ONDE ELETTROMAGNETICHE: TEORIA DI MAXWELL, TIPI, CARATTERISTICHE - FISICO - 2026

Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali che corrispondono a campi causati da cariche elettriche accelerate. Il XIX secolo è stato il secolo dei grandi progressi nell'elettricità e nel magnetismo, ma fino alla prima metà di esso gli scienziati erano ancora all'oscuro della relazione tra i due fenomeni, credendoli indipendenti l'uno dall'altro.

Fu il fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) a dimostrare al mondo che l'elettricità e il magnetismo non erano che due facce della stessa medaglia. Entrambi i fenomeni sono strettamente correlati.

Un temporale. Fonte: Pixabay.

Teoria di Maxwell

Maxwell unificò la teoria dell'elettricità e del magnetismo in 4 equazioni eleganti e concise, le cui previsioni furono presto confermate:

Quali prove aveva Maxwell per sviluppare la sua teoria elettromagnetica?

Era già un dato di fatto che le correnti elettriche (cariche in movimento) producono campi magnetici ea sua volta un campo magnetico variabile origina correnti elettriche in circuiti conduttivi, il che implicherebbe che un campo magnetico variabile induca un campo elettrico.

Potrebbe essere possibile il fenomeno inverso? I campi elettrici variabili sarebbero in grado di generare a loro volta campi magnetici?

Maxwell, un discepolo di Michael Faraday, era convinto dell'esistenza di simmetrie in natura. Anche i fenomeni elettrici e magnetici dovevano aderire a questi principi.

Secondo questo ricercatore, i campi oscillanti genererebbero disturbi allo stesso modo in cui un sasso lanciato in uno stagno genera onde. Questi disturbi non sono altro che campi elettrici e magnetici oscillanti, che Maxwell chiamava appunto onde elettromagnetiche.

Previsioni di Maxwell

Le equazioni di Maxwell predicevano l'esistenza di onde elettromagnetiche con velocità di propagazione pari alla velocità della luce. La previsione fu confermata poco dopo dal fisico tedesco Heinrich Hertz (1857 - 1894), che riuscì a generare queste onde nel suo laboratorio utilizzando un circuito LC. Ciò è avvenuto poco dopo la morte di Maxwell.

Per verificare la correttezza della teoria, Hertz dovette costruire un dispositivo rivelatore che gli permettesse di trovare la lunghezza d'onda e la frequenza, dati dai quali poteva calcolare la velocità delle onde radio elettromagnetiche, coincidente con la velocità della luce. .

Il lavoro di Maxwell era stato accolto con scetticismo dalla comunità scientifica dell'epoca. Forse era in parte perché Maxwell era un brillante matematico e aveva presentato la sua teoria con tutte le formalità del caso, che molti non riuscirono a capire.

Tuttavia, l'esperimento di Hertz è stato brillante e avvincente. I loro risultati sono stati ben accolti e i dubbi sulla veridicità delle previsioni di Maxwell sono stati chiariti.

Corrente di spostamento

La corrente di spostamento è la creazione di Maxwell, derivante da una profonda analisi della legge di Ampere, la quale afferma che:

Una batteria carica un condensatore. Le superfici S (linea continua) e S 'e il contorno C sono mostrati per applicare la legge di Ampere. Fonte: modificato da Pixabay.

Pertanto, il termine a destra nella legge di Ampere, che coinvolge la corrente, non è nullo e nemmeno il membro a sinistra. Conclusione immediata: c'è un campo magnetico.

C'è un campo magnetico a S '?

Tuttavia, non c'è corrente che attraversa o attraversa la superficie curva S ', che ha lo stesso contorno C, poiché questa superficie racchiude parte di ciò che è nello spazio tra le piastre del condensatore, che possiamo supporre essere aria o un'altra sostanza non conduttore.

In quella regione non c'è materiale conduttivo attraverso il quale scorre la corrente. Va ricordato che affinché una corrente possa fluire, il circuito deve essere chiuso. Poiché la corrente è zero, l'integrale a sinistra nella legge di Ampere è 0. Quindi non c'è campo magnetico, vero?

C'è sicuramente una contraddizione. S 'è inoltre limitato dalla curva C e l'esistenza del campo magnetico non deve dipendere dalla superficie a cui C limita.

Maxwell risolto la contraddizione dalla introduzione del concetto di corrente di spostamento i _D .

