ENERGIA DI UN’ONDA ELETTROMAGNETICA – semplice analisi
Ogni tipo di onda è in grado di trasmettere energia
⃗) e
Un’onda elettromagnetica è costituita da un campo elettrico (𝐸
⃗ ) perpendicolari tra loro e che oscillano in fase
un campo magnetico (𝐵
perpendicolarmente alla direzione di propagazione. In questi brevi
appunti voglio dimostrare una proprietà fondamentale di un’onda
elettromagnetica: essa trasporta con sé energia che può essere
utilizzabile per tantissime applicazioni pratiche. Non solo: vedremo
ben presto che è proprio l’energia trasportata dalle onde
elettromagnetiche a dare forma all’Universo e a permettere l’esistenza
stessa della vita sulla Terra!
Si può capire che un’onda in generale, non necessariamente un’onda elettromagnetica, trasporta con sé energia
immaginando cosa accade quando… siamo a sguazzare nel mare d’estate! Nuotiamo beati, infischiandocene di
Fisica… ed arriva un’ondona che ci travolge! All’inizio eravamo immobili a pelo d’acqua (energia cinetica ed
energia potenziale nulla) ed ora che è arrivata l’onda… andiamo in su e giù! 1) Prima ci sentiamo sollevati; 2)
poi arriviamo in cima all’onda; 3) a questo punto ricadiamo verso il basso e scendiamo sotto il livello iniziale; 4)
ci rifermiamo di nuovo; 5) l’onda infine ci riporta al livello di partenza.
Penso che chiunque abbia provato un’esperienza simile, perciò non
starò a descriverla oltre.
Vediamo di analizzarla dal punto di vista fisico:
1) L’onda trasferisce su di noi energia cinetica, dandoci velocità
verso l’alto.
2) L’energia cinetica diventa tutta energia potenziale quando siamo
in cima.
3) Di nuovo energia cinetica, stavolta con velocità verso il basso.
4) L’energia cinetica si trasforma di nuovo in energia potenziale.
5) Di nuovo energia cinetica con velocità verso l’alto.
E’ evidente che l’onda marina ci ha fornito un’energia che prima non avevamo.
Stessa cosa accade quando un’onda elettromagnetica incide su di una particella di carica q. Supponiamo per
⃗ dell’onda elettromagnetica oscilli in direzione verticale, come l’onda marina
semplicità che il campo elettrico 𝐸
⃗ q: poiché 𝐸⃗ oscilla alto-basso, la particella
dell’esempio sopra. La particella q subisce una forza elettrica 𝐹𝑒𝑙 =𝐸
q acquisterà prima una spinta verso l’alto (riceve energia cinetica), poi quando il campo elettrico inverte il suo
verso riceve una spinta verso il basso che prima la rallenta fino ad immobilizzarla nel punto più alto (l’energia si
trasforma in potenziale) e poi la spinge verso il basso (l’energia diventa di nuovo cinetica). Dopodiché il campo
elettrico inverte nuovamente il suo verso puntando una seconda volta verso l’alto cosicché la particella rallenta
ancora una volta fino ad immobilizzarsi nel punto più basso (l’energia è ora potenziale) e poi accelera di nuovo
verso l’alto… ripetendo il ciclo.
E’ chiaro che l’onda elettromagnetica è stata in grado di trasferire energia alla particella carica: perciò, se
crediamo che valga il Principio di Conservazione dell’Energia e che dunque l’energia trasferita non sia
apparsa dal nulla, dobbiamo credere che l’onda abbia in sé un’energia che è in grado di trasmettere a tutte le
particelle cariche che incontra.
In termini energetici, l’onda elettromagnetica è associabile ad un flusso di energia (energia elettromagnetica o
energia radiante) che, nel vuoto, si propaga alla velocità della luce. In un mezzo omogeneo la propagazione
avviene in linea retta.
Come vedremo a lezione, la velocità delle onde elettromagnetiche è diversa in dipendenza del mezzo nel quale
si propaga. Nel vuoto la velocità è stata misurata in 299.792.458 metri/ sec. Questo valore viene normalmente
arrotondato a 300.000 Km/sec e si indica con la lettera “c”.
Le grandezze fisiche associate all’energia di un’onda elettromagnetica e le sue proprietà matematiche sono
trattate nel vostro libro al paragrafo “ Energia trasportata da un’onda elettromagnetica” e… negli appunti che
avete preso in classe!
Uso dell’energia radiante: semplici esempi
Grazie alle onde elettromagnetiche è possibile trasmettere energia a distanza
senza contatto diretto fra chi produce energia e chi la riceve. Dirò di più: le onde
elettromagnetiche sono praticamente l’unico modo che noi abbiamo per
trasmettere energia a distanza. Gli usi pratici dell’energia elettromagnetica
sono molteplici, quasi innumerabili: i nostri telefonini, i wifi, ma anche la radio,
la TV ed ogni tipo di telecomando a distanza… funzionano esclusivamente grazie
all’emissione ed alla ricezione di onde elettromagnetiche. Anche l’umile forno a
microonde è un chiaro esempio di utilizzo di energia radiante, in questo caso
per scongelare o cuocere rapidamente il cibo senza metterlo a contatto con la
fiamma.
Un altro ambito dove l’energia delle onde elettromagnetiche è
ampiamente usata è la medicina. I raggi X usati nelle radiografie
ne sono un esempio chiarissimo, così come la TAC, la risonanza
magnetica e tanti altri esami che si basano sul produrre energia
elettromagnetica che viene poi ricevuta ed analizzata dopo che ha
attraversato il nostro corpo.
Per quanto riguarda l’emissione naturale di energia radiante, ne
abbiamo un esempio chiarissimo ogni mattina quando ci svegliamo: la
luce che proviene dal Sole altro non è che energia elettromagnetica che
noi percepiamo come calore e luce!
Trovate voi altri esempi di energia elettromagnetica!
Testo in parte ripreso dal sito
http://www.atlantedinumerielettere.it/energia2006/pdf/chiarelli.pdf
