Onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche
Nelle lezioni precedenti abbiamo visto che una variazione del flusso del campo magnetico genera in
una spira una f.e.m. indotta (legge di Lenz-Faraday-Neumann). Ciò è dovuto al fatto che la
variazione del campo magnetico B genera un campo elettrico. Il fisico inglese James Clerk
Maxwell (1831-1879) nel 1865 scoprì che, in maniera analoga alla legge di Lenz-FaradayNeumann, una variazione di campo elettrico genera nello spazio circostante e perpendicolarmente al
campo stesso un campo magnetico. Mettendo in relazione tra loro i due fenomeni, si ha che un
campo magnetico variabile genera un campo elettrico anch’esso variabile. A sua volta questa
variazione del campo elettrico determina un campo magnetico variabile e il fenomeno si ripete. Si
ottiene così la propagazione di due campi, uno elettrico e l’altro magnetico, perpendicolari tra loro e
che si generano a vicenda.. Nel 1888 il fisico tedesco Heinrich Hertz (1857-1894) costruì in
laboratorio un dispositivo in grado di generare campi elettrici e magnetici che, incontrando una
spira, producevano in essa una corrente elettrica. Scoprì quindi che dell’energia veniva trasferita dal
generatore alla spira senza trasporto di materia. Tale trasferimento di energia presentava le stesse
proprietà delle onde meccaniche, per cui fu denominato onda elettromagnetica. Nel 1896
Guglielmo Marconi (1874-1937) costruì per primo un apparato che utilizzava le onde
elettromagnetiche per trasmettere segnali a distanza senza bisogno dei fili del telegrafo. Nel 1901
Marconi riuscì a trasmettere un segnale radio dalla Cornovaglia (Inghilterra) fino a St. John’s
sull’isola di Terranova (Canada).
Proprietà delle onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dalla lunghezza d’onda λ (m), dalla frequenza f (Hz)
v
m
e dalla velocità v . Le tre grandezze sono legate dalla relazione: . Le onde
f
s
elettromagnetiche, a differenza delle onde meccaniche, possono propagarsi nel vuoto.
In base alla teoria di Maxwell la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto è data dalla
C2
N
1
12
formula: v
dove 0 8,85 10
e 0 12,56 10 7 2 sono due costanti che
2
Nm
A
0 0
entrano nel calcolo dei campi elettrici e magnetici. Utilizzando questi dati nella formula della
m
velocità si ottiene: v 3,00 108
che è il valore della velocità c della luce nel vuoto. Poiché
s
all’epoca il dibattito sulla natura della luce era ancora aperto, ma la velocità della luce era già stata
misurata con precisione, questa coincidenza portò Maxwell ad ipotizzare che la luce fosse costituita
da onde elettromagnetiche.
Le onde elettromagnetiche si propagano in linea retta. Il vettore campo elettrico E è perpendicolare
al vettore campo magnetico B ed entrambi sono perpendicolari alla direzione di propagazione
dell’onda. Pertanto le onde elettromagnetiche sono di tipo trasversale; esse vengono riflesse
seguendo le leggi della riflessione, e attraversando l’interfaccia tra mezzi diversi vengono rifratte;
danno poi luogo a fenomeni di diffrazione e interferenza come gli altri tipi di onde.
Lo spettro elettromagnetico
La frequenza di un’onda elettromagnetica può assumere qualsiasi valore positivo e l’intero
intervallo di valori prende il nome di spettro elettromagnetico. Lo luce visibile corrisponde a una
ristretta porzione dello spettro.
Le onde radio presentano la frequenza più bassa, tra 106 e 109 Hz, e sono utilizzate per le
trasmissioni radiofoniche e televisive.
Produciamo onde radio anche accendendo o spegnendo la luce e il crepitio di una radio accesa o un
improvviso sfarfallio sullo schermo televisivo ci segnalano il fenomeno.
Le microonde, con frequenza tra 109 e 1012Hz, sono utilizzate per le comunicazioni telefoniche a
grandi distanze e per i cellulari, i radar o per certi tipi di forni. Poiché la molecola d’acqua assorbe
l’energia portata dalle microonde, queste possono essere usate per riscaldare e cuocere i cibi. Le
onde radio e le microonde sono prodotte per mezzo di opportuni circuiti elettronici.
