Lezioni di Fisica tecnica

RICAPITOLANDO

Facciamo passare la radiazione solare, questa viene assorbita dalla piastra nera, questa raggiunge una

temperatura elevata, di massimo 100°C, e per quella temperatura il corpo nero emetterà in un range in cui

il corpo nero non è più trasparente e quindi l’ energia viene nuovamente riflessa e assorbita nuovamente

dalla piastra mantenendosi calda e quindi trasmettere il calore all’ acqua che scorre in basso.

Definiamo le proprietà di base delle radiazioni elettromagnetiche quindi facciamo un’ analogia con

il fenomeno della propagazione delle onde meccaniche, cioè uno specchio d’ acqua in cui facciamo

cadere un sasso, si creerà una perturbazione che mette in moto le particelle d’ acqua e quindi si

vedranno cerchi concentrici che sono le onde meccaniche, che man mano che si allontanano dal

sasso, che è la sorgente della perturbazione, si allargano quindi nel momento in cui ipotizziamo di

fare una sezione passante per il centro della perturbazione, vedremo la perturbazione che avrà

assunto un andamento sinusoidale. Quindi potremo definire una serie di proprietà che ci

permettono di descrivere questa onda meccanica e poi vedremo che queste proprietà sono valide

per le onde elettromagnetiche

1. Consideriamo la lunghezza d’ onda che indicheremo con LAMBDA, questa rappresenta la distanza

minima tra due punti della perturbazione sulla stessa cresta d’onda. Nel caso delle radiazione

elettromagnetiche abbiamo a che fare con ordini di grandezze più piccole quindi le lunghezze d’

onda associate alle radiazioni elettromagnetiche saranno espresse in micrometri o nanometri.

1 micrometro= 10-6 1 nm=10-9

Osserviamo che se sullo specchio d’ acqua c’è un galleggiante chiamato g se si determina la

perturbazione quando arriva al galleggiante quest’ ultimo si sposterà assecondando la

perturbazione e quindi questo intervallo di tempo in cui il galleggiante compie l’oscillazione

completa è detto periodo T [Secondi]

Possiamo andare a definire v come la velocità di propagazione dell’ onda che sarà uguale a

lambda/ T espresso in [T/S] da questa relazione ricaviamo la formula inversa (sarebbe da quando il

galleggiante inizia ad oscillare fino a quando non ritorna alla stessa posizione iniziale)

La frequenza rappresenta il numero di oscillazioni nell’ unità di tempo (in 1 secondo quante

oscillazioni ci sono) [1/s = hertz ]

Tramite l’ onda meccanica i 4 parametri ( lunghezza d’ onda, periodo T, velocità e frequenza) si

possono applicare alle onde elettromagnetiche

Nel caso delle radiazioni elettromagnetiche la velocità che si va a definire è la velocità di

propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto, quella velocità è indipendente dalla

lunghezza d’ onda ed è pari a 2,998*10 elevato a 8 su m/s

Partendo dal presupposto che la velocità nel vuoto è quella appena espressa però succede che nel

momento in cui un onda elettromagnetica si sta propagando in un determinato mezzo e poi passa

da un mezzo all’ altro subisce una serie di trasformazioni dei parametri, o meglio l’ unico che non

cambia, e che dipende dalla sorgente, poiché la frequenza si mantiene inalterata cambia la velocità

, la lunghezza d’ onda e la direzionalità, quindi la velocità nel mezzo due sarà espressa dal rapporto

tra la velocità di propagazione nel vuoto(che è un valore fisso) e il parametro n, che è l’ indice di

rifrazione (adimensionale perché sarebbe m/s=m/s) poiché in tutti i mezzi la velocità si riduce

rispetto a quella del vuoto n deve essere >1 ; ricordandoci che al variare della temperatura varia la

densità e poiché n dipende dal mezzo l’ indice di rifrazione è diverso, nel l’aria il valore è similare a

quello del vuoto (vicino al valore 1)

La frequenza dipende dalla sorgente e non dal mezzo quindi f1=f2 mentre per quanto riguarda la

velocità, se consideriamo il caso in cui mezzo 1=aria mezzo 2=acqua , possiamo calcolare la

variazione di velocità vediamo che la velocità di propagazione con l’ indice di rifrazione più piccolo

sarà più grande, al crescere dell’ indice la velocità diminuisce e quindi delta v=v1-v2

Allo stesso modo si ha una riduzione della lunghezza d’ onda poiché la lunghezza d’ onda si esprime

come la velocità/ f , ma f è costante quindi il passaggio da un mezzo puù denso a meno denso

comporta una riduzione della velocità e della lunghezza d’ onda

Il parametro è l’ energia associata a un singolo fotone, cioè c’è questa propagazione di radiazione

elettromagnetica, a questa è associata una certa quantità di energia che è divisa in pacchetti

elementari detti quanti o fotoni, quindi per ciascuno di questi elementi è possibile calcolare l’

energia associata a un singolo quanto o fotone ed è uguale ad h * f; con la verifica dimensionale j*s

*1/s si riduce il secondo e quindi l’ unità sarà j

Se passiamo da un mezzo ad un altro l’ energia associata ad un singolo fotone non c’è variazione

ma può esserci un assorbimento di fotoni all’ interno del mezzo, quindi:

