radiazioni elettromagnetiche.F.Ragni

Elettromagnetismo
Francesco Ragni
Classe 3H
Liceo Scientifico Statale C.Darwin
Rivoli, 26/08
L'elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica,
tra cui i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche, e le correnti elettriche prodotte dai campi
magnetici variabili, il cui comportamento classico è descritto dalle equazioni di Maxwell, e
quantisticamente dall'elettrodinamica quantistica.
NASCITA DELL’ELETTROMAGNETISMO
Già nel XVII secolo Gilbert(1) aveva posto le basi dello studio dei campi magnetici. Gli studi
effettuati nel secolo successivo portarono a grandi approfondimenti della conoscenza dei campi
elettrici che culminarono nell’ideazione pila di Volta nel 1799. L'uso di questa invenzione negli
esperimenti effettuati da Ampere e Faraday, all'inizio del secolo XIX, fece capire che vi era una
stretta connessione tra magnetismo ed elettricità. Questa connessione era stata intuita partendo
dall’osservazione di alcuni fenomeni, come ad esempio, la smagnetizzazione della bussola di una
nave durante una tempesta con fulmini. Molti furono gli studiosi che si applicarono in questo
campo: Faraday riuscì a produrre scintille, tipica manifestazione elettrica, utilizzando la corrente di
una pila e quello che oggi noi chiameremmo trasformatore. Nobili, per primo, ottenne scintille da
una calamita per induzione elettromagnetica. Maxwell riordinò i risultati di questi esperimenti
costruendo una teoria matematicamente coerente dell'elettromagnetismo ed ipotizzando che anche
la luce fosse un'onda elettromagnetica. Melloni dimostrò che la radiazione calorifica (infrarosso) si
comporta in modo analogo alla luce. La spettroscopia associata alla fotografia, dimostrò che la luce
del sole e quella dell'arco elettrico contengono anche radiazioni (UV), non visibili, di lunghezza
d'onda minore della luce. Hertz indicò come produrre onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda
di alcuni metri e Righi ottenne onde di qualche centimetro. Roentgen scoprì i raggi X e Bequerel i
raggi gamma. Marconi produsse onde lunghe chilometri. Negli ultimi anni del secolo XIX veniva
così completato lo spettro delle onde elettromagnetiche.
I termini con cui vengono classificate anche oggi le onde elettromagnetiche, e le unità di misura
relative, sono legati agli scienziati che ne hanno fatto la scoperta, e di distinguono in:
La gamma da 0 a 10 kHz sono denominate ELF (Extremely Low Frequency).
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La gamma da 30 kHz a 300 MHz sono denominate RF (Frequency Radio)
La gamma da 300 Mhz a 300 GHz sono denominate MW (Microwave )
Il meccanismo e la velocità di propagazione nel vuoto di tutte le onde elettromagnetiche sono
identici, indipendentemente dalla lunghezza d'onda o frequenza. All’aumentare della frequenza si
hanno però delle graduali variazioni riguardo il modo di interagire con la materia. L'emissione delle
onde, il loro assorbimento e la loro propagazione in mezzi materiali, infatti, dipendono dalla natura
fisica e dalle condizioni delle sostanze emittenti ed assorbenti o di quelle che consentono la
propagazione.
(1)Fisico inglese (1540-1603) scrisse il De Magnete; ha dato il nome ad un’unità di misura della
forza magnetomotrice, il gilbert(Gb).
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Spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico è suddivisibile in due grandi regioni:
quella della radiazioni ionizzanti
e quella delle radiazioni non ionizzanti.
Le radiazioni ionizzanti, onde elettromagnetiche di frequenza estremamente alta, determinano
modificazioni irreversibili dello stato della materia che incontrano lungo il loro cammino. Tale effetto è
denominato “ionizzante”, ossia alterazione del numero di cariche elettriche positive o negative presenti negli
atomi. Si tratta di raggi X e Gamma,le cui proprietà dell’alterazione della materia sono utilizzate in medicina,
ad esempio per le radiografie, secondo procedure molto rigorose.
