Il cellulare in tasca fa male

Liceo Scientifico “Leonardo Cocito” - Alba

Il cellulare in tasca fa male

Breve indagine sulle onde elettromagnetiche

Maria Chiara Pieroni Classe 5E

Anno scolastico 2008/09

Sommario

Introduzione e note pag. 1

Teoria delle onde elettromagnetiche

Genesi di un’onda elettromagnetica pag. 2

Proprietà di un’onda elettromagnetica pag. 3

Spettro elettromagnetico pag. 6

Radiazioni non ionizzanti

Diversi tipi di onde non ionizzanti pag. 8

Onde radio pag. 8

Microonde pag. 8

Infrarosso pag. 9

Le applicazioni delle onde non ionizzanti pag. 10

Il wireless e i cellulari pag. 10

La normativa attuale pag. 11

Le ricerche pag. 11

Norme e il mondo reale pag. 13

Opinioni a confronto pag. 15

La risonanza magnetica pag. 18

Principio e realizzazione pratica pag. 18

Alcune applicazioni pag. 19

Controindicazioni all’esame pag. 19

Gli utilizzi in campo medico terapeutico pag. 21

Magnetoterapia pag. 21

Ipertermia pag. 22

Radiazioni ionizzanti

Diversi tipi di radiazioni ionizzanti pag. 24

L’ultravioletto pag. 24

Raggi X pag. 24

Raggi γ pag. 25

Le onde ionizzanti naturali: il Radon pag. 26

Cos’è il Radon pag. 26

Come entra nelle abitazioni pag. 27

I rischi per la salute pag. 28

Le onde ionizzanti artificiali pag. 29

La radioterapia pag. 29

Cos’è pag. 29

Come funziona pag. 29

Il rischio di tumori indotti dalle radiazioni pag. 30

La radiologia: pag. 31

Cos’è e di che cosa si occupa pag. 31

La dose efficace pag. 31

Conclusione e consigli pag. 33

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Introduzione e note

Individuare un argomento per la tesina da presentare all’esame di maturità ha richiesto diverso tempo: quale poteva essere l’argomento trattato durante questi anni che mi sarebbe piaciuto approfondire?

Sfogliando i testi scolastici mi sono accorta che nel corso dei miei studi non avevo mai affrontato, in fisica, lo studio delle onde, sia meccaniche che elettromagnetiche. Ho quindi pensato che nella tesina che mi accingevo a preparare avrei potuto affrontare un argomento nuovo e che mi incuriosiva.

Il motivo principale che mi ha anche spinto poi a scegliere di affrontare l’argomento delle onde elettromagnetiche è la mia “fissazione” (così l’hanno definita i miei amici) per tutto ciò che, come il cellulare, funziona attraverso l’emissione di onde elettromagnetiche; apparecchi di cui non conoscendo bene il loro funzionamento, riteniamo pratici, sicuri e non certo dannosi per la nostra salute.

Questa tesina è diventata così un’occasione per cominciare a conoscere queste onde e al tempo stesso diventasse una sorta di piccola ricerca con l’obbiettivo di indicare, quando mi è stato possibile, se effettivamente le onde elettromagnetiche siano dannose e in quale misura.

Nel dare un’organizzazione al mio lavoro, l’idea che immediatamente mi guidava era quella di stabilire una netta divisione fra onde “buone” e “cattive”; come, si vedrà però, questa divisione mi è risultata impossibile in quanto non esistono onde solo con effetti positivi o solo con effetti negativi ma è necessario entrare nello specifico di ogni tipo di applicazione per comprenderne i possibili rischi.

Ecco quindi che questa tesina si è andata organizzando prendendo in considerazione prima le onde non ionizzanti, cioè quelle i cui utilizzi sono principalmente commerciali (es. cellulari e wireless), e poi quelle ionizzanti i cui utilizzi si limitano quasi esclusivamente al campo medico.

Come esposto in seguito, la scelta è stata quella di lasciare molto spazio all’interno di questa tesina, alle applicazioni e ai principi di funzionamento di diverse apparecchiature e protocolli medici; questa scelta è nata da un mio personale interesse verso tutto ciò che riguarda le apparecchiature mediche, interesse che mi ha anche guidata nella scelta dei miei futuri studi universitari.

Nel concludere questa tesina mi sono anche prefissa un obbiettivo finale: la stesura di un breve “decalogo” di consigli e atteggiamenti da intraprendere quotidianamente. Questo mio lavoro di ricerca, infatti non vuole cessare fermandosi solamente all’analisi in ambito teorico ma ha la piccola presunzione, di servire realmente da “guida” affinché il nostro rapporto con tutto ciò che riguarda le onde elettromagnetiche sia sempre più consapevole.

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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:



 

( )

 E

∆Φ

 

ε

C( )= μ

B i +

 

0 0 t

∆

 

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:



( )

 B

∆Φ

C( )=

E − t

∆

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 impulso elettromagnetico, un così come da un rapido spostamento di una estremità di una molla ha origine un impulso elastico che si propaga lungo tutta la molla.