Data una radiazione elettromagnetica possiamo ricavare i vari parametri, nella realtà queste

frequenze variamo da milioni di hertz a cui corrispondono nel vuoto lunghezze d’ onda che variano

da 10 alla -10 micron a 10 alla 13 micron, dobbiamo considerare che a seconda della lunghezza d’

onda e della frequenza si classificano le onde elettromagnetiche e vengono utilizzate per scopi

differenti, il range di lunghezze d’ onda a cui è associata l’ emissione di energia sotto forma di

calore è uno specifico campo dello spettro elettromagnetico che viene definito campo termico,

questo vale da 10^-1 a 10^2 micron, questo è costituito da una sorta di sotto campi (ultravioletto,

visile, infrarosso) [N.B. da sinistra a destra i valori sono in funzione di lambda, se da destra a sinistra

è in funzione della frequenza]

Parte dell’ ULTRAVIOLETTO, che parte da 10 a -1 fino a 0.380, cioè da dove parte il VISIBILE, è diviso

in ulteriori tre bande che è basata sugli effetti sugli esseri viventi (UVA responsabile della

pigmentazione , UVB della formazione di eritemi, UVC quello assorbito dallo strato di ozono e che

sono quindi raggi dannosi

Poi c’è la banda dell’ INFRAROSSO noi consideriamo da 0.780 a 10elevato a 2

Il campo del visibile è fondamentale perché comprende le radiazioni elettromagnetiche che sono in

grado di stimolare il nostro sistema visivo ( a ogni lunghezza d’ onda corrisponde a una lunghezza

d’onda che determina una percezione del colore)

Alla fine abbiamo il campo del visibile che tal volta va da 0.38 a 0.76 oppure 0.78, il campo del

visibile è fondamentale perché accorpa quella radiazione elettromagnetica che è in grado di

stimolare il nostro sistema visivo e fare in modo che vediamo il mondo che ci circonda, a ciascuna

lunghezza d’ onda corrisponde una diversa sensazione di colore che percepiamo (ecco perché

prima del visibile è ultravioletto e dopo il campo del visibile è detto infrarosso ). La visione è

affidata ai fotorecettori sulla retina (coni e bastoncelli, sulla retina ci sono i sensori) nello specifico

ci sono 3 tipi di coni Small Large e Medium, questi sono sensibili a diversi range di lunghezze d’

onda del campo del visibile, grazie al cono s percepisco viola e rosso, L percepisce arancio rosso

ecc…l’ interazione dello stimolo dei tre coni ci crea i range di colori che possiamo percepire nel

mondo, questo dipende specificamente dal nostro sistema visivo, poiché la luce la definiamo come

la radiazione elettromagnetica che è in grado di stimolare il sistema visivo umano (da 0.38 a 0.76)

Il sole emette tra 10^-1 a 3.0 micron, quindi il sole emette in tutti questi campi, noi non

percepiamo la radiazione solare ma solo quella che chiamiamo luce.

Abbiamo quindi detto che i corpi emettono questa radiazione perché hanno una propria energia

interna ma la radiazione viene caratterizzata da più lunghezze d’ onda, ci sono delle sorgenti che

vengono dette monocromatiche perché emettono in un campo molto strette di lunghezze d’ onda

I corpi emettono queste radiazioni perché hanno un energia interna ma queste radiazioni saranno

caratterizzate da più lunghezze d’ onda quindi ci sono sorgenti dette monocromatriche perché

emettono in un campo ristretto di lunghezze d’onda (nel campo del visibile tipo questi led hanno

una lunghezza d’ onda a cui è associato un valore di energia, il grafico rappresenta la distribuzione

di energia emessa o di una lunghezza d’onda ed è chiamato spettro di una sorgente,

monocromatriche perché le vediamo di un solo colore, nel caso esteso di qualunque altra sorgente

avremo un differente spettro di emissione) la funzione rappresenta l’ energia in funzione della

lunghezza d’ onda ma il profilo è frastagliato, in questo caso perché rappresenta il sole e si vede la

parte gialla che sarebbe la luce al colmo dell’ atmosfera poi nel momento in cui la radiazione è

filtrata dall’ atmosfera lo spettro cambia perché alcune lunghezze d’ onda vengono assorbite. I

valori di energia qui riportati sono espressi come Watt su m^2 (cioè un energia per unità di tempo,

cioè il flusso per unità di tempo e di area, su nanometro perché è una potenza associata a un

intervallo infinitesimo di lunghezze d’ onda, questa grandezza è chiamata irradianza o

irraggiamento. RICAPITOLANDO sul grafico vedremo

- Un energia associata alla singola lunghezza d’ onda

- il grafico che rappresenta la distribuzione di energia in funzione della lunghezza d’ onda detto

spettro di emissione che ha un andamento dipendente dal corpo

Quando parliamo di irraggiamento le grandezze, definite radiative, che andiamo a prendere in

considerazione sono

- POTERE EMISSIVO

È l’ energia termica che viene emessa dalla superficie, perché il corpo ha un energia interna,

considerata nell’ unità di tempo per unità di aria [W/m^2, W è una potenza cioè un energia per

unità di tempo, * unità di area quindi m^2]

Quindi il potere emissivo è quello che viene emesso dal corpo perché si trova a una certa

temperatura e ha una certa energia interna, si può chiamare potere emissivo o emettenza radiativa

- IRRADIAZIONE o IRRADIAMENTO o IRRADIANZA (rappresentata dal grafico del sole)

Corrisponde all’ energia [W/m^2] che un