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Onde elettromagnetiche, livelli atomici e radiazione termica · Equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche

Onde elettromagnetiche e spettro

Quando accendi una radio sintonizzata su una stazione di Roma, il suono arriva senza alcun filo tra te e l'antenna trasmittente. Che cosa viaggia nello spazio? E con che velocità? In questa pagina scopri che cosa sono le onde elettromagnetiche, come si producono, come si classificano e quanta energia portano.

Che cos'è un'onda elettromagnetica

Maxwell mostrò che un campo magnetico variabile genera un campo elettrico (legge di Faraday–Neumann–Lenz) e che un campo elettrico variabile genera un campo magnetico. Quest'ultimo effetto è descritto dalla legge di Ampère–Maxwell: oltre alla corrente di conduzione, anche la corrente di spostamento, proporzionale alla variazione del flusso di $\vec E$, genera un campo magnetico. Per questo la perturbazione si propaga anche dove non ci sono cariche né fili. I due campi si sostengono a vicenda: una volta partita, la perturbazione si propaga da sola, anche nel vuoto.

Un'onda elettromagnetica piana ha queste caratteristiche:

  • $\vec E$ e $\vec B$ sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione: l'onda è trasversale;

  • $\vec E$ e $\vec B$ oscillano in fase, con ampiezze legate da $E_0 = c\,B_0$;

  • non serve alcun mezzo materiale: l'onda si propaga nel vuoto.

Onda elettromagnetica piana: il campo elettrico oscilla in un piano verticale, il campo magnetico in un piano perpendicolare, la propagazione avviene lungo l'asse x. B è disegnato in prospettiva: il suo verso positivo (asse z, verso chi guarda) appare in basso, quindi le due curve sono in fase. E (piano verticale) B (piano orizzontale, in fase con E) x Propagazione lungo x, E ⟂ B ⟂ x; B in prospettiva (z verso chi guarda)

La velocità nel vuoto dipende solo da due costanti dei campi statici:

$$c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\,\mu_0}}\approx 3{,}00\cdot10^{8}\ \text{m/s}$$

Perché è importante? Maxwell calcolò questo numero partendo da misure di elettricità e magnetismo e trovò proprio la velocità della luce: la luce è un'onda elettromagnetica.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Calcola la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto con $c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}$, sapendo che $\varepsilon_0 = 8,854\cdot10^{-12}\ \text{F/m}$ e…

Calcola la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto con $c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}$, sapendo che $\varepsilon_0 = 8,854\cdot10^{-12}\ \text{F/m}$ e $\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \text{N/A}^2$.

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Frequenza, lunghezza d'onda e radar

Per ogni onda periodica vale la relazione fondamentale

$$c=\lambda\,f \qquad T=\frac{1}{f}$$

Il motivo è semplice: in un periodo $T$ l'onda avanza di una lunghezza d'onda $\lambda$, quindi $c=\lambda/T=\lambda f$.

Nel vuoto (e, con ottima approssimazione, nell'aria) $c$ è la stessa per tutte le onde elettromagnetiche: se la frequenza cresce, la lunghezza d'onda diminuisce.

Anche il moto uniforme $s=c\,t$ serve spesso: un segnale radar fa andata e ritorno, quindi la distanza dell'oggetto è $d=c\,t/2$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Una stazione di Radio Rai trasmette a $f = 100\ \text{MHz}$. a) Calcola la lunghezza d'onda. b) Calcola il periodo dell'onda.

Una stazione di Radio Rai trasmette a $f = 100\ \text{MHz}$.

  1. a) Calcola la lunghezza d'onda.
  2. b) Calcola il periodo dell'onda.
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Esercitati★★☆Da iniziare
Un segnale radar emesso da un'antenna a Fiumicino ritorna dopo $t = 4,0\cdot10^{-4}\ \text{s}$ dopo aver colpito un aereo. a) Calcola la distanza dell'aereo. b) Se…

Un segnale radar emesso da un'antenna a Fiumicino ritorna dopo $t = 4,0\cdot10^{-4}\ \text{s}$ dopo aver colpito un aereo.

