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Le onde elettromagnetiche

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Le onde elettromagnetiche

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Le onde elettromagnetiche

  1. 1. Le onde elettromagnetiche A cura di Enrica Maragliano Liceo Classico C.Colombo Genova
  2. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 26. Classificazione delle radiazioni (II)

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