Corrente di spostamento

Mentre il condensatore si sta caricando, esiste un campo elettrico variabile tra le piastre e la corrente scorre attraverso il conduttore. Quando il condensatore si carica, la corrente nel conduttore cessa e viene stabilito un campo elettrico costante tra le piastre.

Quindi Maxwell ha dedotto che, associata al campo elettrico variabile, deve esserci una corrente che ha chiamato corrente di spostamento i _D , una corrente che non comporta movimento di carica. Per la superficie S 'vale:

La corrente elettrica non è un vettore, sebbene abbia grandezza e significato. È più appropriato mettere in relazione i campi con una quantità che è vettore: la densità di corrente J , la cui grandezza è il quoziente tra la corrente e l'area attraverso cui passa. Le unità di densità di corrente nel Sistema Internazionale sono ampere / m ² .

In termini di questo vettore, la densità di corrente di spostamento è:

In questo modo, quando si applica la legge di Ampere al contorno C e si usa la superficie S, i _C è la corrente che lo attraversa. D'altra parte, i _C non passa per S ', ma i _{D lo} fa.

Esercizio risolto

Velocità in un dato mezzo

In un dato mezzo, è possibile dimostrare che la velocità delle onde elettromagnetiche è data dall'espressione:

In cui ε e μ sono la rispettiva permittività e permeabilità del mezzo in questione.

Quantità di movimento

Una radiazione elettromagnetica con energia U ha una quantità di moto associata p la cui grandezza è: p = U / c.

Tipi di onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche hanno una gamma molto ampia di lunghezze d'onda e frequenze. Sono raggruppati in quello che è noto come spettro elettromagnetico, che è stato diviso in regioni, che sono denominate di seguito, a partire dalle lunghezze d'onda più lunghe:

Onde radio

Situati alla lunghezza d'onda più alta e all'estremità di frequenza più bassa, variano da pochi a un miliardo di Hertz. Sono quelli che servono per trasmettere un segnale con informazioni di vario genere e vengono catturati dalle antenne. La televisione, la radio, i cellulari, i pianeti, le stelle e altri corpi celesti li trasmettono e possono essere catturati.

Forno a microonde

Situate nelle frequenze ultra alte (UHF), super alte (SHF) ed estremamente alte (EHF), variano tra 1 GHz e 300 GHz. A differenza delle precedenti che possono misurare fino a 1,6 km, le microonde Vanno da pochi centimetri a 33 cm.

Data la loro posizione nello spettro, tra 100.000 e 400.000 nm, vengono utilizzati per trasmettere dati su frequenze che non sono interferite dalle onde radio. Per questo motivo, vengono applicati nella tecnologia radar, nei telefoni cellulari, nei forni da cucina e nelle soluzioni informatiche.

La sua oscillazione è il prodotto di un dispositivo noto come magnetron, che è una sorta di cavità risonante che ha 2 dischi magnetici alle estremità. Il campo elettromagnetico è generato dall'accelerazione degli elettroni dal catodo.

Raggi infrarossi

Queste onde di calore sono emesse da corpi termici, alcuni tipi di laser e diodi emettitori di luce. Sebbene tendano a sovrapporsi alle onde radio e alle microonde, il loro intervallo è compreso tra 0,7 e 100 micrometri.

Le entità più spesso producono calore che può essere rilevato dagli occhiali da notte e dalla pelle. Sono spesso utilizzati per telecomandi e sistemi di comunicazione speciali.

Luce visibile

Nella divisione referenziale dello spettro troviamo la luce percettibile, che ha una lunghezza d'onda compresa tra 0,4 e 0,8 micrometri. Ciò che distinguiamo sono i colori dell'arcobaleno, dove la frequenza più bassa è caratterizzata dal rosso e la più alta dal viola.

I suoi valori di lunghezza sono misurati in nanometri e Angstrom, rappresenta una parte molto piccola dell'intero spettro e questo intervallo include la più grande quantità di radiazione emessa dal sole e dalle stelle. Inoltre, è il prodotto dell'accelerazione degli elettroni nei transiti di energia.

La nostra percezione delle cose si basa sulla radiazione visibile che cade su un oggetto e poi sugli occhi. Il cervello quindi interpreta le frequenze che danno origine al colore e ai dettagli presenti nelle cose.

Raggi ultravioletti

Queste increspature sono comprese tra 4 e 400 nm, sono generate dal sole e da altri processi che emettono grandi quantità di calore. L'esposizione a lungo termine a queste onde corte può causare ustioni e alcuni tipi di cancro negli esseri viventi.

