Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni dei campi elettrico e magnetico che viaggiano nel vuoto alla velocità della luce, trasportando energia e informazione senza bisogno di un mezzo materiale.
Quando accendi il forno a microonde, ascolti la radio in auto o ti scaldi al sole, stai sperimentando manifestazioni dello stesso fenomeno fisico. Tutte queste situazioni coinvolgono onde elettromagnetiche, una delle scoperte più rivoluzionarie della fisica dell'Ottocento. Capire come nascono, come si propagano e come interagiscono con la materia ci permette di comprendere fenomeni che vanno dalla comunicazione satellitare alla diagnostica medica con raggi X. In questa lezione costruiremo passo dopo passo il quadro teorico che unifica elettricità, magnetismo e ottica.
Dalle equazioni di Maxwell alle onde
Nella seconda metà dell'Ottocento, James Clerk Maxwell raccolse e completò le leggi dell'elettromagnetismo in un sistema di quattro equazioni che descrivono il comportamento dei campi elettrico e magnetico. Il passo cruciale fu l'introduzione della corrente di spostamento nella legge di Ampère, un termine che tiene conto della variazione nel tempo del flusso del campo elettrico. Grazie a questa aggiunta, Maxwell scoprì che un campo elettrico variabile genera un campo magnetico, esattamente come un campo magnetico variabile genera un campo elettrico secondo la legge di Faraday-Neumann. Questa reciproca generazione permette ai due campi di sostenersi a vicenda anche lontano dalle cariche e dalle correnti che li hanno prodotti. Le equazioni di Maxwell, combinate fra loro, conducono a un'equazione delle onde che ammette come soluzioni perturbazioni che si propagano nello spazio. La velocità di propagazione, calcolata teoricamente, risultò pari a circa 3,00 · 10⁸ m/s, sorprendentemente vicina alla velocità della luce misurata sperimentalmente.
Struttura e propagazione di un'onda elettromagnetica
Un'onda elettromagnetica piana è formata da un campo elettrico E e da un campo magnetico B che oscillano in modo sincronizzato lungo direzioni perpendicolari fra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione. Per questo motivo si dice che le onde elettromagnetiche sono trasversali, a differenza, per esempio, delle onde sonore che sono longitudinali. I moduli dei due campi sono legati dalla relazione E = c·B, dove c è la velocità della luce nel vuoto, quindi conoscere uno dei due significa conoscere l'altro. Pensa a una stazione radio FM che trasmette a 100 MHz: l'antenna fa oscillare gli elettroni con quella frequenza, generando campi che si propagano nello spazio circostante e che fanno oscillare a loro volta gli elettroni dell'antenna del tuo ricevitore. Una caratteristica notevole è che le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, e infatti la luce solare attraversa il vuoto cosmico per raggiungere la Terra. Nei mezzi materiali la velocità diminuisce di un fattore n, detto indice di rifrazione, che dipende dalle proprietà elettriche e magnetiche del mezzo.
Lunghezza d'onda, frequenza ed energia
Come ogni onda periodica, anche un'onda elettromagnetica è descritta dalla lunghezza d'onda λ, dalla frequenza f e dal periodo T, legati dalle relazioni fondamentali c = λ·f e T = 1/f. Per esempio, un'onda radio FM a 100 MHz ha una lunghezza d'onda di circa 3 metri, mentre la luce verde a 550 nm ha una frequenza di circa 5,5 · 10¹⁴ Hz. L'energia trasportata da un'onda elettromagnetica è proporzionale al quadrato dell'ampiezza dei campi, ma a livello microscopico si manifesta come fotoni, pacchetti discreti di energia introdotti da Planck ed Einstein. L'energia di un singolo fotone è data dalla formula E = h·f, dove h è la costante di Planck pari a 6,63 · 10⁻³⁴ J·s. Questo spiega perché i raggi ultravioletti, pur essendo poco intensi, possono danneggiare la pelle: i loro fotoni hanno energia sufficiente a rompere legami chimici, mentre quelli delle onde radio no, indipendentemente dall'intensità. La dualità onda-corpuscolo, che ritroverai nello studio della meccanica quantistica, nasce proprio dall'analisi accurata di queste interazioni.
