Onde elettromagnetiche

Il lavoro di William Thomson (1824-1907) e Michael Faraday (1791-1867) sui campi elettrici e magnetici e sulle linee di forza suscitò la curiosità di uno studente di Cambridge, James Clerk Maxwell (1831-1879). Appena laureato, nel 1854, Maxwell raccolse tutti i lavori fondamentali che erano stati completati nel campo dell'elettricità e del magnetismo.

Maxwell sintetizzò le sue scoperte in quattro equazioni fondamentali, oggi note come equazioni di Maxwell. Da queste equazioni derivò il risultato che tutte le perturbazioni del campo elettromagnetico nel vuoto viaggiano alla stessa velocità, la velocità della luce. Si scopre così che la luce e le perturbazioni elettromagnetiche o le onde elettromagnetiche sono la stessa cosa! Questa unificazione di elettricità, magnetismo e ottica è stata una delle più grandi unificazioni di campi fisici apparentemente disparati nella storia della scienza.

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Indice

    Onde elettromagnetiche: definizione

    Grazie al lavoro di Maxwell, possiamo dare una definizione delle onde elettromagnetiche:

    Le "onde elettromagnetiche", spesso note come onde EM, sono la propagazione dell'energia del campo elettromagnetico. Sono formate, simultaneamente, dal campo elettrico e il campo magnetico, tra loro perpendicolari e si propagano in direzione perpendicolare al piano che i vettori dei due campi generano.

    Onde elettromagnetiche Campo elettrico e magnetico StudySmarterFig. 1 - Il diagramma mostra in grigio il campo magnetico e in nero il campo elettrico, tra loro perpendicolari. Il vettore \( \vec{k}\) indica la direzione di propagazione, ortogonale a entrambi i campi.

    Onde elettromagnetiche: proprietà

    Vediamo alcune delle principali proprietà e caratteristiche delle onde elettromagnetiche. Alcune di queste caratteristiche si ritrovano in altri tipi di onde in natura, mentre altre sono più specifiche delle onde elettromagnetiche.

    Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali

    Un'onda elettromagnetica è un'onda trasversale in cui i campi elettrici e magnetici oscillano in direzioni perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda. Le onde trasversali oscillano ad angolo retto rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.

    Un'onda si dice trasversale quando la sua oscillazione è perpendicolare alla sua direzione di propagazione.

    Onde elettromagnetiche: propagazione

    Il lavoro pionieristico di Maxwell sull'elettricità e il magnetismo ha fornito anche un metodo per calcolare la velocità delle onde elettromagnetiche.Per calcolare la velocità delle onde elettromagnetiche, Maxwell dovette combinare matematicamente due costanti. I campi elettrici e magnetici possono essere attenuati dalla presenza di materia. Nel vuoto, le onde elettromagnetiche possono viaggiare liberamente, ma sono comunque vincolate da un limite di velocità universale.

    Questo limite è dettato da due fattori: la permittività elettrica del vuoto e la permeabilità magnetica del vuoto. Vediamo le definizioni di queste due costanti e perché sono così importanti.

    La capacità di un mezzo di resistere allo sviluppo di un campo elettrico al suo interno è misurata dalla sua permittività elettrica. La permittività del vuoto è indicata da \(\epsilon_0\).

    La permeabilità magnetica del vuoto \(\mu_0\), la seconda costante, misura la capacità dello spazio libero di magnetizzarsi.

    Le costanti \(\epsilon_0\) e \(\mu_0\) sono scritte con il pedice "\(0\)" quando i campi elettrici e magnetici sono presi nel vuoto. I loro valori noti sono:

    \[ \epsilon_0 = 8,854 \cdot 10^{-12} [C^2 N^{-1} m^{-2}] \: \: e \: \: \mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} [H m^{-1}]\]

    Un risultato molto importante del lavoro di Maxwell è la formula per la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica nel vuoto:

    \[c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}} \approx 3\cdot 10^8 m/s\]

    Onde elettromagnetiche e similitudini con altre onde

    Le onde elettromagnetiche condividono diverse proprietà con gli altri tipi di onde, vediamo alcuni esempi.

    Rifrazione e riflessione

    Come ogni altra onda, anche le onde elettromagnetiche possono essere rifratte e riflesse.Quando le onde elettromagnetiche si scontrano con la materia, interagiscono con essa allo stesso modo delle onde meccaniche. Le onde elettromagnetiche possono riflettersi su una superficie, rifrangersi quando entrano in un nuovo mezzo e diffrangersi intorno alle barriere.

