Cellulare in tasca fa male

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

1

ma sapendo che: f = T v

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

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

4

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: 

   ( E )

  

C( )= B ma contemporaneamente C( )=

l

B B 0 0 

t



E l

2



E l  

  

E v

B B = B =

 

 

l 0 0

o o

0 0 t

t (velocità della luce

1 m

 

v nel vuoto)

  2 8

 

  

( B v ) v 

v 3 10

B = 1 =

0 0 0 0   s

0 0

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

m

8



10

v = 2,9979 s

In un mezzo con costante dielettrica relativa ε e di permeabilità magnetica relativa μ la velocità

r r

di propagazione delle onde elettromagnetiche, per le equazioni di Maxwell, risulta:

c



v  

r r

La grandezza v essendo una velocità avrà quindi dimensione:

   

   

   

1 1 1

     1

   

l t

     

  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.

5

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

B = sin2π  

o 

T

 

t x

 



E

E = sin2π  

0 

T

 

In cui T indica il periodo e λ indica la lunghezza d’onda, mentre x la distanza di punto dall’origine

B E

del sistema di riferimento, e rappresentano i valori massimi di B e E.

o 0 6

Lo spettro elettromagnetico Nota: da questo punto in

Lo spettro elettromagnetico è l'intervallo di tutte le possibili avanti, i termini onda

frequenze delle radiazioni. Le varie parti dello spettro rappresentano elettromagnetica e

intervalli di lunghezza d’onda e quindi di frequenza che si radiazione in quanto

raccordano con continuità fra loro; praticamente è impossibile sinonimi verranno

circoscrivere in modo univoco sia i limiti delle componenti sia il utilizzati con il

limite inferiore e superiore dello spettro. I nomi utilizzati per medesimo significato.

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.

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

7

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.

8

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

Le onde radio

Sono così chiamate le radiazioni elettromagnetiche di frequenza inferiore a circa 10 Hz e

8

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

e l'infrarosso di frequenza compresa fra 10 Hz e 10 Hz e lunghezza d’onda che varia dai

8 11

9

decimetri ai millimetri. Si ottengono quasi esclusivamente per mezzo di speciali tubi elettrici

(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.

La tecnica utilizzata presenta alcuni notevoli vantaggi rispetto agli altri tipi di trasmissione. Infatti

l'energia chiesta per la trasmissione è generalmente minima, in quanto, trattandosi di onde

direzionali, esse non vengono disperse in tutte le direzioni dello spazio. Inoltre il costo d'impianto è

molto minore, non solo rispetto alla trasmissione a filo (si risparmiano i fili di conduzione), ma

anche rispetto alle potenti stazioni trasmittenti di radioonde. Infine si ha il vantaggio della

segretezza, poiché il messaggio è intercettabile solo lungo il percorso del raggio. L'unico

inconveniente è che le microonde hanno un raggio d' azione limitato alla portata ottica; si rende

quindi necessaria, per coprire una notevole distanza di trasmissione, una successione di stazioni a

visibilità geometrica fra loro (tecnica dei ponti radio).

Infrarosso

Sono dette infrarosse le radiazioni di frequenza compresa

fra 10 Hz e 10 Hz, corrispondenti a lunghezze d’onda

11 14

variabili da qualche millimetro a qualche micron.

Queste radiazioni sono prodotte in notevole misura dai

corpi caratterizzati da temperatura nell’ordine di qualche

centinaio di gradi Kelvin e sono spesso generati dalla

rotazione e dalla vibrazione delle molecole, che ruotando e

vibrando più vigorosamente comportano un aumento di

temperatura. Reciprocamente, la loro frequenza è adatta a

mettere in vibrazione le cariche dei corpi che esse Termografia a infrarosso

investono e, pertanto, questo tipo di radiazione si trasforma,

con grande efficienza, in energia termica dei corpi investiti

solidi e liquidi.

A causa della loro lunghezza d’onda relativamente grande, sono invece sono poco assorbite