Le Radiazioni Non Ionizzate, convenzionalmente denominate NIR ( No ionizing radiation), sono tutte
quelle radiazioni elettromagnetiche la cui energia non è sufficiente a determinare modificazioni a livello
molecolare della materia. Da qualunque fronte esse derivino (ovvero: naturale, industriale ed artigianale, da
telecomunicazioni e radar, da fonti domestiche, diagnostiche e terapeutiche), esse si diffondono nello spazio
ed hanno una limitata capacità di trasferire energia nell’interazione con i corpi. Limitazione alla NIR,
all’aumentare delle frequenze si ha un assorbimento sempre più superficiale. In particolare per radiazione a
bassa frequenza si ha un assorbimento anche a livello dei tessuti interni, mentre per le alte frequenze
l’assorbimento si limita alla superficie del corpo umano. Tra le radiazioni non ionizzanti, le cui frequenze
vanno da 0 a 300 GHz, possiamo distinguere: ELF, RF e MW.
Conseguenze sulla salute delle onde elettromagnetiche
Si conoscono bene gli effetti sull’uomo dell’esposizione a livelli molto elevati di campi
elettromagnetici. Tali effetti sono detti “a breve termine” o “deterministici” perché è noto che
all’aumentare dell’intensità dell’esposizione aumenta l’intensità dell’effetto.
In particolare è stato molto studiato l’effetto di riscaldamento dei tessuti ai campi a radiofrequenza e
microonde, a partire dalla Seconda Guerra Mondiale, quando ci si accorse che i radaristi che
eseguivano operazioni di manutenzione sull’antenne in funzione rischiavano la cecità permanente e
la sterilità. Per motivi diversi, il cristallino ( perché poco irrorato di sangue ) e i testicoli ( perché
estremamente sensibili al calore ) sono infatti organi a elevato rischio termico. Dall’altra parte i
radar usano potenze di picco molto elevate, dell’ ordine dei megawatt ( milioni di watt ), e i tessuti
esposti possono arrivare ad assorbire potenze dell’ordine dei 100 watt per chilogrammo ( W/Kg ) e
oltre, in grado di provocare danni termici acuti.
Le suddette esposizioni dei lavoratori addetti ai radar sono molto diverse da quelle alle quali è oggi
esposta la popolazione. Le soglie di sicurezza imposte attualmente dalla legge sono estremamente
più basse.
I limiti di esposizione fissati dalla Commissione Internazione per la protezione dalle radiazioni non
ionizzanti sono di 0,4 W/Kg per le esposizioni professionali, e di 0,08 W/Kg per la popolazione in
generale. Esposizioni cioè che producono un riscaldamento inferiore a quello spontaneamente
prodotto dall’organismo umano a riposo, chiamato metabolismo basale; che è di 1,2 W/Kg.
L’argomento è tutt’altro che semplice. È facile fare confusione tra vocaboli come perturbazione,
effetto biologico, danno e rischio: quando un organismo è immerso in un campo elettromagnetico,
subisce sicuramente una perturbazione, ma non necessariamente un effetto biologico ( cioè una
variazione di forma o di funzione di tessuti, organi o sistemi).
L’effetto biologico a sua volta non è necessariamente un danno; affinché un tale danno si verifichi
l’effetto deve superare la capacità di compensazione dell’organismo.
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Con “rischio” si intende la probabilità di subire un danno e le norme di sicurezza servono a
proteggere gli individui proprio dal rischio, fissando dei valori limite di esposizione al di sotto dei
livelli che provocano danni accertati.
Gli studi sugli effetti a lungo termine dei campi a bassa e alta frequenza sull’uomo sono di tre tipi:
 studi epidemiologici, cioè studi su campioni di popolazione esposta e non esposta, per
osservare l’incidenza di certe patologie;
 studi in vivo, su animali da esperimento;
 studi in vitro, su colture cellulari.
