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.

Onde elettromagnetiche: definizione

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

Fig. 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.

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.

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

Fig. 2 - Schematizzazione dello spettro elettromagnetico con particolare attenzione allo spettro visibile