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periodico di informazione
del Gruppo Silaq
Anno 4 n°4 - Dicembre 2006
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Onde elettromagnetiche: principali caratteristiche dei campi
Fausto Gelmini
Docente Igiene e Sicurezza del Lavoro
Non ci dilunghiamo sulla genesi e sul significato di questo tipo di onde. Per questo si
rimanda il lettore a nozioni apprese nei corsi di base. Limitandoci a ricordare che
cariche elettriche in moto oscillatorio generano nello spazio circostante un campo
elettrico E ed un campo magnetico H anch'essi oscillanti, che generandosi l'un l'altro si
propagano in ogni direzione alla velocità della luce. Velocità v, frequenza f e
lunghezza d'onda l sono legate dalla relazione v = lf, universalmente valida per tutti i
fenomeni ondulatori. Non esistono limiti concettuali alle lunghezze d'onda (o
frequenze) che un'onda e.m. può assumere: si spazia dalle migliaia di km alle
dimensioni del nucleo atomico. Tuttavia, quando si parla di “elettrosmog” (ovvero di
“inquinamento elettromagnetico”) ci si riferisce solitamente a un range di frequenze
che va da 0 Hz (caso limite dei campi statici) a circa 300 GHz (microonde). Le relative
sorgenti possono essere le più disparate: un elettrodotto a 50 Hz genera onde e.m. con
l= 6000 km, un'antenna low frequency (LF) onde di 1-10 km, mentre un magnetron
per forni a microonde genera onde di circa 12 cm. Le unità di misura S.I. del campo
elettrico E e del campo magnetico H sono rispettivamente il volt/metro (V/m) e
l'ampère/metro (A/m), e quando si misurano campi periodicamente variabili nel tempo
ci si riferisce, salvo indicazione contraria, ai loro valori efficaci.
Anche se dal punto di vista quantistico un'onda e.m. deve essere considerata come un
insieme di fotoni di energia e fissata dalla relazione di Planck (e = hf, con h costante di
Planck = 6,63x10-34 Js, joulesecondo), si vede subito che nell'ambito delle frequenze di
interesse i fotoni associati hanno al più un'energia di circa 2x10-22 J, inferiore a 10-3
elettronvolt (1 eV = 1,6x10-19 J). Ben si comprende come le molecole di qualsiasi
materiale (per es. quelle dei tessuti animali) investito da queste onde non possano
subire modifiche strutturali permanenti, quali la ionizzazione, che presuppone un
assorbimento di energia dell'ordine delle decine di eV . Le uniche transizioni che
potranno esservi indotte interesseranno al più i livelli energetici rotazionali,
traslazionali e vibrazionali, che costituiscono un insieme di livelli praticamente
continuo e che coinvolgono energie di tipo sostanzialmente termico. Per questo
motivo, trattando di NIR (non ionizing radiation), un approccio quantistico viene
giudicato inessenziale e si adotta quindi il punto di vista della fisica classica.
A fini descrittivi e protezionistici, è importante la distinzione tra zona di campo
lontano e zona di campo vicino, l'estensione delle quali dipende:
! dalla dimensione d della sorgente, intesa come massima dimensione lineare
della sua parte radiante, e
! dalla lunghezza d'onda l .
La maggiore delle due grandezze l e d2/l stabilisce a quale distanza dalla sorgente si
realizza la distinzione tra campo vicino e campo lontano.
La lunghezza d'onda l definisce la distanza oltre la quale ci si trova in zona di
radiazione. A distanze inferiori si passa gradualmente in zone dette di campo reattivo,
che predominano a distanze inferiori a l/10. In questa zona la struttura dei campi è
chiamata quasi - statica, per la sua stretta similitudine con quella dei campi statici, da
cui si differenzia solo perché la loro intensità oscilla nel tempo. Ciò significa che in
ogni istante, in questa zona, i campi hanno il modulo, la direzione e il verso che si
potrebbero teoricamente ricavare considerando la distribuzione istantanea delle
cariche elettriche e delle correnti nella sorgente.
La quantità (d2/l) indica invece la distanza oltre la quale il radiatore può considerarsi
puntiforme. Tutte definizioni, queste, da non interpretarsi troppo rigidamente.
Nel caso che d <<l si ha a che fare con un radiatore corto, per il quale è l la distanza
oltre la quale si passa dalla zona di campo vicino a quella di campo lontano (caso di
stazioni radio per onde medie, saldatrici e incollatrici industriali, apparecchi di
marconi - terapia).
