Onde elettromagnetiche

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AVVERTENZA: il campo dell'elettromagnetismo e lo studio delle onde elettromagnetiche è attualmente al di fuori dello scopo di questo sito. Si cita qui solo la definizione di onda elettromagnetica per completezza. Tutti i fenomeni ondulatori che si incontrano nelle diverse pagine si applicano anche alle onde elettromagnetiche, su una diversa scala di spazi e tempi, mentre alcuni nuovi fenomeni sono loro particolarità esclusiva, e non sono qui analizzati.

Sommario

Cos'è un'onda elettromagnetica?

L'onda elettromagnetica è una perturbazione di natura simultaneamente elettrica e magnetica che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro. Tale perturbazione è costituita dalla vibrazione simultanea di due enti immateriali detti campo elettrico e magnetico attorno alla loro posizione di equilibrio (che corrisponde all'assenza di perturbazione).

Questa definizione nasconde, dietro la sua apparente astrusità, un ente fisico, in realtà, estremamente familiare della cui presenza facciamo continua esperienza nella vita di tutti i giorni. Sono onde elettromagnetiche:

  • la luce emessa dal sole, da una lampada o da qualunque sorgente in grado di illuminare gli oggetti. E' ciò che chiamiamo la luce visibile;
  • le radiazioni infrarosse emesse dal termosifone o dai nostri corpi per il solo fatto di essere ad una certa temperatura. Avrai sentito parlare (almeno nei film di spionaggio) di macchine fotografiche in grado di "vedere" la radiazione infrarossa;
  • le microonde emesse dagli omonimi forni che utilizziamo per scaldare rapidamente le vivande;
  • le onde radio per mezzo delle quali sono possibili tutte le moderne telecomunicazioni (radio, televisione, cellulari...);
  • i famosi raggi ultravioletti ai quali dobbiamo molta della "tintarella" estiva;
  • i famigerati raggi X utilizzati in medicina per la radiografia delle ossa;
  • i raggi γ (esistono davvero!) che anziché essere sparati da improbabili armi di altrettanto improbabili alieni, sono radiazioni emesse nelle disintegrazioni nucleari ed estremamente dannose per i tessuti biologici.

La più nota delle velocità

Un altro aspetto che ci rende le onde elettromagnetiche così inconsapevolmente familiari è che esse si propagano, nel vuoto, con la più nota delle velocità: la velocità della luce. Essa compare nella più famosa equazione della fisica

E=mc^2\;

ove la costante

c\approx 3\cdot 10^8\;\textrm{m/s}

è appunto la velocità della luce. Essendo la luce un'onda trasversale dovrebbe essere possibile, con formule simili a quelle ricavate per le onde trasversali nei solidi, dedurre tale costante c a partire dalle proprietà del mezzo.

Attenzione però: anche se l'analogia può essere valida per alcuni mezzi dielettrici (si parla ad esempio di "rigidità dielettrica" di un mezzo), essa non può essere generalizzata. Infatti le onde elettromagnetiche, a differenza delle onde meccaniche, non hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi, ma solo della vibrazione del campo elettrico e di quello magnetico.

Storicamente questo fatto è stato molto difficile da accettare: fino al 1905 (anno in cui Einstein pubblica l'articolo in cui fonda la teoria della relatività ristretta) i fisici hanno cercato di rivelare lo straordinario mezzo (battezzato etere luminifero) in grado di estendere l'analogia elettro-meccanica anche nel vuoto. Per rendere conto del valore straordinariamente elevato della velocità della luce, e di altre proprietà della propagazione elettromagnetica, tale mezzo, che dovrebbe permeare tutto lo spazio, dovrebbe avere, proprietà contraddittorie, come

  • una rigidità straordinariamente alta (cioè una resistenza alle sollecitazioni trasversali estremamente elevata: potremmo dire un grande valore del modulo di taglio G);
  • una bassissima densità sia per rendere grande il valore di \sqrt{\frac{G}{\rho}} , sia per rendere conto del fatto che tale mezzo non dovrebbe offrire nessuna resistenza dinamica (attrito) al moto dei pianeti.

Lo spettro elettromagnetico

L'insieme delle onde elettromagnetiche costituisce il cosiddetto spettro elettromagnetico. All'interno dello spettro le onde elettromagnetiche sono classificate in base alla loro lunghezza d'onda λ o, in modo analogo, alla loro frequenza f.

Come per ogni onda la lunghezza d'onda e la frequenza sono legate dalla relazione:

 c={\lambda}{f}\;

dove c rappresenta la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche che, nel vuoto, è la famosa velocità della luce pari a c = 300000 km/s. La lunghezza d'onda e la frequenza sono pertanto inversamente proporzionali: tanto minore sarà la lunghezza d'onda, tanto maggiore sarà la frequenza.

