anno scolastico 2010-2011

Le onde elettromagnetiche e la vita

Indice

Introduzione

1. p. 1

Le onde elettromagnetiche

2. p. 2

2.1. Breve storia p. 2

2.2. Descrizione fisica delle onde elettromagnetiche p. 6

2.3. La velocità della luce p. 7

2.4. Dualismo onda-particella p. 10

2.5. Spettro elettromagnetico p. 12

Storia della radio in Italia

3. p. 19

Inizio delle trasmissioni in Italia: l’URI e l’EIAR

3.1. p. 19

3.2. La radio strumento del consenso nel regime fascista p. 21

3.3. La guerra delle onde p. 25

Bibliografia e sitografia

4. p. 26

1. Introduzione

Sempre più spesso nella nostra vita quotidiana facciamo uso di sistemi di telecomunicazione radio che ci permettono di svolgere un numero sempre maggiore di attività in completa mobilità, senza la necessità di un collegamento fisico tra emittente e ricevente.

Ormai i dispositivi che fanno uso di onde elettromagnetiche sono dappertutto e ne facciamo un uso quasi inconsapevole. Non siamo più presi dallo stupore nel sentire voci e musica uscire dalla radio o nel poter comunicare a distanza con i nostri conoscenti parlando dentro un apparecchio grande quanto un pugno chiuso.

Per noi è del tutto normale, scontato, poter controllare la televisione tramite il telecomando o attivare a distanza l’antifurto dell’automobile.

Pochi si fermano a pensare a come ciò avvenga, a come sia possibile collegarsi a internet col portatile senza collegare alcun cavo, e una volta connessi parlare con gli amici, vedere foto e leggere le ultime novità, sempre, senza che ci sia alcun collegamento tra noi e queste informazioni.

Con l’avanzare della tecnologia, tutto questo è disponibile ad un gruppo di persone sempre più ampio che vengono influenzate nei loro stili di vita.

Con questa tesina ho voluto quindi approfondire l’argomento in modo interdisciplinare, andando a toccare non solo la teoria elettromagnetica ma anche i suoi utilizzi pratici passati, presenti e futuri, approfondendo inoltre l’influenza del mezzo radiofonico durante il regime fascista in Italia. 1

Pagina

2. Le onde elettromagnetiche

2.1. Breve storia

I fenomeni elettrici e magnetici hanno da sempre incuriosito l’uomo tanto che già il filosofo greco Talete, maestro alla antica scuola di Mileto oltre 2500 anni fa, aveva notato come l’ambra presentasse una forza attrattiva rispetto ad altri materiali una volta sfregata su pellicce di animale.

Per avere significative scoperte e uno studio scientifico di questi fenomeni bisogna però aspettare il XVIII secolo quando, in pieno clima illuminista e in un crescente interesse verso i fenomeni elettrici, nel 1785 il fisico francese Charles Augustin de Coulomb ricavò, grazie ad uno strumento sensibile alla torsione, una legge per le forze di attrazione e repulsione tra cariche elettriche che si rifaceva alla legge di gravitazione universale di Isaac Newton.

Bilancia a torsione di Coulomb

Toccò poi a Luigi Galvani, nel 1790, osservare le contrazioni muscolari nelle zampe di una rana durante una dissezione in prossimità di alcune macchine elettrostatiche: costruendo inconsapevolmente così il primo rivelatore di onde elettromagnetiche.

Pochissimi anni dopo, nel 1799, Alessandro Volta, allora professore di filosofia naturale all’università di Pavia, costruisce il primo generatore di corrente elettrica continua: la pila, strumento indispensabile per tutti i successivi esperimenti fisici sull’elettricità e magnetismo.

Pila di Volta

Nel 1820 fu invece Hans Christian Orsted, professore all’università di Copenaghen, a stupire il mondo scientifico e a rivoluzionare il pensiero relativamente ai fenomeni elettromagnetici.

Durante un esperimento infatti lo scienziato nota l’influenza che ha un corpo conduttore percorso da corrente su di una bussola accanto, intuendo il legame tra elettricità e magnetismo, realtà considerate fino ad allora come completamente distinte, decreta la nascita di una nuova branca della fisica: l’elettromagnetismo.

