Onde elettromagnetiche: caratteristiche e tipologie

Di Redazione Studenti.

Cosa sono le onde elettromagnetiche? Spiegazione semplice sulle onde elettromagnetiche, le caratteristiche e i tipi di onde.

LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Onde elettromagnetiche: caratteristiche e tipologie
Onde elettromagnetiche: caratteristiche e tipologie — Fonte: getty-images

Un’onda elettromagnetica è una perturbazione che si propaga senza trasporto di materia, cioè energia che si propaga attraverso la materia senza che i corpi si spostino apprezzabilmente dalla loro posizione.

Il moto ondulatorio è una forma di trasmissione di energia.

ONDE ELETTROMAGNETICHE: CARATTERISTICHE

Le grandezze fisiche che caratterizzano un’onda sono: la velocità di propagazione (v), la lunghezza d’onda e la frequenza.

La lunghezza d’onda è la distanza tra due creste (gole) successive. Essa dipende dal mezzo di propagazione e dalla frequenza della sorgente che pulsa all’interno del mezzo.

La frequenza d’onda (f) è il numero di creste (gole) che passano in un dato punto della superficie in un secondo. E’ una grandezza scalare che si misura in Hz. Dipende dal ritmo di pulsazione della sorgente, ossia è la frequenza della sorgente e non dipende dal mezzo di trasporto.

Il periodo (T) di un’onda è l’intervallo di tempo che intercorre tra il passaggio di due creste da uno stesso punto della superficie ed è il reciproco della frequenza.

La relazione fra periodo e frequenza è: T= 1/f       

Oppure, è l’intervallo di tempo necessario all’onda per percorrere una distanza pari alla lunghezza d’onda.

V = spazio percorso (λ) / T = spazio percorso (λ) * f (la v dipende dal mezzo di propagazione).

λ = v / f = v * T

L’ampiezza d’onda rappresenta il massimo spostamento delle molecole del mezzo dalla loro posizione di equilibrio. Essa dipende in modo proporzionale dall’energia trasportata dall’onda.

Rispetto alla direzione di vibrazione delle particelle e a quella di propagazione dell’onda, le onde si distinguono in onde longitudinali, le cui vibrazioni avvengono lungo la direzione di propagazione dell’onda, e onde trasversali, le cui vibrazioni avvengono in direzione perpendicolare a quella di propagazione dell’onda.

Rispetto alla forma geometrica distinguiamo le onde in:

  • sferiche: caratterizzate da fronti d’onda che coincidono con superfici sferiche concentriche attorno alla sorgente;
  • circolari: frequenze d’onda che coincidono con circonferenze concentriche attorno alla sorgente;
  • piane: caratterizzate da frequenze d’onda che coincidono con piani fra loro paralleli;
  • rettilinee: caratterizzate da frequenze d’onda che sono linee parallele.

Fronte d’onda: insieme dei punti raggiunti contemporaneamente dalla perturbazione. La forma geometrica dell’onda dipende dal tipo di sorgente che la produce.

TIPI DI ONDE

Esistono due tipi di onde:

  1. Onde meccaniche, le quali necessitano di un mezzo di propagazione;
  2. Onde elettromagnetiche: si propagano in assenza di un mezzo e possono essere solamente trasversali.

La riflessione. La riflessione di un’onda si verifica quando un’onda incontrando un ostacolo cambia la direzione o il verso del suo movimento di propagazione. Più modifichiamo la superficie da piana a curva più le onde assumono una direzione diversa da quelle incidenti.

Le leggi della riflessione:

  1. il raggio dell’onda incidente, la normale alla superficie di riflessione e il raggio dell’onda riflessa giacciono sullo stesso piano;
  2. l’angolo di incidenza e l’angolo di riflessione sono uguali.

La rifrazione. La rifrazione di un’onda si ha quando un’onda attraversa in direzione obliqua la superficie di separazione di due mezzi in cui si propaga con velocità diverse (es. dell’acqua con il gradino all’interno: la v è maggiore quando l’acqua è più profonda, vale a dire la lunghezza d’onda è proporzionale alla velocità).

Leggi della rifrazione:

  1. il raggio dell’onda incidente, la normale alla superficie di separazione dei due mezzi e il raggio dell’onda rifratta giacciono sullo stesso piano;
  2. il rapporto tra la velocità di propagazione dell’onda nei due mezzi è costante e uguale all’indice di rifrazione relativo: v1/v2=n1,2.

La diffrazione. La diffrazione è la proprietà delle onde di aggirare gli ostacoli ed è tanto più vistosa quanto più la fenditura che l’onda attraversa ha dimensioni vicine alla lunghezza d’onda.

L’interferenza. L’interferenza è la capacità delle onde di attraversarsi reciprocamente. Si parla di:

  • interferenza costruttiva: onde concordi che si incontrano sommando gli effetti per poi riassumere le caratteristiche iniziali;
  • interferenza distruttiva: onde opposte diminuiscono gli effetti per poi riprendere le caratteristiche iniziali.

