Le onde elettromagnetiche

1. Le onde elettromagnetiche
A cura di Enrica Maragliano
Liceo Classico C.Colombo
Genova

2. Come si genera un’onda
elettromagnetica?
Un elettrone e immobile genera, a causa della sua carica,
una forza elettrica nello spazio circostante — il campo
elettrico — che diminuisce come l'inverso del quadrato
della distanza.
Se facciamo oscillare avanti e indietro l'elettrone e tra due
punti A1 e A2: il campo elettrico nello spazio circostante
viene perturbato a causa del cambiamento di distanza
dall’elettrone durante la sua oscillazione.
Come sappiamo dallo studio dell’induzione
elettromagnetica e dalle equazioni di Maxwell, una
variazione di campo elettrico genera un campo magnetico.

3. Conseguenze
• Il campo elettrico varia perché la posizione di e cambia
continuamente
• Il campo magnetico varia perché e è in movimento e
genera, quindi, una 
corrente elettrica variabile

Queste variazioni di E
— e quindi anche di B
— vengono
rilevate non solo nel punto in cui si trova l’elettrone, ma anche
nei punti circostanti.
Un secondo elettrone, che si trovi fermo ad una certa distanza
dal primo, comincerà ad oscillare non appena risente della
variazione di campo elettrico prodotta da e. Anche il campo
elettrico del secondo elettrone, allora, verrà perturbato dalle
sue oscillazioni e genererà a sua volta un campo magnetico,
generando un effetto a catena su tutti gli elettroni circostanti.

4. Le onde elettromagnetiche
• In questo modo il campo elettromagnetico si propaga anche
nel vuoto e si crea un’onda elettromagnetica (prevista da
Maxwell nel 1861 e provata sperimentalmente da Hertz fra il
1886 e il 1889).
• Un’onda elettromagnetica trasporta energia e continua a
propagarsi anche quando la carica che l’ha generata smette
di muoversi.
• Le dimensioni di un'onda, cioè la sua ampiezza, danno una
misura dell'intensità dell'onda elettromagnetica, ovvero
dell'energia del campo elettromagnetico da essa trasportata.

5. Onde e radiazioni
Una radiazione è, dunque,
composta da onde
elettromagnetiche,
consistenti nell'oscillazione
concertata di un campo
elettrico e di un campo
magnetico.
Queste onde si propagano
in direzione ortogonale a
quella di oscillazione.

6. Quando viene emessa una
radiazione?
• Un'onda elettromagnetica viene emessa ogni volta che una
particella carica subisce un'accelerazione a causa di una
qualche forza: poiché gli elettroni sono 1000 volte più leggeri
dei protoni, vengono accelerati molto più facilmente,
producendo così tutta la radiazione.
• Se l'elettrone si muove di moto uniforme, si "trascina" dietro il
proprio campo elettrico (e quello magnetico) e NON emette
radiazione, ma, se subisce una brusca frenata, il campo
elettromagnetico inizia ad oscillare e prosegue sotto forma di
onda: la radiazione, dunque, dipende dall'accelerazione e
NON dalla velocità dell'elettrone.
• Una particolare onda elettromagnetica è la luce.

7. Le onde piane (I)
• Quando un’antenna emette un’onda elettromagnetica al suo
interno gli elettroni vengono fatti oscillare avanti e indietro ad
una frequenza opportuna: il moto degli elettroni è generato
dalla tensione fornita da un apposito circuito oscillante (a
corrente alternata), che determina la frequenza f.
• Mentre gli elettroni oscillano di moto armonico, l’antenna
emette un’onda elettromagnetica di frequenza f che si
propaga nello spazio.
• A grande distanza da un’antenna, questa si può considerare
puntiforme e le onde che essa emette hanno fronti d’onda
sferici, che, per gli osservatori che ne vedono solo una
piccola calotta, si possono considerare piani.