  1. a) Calcola la distanza dell'aereo.
  2. b) Se l'onda ha $\lambda = 3,0\ \text{cm}$, calcola la sua frequenza.
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Lo spettro elettromagnetico

Le onde radio, la luce visibile e i raggi X sono la stessa cosa, un'onda elettromagnetica, e differiscono solo per la frequenza. L'insieme di tutte le frequenze è lo spettro elettromagnetico.

Radiazione Frequenza approssimativa Lunghezza d'onda Applicazione
Onde radio fino a $10^{9}$ Hz da km a dm radio, TV, telefonia
Microonde $10^{9}$–$10^{12}$ Hz da dm a mm forno, radar, Wi-Fi
Infrarosso $10^{12}$–$4\cdot10^{14}$ Hz da mm a 700 nm telecomandi, termografia
Luce visibile $4\cdot10^{14}$–$7{,}5\cdot10^{14}$ Hz 700–400 nm visione
Ultravioletto $7{,}5\cdot10^{14}$–$10^{17}$ Hz 400–1 nm sterilizzazione
Raggi X $10^{17}$–$10^{19}$ Hz nm–pm radiografie
Raggi $\gamma$ oltre $10^{19}$ Hz < pm radioterapia, nuclei
Spettro elettromagnetico in ordine di frequenza crescente, dalle onde radio ai raggi gamma. radiomicroondeinfrarossovisibileUVXγ frequenza crescente →

Perché la frequenza è così importante? Perché l'energia del singolo fotone è $E=hf$: i fotoni di raggi X e $\gamma$ hanno energia sufficiente a rompere legami chimici, quelli delle onde radio no.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Ordina per frequenza crescente le seguenti radiazioni: raggi X, onde radio, luce visibile, microonde, raggi $\gamma$, infrarosso, ultravioletto. Associa a tre di esse…

Ordina per frequenza crescente le seguenti radiazioni: raggi X, onde radio, luce visibile, microonde, raggi $\gamma$, infrarosso, ultravioletto. Associa a tre di esse un'applicazione pratica.

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Esercitati★★☆Da iniziare
Il forno a microonde di una cucina di Bologna funziona a $f = 2,45\ \text{GHz}$. a) Calcola la lunghezza d'onda delle microonde nell'aria. b) Una potenza di…

Il forno a microonde di una cucina di Bologna funziona a $f = 2,45\ \text{GHz}$.

  1. a) Calcola la lunghezza d'onda delle microonde nell'aria.
  2. b) Una potenza di $800\ \text{W}$ è emessa in un tempo $t = 2,0\ \text{min}$: calcola l'energia emessa.
  3. c) Calcola l'energia di un singolo fotone con $h = 6,63\cdot10^{-34}\ \text{J s}$.
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Energia, intensità e pressione di radiazione

Le onde trasportano energia. L'intensità $I$ è la potenza che attraversa l'unità di superficie perpendicolare alla propagazione:

$$I=\frac{P}{S}\qquad [\text{W/m}^2]$$

Per una sorgente puntiforme isotropa l'energia si distribuisce su una sfera di area $4\pi d^2$, quindi

$$I=\frac{P}{4\pi d^2}$$

Raddoppiando la distanza, l'intensità diventa $1/4$.

Per un'onda piana l'intensità media dipende dall'ampiezza del campo elettrico:

$$I=\tfrac12\,\varepsilon_0\,c\,E_0^2 \qquad B_0=\frac{E_0}{c}$$

Il campo $E_0$ compare al quadrato: se $I$ diventa $1/4$, $E_0$ si dimezza.

Un'onda che trasporta energia trasporta anche quantità di moto, quindi esercita una pressione di radiazione. Su una superficie perfettamente assorbente, perpendicolare ai raggi:

$$p=\frac{I}{c}$$

Se la superficie è perfettamente riflettente, la quantità di moto cambia di segno e il trasferimento è doppio: $p=2I/c$.