Il principio di sovrapposizione suggerisce la possibilità di creare due onde stazionarie, ovvero costanti nel tempo. Si ottiene sovrapponendo moti ondulatori, ovvero sommando due onde di uguale frequenza che si propagano lungo la stessa direzione in versi opposti.

LA LUCE

La luce è un agente fisico “speciale” di cui abbiamo conoscenza intuitiva e che sta alla base degli studi di ottica.

Sorgenti di luce: sono i vari fenomeni che danno luogo alla produzione della luce.

Sorgenti naturali: per esempio il sole.

Sorgenti artificiali: generalmente sfruttano la proprietà dei corpi di emettere luce se riscaldati ad una temperatura sufficientemente elevata.

Corpi luminosi: tutti quelli che in condizioni normali emettono luce. La luce se incontra corpi opachi forma ombre (regione priva di luce che un oggetto forma dietro a sé) se passa attraverso corpi trasparenti (che si suddividono a loro volta in “diafani” e “traslucidi”) la proprietà di un corpo di lasciarsi passare o meno dipende anche dal suo spessore.

Se un corpo opaco viene illuminato diffonde la luce e riflette la luce davanti a sé (è importante la diffusione altrimenti non avremmo nessuna immagine dei corpi che ci circondano se non di quelli luminosi).

E’ il pulviscolo che permette la diffusione dei raggi luminosi in tutte le direzioni.

Un corpo oltre a diffondere parzialmente la luce che lo illumina assorbe parte della luce trasformandola in calore.

Nella maggior parte dei casi pratici la luce si propaga in linea retta, da qui deriva il modello a raggi.

Nella costruzione del modello di ombra nel “cono d’ombra” non si ha buio assoluto a causa della luce riflessa dalle pareti e dagli oggetti circostanti. Se ciò che illumina un oggetto non è una sorgente puntiforme non si ottiene un’ombra dai contorni netti ma un graduale passaggio da una zona centrale più scura ad una più chiara cioè di “penombra”.

Una camera oscura è una scatola dove tutte le pareti sono nere tranne una traslucida, dov’è situato un forellino dal quale proviene luce esterna.

La luce viaggia a 300'000 km/s.

Raggio incidente: il raggio preveniente dalla sorgente luminosa.

Raggio riflesso: il raggio che non attraversa la superfice, torna indietro lungo una direzione di solito diversa da quella incidente.

Raggio rifratto: attraversa la superficie propagandosi in una direzione diversa da quella incidente.

Riflessione della luce: si ha quando la luce passa da un mezzo trasparente ad uno opaco.

Diffusione: i raggi vengono riflessi ma poiché i punti della superfice non sono allineati le loro direzioni variano disordinatamente.

Leggi della riflessione della luce:

  • il raggio incidente, la normale alla superficie e il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano;
  • l’angolo di incidenza è uguale a quello di riflessione.

Rifrazione: per esempio quando guardiamo un corpo attraverso l’acqua. Si ha quando la luce attraversa la superficie di separazione tra due mezzi trasparenti di diversa intensità (es.: aria e acqua). La luce prosegue il suo cammino nei due mezzi ma cambiando direzione.

Leggi della rifrazione:

  • il raggio incidente, la normale alla superficie e il raggio rifratto giacciono nello stesso piano;
  • l’angolo di incidenza e l’angolo di rifrazione sono tali da mantenere costante il rapporto: n1,2=sen0i/sen0r

Il principio della reversibilità: se la luce può percorrere un assegnato cammino ottico, allora può percorrere anche il cammino inverso.

L’indice di rifrazione relativo: è il rapporto tra due grandezze omogenee, e ci permette di caratterizzare un mezzo rispetto ad un altro relativamente alla loro capacità di rifrangere, cioè di deviare, il percorso di un raggio luminoso avvicinandolo alla normale o allontanandosi da essa.

La riflessione totale si ha quando la luce passa da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente.

La dispersione della luce avviene quando un raggio di luce bianca viene fatto passare attraverso un prisma trasparente. Il raggio subisce una doppia rifrazione, dall’aria al vetro e poi dal vetro all’aria.

Nel primo caso l’angolo di rifrazione è minore di quello d’incidenza (il vetro è più rifrangente dell’aria); nel secondo l’angolo di rifrazione è maggiore di quello incidenza.

L’angolo di deviazione è quello formato dal raggio d’entrata con quello d’uscita. La luce bianca si scompone in componenti cromatiche.

Modello corpuscolare (Newton): la luce è un flusso di particelle che vengono emesse in continuazione dai corpi luminosi e generano le sensazioni visive quando penetrano nell’occhio.

Modello ondulatorio (Huygens): la luce è un’onda, un trasferimento di energia senza propagazione di materia.

Nella teoria ondulatoria il colore è associato alla lunghezza d’onda. Le lunghezze d’onde della luce sono comprese tra 10 alla meno settima e 10 alla meno sesta.  F=c/spazio percorso (λ) dove c è la v della luce nel vuoto. Frequenze comprese tra 10 alla tredicesima e 10 alla quattordicesima Hz. Il colore di un corpo dipende dalla luce che lo illumina, non è una caratteristica intrinseca dei corpi.