Non passarono nemmeno due mesi che il fisico francese André-Marie Ampere e i colleghi Jean-Baptiste Biot e Felix Savart approfondirono le leggi dell’elettromagnetismo formulando rispettivamente la “Legge di Ampere” sulla circuitazione del campo magnetico e la “Legge Biot-Savart”, utile per calcolare il campo magnetico risultante da una distribuzione di corrente.

2 Pagina

Nel 1831 Michal Faraday, fisico e chimico britannico, tra le altre cose primo inventore del becco Bunsen, continuando le ricerche in campo elettromagnetico scoprì l’induzione elettromagnetica dimostrando come un campo magnetico variabile può produrre un campo elettrico secondo la “Legge di Faraday-Neumann-Lenz”.

A metà del XIX secolo, precisamente nel 1864, il fisico scozzese James Clerk Maxwell elaborò una teoria unitaria sull’elettromagnetismo unificando i lavori dei suoi predecessori in quattro equazioni differenziali capaci di descrivere completamente, insieme alla “Legge di Lorenz” riguardante l’effetto che campi elettrici e campi magnetici hanno su di una carica elettrica in movimento, l’interazione elettromagnetica.

James Clerk Maxwell

Nella ricerca di una simmetria tra le equazioni riferite al campo elettrico e quelle riferite al campo magnetico Maxwell giunse a teorizzare l’esistenza delle onde elettromagnetiche.

Sempre per via teorica deduce inoltre la velocità di propagazione di un’onda elettromagnetica nel vuoto pari a quella della luce, misurata nel 1676 per via astronomica durante le eclissi dei satelliti di Giove da Olaf Romer e nel 1849 per via sperimentale da H.L. Fizeau. 3

Pagina

Tutto ciò lo portò a capire la natura di onda elettromagnetica della luce, omogeneizzando così l’ottica con l’elettromagnetismo puro.

Dovettero però passare più di vent’anni perché le onde elettromagnetiche fossero verificate sperimentalmente. Finalmente nel 1887 Heinrich Rudolf Hertz, fisico tedesco e professore all’università di Karlshure, dimostrò la bontà delle deduzioni di Maxqell riuscendo a produrre delle onde elettromagnetiche a partire dall’elettricità e a riceverle a distanza.

Heinrich Rudolf Hertz

A tale scopo costruì un dispositivo detto oscillatore che produceva delle scariche elettriche che a loro volta generavano delle onde elettromagnetiche. Accanto ad esso pose un secondo apparecchio di sua invenzione detto risonatore dove era possibile osservare delle minuscole scintille che si manifestavano in concomitanza con le scariche elettriche dell’oscillatore nonostante i due dispositivi non fossero collegati tra loro.

Hertz inoltre escluse l’esistenza dell’etere e riformulò le equazioni di Maxwell nella forma che conosciamo oggi.

Purtroppo non capì l’importanza dei propri esperimenti, e agli studenti impressionati che chiedevano quali potevano essere gli usi di questo meraviglioso fenomeno rispondeva:

«Non c’è nessun tipo di utilizzo, è solo un esperimento che dimostra che Maxwell aveva ragione. Abbiamo queste misteriose onde elettromagnetiche che non possiamo vedere ad occhio nudo, ma che ci sono».

Negli anni successivi molti furono gli scienziati che si impegnarono nell’approfondimento dei fenomeni elettromagnetici, ricordiamo Temistocle Calzecchi Onesti, Edouart Branly e Oliver Lodge, che attorno al 1890 furono i padri di un nuovo rivelatore di onde hertziane basato su polveri metalliche denominato coherer.

Citiamo inoltre il fisico italiano Augusto Righi, il fisico russo Aleksandr Stepanovic Popov e Nikola Tescla, poliedrico fisico serbo naturalizzato statunitense, inventore, oltre che della corrente alternata e numerose altre cose, di lampade a scarica a gas senza fili e di dispositivi di trasmissione di energia elettromagnetica senza fili.

Molti di essi però non credevano nella possibilità di comunicare a distanza utilizzando le onde hertziane o non si interessarono immediatamente della comunicazione possibile grazie a tali onde, limitandosi alla loro produzione e ricezioni.