Se invece d è dell'ordine o molto maggiore di l, si è in presenza di un radiatore esteso,
per il quale la stessa transizione si verifica alla distanza d2/l (tipica per i generatori di
microonde).
a) Lontano dalla sorgente, i campi E, H e la direzione di propagazione dell'onda
e. m. costituiscono una terna ortogonale destrorsa. Inoltre E ed H oscillano
mantenendosi in fase l'uno rispetto all'altro e con i rispettivi moduli in
rapporto costante, rapporto detto impedenza d'onda. Tale rapporto, che ha le
dimensioni di una resistenza, è legato alle caratteristiche del mezzo di
propagazione dalla relazione:
h =
E
=
H
m
e
dove m ed e sono rispettivamente la permeabilità magnetica e la costante
dielettrica del mezzo. Nel vuoto questo rapporto vale 377W .
La propagazione dell'onda e. m. avviene con trasporto di energia elettrica e
magnetica. La potenza trasportata attraverso l'unità di superficie, detta
densità di potenza S, è data dal prodottor dei valori
di E ed H, ovvero
r efficaci
r
dal modulo del vettore di Poynting ( S = E Ù H ), e, data la relazione
costante esistente tra loro, può esprimersi mediante uno solo di essi:
S = E ×H =h ×H
2
=
E2
h
relazioni queste dalle quali si vede che le tre grandezze E, H e S sono tutte note
se è conosciuto il valore di una sola di esse.
Allontanandosi dalla sorgente, la densità di potenza deve decrescere con
l'inverso del quadrato della distanza r. Quindi sempre dalle relazioni
precedenti si deduce che E ed H (al contrario dei campi statici) decrescono
come 1/r.
Quando un'onda e. m. incontra la superficie di separazione tra due mezzi,
dall'onda incidente nascono un'onda riflessa e una rifratta, o trasmessa, che
seguono le note leggi dell'ottica geometrica. L'intensità dell'onda riflessa è
tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra le impedenze d'onda dei
due mezzi, e si chiama coefficiente di riflessione il rapporto tra l'intensità del
campo E riflesso e quella del campo E incidente (tale coefficiente dipende in
modo complicato dall'angolo di incidenza, dall'impedenza dei due mezzi e
dalla polarizzazione dell'onda). Questo fatto può essere vantaggiosamente
sfruttato per realizzare delle guide d'onda, nelle quali l'energia può propagarsi
con scarsa dispersione, senza subire l'attenuazione prevista dalla legge
dell'inverso del quadrato della distanza.
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Onde elettromagnetiche: principali caratteristiche dei campi
Se le dimensioni di un corpo investito da onde e. m. è pari a un multiplo intero
di una mezza lunghezza d'onda, si può verificare il fenomeno della risonanza.
Supponiamo che il corpo in questione sia caratterizzato da un'elevata
impedenza rispetto al mezzo circostante. La pur modesta frazione di energia
e. m. che riesce a penetrarvi dall'esterno, incontrando l'interfaccia d'uscita, si
riflette in fase con l'onda incidente, rinforzandola e continuando a rinforzarla
ulteriormente a ogni riflessione interna. Tale effetto si arresta, in tempi
dell'ordine di molti periodi d'oscillazione, quando si stabilisce un equilibrio
tra l'energia continuamente immessa dall'onda incidente e quella perduta per
riemissione all'esterno e per dissipazione da parte del corpo stesso. Dato
comunque che all'interno del corpo si possono raggiungere intensità di campo
molto superiori a quella del campo incidente, la possibilità di fenomeni di
risonanza di questo tipo deve sempre essere tenuta presente quando si valuti il
livello di rischio di esposizione a onde e. m. di un particolare organo o tessuto.
b) In zona di campo vicino, e più particolarmente in zona di campo reattivo
(distanze pari a frazioni di l), limitiamoci a ricordare che:
1) E ed H hanno configurazioni generalmente molto complesse dipendenti
dalla struttura geometrica ed elettrica della sorgente (distribuzione quasi
statica);
La loro intensità e direzione devono essere misurate separatamente e non
sono legate da una relazione di impedenza costante; il loro rapporto viene
ancora chiamato “impedenza”, e nel caso in cui la sorgente sia
caratterizzata da tensioni elevate, il campo elettrico sarà prevalente sul
campo magnetico, al contrario del caso di correnti elevate, in cui prevarrà
il campo magnetico. Per la definizione stessa di impedenza (= E/H,
volt/ampère) si dice allora che le onde di campo elettrico sono ad alta
impedenza, mentre quelle di campo magnetico sono a bassa impedenza;
2) la zona di campo vicino è di notevole importanza protezionistica poiché vi
si riscontrano i valori di campo più elevati.
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