8. Le onde piane (II)
• In fisica, si dice che un'onda è piana
quando il suo fronte d'onda è un piano.
• In realtà l'onda piana è
un'approssimazione ideale dell'onda,
quando la sua sorgente è posta all'infinito:
si considera il suo fronte d'onda piano
come approssimazione, quando la
sorgente dell'onda (l’antenna) è molto
lontana.

9. Caratteristiche delle onde
elettromagnetiche (I)
• Le onde elettromagnetiche sono trasversali, cioè il
campo elettrico e quello magnetico sono
perpendicolari alla direzione di propagazione
• Il campo elettrico e quello magnetico sono
perpendicolari tra loro
• Il verso di propagazione dell'onda è dato dal verso
del vettore che si ottiene eseguendo il prodotto
vettoriale tra  campo 
elettrico per induzione
magnetica E ´ B
: un osservatore disposto con la
testa nel verso di propagazione, per sovrapporre
a lo deve ruotare di 90° in senso antiorario.

E

B

10. Caratteristiche delle onde
elettromagnetiche (II)

E

B
• e non sono indipendenti: noto l'uno, l'altro è
perfettamente determinato:
B=E/c dove c è la velocità della luce
nel vuoto
Nel grafico spazio-tempo il campo
elettrico e quello magnetico variano
continuamente con la stessa legge del
moto armonico: essi aumentano
insieme fino ad un valore massimo, si
annullano nello stesso istante e poi,
contemporaneamente, giungono ai
loro valori minimi

11. Caratteristiche delle onde
elettromagnetiche (III)
• Negli isolanti perfetti, quindi nel vuoto, il campo
elettrico e quello magnetico, indissolubilmente legati,
si propagano senza attenuazione, alla velocità della
luce c che la teoria della relatività ha assunto come
massima velocità fisica possibile
• Nei mezzi conduttori l'attenuazione del campo
elettromagnetico è tanto più elevata quanto maggiori
sono la frequenza e la conducibilità e la permeabilità
magnetica del mezzo
• 

La frequenza con cui E
e B
oscillano è, nel vuoto,
f=c/λ dove λ=lunghezza dell’onda (distanza fra due
“creste” consecutive)

12. Caratteristiche delle onde
elettromagnetiche (IV)
• Data la natura ondulatoria della radiazione
elettromagnetica, le onde
elettromagnetiche non sono esenti dai
tipici fenomeni che caratterizzano in
generale le onde, cioè:
– Riflessione
– Rifrazione
– Diffrazione
– Interferenza
– Effetto Doppler

13. Riflessione
Si verifica quando un’onda, incidendo su una superficie di
separazione tra due mezzi diversi, viene in parte o
totalmente rimbalzata all’indietro.
Nella maggioranza dei casi un fascio di onde viene riflesso
solo in parte; la parte rimanente viene trasmessa al di là
della superficie, subendo il fenomeno della rifrazione.
L’energia trasportata dall’onda incidente viene ripartita tra
l’onda rifratta e l’onda riflessa secondo una proporzione che
dipende dalle proprietà dei due mezzi.

14. Rifrazione
La rifrazione è la deviazione subita da un'onda che ha luogo
quando questa passa da un mezzo fisico ad un altro nel
quale cambia la velocità di propagazione (in realtà la velocità
della luce è sempre c, costante; la variazione di velocità è
apparente, dovuta al ritardo tra assorbimento e riemissione
per i singoli atomi o molecole del mezzo). Comunemente il
fenomeno si osserva quando l'onda passa da un mezzo ad
un altro.

15. Diffrazione
La diffrazione è un fenomeno fisico associato alla
deviazione della traiettoria delle onde (come anche la
riflessione,la rifrazione, la diffusione o l'interferenza) quando
queste incontrano un ostacolo sul loro cammino.

16. Interferenza
Fenomeno dovuto alla sovrapposizione, in un punto dello
spazio, di due o più onde. L'intensità dell'onda risultante in quel
punto può essere diversa rispetto alla somma delle intensità
associate ad ogni singola onda di partenza; in particolare, essa
può variare tra un minimo, in corrispondenza del quale non si
osserva alcun fenomeno ondulatorio, ed un massimo
coincidente con la somma delle intensità.