    Onde elettromagnetiche e trasporto di energia

    Le onde elettromagnetiche, come le altre onde, trasportano energia da un luogo all'altro. Possiamo pensare alle onde elettromagnetiche come a uno dei tanti modi di trasferire l'energia da un deposito di energia a un altro. La radiazione elettromagnetica è il trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche hanno la capacità di trasportare energia attraverso la materia e lo spazio vuoto.

    Le onde elettromagnetiche possono essere emesse e assorbite dalla materia. Quando la radiazione elettromagnetica viene assorbita da un materiale, l'energia della radiazione viene trasferita in un'altra forma di energia, come per esempio l'energia termica.

    La radiazione elettromagnetica può anche far sì che alcuni materiali, come i metalli, rilascino elettroni quando la radiazione viene irradiata sulla loro superficie. Si tratta di un effetto che può essere spiegato tramite la fisica quantistica ed è chiamato effetto fotoelettrico.

    Spettro delle onde elettromagnetiche

    I diversi tipi di onde elettromagnetiche possono essere classificati in base alla loro lunghezza d'onda o frequenza. Poiché la frequenza di un'onda è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda a velocità costante e sappiamo che la velocità della luce è costante, possiamo concludere che all'aumentare della lunghezza d'onda di un'onda elettromagnetica, la sua frequenza diminuisce. Questa relazione tra la frequenza e la lunghezza d'onda di un'onda elettromagnetica è sintetizzata in questa equazione:

    \[c=f \lambda\]

    Questa classificazione permette di individuare delle divisioni nello spettro elettromagnetico. Vediamole schematicamente in questa tabella:

    Tipo di ondaProprietà ed esempi di usi
    Onde radioHanno la lunghezza d'onda più lunga di tutte le onde elettromagnetiche e vengono utilizzate per la trasmissione dei dati.
    MicroondePiù corte delle onde radio, sono utili nelle comunicazioni perché possono penetrare le nuvole, il fumo e la pioggia leggera.
    InfrarossoLe lunghezze d'onda nell'infrarosso sono comprese tra le microonde e la luce visibile. Le onde infrarosse sono utilizzate nei telecomandi per cambiare canale.
    Luce visibileLo spettro della luce visibile copre le lunghezze d'onda che possono essere viste dall'occhio umano.
    UltraviolettiI raggi ultravioletti sono, ad esempio, quelli prodotti dal sole e possono causare scottature.
    Raggi XI raggi X possono penetrare i tessuti molli, come la pelle e i muscoli, e sono utilizzati a scopo di imaging medico.
    Raggi gammaI raggi gamma sono le onde più corte dello spettro e, di conseguenza, hanno la massima energia.

    Onde elettromagnetiche Spettro elettromagnetico StudySmarterFig. 2 - Schematizzazione dello spettro elettromagnetico con particolare attenzione allo spettro visibile

    Onde elettromagnetiche - Punti chiave

    • Le onde elettromagnetiche, spesso note come onde EM, sono onde che si formano quando un campo elettrico e un campo magnetico vibrano insieme. Le onde EM, in altre parole, sono costituite da campi magnetici ed elettrici oscillanti.
    • Un'onda elettromagnetica è un'onda trasversale in cui i campi elettrici e magnetici oscillano in direzioni perpendicolari tra loro e rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.
    • Nel vuoto, tutte le radiazioni elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità di circa \(3\cdot10^8 m/s\).
    • Come tutte le altre onde, anche le onde elettromagnetiche hanno la capacità di rifrangersi e di riflettersi.
    • Le onde elettromagnetiche possono essere divise in base alla loro lunghezza d'onda.

    References

    1. Fig. 1: Onde electromagnetique.png (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Onde_electromagnetique.png) by Christophe Dang Ngoc Chan (https://fr.wikipedia.org/wiki/Utilisateur:Cdang) licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
    2. Fig. 2: Spettro elettromagnetico.png (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spettro_elettromagnetico.png) by Claudio Oleari e Andrea Peri licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
    Domande frequenti riguardo Onde elettromagnetiche

    Dove si propagano le onde elettromagnetiche?

    Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto e diverse lunghezze d'onda possono penetrare diversi materiali e superfici.

    Quali sono le principali caratteristiche delle onde elettromagnetiche?

    Le onde elettromagnetiche sono composte dal campo magnetico ed elettrico che oscillano perpendicolari l'uno all'altro e si propagano nella direzione perpendicolare al piano che questi formano. Sono onde trasversali e si possono propagare anche nel vuoto.

    Cosa trasporta l'onda elettromagnetica?

    L'onda elettromagnetica trasporta l'energia del campo elettrico e magnetico.

    Come si muovono le onde elettromagnetiche?

    Le onde elettromagnetiche si muovono oscillando perpendicolarmente alla loro direzione di propagazione.

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