Lo spettro elettromagnetico
L'insieme di tutte le onde elettromagnetiche possibili, ordinate per frequenza crescente o lunghezza d'onda decrescente, costituisce lo spettro elettromagnetico. Le onde radio occupano la regione delle frequenze più basse, da pochi kHz a centinaia di MHz, e vengono usate per la comunicazione perché si propagano facilmente nell'atmosfera e attorno agli ostacoli. Salendo in frequenza incontriamo le microonde, sfruttate nei radar, nei telefoni cellulari e nei forni domestici, dove vengono assorbite efficacemente dalle molecole d'acqua. Seguono l'infrarosso, percepito come calore dalla nostra pelle, la luce visibile compresa fra circa 380 nm (violetto) e 750 nm (rosso), e l'ultravioletto responsabile dell'abbronzatura. Alle frequenze più alte troviamo i raggi X, usati per la radiografia perché penetrano i tessuti molli ma vengono fermati dalle ossa, e i raggi gamma, prodotti nei nuclei atomici e impiegati in radioterapia per distruggere cellule tumorali. La regione visibile occupa una porzione minuscola dello spettro, ma è proprio quella a cui i nostri occhi si sono adattati nel corso dell'evoluzione, perché coincide con il picco di emissione del Sole.
Polarizzazione, interazione con la materia e applicazioni
Un'onda elettromagnetica si dice polarizzata linearmente quando il campo elettrico oscilla sempre lungo la stessa direzione; la luce solare, invece, è non polarizzata perché contiene tutte le orientazioni possibili. Gli occhiali da sole polarizzati sfruttano questo fenomeno: contengono un filtro che lascia passare solo le componenti verticali e blocca i riflessi orizzontali provenienti dall'asfalto o dall'acqua. Quando un'onda incontra un mezzo materiale, può essere riflessa, rifratta, assorbita o trasmessa, e le proporzioni dipendono dalla frequenza e dalle proprietà del mezzo. L'effetto Doppler elettromagnetico, analogo a quello acustico, fa variare la frequenza ricevuta quando sorgente e osservatore sono in moto relativo: gli autovelox stradali misurano la velocità delle auto sfruttando proprio lo spostamento di frequenza delle microonde riflesse. Su scala cosmologica, il redshift delle galassie lontane, cioè lo spostamento delle righe spettrali verso il rosso, fornisce la prova osservativa dell'espansione dell'universo. Le applicazioni tecnologiche, infine, sono innumerevoli e spaziano dalla risonanza magnetica nucleare alla fibra ottica, dalla televisione satellitare ai sistemi GPS.
Ricorda
I punti chiave da fissare sono i seguenti:
- Le onde elettromagnetiche sono generate da cariche accelerate e si propagano nel vuoto alla velocità c = 3,00 · 10⁸ m/s.
- I campi E e B sono perpendicolari fra loro e alla direzione di propagazione, con E = c·B.
- Valgono le relazioni c = λ·f e, per il singolo fotone, E = h·f.
- Lo spettro elettromagnetico va dalle onde radio ai raggi gamma; la luce visibile ne occupa solo una piccola parte.
- Le onde trasportano energia, possono essere polarizzate e interagiscono con la materia tramite riflessione, rifrazione e assorbimento.
Esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: una stazione radio trasmette su una lunghezza d'onda di 1,5 metri. Calcola la frequenza dell'onda, l'energia di un singolo fotone in joule e in elettronvolt (1 eV = 1,6 · 10⁻¹⁹ J), e indica in quale regione dello spettro elettromagnetico si colloca l'emissione. Scrivi passo passo i calcoli e commenta brevemente perché un'onda con queste caratteristiche è adatta alla diffusione radiofonica.