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Le onde elettromagnetiche


Supponiamo di avere una carica che oscilla rapidamente nello spazio: questa, cambiando posizione, è da una parte sorgente di un campo elettrico variabile, dall’altra è assimilabile ad una corrente elettrica alternata, quindi sorgente di un campo magnetico, generando in tal modo un campo elettromagnetico.
Dalla terza equazione di Maxwell si sa che una variazione nel tempo del flusso del campo elettrico genera un campo magnetico, infatti:

ed il campo magnetico così generato sarà anch’esso variabile nel tempo.

Per la quarta equazione di Maxwell invece la variazione del campo magnetico origina nei punti immediatamente vicini un campo elettrico anch'esso variabile, che a sua volta genera un campo magnetico variabile e così via con un processo a cascata, che fa nascere una perturbazione elettromagnetica che si propaga nello spazio e anche nel vuoto. Questa perturbazione può avere origine anche da una variazione di campo magnetico causata, ad esempio, da una variazione di corrente, come nel caso in cui l'intensità di corrente che percorre un filo passi bruscamente da un certo valore i a zero. Il fatto che una variazione del campo magnetico in un punto produce un campo elettrico variabile è previsto dalla legge di Faraday-Neumann, quindi già noto prima di Maxwell; tuttavia all’epoca si pensava che, se un campo magnetico fosse diminuito bruscamente da un valore massimo a zero, altrettanto avrebbe fatto il campo elettrico, e il tutto sarebbe cessato dopo un piccolo intervallo di tempo dall'istante in cui si era annullato il campo magnetico. Il fatto nuovo previsto da Maxwell fu proprio questo: i campi elettrico e magnetico generati dalla variazione nel tempo di uno dei due sono in grado di autosostenersi, cioè di propagarsi anche se la variazione iniziale che li ha prodotti viene meno.
Se ne conclude che, da una brusca variazione di un campo elettrico o magnetico nel tempo, ha origine la propagazione di un impulso elettromagnetico (esattamente come da un rapido spostamento di un'estremità di una molla ha origine la propagazione di un impulso elastico che si propaga lungo tutta la molla); se la variazione dura invece nel tempo, ed è eventualmente periodica, si origina conseguentemente la propagazione di una successione continua d'impulsi elettromagnetici (in altri termini la configurazione dei campi non è immobile ma si propaga nello spazio, in modo che il valore del campo elettrico e del campo magnetico in un punto e ad un certo istante si ritrovano dopo un intervallo di tempo in altri punti vicini ad opportuna distanza), cioè un’onda, chiamata onda elettromagnetica, nello stesso modo in cui, muovendo con continuità un'estremità di una molla tesa, si genera un'onda elastica che si propaga lungo tutta la molla.

Il primo esperimento di produzione ed osservazione di onde elettromagnetiche fu eseguito dal fisico tedesco Heinrich Hertz nel 1887, che si servì di un circuito LC per generare una corrente alternata e notò che si poteva trasferire energia da quel circuito ad un altro simile, distante alcuni metri; ciò dimostrava che il primo circuito aveva prodotto delle onde elettromagnetiche che si erano propagate fino al secondo circuito, anche perché il trasferimento di energia aveva manifestato la riflessione, la rifrazione, l’interferenza, la diffrazione e la polarizzazione, fenomeni tipici delle onde. L’esperimento di Hertz venne perfezionato nel corso degli anni successivi e venne utilizzato per applicazioni pratiche per la prima volta dallo scienziato Guglielmo Marconi, che intuì che le onde si sarebbero potute utilizzare per le comunicazioni, eliminando i fili di cui aveva bisogno il telegrafo; oggi infatti funzionano così le antenne per la trasmissione di onde radio: sono strutture di metallo lungo le quali vengono fatti oscillare degli elettroni di conduzione, la cui oscillazione genera appunto onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio.

Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali: il campo elettrico e quello magnetico, oltre ad essere proporzionali e perpendicolari tra loro, sono sempre perpendicolari alla direzione di propagazione, e formano con essa in un determinato punto ed istante una terna destrorsa, ovvero una terna di vettori tale che un osservatore, disposto lungo la direzione di propagazione e che riceve frontalmente i campi, vede sempre E alla sua destra e B alla sua sinistra. I versi dei vettori dei due campi dipendono l’uno dall’altro e dal verso in cui avanza l’onda, secondo la regola della mano destra, con il pollice che punta nella direzione di propagazione, le altre dita distese nel verso di E ed il palmo nel verso di B, che è uscente da esso.
La direzione del campo elettrico E in un punto, e conseguentemente anche quella del campo magnetico, in generale può variare col tempo, mantenendosi però sempre ortogonale alla direzione di propagazione; se invece la direzione di E non varia, l'onda elettromagnetica è polarizzata rettilineamente. Dalle equazioni di Maxwell inoltre, deriva il fatto che il campo elettrico e quello magnetico sono sempre in fase tra loro.

Per quanto riguarda invece la velocità con cui viaggiano tali onde, Maxwell dimostrò che il suo valore numerico dipende dalla costante dielettrica del vuoto e la costante di permeabilità magnetica del vuoto, il cui prodotto è l’inverso del quadrato di una velocità; calcolando quindi l’inverso della radice di tale prodotto si ottiene un risultato che coincide con

ovvero il valore della velocità della luce nel vuoto.
L’elettromagnetismo e l’ottica venivano così unificati, arrivando alla conclusione che la luce è una particolare onda elettromagnetica.

Un’altra caratteristica di questo tipo di onde è quella di trasportare non materia ma energia: si tratta di energia elettromagnetica o radiante, che viene trasportata in quantità proporzionale alla frequenza dell'onda elettromagnetica; quando quest’ultima incontra un mezzo materiale, la sua energia può essere assorbita dal mezzo o può venire trasmessa.. La quantità di energia trasportata da un’onda per unità di superficie nell’unità di tempo è l’intensità dell’onda (I), che può essere espressa anche come modulo di una grandezza vettoriale, il vettore di Poynting (S), che rappresenta il flusso di energia elettromagnetica per unità di tempo e unità di superficie; la direzione ed il verso di tale vettore indicano la direzione ed il verso di propagazione dell’onda.
L'interazione delle onde elettromagnetiche con la materia dipende sensibilmente dalla loro frequenza, che a sua volta dipende (così come il periodo) dalla sorgente, risultando in questo modo uguale alla frequenza o al periodo di oscillazione delle cariche che le danno origine. Questa è una differenza rispetto alla velocità di propagazione e alla lunghezza d’onda, che dipendono invece dal mezzo. La lunghezza d’onda diminuisce con l’aumentare della frequenza, che può assumere qualsiasi valore positivo; l’intero intervallo di frequenze è noto come spettro elettromagnetico. Alcuni intervalli di quest’ultimo hanno nomi particolari e possono essere di maggiore rilevanza per gli esseri umani e per la tecnologia, come nel caso delle microonde, della luce ultravioletta e dei raggi X.
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