LAVORO �E FORME DI ENERGIA
LE EQUAZIONI DI MAXWELL �E LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
Campo elettrico indotto
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Un campo magnetico variabile nel tempo genera �un campo elettrico indotto a esso concatenato:
Il fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879), a partire dalla legge �di Faraday-Neumann, diede un’interpretazione più approfondita �del fenomeno della corrente indotta, basata sul concetto di campo.
Campo magnetico indotto
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Un campo elettrico variabile nel tempo, per ragioni di simmetria, genera �un campo magnetico indotto a esso concatenato.
Campo elettromagnetico
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Il campo elettromagnetico �è la concatenazione di campi elettrici e magnetici variabili che si generano (o inducono) �a vicenda.
Onda elettromagnetica
Un’onda elettromagnetica è una perturbazione dovuta alla variazione del campo elettromagnetico con trasporto di energia elettrica e magnetica.
Equazioni di Maxwell
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Onde elettromagnetiche �nel vuoto
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Le onde elettromagnetiche sono trasversali, perché le vibrazioni dei vettori e �sono sempre perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda.
Tra i moduli dei due campi nel vuoto vale la relazione:
Velocità delle onde elettromagnetiche
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La velocità delle onde elettromagnetiche è data dalla relazione:
Nel vuoto, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce, che è circa c = 300 000 km/s.
Emissione di onde elettromagnetiche
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Le onde elettromagnetiche possono essere generate usando delle antenne �a dipolo elettrico: si tratta di aste metalliche collegate con i poli di �un generatore di tensione alternata.
Il campo elettromagnetico, prodotto dalle oscillazioni della carica elettrica, continua �a trasportare energia e a propagarsi anche quando la carica cessa di muoversi, �come accade per le onde meccaniche che, una volta prodotte, si propagano in modo indipendente dalla sorgente.
Ricezione di onde elettromagnetiche
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Quando l’onda elettromagnetica incontra sul suo cammino un’antenna ricevente, �gli elettroni liberi all’interno della sbarra metallica del ricevitore iniziano a muoversi avanti e indietro con la stessa frequenza dell’onda che l’ha investita.
Grazie alla presenza di un condensatore di capacità variabile, il circuito abbinato all’antenna ricevente può captare onde di varie frequenze.
La sintonizzazione consiste nel modificare le caratteristiche elettriche del circuito dell’antenna ricevente, variando la capacità del condensatore, in modo da ricevere �onde di frequenze diverse.
Spettro elettromagnetico
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Le onde elettromagnetiche, a seconda delle lunghezze d’onda o, dato che v = λ ⋅ f, �in base alle frequenze, si possono raggruppare in opportuni intervalli che formano �lo spettro della radiazione elettromagnetica.
Onde radio
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Le onde radio hanno una lunghezza d’onda compresa tra qualche decina di kilometri e 10 cm e si producono grazie alle oscillazioni degli elettroni nei conduttori metallici delle antenne.
Utilizzando questo tipo di onde radio, nel 1895 Guglielmo Marconi realizzò la prima comunicazione a distanza dell’ordine delle centinaia di metri. Nel 1901 riuscì �a trasmettere il primo messaggio attraverso l’Oceano Atlantico.
Queste onde sono riflesse dagli ioni dell’alta atmosfera e, in virtù di questa
particolarità, è possibile la comunicazione fra luoghi posti a grande distanza.
Microonde
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La lunghezza d’onda delle microonde indicativamente va da 10 cm a 1 mm.
Esse sono generate in tubi particolari (magnetron, klystron), dove gli elettroni �si muovono sotto l’influenza di campi elettromagnetici.
Le microonde si usano per comunicazioni�a distanza: GPS, radioastronomia, telefonia cellulare (900/1800 MHz) e reti wireless.
Le microonde sono utilizzate anche �per scaldare, scongelare e cuocere cibi.
Raggi infrarossi
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La lunghezza d’onda dei raggi infrarossi è compresa indicativamente fra 1 mm e 0,7 mm. Sono prodotti da rotazioni o vibrazioni atomiche, causate da urti tra molecole e possono provenire perciò da tutti i corpi, in particolare da quelli caldi.
Gli infrarossi rivelano la dispersione di calore da un edificio.
Il 50% della radiazione emessa dal Sole appartiene alla regione dell’infrarosso.
Luce visibile
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La luce visibile è formata da un intervallo di radiazioni molto ristretto con lunghezze
d’onda comprese fra 0,7 mm e 0,4 mm.
Raggi ultravioletti
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I raggi ultravioletti hanno lunghezze d’onda comprese tra 0,4 mm e 10 nm. �Vengono generati da oscillazioni di elettroni fortemente legati al nucleo. �La sorgente naturale più importante di questa radiazione è il Sole.
I raggi UV penetrano profondamente �nei tessuti degli organismi ed esposizioni prolungate possono favorire l’insorgenza di tumori della pelle.
Raggi X
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I raggi X, scoperti nel 1895 da Röntgen, hanno lunghezze d’onda comprese in un intervallo
molto ristretto dello spettro, che va da 10 nm a 0,01 nm.
Si originano quando un elettrone ad alta energia urta un metallo, subendo una rapida decelerazione.
I raggi X penetrano nei tessuti e sono impiegati nelle radiografie.
Colpendo i cristalli producono figure di diffrazione utili per lo studio �di biomolecole come il DNA.
Raggi γ
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I raggi γ hanno lunghezze d’onda inferiori a 0,01 nm. Sono emessi spontaneamente
dai nuclei instabili delle sostanze radioattive naturali o artificiali e, più in generale, �in processi che coinvolgono il nucleo. Comportano la trasformazione di massa in energia.
Questi raggi vengono usati nella terapia dei tumori e in diverse procedure diagnostiche, come la PET, che consente di ottenere immagini di organi interni.