Onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche sono onde composte da campi magnetici e campi elettrici variabili che si propagano nello spazio con un moto ondulatorio.
I due fenomeni sono strettamente connessi tra loro. Un campo elettrico variabile induce un campo magnetico e viceversa.
Un esempio di onda elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali.
Un'onda elettromagnetica si muove nello spazio vuoto a forma di onda con un'oscillazione sinusoidale.
Il campo elettrico (E) e il campo magnetico (B) sono associati e sono perpendicolari tra loro e nei confronti della direzione dell'onda.
Quando aumenta il campo elettrico (E) aumenta il campo magnetico (B) e viceversa.
Spiegazione. Una carica elettrica è sorgente di un campo magnetico B e di un campo elettrico. Se c'è una variazione del campo elettrico (ΔE), questo genera un cambiamento del cambiamento del campo magnetico (ΔB) che a sua volta genera un cambiamento del campo elettrico (ΔE) e così via.
Perché il campo elettromagnetico si propaga a onde
L'ipotesi fu avanzata dal fisico inglese Maxwell nel XIX secolo.
Nella teoria di Maxwell il campo elettrico induce induce un campo magnetico e viceversa.
Secondo Maxwell la forza del campo elettrico è perpendicolare alla forza del campo magnetico.
Allo stesso modo, il campo magnetico è perpendicolare al campo elettrico.
Inoltre, entrambi i campi sono perpendicolari alla direzione dell'onda.
La relazione tra il campo elettrico e il campo magnetico è la seguente:
L'ipotesi teorica di Maxwell venne poi confermata dagli esperimenti di Heinrich Rudolf Hertz.
L'esperimento di Hertz. Hertz produsse le onde elettromagnetiche tramite un'antenna trasmittente. In genere, l'antenna è un corpo conduttore lineare. Un generatore di corrente alternata alimenta un condensatore che immagazzina l'energia sotto forma di campo elettrico e poi scarica l'energia elettrica verso un solenoide che crea un campo magnetico. Le radiazioni elettromagnetiche si propagano a onde in tutte le direzioni. Tanto più alta è l'antenna, tanto maggiore è la lunghezza d'onda. Le onde elettromagnetiche investono un'altra antenna ricevente che genera una corrente debole con la stessa lunghezza e forma. Una volta amplificato, le onde riproducono lo stesso segnale d'origine. Nelle onde il campo elettrico e il campo magnetico oscillano perpendicolarmente alla direzione dell'onda. In questo modo, Hertz confermò l'ipotesi teorica di Maxwell.
Questi studi posero le fondamenta della teoria dell'elettromagnetismo.
Qual è la velocità delle onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche si spostano nel vuoto a 299 mila km al secondo.
Fu sempre Maxwell a ipotizzare la velocità teorica delle onde elettromagnetiche.
Si accorse così che le onde elettromagnetiche si propagano alla stessa velocità della luce (c).
Questa coincidenza gli fece intuire che anche la luce è una radiazione elettromagnetica.
Nota. La luce visibile è soltanto un'onda elettromagnetica che differisce dalle altre "non visibili" all'occhio umano per la lunghezza d'onda ( frequenza ).
Il profilo temporale dell'onda
Il profilo temporale dell'onda mostra come varia l'ampiezza del campo elettrico o del campo elettrico in funzione del tempo in un punto dello spazio.
Nota. E' come stare fermi davanti a un fiume che scorre e vedere la variazione dell'andamento delle onde nello stesso punto del fiume.
Per studiare il profilo dell'onda bisogna analizzare l'andamento del campo elettrico (E) o del campo magnetico (B) sia in funzione dello spazio (x) che in funzione del tempo (t).
Dal punto di vista spaziale l'onda elettrica si ottengono le informazioni sulla lunghezza d'onda (λ) e l'ampiezza dell'onda (E0) .
La lunghezza d'onda (λ) misura lo spazio in metri percorso dall'onda durante un'oscillazione completa.
Poi si costruisce l'onda del campo elettrico sul piano sotto il profilo temporale (t).
In questo caso, sull'asse delle ascisse viene misurato lo scorrere del tempo (t) misurato in secondi anziché lo spazio percorso dall'onda.
In questo modo, è possibile misurare il periodo dell'onda (T). Il periodo (T) è il tempo di un'oscillazione completa dell'onda.
A questo punto, l'andamento oscillante dell'onda è rappresentabile con una funzione sinusoidale ( es. coseno ).
L'equazione del profilo temporale del campo elettrico è la seguente:
L'equazione è composta da una parte spaziale (k·x) e una parte temporale ( ω·t ).
Nota. L'equazione del profilo temporale del campo magnetico (B) può essere costruita in modo analogo.
Quali sono i tipi di onde elettromagnetiche
Esistono diverse tipologie di onde elettromagnetiche che si distinguono tra loro per carica e dimensione.
L'insieme delle onde compone lo spettro elettromagnetico.
Questa rappresentazione mostra lo spettro per frequenza d'onda.
Esempio. La luce visibile, i raggi x, le radiazioni ultraviolette, i raggi infrarosso, i raggio gamma, le radio onde, le micro onde, ecc. Queste onde hanno una lunghezza d'onda differente ossia una frequenza diversa.
Le onde elettromagnetiche trasportano energia
Le onde trasportano energia elettromagnetica radiante in base alla loro frequenza.
Tanto è più alta la frequenza, tanto maggiore è la quantità di energia trasportata dall'onda.
La frequenza è l'inverso della lunghezza d'onda.
Perché sono dette radiazioni elettromagnetiche? Le onde elettromagnetiche sono dette radiazioni perché irradiano energia ( radiante ) durante la propagazione.
Le onde elettromagnetiche non trasportano la materia.
Tuttavia, quando incontrano un ostacolo materiale possono interagire con questo.
Sono soggette agli stessi fenomeni delle onde meccaniche:
- assorbimento
- trasmissione
- riflessione
- rifrazione
- diffrazione
- interferenza
Cosa determina la lunghezza d'onda
In generale, un'onda elettromagnetica ha una lunghezza d'onda tanto più piccola, quanto più piccolo è il dispositivo che la genera.
Esempio. Le radiazioni gamma ( elevata frequenza = minima lunghezza d'onda ) sono prodotte dal nucleo di un atomo. Le radiazioni infrarosse, visibili e ultraviolette dalle molecole. E così via.
Viceversa, la lunghezza d'onda è tanto più grande, quanto più grande è la sorgente che la genera.
Esempio. Le onde radio lunghe sono trasmesse da antenne molto più grandi rispetto alle onde corte.