Fu il giovane tecnico italiano di 21 anni, Guglielmo Marconi, che, nell’estate del 1895, riuscì per primo ad effettuare una telecomunicazione trasmettendo e ricevendo segnali elettromagnetici ad una distanza di 2400 metri. 4

Pagina

Nell’inverno dello stesso anno Marconi con una trasmissione supera l’ostacolo di una collina; questo esperimento storico concluso con famoso colpo di fucile celebra la “nascita della radio”. 5

Pagina

2.2. Descrizione fisica delle onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche sono costituite da due componenti accoppiate: un campo elettrico oscillante, indicato solitamente con la lettera E, e il campo magnetico, indicato invece con la lettera B, da esso generato.

I due campi sono mutuamente perpendicolari e oscillano in fase in modo perpendicolare alla direzione di propagazione determinando così il carattere trasversale dell’onda.

Essi sono inoltre tra loro dipendenti cosicché conoscendo l’uno, l’altro è perfettamente determinabile ed è calcolabile utilizzando le equazioni di Maxwell.

La lunghezza d’onda è la distanza tra un punto in un ciclo e il punto corrispondente nel ciclo successivo, vedi figura, varia da alcuni picometri come i raggi gamma, a parecchi chilometri come le onde radio.

Legata alla lunghezza d’onda, attraverso la velocità dell’onda stessa, è la frequenza misurata in Herz in onore del famoso fisico. Essa consiste nel numero di lunghezze d’onda che passa per un dato punto nell’unità di tempo ed è ricavabile dal rapporto c = f · λ.

Nelle onde elettromagnetiche, inoltre, viene definita col termine polarizzazione la direzione lungo la quale il campo elettrico oscilla durante la propagazione dell’onda. Essa può essere principalmente di tre tipi: lineare, circolare o ellittica.

Nel vuoto l’onda elettromagnetica si propaga, nella direzione perpendicolare al piano identificato dalle direzioni delle due oscillazioni dei campi elettrico e magnetico, con una velocità costante e pari a quella della luce ovvero 299792,458 km/s, circa 3 × 10⁸ m/s. Tale valore è stato assunto dalla fisica come valore esatto, privo di incertezza, ed è indicato con la costante c.

La velocità di propagazione è inoltre indipendente dalla velocità della sorgente come da quella dell’osservatore.

Nei mezzi materiali non conduttori invece la velocità delle onde è minore di quella nel vuoto ed è ricavabile dall’equazione v = c / n dove n è l’indice di rifrazione del mezzo che può però assumere valori diversi al variare della frequenza d’onda.

6 Pagina

2.3. La velocità della luce

La prima valutazione quantitativa della velocità della luce non fu ottenuta infatti mediante un esperimento terrestre, ma attraverso un esperimento che utilizzava come sorgente luminosa un satellite di Giove e come distanza quella esistente fra questo pianeta e la Terra.

Il progetto e la realizzazione dell’esperimento fu opera di Roemer e venne eseguito nel 1675.

Per comprendere il principio che sta alla sua base conviene considerare prima la seguente analogia.

Si immagini che una sorgente luminosa S ruoti attorno a un mappamondo M con velocità angolare costante impiegando un tempo T a compiere un giro completo. Un osservatore fermo rispetto al mappamondo vedrà allora la sorgente S scomparire dietro il mappamondo e poi ricomparire a intervalli regolari di tempo di durata pari a T.

Supponiamo ora che l’osservatore A sia in moto rispetto al mappamondo, ad esempio che si stia muovendo verso di esso con velocità costante v.

Nel tempo T durante il quale S compie un intero giro intorno a M, l’osservatore A sarà avanzato di un tratto AB verso M. Perciò, ora, la luce che S emette nell’istante in cui ricompare dalla parte posteriore di M impiegherà, per ritornare ad A, un tempo inferiore a quello che essa impiegava a compiere la stessa operazione quando A era fermo rispetto a M.

Misurata la differenza fra questi due tempi e misurato il tratto AB, si può determinare facilmente la velocità della luce.

Un osservatore A, fermo rispetto a M, vede la sorgente luminosa S ricomparire dalla parte posteriore del mappamondo a intervalli di tempo T; nel secondo caso A si muove a velocità costante verso M.

Roemer utilizzò come “mappamondo” il pianeta Giove, come sorgente luminosa S uno dei quattro satelliti medicei e come tratto AB la distanza percorsa dalla Terra verso Giove nel tempo impiegato dal satellite a percorrere la sua orbita gioviana.