Onde elettromagnetiche: caratteristiche, proprietà, spettro e propagazione

Onde elettromagnetiche: caratteristiche, proprietà, spettro e propagazione A cura di Brunella Appicciafuoco.

Onde elettromagnetiche: caratteristiche e teoria elettromagnetica di Maxwell, perturbazione e genesi di un'onda elettromagnetica, proprietà e spettro

1Onde elettromagnetiche: la teoria elettromagnetica di Maxwell

James Maxwell, matematico e fisico scozzese (1831-1879)
James Maxwell, matematico e fisico scozzese (1831-1879) — Fonte: getty-images

La teoria elettromagnetica formulata da James Maxwell (1831-1879) è sicuramente una delle più importanti dell’Ottocento, in grado di interpretare i fenomeni fisici indotti dalle correnti e dai magneti oltre che evidenziare la natura elettromagnetica della luce. Si tratta di una teoria che unifica le leggi dei fenomeni elettrici e magnetici andando così a delineare il concetto di campo elettromagnetico e della sua propagazione nello spazio.  

Le 4 leggi fondamentali dell’elettromagnetismo sintetizzano le proprietà del campo elettrico e del campo magnetico e sono enunciabili nel modo seguente: 

  • 1ª legge (Teorema di Gauss): il flusso del campo elettrico uscente da una superficie chiusa è uguale al rapporto tra la somma delle cariche contenute all’interno della superficie e la costante dielettrica ε0: Ф (E) = q/ ε0.
  • 2ª legge (Teorema di Gauss per il magnetismo): il flusso dell’induzione magnetica uscente da una superficie chiusa è sempre nullo: Ф (B) = 0.
  • 3ª legge (Legge di Ampère-Maxwell): la circuitazione dell’induzione magnetica lungo un percorso chiuso è uguale al prodotto della permeabilità μ0 per la somma della corrente effettiva e di quella di spostamento.
  • 4ª legge (Legge dell’induzione elettromagnetica di Faraday-Neumann): la circuitazione del campo elettrico lungo una linea chiusa è uguale al rapporto, cambiato di segno, tra la variazione del flusso dell’induzione magnetica concatenato con il percorso considerato e l’intervallo di tempo in cui è avvenuta la variazione.

Maxwell fu il primo a rendersi conto che tali equazioni, riunite tra loro, formavano un sistema coerente e che potevano portare a prevedere l’esistenza di un nuovo tipo di onda di energia, evidenziata per la prima volta da Hertz (1857-1894) ovvero la radiazione elettromagnetica. Partendo dalle 4 leggi Maxwell riuscì a ottenerne altre equazioni in grado di legare i valori dei campi in un punto dello spazio e in un certo istante, ai valori dei campi in punti vicini e a istanti precedenti o successivi. Considerando le conclusioni tratte sulla natura elettromagnetica della luce, le equazioni di Maxwell possono essere considerate come una teoria unitaria oltre che dei fenomeni elettrici e magnetici, anche di quelli luminosi.     

2Perturbazione elettromagnetica e genesi di un’onda elettromagnetica

Se in una regione dello spazio in un dato istante si determina una variazione del campo elettrico generato ad esempio dal moto accelerato di cariche elettriche, nei punti vicini si produrrà un campo magnetico variabile nel tempo (3ª equazione di Maxwell). In base alla 4ª equazione di Maxwell possiamo invece affermare che la variazione del campo magnetico origina nei punti vicini un campo elettrico variabile e così via. Ciò che si ottiene è quella che viene definita perturbazione elettromagnetica e che si propaga nello spazio

Michael Faraday, 1845. Chimico e fisico britannico
Michael Faraday, 1845. Chimico e fisico britannico — Fonte: getty-images

Il fatto che la variazione di campo magnetico in un punto produca un campo elettrico variabile era stato descritto prima di Maxwell, dalla legge di Faraday-Neumann. Quest’ultima però assumeva che alla diminuzione brusca di un campo magnetico corrispondesse lo stesso per il campo elettrico e che il tutto si arrestasse entro un piccolo intervallo di tempo dall’annullamento del campo magnetico. 

Con Maxwell invece si parla di una propagazione nello spazio dei campi elettrico e magnetico, in conseguenza della corrente di spostamento indotta da esso stesso, ovvero del campo magnetico prodotto da una variazione del campo elettrico.  Da una variazione brusca di un campo elettrico o di un campo magnetico ha perciò origine la propagazione di un impulso elettromagnetico: la configurazione dei campi non è quindi immobile ma si propaga nello spazio

Se si produce una variazione di un campo elettrico o magnetico in un punto e che sia duratura nel tempo, si originerà di conseguenza la propagazione di una successione continua di impulsi elettromagnetici ovvero un’onda elettromagnetica (analogamente alla generazione di un’onda elastica, in conseguenza alla messa in movimento continuo di una estremità della molla tesa, lungo tutta la mola stessa). 