Per quanto riguarda i campi a bassa frequenza, in particolare per quelli generati da elettrodotti, sono
stati effettuati moltissimi epidemiologici a partire dal 1979 e diversi studi in vivo e in vitro. In
particolare L’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro, tramite un’apposita commissione
scientifica, ha analizzato molti di questi studi, cercando di correlare l’esposizione di popolazione a
campi a bassa frequenza ed insorgere di diverse patologie (tumori, patologie del sistema neuroendocrino, ecc.). E’ stata riscontrata un’ associazione limitata tra l’esposizione a livelli
residenziali elevati di campo elettromagnetico a bassa frequenza (da elettrodotti,
elettrodomestici) e un aumento del rischio di leucemia infantile. Si parla di rischio in quanto
l’esposizione a tali campi fa aumentare la probabilità di insorgenza della leucemia infantile
rispetto alla probabilità di sviluppare tale malattia tra la popolazione non esposta.
Per quanto riguarda gli studi epidemiologici sui campi a radiofrequenza, sono stati effettuati diversi
studi su esposti per ragioni professionali, alcuni sulla popolazione residente in aree intorno a
trasmettitori radio-TV e sei studi sugli utilizzatori di telefoni cellulari.
Da questi studi, così come da quelli in vitro e in vivo, non sono emerse evidenze convincenti di
danni alla salute, tanto che la IARC non ha ancora classificato questo tipo di esposizione poiché
molti studi risultano ancora in corso.
Le applicazioni utili alla salute delle onde
elettromagnetiche
Il fatto che i campi elettromagnetici interagiscano in qualche modo con l’organismo umano può
essere sfruttato a favore della salute. Esistono, infatti, metodi di indagine sanitaria e terapie basate
sull’utilizzo di campi elettromagnetici a varie frequenze e intensità.
Uno dei casi più conosciuti è la Risonanza Magnetica, strumento che permette di “indagare “
all’interno del corpo umano, con una precisione molto elevata. Essa si basa sull’effetto provocato da
un campo magnetico molto intenso (prodotto da un grande magnete) associato a segali di
radiofrequenza: a partire dall’eco di questi segnali proveniente dal corpo umano, vengono
ricostruite le immagini delle strutture con le quali il segnale ha interagito.
Un’altra applicazione meno nota è la magnetoterapia utilizzata per accelerare la guarigione e la
riabilitazione in seguito a traumi, in particolare ad ossa e articolazioni. In questo caso si sfrutta un
campo magnetico a bassa frequenza. Il loro effetto è quello di indurre delle correnti elettriche nel
tessuto osseo, stimolando a sua volta la rigenerazione delle cellule ossee.
Un’ulteriore applicazione è l’ipertermia clinica, che viene utilizzata soprattutto per la cura dei
tumori (associata a chemioterapia e radioterapia) e in fisioterapia. Attraverso l’uso di campi
elettromagnetici a radiofrequenza il tessuto tumorale viene riscaldato fino ad una temperatura di
43°C
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Le interferenze dovute a campi elettromagnetici
I campi elettromagnetici sono la causa di un tipo di disturbo poco conosciuto, ma potenzialmente
pericoloso: l’interferenza con gli apparecchi elettronici.
Tale interferenze può riguardare molti tipi di apparecchi elettronici ormai di uso diffuso, quali: gli
antifurti delle auto, gli schermi dei computers, i sistemi di guida degli aerei, i pace-maker ed altre
apparecchiature elettromedicali salvavita.
Questo tipo di fenomeno si può verificare facilmente, ad esempio, quando si usa un telefono
cellulare vicino ad un computer, o vicino alle casse di un altoparlante: si possono, infatti, vedere o
sentire i disturbi provocati nel funzionamento dell’elettronica di tali sistemi.
L’utilizzo militare dei campi elettromagnetici
Esistono diversi studi su quello che viene definito missile elettromagnetico. L’idea è quella di
concentrare un fascio molto potente di onde in un punto nello spazio e usarlo per mettere fuori uso i
sistemi di guida elettronic dei missili. Altre applicazioni sperimentano apparecchiature militari
specifiche per il cosiddetto NEMP (Nuclear ElectroMagnetic Pulse), che simula l’effetto
dell’esplosione di un ordigno nucleare, producendo, anche a distanza di parecchi Km campi
elettromagnetici così intensi da danneggiare tutte le apparecchiature elettroniche non
opportunamente progettate.
