Onde elettromagnetiche

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

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.

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:

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