3Le onde

Un’onda è un’oscillazione periodica che può essere stazionaria se l’oscillazione non si propaga nello spazio oppure in moto in caso di propagazione. Si tratta in pratica di perturbazioni di tipo oscillatorio o vibratorio che si propagano nello spazio implicando trasporto di energia e non di materia. Le onde di tipo elastico o meccanico sono quelle che si propagano in mezzi materiali solidi, liquidi o gassosi. Al contrario, come vedremo, le onde elettromagnetiche sono generate dalle variazioni dei campi elettrici e magnetici nello spazio e non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi

In generale, la propagazione delle onde può essere descritta mediante i parametri: ampiezza, lunghezza d’onda e frequenza. L’ampiezza rappresenta lo spostamento massimo di un punto dalla posizione di equilibrio e assume un importante in termini di energia trasportata dall’onda. 

La lunghezza d’onda (λ) rappresenta la distanza percorsa dall’onda in un periodo T (intervallo di tempo, in secondi, impiegato per compiere un’oscillazione completa) o la minima distanza tra due punti in cui lo spostamento dalla configurazione di equilibrio assume lo stesso valore. La lunghezza d’onda (λ) può essere messa in relazione con la velocità di propagazione dell’onda (v) e il periodo (T): v = λ/T. 

La frequenza (ν) indica il numero di vibrazioni complete che avvengono in 1 secondo e si misura in hertz (Hz): la relazione tra frequenza (ν) e periodo (T) è: ν = 1/T mentre quella tra ν e la velocità di propagazione dell’onda (c) è: ν = c/ λ (proporzionalità inversa tra frequenza e lunghezza d’onda). 

Oltre ai parametri lunghezza d’onda, periodo, e frequenza ricordiamo che l’energia dell’onda è data dal prodotto della costante di Planck (h) per la frequenza ν (E = h ν). 

3.1Proprietà delle onde elettromagnetiche

Carl Friedrich Gauss (1777-1855). Fece scoperte significative nei campi della geometria non-euclidea, della trigonometria e della teoria elettromagnetica
Carl Friedrich Gauss (1777-1855). Fece scoperte significative nei campi della geometria non-euclidea, della trigonometria e della teoria elettromagnetica — Fonte: getty-images

Le onde elettromagnetiche non hanno necessariamente bisogno di un mezzo per propagarsi. Sono definite onde trasversali: ogni punto del sistema esegue cioè vibrazioni in direzione perpendicolare a quella di propagazione. Questo vuol dire che il campo elettrico e il campo magnetico, ortogonali tra loro, sono sempre perpendicolari anche alla direzione di propagazione.   

La direzione di un campo elettrico in un punto può variare con il tempo e lo stesso vale di conseguenza per il campo magnetico. Tale direzione però si manterrà sempre ortogonale alla direzione di propagazione; se invece la direzione del campo elettrico non cambia, allora si avrà un’onda elettromagnetica polarizzata rettilineamente

4Spettro elettromagnetico

Spettro elettromagnetico
Spettro elettromagnetico — Fonte: istock

A seconda della lunghezza d’onda le onde elettromagnetiche presentano diversa energia differenti manifestandosi di conseguenza in modo differente. L’intero spettro elettromagnetico, può essere infatti schematizzato in funzione dell’energia e le varie parti che lo costituiscono rappresentano intervalli di lunghezza d’onda, e quindi di frequenza, continui tra loro. 

4.1Onde radio

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894): fisico tedesco che studiò le onde elettromagnetiche e l'unità di frequenza (hertz)
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894): fisico tedesco che studiò le onde elettromagnetiche e l'unità di frequenza (hertz) — Fonte: getty-images

Le onde radio o onde hertziane vengono utilizzate per le radio-trasmissioni (suoni trasmessi a distanza). L’emittente è una stazione costituita essenzialmente da un oscillatore collegato ad un’antenna che invia onde radio nello spazio. Tali onde vengono captate dall’antenna della stazione ricevente e vengono amplificate da un circuito oscillante e sintonizzate (separazione dell’onda di interesse da tutte le altre). 

Tali onde sono caratterizzate da una notevole lunghezza d’onda e sono essenzialmente onde di superficie: come i suoni, si diffrangono sulla superficie terrestre seguendone la curvatura, fino a un certo punto. A causa dell’assorbimento da parte dei corpi materiali presenti sulla Terra, la trasmissione di queste onde richiede una notevole potenza. 