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Elettromagnetismo in casa
Quali sono le sorgenti di campo elettromagnetico che possiamo trovare nelle nostre abitazioni
e che cosa emettono?
Tutti gli apparecchi che funzionano a corrente elettrica generano prevalentemente campi
elettromagnetici a bassa frequenza. Gli elettrodomestici come il phon, il rasoio elettrico, il
televisore, i condizionatori d’aria, sono sorgenti di campo magnetico quando sono accesi.
Si tratta, però, di sorgenti che emettono campi molto localizzati, quindi allontanandosi di pochi cm i
valori tornano al livello ambientale, e che non provocano esposizione prolungata nel tempo, perché
vengono accese per brevi periodi.
Anche in assenza di elettrodomestici in funzione, in tutti gli ambienti domestici esiste un campo
magnetico a bassa frequenza “di fondo”, generato dai fili conduttori della rete di distribuzione
elettrica dell’abitazione.
Per quanto riguarda i campi a frequenza maggiore (radiofrequenze e microonde), le uniche fonti
domestiche (a parte i telefoni cellulari) sono il forno a microonde e i telefoni cordless. Il forno a
microonde genera al suo interno onde ad alta frequenza (2450MHz). Per tale motivo è importante
che il suo uso sia corretto e la manutenzione eseguita solo da tecnici competenti. Però può
succedere in forni più vecchi e usurati che non siano ben schermati, il chè permetterebbe la
fuoriuscita di campi elettromagnetici durante il loro funzionamento.
I cordless sono dei telefoni portatili che usano modalità di comunicazione con collegamenti rado da
una base. Le potenze utilizzate sono generalmente inferiori a quelle dei cellulari, ma anche i
cordless hanno lo svantaggio di irradiare energia vicino alla testa.
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Esperimento
OBIETTIVO: quantificare le radiazioni elettromagnetiche emesse da uno strumento usato
quotidianamente
Data: 26/04/08
ORA: 14.37
Luogo: salone di casa mia
Materiali:
 Cellulare modello N
 Cellulare modello NN
 Misuratore di campo elettrico e magnetico modello Wandel & Goltermann EMR300
 Sonda biconica per campo E
Campo di misura:
Unità di campo elettrico: V/m
Intervallo di lettura: ogni 2 sec
Intervallo di media : ogni 6 minuti
Durata totale: 50 min
N° misurazioni: 5
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1° Prova: misuro i valori di fondo del salone, senza la presenza di sorgenti elettromagnetiche.
Durata: circa 10 min
Risultati:
Valore max
Valore Medio
Valore Media max
0,60 V/m
0,30 V/m
0,56 V/m
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2° Prova: misuro i valori durante il funzionamento del cellulare NN a circa 20cm di distanza.
Durata: circa 10 min
Risultati:
Valore max
Valore Media
Valore Media max
1,24 V/m
0,30 V/m
0,38 V/m
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3° Prova: misuro i valori durante il funzionamento del celulare NN a circa 2cm di distanza.
Durata: circa 10 min
Risultati:
Valore max
Valore Medio
Valore Media max
2,73 V/m
0,71 V/m
0,74 V/m
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4° Prova: misuro i valori durante il funzionamento del celulare N a circa 2cm di distanza.
Durata: circa 10 min
Risultati:
Valore max
Valore Medio
Valore Media max
36,86 V/m
7,14 V/m
12,38 V/m
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5° Prova: misuro i valori durante il funzionamento del celulare N a circa 2cm di distanza.
All’esperimento di prima aggiungo un fattore: il cellulare è sotto carica
Durata: circa 10 min
Risultati:
Valore max
Valore Medio
Valore Media max
21,99 V/m
5,82 V/m
11,46 V/m
Osservazioni: Confrontando la terza prova e la quarta osservo che il cellulare N produce un
campo elettromagnetico dieci volte maggiore rispetto al cellulare NN.
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