Poiché sono il prodotto di salti di elettroni in molecole e atomi eccitati, la loro energia è coinvolta nelle reazioni chimiche e vengono utilizzati in medicina per sterilizzare. Sono responsabili della ionosfera poiché lo strato di ozono impedisce i suoi effetti dannosi sulla terra.

Raggi X

Questa designazione è dovuta al fatto che si tratta di onde elettromagnetiche invisibili capaci di passare attraverso corpi opachi e produrre stampe fotografiche. Situati tra 10 e 0,01 nm (da 30 a 30.000 PHz), sono il risultato di elettroni che saltano dalle orbite in atomi pesanti.

Questi raggi possono essere emessi dalla corona solare, dalle pulsar, dalle supernove e dai buchi neri a causa della loro grande quantità di energia. La loro esposizione prolungata provoca il cancro e vengono utilizzati in campo medico per ottenere immagini di strutture ossee.

Raggi gamma

Situate all'estrema sinistra dello spettro, sono le onde che hanno la frequenza più alta e di solito si verificano nei buchi neri, nelle supernove, nelle pulsar e nelle stelle di neutroni. Possono anche essere il risultato di fissione, esplosioni nucleari e fulmini.

Poiché sono generati da processi di stabilizzazione nel nucleo atomico dopo emissioni radioattive, sono letali. La loro lunghezza d'onda è subatomica, consentendo loro di passare attraverso gli atomi. Sono ancora assorbiti dall'atmosfera terrestre.

Applicazioni delle diverse onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche hanno le stesse proprietà di riflessione e riflessione delle onde meccaniche. E insieme all'energia che si propagano, possono anche trasportare informazioni.

Per questo motivo, diversi tipi di onde elettromagnetiche sono stati applicati a un gran numero di compiti diversi. Qui vedremo alcuni dei più comuni.

Spettro elettromagnetico e alcune delle sue applicazioni. Fonte: Tatoute e Phrood

Onde radio

Poco dopo essere stati scoperti, Guglielmo Marconi ha dimostrato che potevano essere un ottimo strumento di comunicazione. Dalla loro scoperta da parte di Hertz, le comunicazioni wireless con frequenze radio come radio AM e FM, televisione, telefoni cellulari e molto altro, sono diventate sempre più diffuse in tutto il mondo.

Forno a microonde

Possono essere utilizzati per riscaldare il cibo, perché l'acqua è una molecola dipolare in grado di rispondere a campi elettrici oscillanti. Il cibo contiene molecole d'acqua che, se esposte a questi campi, iniziano a oscillare e a entrare in collisione tra loro. L'effetto risultante è il riscaldamento.

Possono essere utilizzati anche nelle telecomunicazioni, grazie alla loro capacità di viaggiare nell'atmosfera con meno interferenze rispetto ad altre onde di maggiore lunghezza d'onda.

Onde infrarosse

L'applicazione più caratteristica degli infrarossi sono i dispositivi di visione notturna. Sono anche utilizzati nella comunicazione tra dispositivi e nelle tecniche spettroscopiche per lo studio di stelle, nubi di gas interstellari e esopianeti.

Possono anche creare mappe della temperatura corporea, che vengono utilizzate per identificare alcuni tipi di tumori la cui temperatura è superiore a quella dei tessuti circostanti.

Luce visibile

La luce visibile costituisce gran parte dello spettro emesso dal Sole, a cui risponde la retina.

Raggi ultravioletti

I raggi ultravioletti hanno energia sufficiente per interagire in modo significativo con la materia, quindi l'esposizione continua a questa radiazione provoca un invecchiamento precoce e aumenta il rischio di sviluppare il cancro della pelle.

Raggi X e raggi gamma

I raggi X ei raggi gamma hanno ancora più energia e sono quindi in grado di penetrare nei tessuti molli, quindi, quasi dal momento della loro scoperta, sono stati utilizzati per diagnosticare fratture ed esaminare l'interno del corpo alla ricerca di malattie. .

I raggi X ei raggi gamma sono usati non solo come strumento diagnostico, ma come strumento terapeutico per la distruzione dei tumori.

Riferimenti

1. Giancoli, D. (2006). Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fondamenti di fisica. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Fisica universitaria con fisica moderna. 14a edizione. Pearson. 1053-1057.