Esercitati★★☆Da iniziare
Un'onda elettromagnetica piana nel vuoto ha campo elettrico di ampiezza $E_0 = 60\ \text{V/m}$. a) Calcola l'ampiezza del campo magnetico $B_0=E_0/c$. b) Calcola…

Un'onda elettromagnetica piana nel vuoto ha campo elettrico di ampiezza $E_0 = 60\ \text{V/m}$.

  1. a) Calcola l'ampiezza del campo magnetico $B_0=E_0/c$.
  2. b) Calcola l'intensità media $I=\tfrac12 \varepsilon_0 c E_0^2$.
  3. c) Indica la direzione relativa di $\vec E$, $\vec B$ e della propagazione.
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Una sorgente puntiforme isotropa di potenza $P = 100\ \text{W}$ emette onde elettromagnetiche. a) Calcola l'intensità a $d = 2,0\ \text{m}$. b) Calcola le ampiezze $E_0$…

Una sorgente puntiforme isotropa di potenza $P = 100\ \text{W}$ emette onde elettromagnetiche.

  1. a) Calcola l'intensità a $d = 2,0\ \text{m}$.
  2. b) Calcola le ampiezze $E_0$ e $B_0$ a quella distanza, usando $I=\tfrac12 \varepsilon_0 c E_0^2$.
  3. c) Come variano $E_0$ e $I$ raddoppiando la distanza? Giustifica.
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Il Sole fornisce alla Terra un'intensità $I = 1,36\cdot10^{3}\ \text{W/m}^2$ (esterno all'atmosfera). Una vela solare perfettamente assorbente ha area…

Il Sole fornisce alla Terra un'intensità $I = 1,36\cdot10^{3}\ \text{W/m}^2$ (esterno all'atmosfera). Una vela solare perfettamente assorbente ha area $A = 100\ \text{m}^2$ ed è perpendicolare ai raggi.

  1. a) Calcola la pressione di radiazione $p=I/c$.
  2. b) Calcola la forza sulla vela.
  3. c) Come cambierebbe la forza con una vela perfettamente riflettente? Giustifica.
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Produzione e propagazione

Una carica ferma genera solo un campo elettrico statico; una carica in moto rettilineo uniforme genera anche un campo magnetico. In un punto fisso questi campi variano mentre la carica passa, ma si spostano insieme a essa senza "staccarsi": nel vuoto la carica non irradia. Solo una carica accelerata produce campi che si staccano dalla carica e si propagano come onda.

In un'antenna a dipolo gli elettroni oscillano avanti e indietro lungo il filo: sono continuamente accelerati, quindi l'antenna irradia onde di frequenza uguale a quella dell'oscillazione.

L'onda è trasversale e non richiede un mezzo (a differenza del suono): i campi si sostengono a vicenda. Quando passa in un mezzo trasparente con indice di rifrazione $n$:

  • la frequenza non cambia (è fissata dalla sorgente);

  • la velocità diventa $v=c/n$;

  • la lunghezza d'onda diventa $\lambda=v/f=\lambda_0/n$.

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Un'antenna dipolo irradia un'onda elettromagnetica. a) Spiega come cariche accelerate producono onde elettromagnetiche e perché una carica in moto uniforme no. b) Spiega…

Un'antenna dipolo irradia un'onda elettromagnetica.

  1. a) Spiega come cariche accelerate producono onde elettromagnetiche e perché una carica in moto uniforme no.
  2. b) Spiega perché le onde elettromagnetiche sono trasversali e non richiedono un mezzo.
  3. c) Un'onda passa dal vuoto a un vetro con indice di rifrazione $n = 1,5$: determina come cambiano velocità, frequenza e lunghezza d'onda, con $f = 5,0\cdot10^{14}\ \text{Hz}$.
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Vuoi chiudere il cerchio con l'inizio? La radio riceve la trasmissione perché l'antenna dell'emittente accelera le cariche, e l'onda che ne risulta viaggia nello spazio alla velocità $c$ trasportando energia e informazione.

In sintesi

Vedi tutti gli esercizi di questa sezione