Tipo di radiazione elettromagnetica Frequenza Lunghezza d'onda
Onde radio < 3 Ghz > 10 cm
Microonde 3 GHz – 300 GHz 1mm – 10cm
Infrarossi 300 GHz – 428 THz 700nm – 1 mm
Luce visibile 428 THz – 749 THz 400 nm – 700 nm
Ultravioletti 749 THz – 30 PHz 10 nm – 400 nm
Raggi X 30 PHz – 300 EHz 1 pm – 10 nm
Raggi gamma > 300 EHz < 1 pm
  • Esaminando la tabella salta subito all'occhio (è proprio il caso di dirlo), che ciò che chiamiamo luce visibile rappresenta solamente una piccolissima "finestra ottica" dello spettro elettromagnetico. La lunghezza d'onda della luce visibile varia da 400 nm a 700 nm;
  • in questo senso non è molto diverso dall'orecchio che è in grado di percepire solamente onde sonore aventi determinate frequenze;
  • la similitudine con l'apparato uditivo non si ferma qui: così come le frequenze delle onde sonore udibili determinano, in massima parte, quella che si chiama l'altezza di un suono, la variazione della lunghezza d'onda della luce visibile determina il colore della luce stessa (dal violetto al rosso per lunghezze d'onda crescenti, o frequenze decrescenti). È per tale motivo che spesso la finestra ottica dello spettro elettromagnetico spesso viene rappresentata in modo da mostrare anche l'informazione relativa al colore.
  • Nello stesso linguaggio musicale si usa il termine "cromatismo" per indicare la variazione in frequenza di un suono.
  • In acustica si parla di rumore colorato per indicare onde sonore in cui vi è la prevalenza di certe componente spettrali rispetto ad altre. L'analogia si spinge oltre: si "colora" il rumore usando la "tavolozza" dello spettro delle onde elettromagnetiche. Il rumore violetto, ad esempio, è ricco di onde sonore di alta frequenza in contrapposizione al rumore rosso in cui prevalgono onde sonore di più bassa frequenza.
  • Avrai forse sentito parlare del fenomeno del "red shift" (spostamento verso il rosso) della luce proveniente dalle galassie in allontanamento dalla terra. Il fenomeno è dovuto alla diminuzione della frequenza percepita di un'onda elettromagnetica emessa da una sorgente in allontanamento dal soggetto ricevente (effetto Doppler). Grazie allo spettro elettromagnetico sei ora perfettamente in grado di comprendere il perché del nome dato al fenomeno: una diminuzione di frequenza porta le componenti della luce visibile a spostarsi verso le componenti più rossastre (a minor frequenza).

...e la luce bianca?

Dispersione alla superficie di un CD
Dispersione alla superficie di un CD
  • Avrai notato che nello spettro precedente è del tutto assente la luce bianca la quale, paradossalmente, è quella che ci è più familiare. Dobbiamo forse concludere che tale tipo di luce non è un'onda elettromagnetica? La risposta è negativa: la luce bianca è data dalla sovrapposizione di tutte le componenti spettrali della luce visibile. In tale sovrapposizione l'intensità delle varie componenti deve essere confrontabile. Newton, in una notissima esperienza, servendosi di un prisma di vetro riusci a scomporre, grazie al fenomeno della rifrazione, la luce nelle sue componenti spettrali. Puoi riprodurre l'esperienza di Newton in modo molto artigianale: prova ad osservare un raggio di luce solare attraverso il bordo di una piccola riga da disegno o facendo riflettere la luce dalla superficie di un CD (vedi foto a lato): ti apparirà uno spettro in miniatura (con i colori disposti esattamente nello stesso ordine dello spettro elettromagnetico).
  • In acustica si parla rumore bianco proprio per indicare un'onda sonora costituita dalla sovrapposizione di onde sonore che assumono tutti i valori di frequenza udibili e che hanno un'intensità confrontabile in ogni range di frequenza.


Approfondimenti e collegamenti

  • È interessante osservare come la denominazione dei fenomeni classificati come onda elettromagnetica contenga spesso la parola raggio. Tale fatto è un residuo dell'errata interpretazione della luce visibile (e successivamente dei raggi X e γ come sciami di particelle). Se sei interessato ad approfondire la storia di questa errata interpretazione visita la pagina indice di rifrazione.
  • Componendo in modo opportuno più onde elettromagnetiche trasversali si possono creare onde polarizzate. Per capire le importanti proprietà di tali onde (utilizzate ad esempio nei filtri Polaroid) visita la pagina relativa alla polarizzazione
  • Se ti ha interessato la scomposizione della luce bianca non puoi non visitare la pagina relativa agli arcobaleni.

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