4.2Microonde

Le microonde sono radiazioni comprese tra le onde radio e l’infrarosso (lunghezza d’onda compresa tra qualche decina di centimetri e il millimetro). Sono utilizzate per radio-trasmissioni direzionali per l’invio di segnali in una data direzione. Le microonde si ottengono mediate speciali tubi elettrici in cui si sfruttano le interazioni tra un fascio elettronico e l’onda elettromagnetica emessa da un generatore. 

Tra le principali applicazioni ricordiamo il radar, la televisione e i servizi telegrafici e telefonici. Nei forni a microonde la radiazione elettromagnetica agisce sulle molecole d’acqua contenute negli alimenti: il campo elettrico oscillante della radiazione agisce sulle cariche elettriche di queste molecole, che oscillano a loro volta per allinearsi al campo E. In questo modo, c’è assorbimento di energia dalle onde elettromagnetiche che viene trasferita all’alimento contenuto nel forno, che così si riscalda. 

4.3Infrarosso

Vista a raggi infrarossi della Costellazione di Orione
Vista a raggi infrarossi della Costellazione di Orione — Fonte: getty-images

La radiazione infrarossa (IR) può essere messa in evidenza mediante rivelatori termici di opportuna sensibilità. In questo caso, l’energia emessa deriva dagli urti dovuti all’agitazione termica delle molecole, conseguente all’eccitazione della materia con un’opportuna sorgente di calore. Considerando quindi che entra in gioco l’eccitazione a livello molecolare, l’analisi dello spettro infrarosso permette di ricavare informazioni sulla struttura della materia (in relazione alla sua natura molecolare). 

4.4Ultravioletto

La radiazione ultravioletta, invisibile all’occhio umano, ha un’energia più elevata di quella visibile. Questi raggi sono quasi totalmente schermati dallo scudo di ozono che dovrebbe avvolgere il nostro pianeta e che attualmente sembra presentare degli assottigliamenti. Alcune sostanze assorbono fortemente l’UV, emettendo radiazioni di lunghezza d’onda maggiore (fluorescenza), generalmente nel campo del visibile. 

4.5Raggi X

I raggi X hanno lunghezze d’onda comprese tra 10-8 m e 10-11 m: grazie all’enorme energia posseduta, sono molto penetranti e quindi molto utilizzati in medicina (per ottenere radiografie) ed in molti campi della fisica (riuscendo ad esempio a dare informazioni sulla struttura del reticolo cristallino di un metallo).  

4.6Raggi gamma

I raggi gamma sono le radiazione elettromagnetiche più energetiche e la loro scoperta risale allo studio delle emissioni radioattive dei nuclei atomici. Sono caratterizzati da lunghezze d’onda minori di 10-12 m e hanno una straordinaria capacità di penetrazione. Emessi naturalmente dai nuclei durante le trasformazioni radioattive e le reazioni nucleari, i raggi gamma sono prodotti anche artificialmente quando elettroni ad alta energia, all’uscita di un acceleratore di particelle, colpiscono un bersaglio (l’applicazione più nota in tal senso è la radioterapia dei tumori).  

5Radiazione elettromagnetica naturale e artificiale

Inquinamento elettromagnetico
Inquinamento elettromagnetico — Fonte: istock

Nell’ambiente che ci circonda è presente un fondo di radiazione elettromagneticanaturale”, come il campo magnetico terrestre o la radiazione solare o i fenomeni atmosferici legati alla scarica di fulmini. 

Negli ultimi decenni si è assistito ad un notevole sviluppo tecnologico legato all’uso di sorgenti artificiali di campi elettromagnetici che ha fatto sì che alla radiazione elettromagnetica naturale, si aggiungesse il contributo artificiale. Le principali emissioni artificiali nell’ambiente sono quelle dovute all’emittenza radiotelevisiva ed agli impianti di telecomunicazione

L’incremento del campo elettromagnetico ambientale ha notevolmente incoraggiato studi volti a chiarire i possibili danni alla salute derivanti dall’esposizione ai campi magnetici, considerando la loro capacità di penetrazione nei tessuti biologici. A tal proposito, ricordiamo ad esempio che il Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio ha stipulato un Accordo di Collaborazione con l’APAT (Agenzia per la protezione dell’ambiente e peri servizi tecnici) per lo “svolgimento di attività di ricerca riguardanti la promozione di nuove tecnologie e tecniche di costruzione degli impianti per l’abbattimento e la riduzione dell’inquinamento elettromagnetico ed il supporto per lo sviluppo di nuove tecnologie in collaborazione con gli enti gestori degli elettrodotti ed impianti, per la definizione dei piani di risanamento”.