L’infrarosso, con frequenze tra 1012 Hz e 1014 Hz, sono le onde elettromagnetiche emesse per
irraggiamento dai corpi caldi. Alcuni animali, come i serpenti, sono dotati di recettori che
percepiscono i raggi infrarossi emessi da altri animali. Nella tecnologia si utilizzano gli infrarossi
per la visione notturna, per effettuare fotografie che rivelano zone a temperature diverse, per il
funzionamento della maggior parte dei telecomandi. Sono utilizzate lampade a infrarossi per
riscaldare le termoculle negli ospedali o le incubatrici per la cova delle uova. Raggi infrarossi sono
emessi dalla superficie terrestre riscaldata dal Sole, sono poi assorbiti nell’atmosfera da alcuni gas
tra cui l’anidride carbonica che intrappolano così energia termica. Si ha in questo modo l’effetto
serra che impedisce la dispersione del calore e quindi causa un riscaldamento globale.
La luce visibile è formata da onde elettromagnetiche di frequenze da 4,0·1014 Hz 7,5·1014 Hz.
L’ultravioletto, o raggi UV, con frequenze tra 7,5·1014 Hz e 1017 Hz, determina l’abbronzatura.
Un’esposizione prolungata ai raggi UV può provocare tumori alla pelle. Il Sole è una sorgente di
raggi ultravioletti, la maggior parte dei quali è assorbita dallo strato di ozono (O3) presente nella
parte alta dell’atmosfera.
I raggi X, con frequenze tra 1017 Hz e 1019 Hz, sono prodotti dall’urto di elettroni su un bersaglio
metallico. Essi possono attraversare i tessuti molli del nostro corpo, ma vengono assorbiti e quindi
fermati dalle ossa o da materiali densi. Per questa loro proprietà vengono utilizzati nella diagnosi
medica o, in campo industriale, per ricercare in strutture rigide difetti interni di costruzione. I raggi
X sono comunque dannosi perché possono alterare il DNA delle cellule generando tumori.
I raggi gamma (γ), con frequenze tra 1019 Hz e 1023 Hz, sono prodotti da decadimenti nucleari.
Sono fortemente penetranti e dannosi per le cellule viventi. Per questo motivo vengono utilizzati in
medicina per la sterilizzazione dei ferri chirurgici o per la distruzione delle cellule tumorali.
Verifiche di comprensione
1. Che cosa viene generato dalla variazione di un campo elettrico?
2. Perché la propagazione di energia tramite due campi, elettrico e magnetico, è definita come
onda elettromagnetica?
3. Qual è la relazione matematica tra la lunghezza d’onda λ, la velocità v e la frequenza f di
un’onda elettromagnetica?
4. Per mezzo di quale formula può essere calcolata la velocità della luce nel vuoto?
5. Per mezzo di quale formula può essere calcolata la velocità della luce in un mezzo materiale?
6. Quanto vale la velocità della luce nel vuoto?
7. Come si propaga un’onda elettromagnetica?
8. Come risultano i vettori campo elettrico e campo magnetico di un’onda elettromagnetica
rispetto alla direzione di propagazione?
9. Quali sono le proprietà delle onde elettromagnetiche?
Verifiche di conoscenza
1. In un’onda elettromagnetica il campo elettrico e quello magnetico sono rappresentati da vettori:
a. paralleli alla direzione di propagazione dell’onda
b. perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda
c. il campo elettrico perpendicolare e il campo magnetico parallelo alla direzione di
propagazione dell’onda
d. il vettore che risulta perpendicolare alla direzione di propagazione dipende dal circuito
che genera l’onda
2. Lunghezza d’onda λ, frequenza f e velocità v di un’onda elettromagnetica sono legate tra loro
dalla formula:
a. v = λ · f
b.
f
v
c. f = λ · v
3. Le onde elettromagnetiche possono propagarsi:
a. solamente in mezzi materiali senza propagazione di materia
b. solamente in mezzi materiali con propagazione di materia
c. solo nel vuoto
d. nel vuoto o in mezzi materiali senza trasporto di materia
4. Ordina in base alla frequenza le seguenti onde elettromagnetiche:
a. Raggi infrarossi
1. …
b. Raggi X
2. …
c. Onde radio
d. Raggi gamma (γ)
e. Raggi ultravioletti
f. Luce visibile
g. Microonde
3. …
4. …
5. …
6. …
7. …
Problemi
1. Calcola la lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica che si trasmette nel vuoto con una
frequenza di 4,50·106 Hz.
2. Determina la frequenza di un’onda elettromagnetica che nel vuoto presenta una lunghezza
d’onda di 600 m.
3. Calcola la lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche utilizzate nelle trasmissioni
televisive, di frequenze rispettivamente f1 = 200 MHz, f2 = 500 MHz, f3 =650 MHz. Considera
la velocità delle onde nel vuoto.
4. Calcola la lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica di frequenza pari a 230 GHz quando si
propaga:
a. nel vuoto
m
b. in un mezzo con velocità v 1,82 108
s
m
c. in un mezzo con velocità v 2,04 108 .
s