17. Effetto Doppler
Cambiamento apparente della frequenza o della
lunghezza d'onda di un'onda percepita da un
osservatore che si trova in movimento rispetto alla
sorgente delle onde.

18. Onde polarizzate

E

B
• Di solito e associati ad un'onda
elettromagnetica presentano un'orientazione (sul
piano perpendicolare a quello di propagazione)
variabile nel tempo in modo casuale (es. onde
elettromagnetiche prodotte da una lampada ad
incandescenza)
• Tuttavia vi possono essere particolari onde
elettromagnetiche 
in cui 
è presente una regola circa
l'orientazione di E
e B
.
• Queste onde si dicono polarizzate e il fenomeno
fisico è detto polarizzazione delle onde
elettromagnetiche.

19. Definizione
Un'onda elettromagnetica si dice polarizzata
se l'orientazione del campo elettrico (sul
piano perpendicolare a quello di
propagazione) "segue una regola“.
Esistono 3 tipi di polarizzazione:
• Polarizzazione rettilinea
• Polarizzazione ellittica
• Polarizzazione circolare

20. Polarizzazione rettilinea
• L'orientazione del campo elettrico è costante nel
tempo e quindi appartiene a un piano
• Il piano di oscillazione del campo elettrico è detto
piano di polarizzazione

21. Polarizzatori
• Esistono particolari filtri, detti
polarizzatori, che
permettono il passaggio solo
di un determinato tipo di
onde polarizzate.
• Un polarizzatore lineare, ad
esempio, permette il
passaggio esclusivamente
della sola componente
dell’onda parallela all’asse di
polarizzazione.

22. Esempio
Nel caso delle onde luminose, possiamo porre un solo
polarizzatore lineare davanti ad una lampadina: vedremo che
l’intensità della luce si attenua, poiché attraverso il filtro passa
solo la parte di radiazione il cui campo elettrico oscilla in
direzione perpendicolare alle fibre del polarizzatore.
Se poniamo davanti a questo filtro un altro filtro uguale ma
ruotato di 90°, vediamo che la luce non passa più: infatti il
primo filtro seleziona solo un solo tipo di onde, ma il secondo
filtro blocca tutte queste onde “superstiti” perché esse hanno
inclinato di 90° rispetto al suo asse di polarizzazione.

E

23. Lo spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico è l'intervallo di tutte
le possibili frequenze delle radiazioni.
Le radiazioni sono onde elettromagnetiche
caratterizzate da una lunghezza d'onda e da una
frequenza.
Poiché la lunghezza d'onda e la frequenza di una
radiazione sono inversamente proporzionali, tanto
minore sarà la lunghezza d'onda, tanto maggiore
sarà la frequenza e quindi l'energia.

24. Composizione dello spettro
elettromagnetico
• Con la vista riusciamo a percepire lunghezze d'onda
comprese tra i 380 e i 760 nanometri (nm) a cui
diamo il nome di luce visibile.
• Lunghezze d'onda minori corrispondono ai raggi
ultravioletti, ai raggi X ed ai raggi gamma che
hanno tutti quindi frequenza superiore alla luce
visibile e perciò maggiore energia.
• Le radiazioni infrarosse, le onde radio e le
microonde hanno invece lunghezze d'onda maggiori
della luce e trasportano energia inferiore.

25. Classificazione delle radiazioni
Tipo di radiazione
elettromagnetica
(I)
Lunghezza d'onda
Onde radio ≥10 cm
Microonde 10 cm – 1 mm
Infrarossi 1 mm – 700 nm
Luce visibile 700 nm – 400 nm
Ultravioletti 400 nm – 10 nm
Raggi X 10 nm – 1 pm
Raggi gamma ≤1 pm

26. Classificazione delle radiazioni
(II)