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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 onda elettromagnetica, impulsi elettromagnetici, cioè di un’ 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. lunghezza d’onda

Definiamo quindi la come: la distanza percorsa dal fronte dell’onda in un e la indicheremo con λ.

tempo pari al periodo di oscillazione di ciascun punto della corda,

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

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ma sapendo che: =

f T v

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

Onde trasversali:

Le onde elettromagnetiche sono innanzitutto 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

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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 propagazione di energia elettromagnetica si ha anche la 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:

 )

(

 E

∆Φ

 μ

ε

C( )= B ma contemporaneamente C( )=

B l B

× 0 0 t

∆

2

E l E l

· ·

ε μ ε μ

ε μ

B B = B =

l E v

· = ·

0 0 0 0

o o

t t (velocità della luce

1 m

ε μ

ε μ 2 8

1 =

B = 3 10

( ) v

v

B v v = ≅

· ·

· · nel vuoto)

0 0

ε μ 0

0

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

m

8

v = 2,9979 10

· s

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:

r r

c

v = ε μ

r r

La grandezza essendo una velocità avrà quindi dimensione:

v    

   

  [ ]

1 1 1

    1

−

l t

=

= = ·



    

ε μ 2 2 2

q F i t





 

0 0    

2 2 2 2

Fl i i l

   

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.

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

t x 



B = sin2π

B − 



o λ

T 

 t x 



E = sin2π

E −

 

0 λ

T 



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, B E 0 o e rappresentano i valori massimi di B e E.

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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.

Nota: da questo punto in avanti, i termini onda elettromagnetica e radiazione saranno utilizzati con il medesimo significato.

Onde ionizzanti

Onde non ionizzanti

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.

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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.

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Le onde non ionizzanti

La parte di spettro che corrisponde alle onde non ionizzanti comprende:

• Onde radio
• Microonde
• Infrarosso

Verranno analizzate innanzitutto le caratteristiche generali dei vari tipi di onde, per poi affrontare nello specifico i vantaggi e le problematiche relative all’uso di questo tipo di onde in ambito sia commerciale che di utilizzo in medicina.

Diversi tipi di radiazioni non ionizzanti

Onde radio

Le onde radio frequenza inferiore a circa 10 Hz e

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Sono così chiamate le radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d’onda non inferiore a qualche metro. Sono chiamate anche onde hertziane e vengono essenzialmente adoperate per le radio-trasmissioni, cioè per la trasmissione dei suoni a distanza. Per la loro notevole lunghezza hanno la proprietà, come i suoni, di superare gli ostacoli; sono quindi essenzialmente onde di superficie; nel senso che si diffrangono sulla superficie terrestre, seguendone, fino a un certo punto, la curvatura. Per trasmettere queste onde a sufficiente distanza occorre generalmente, a causa dell'assorbimento da parte dei corpi materiali situati sulla Terra, una notevole potenza. Talvolta è possibile aumentare notevolmente la distanza di trasmissione, sfruttando la proprietà riflettente della ionosfera cioè di uno strato fortemente ionizzato che circonda la Terra al di sopra dell'atmosfera. Una caratteristica relativa alla denominazione delle radiazioni elettromagnetiche è che, quanto più evidenti sono i fenomeni di diffrazione, tanto meno evidente risulta la propagazione rettilinea associata al concetto di raggio. Esempi delle diverse tipologie di trasmissione delle onde

Per questo motivo parliamo comunemente di onde hertziane e radio non di raggi hertziani, riservando la parola raggio alle radiazioni di piccola lunghezza d'onda.

Questo tipo di radiazione elettromagnetica pervade tutto l'ambiente: onde radiotelevisive a tutte le frequenze (comprese quelle della telefonia mobile) da antenne trasmittenti (comprese quelle dei cellulari) e ripetitrici, campi elettrici e magnetici alternati della rete elettrica originati da d.d.p. alternate comprese tra 220 V e decine di migliaia di volt, emissione di onde dalle antenne radar in prossimità di aeroporti e basi militari, generatori di corrente elettrica alternata e dispositivi simili impiegati nell'industria.

Dunque l'ambiente è costantemente permeato da queste radiazioni che non sono ionizzanti, che cioè non hanno energia sufficiente per estrarre gli elettroni dagli orbitali atomici; hanno effetti biologici solo in caso di intensità di campo elettrico particolarmente elevate. Per ciascun tipo di onde è stato definito un limite per l'esposizione espresso in watt/m² e variabile a seconda delle sorgenti.

Microonde

Si chiamano microonde quelle radiazioni comprese nello spettro elettromagnetico fra le radio-onde frequenza compresa fra 10 Hz e 10 Hz e lunghezza d’onda che varia dai

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e l'infrarosso di decimetri ai millimetri. Si ottengono quasi esclusivamente per mezzo di speciali tubi elettrici

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(klystron, magnetron, ecc.) in cui si sfruttano le interazioni tra un fascio elettronico e l'onda elettromagnetica emessa da un generatore, in modo che la corrente elettrica incrementi la potenza dell'onda da inviare.

Le microonde sono principalmente adoperate per radio-trasmissioni direzionali, atte cioè a inviare segnali in una data direzione. Diminuendo infatti la lunghezza d'onda, incominciano a divenire meno evidenti i fenomeni di diffrazione; le microonde, come la luce, non girano per così dire intorno agli ostacoli, in genere troppo grandi rispetto alla loro lunghezza d'onda, ma vengono fermate e in parte riflesse da essi. L'onda emessa dall'emittente, generalmente confinata in un piccolo angolo di apertura, si propaga quasi in linea retta, fino alla cosiddetta portata ottica.

Visualizzazione della portata ottica di un’antenna trasmittente

Per accennare molto sommariamente a qualche notevole applicazione delle microonde, si può citare: il radar, la televisione, i servizi telegrafici e telefonici.