Introduzione
Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni dei campi elettrico e magnetico che si propagano nello spazio trasportando energia e quantità di moto, anche in assenza di un mezzo materiale. La loro esistenza fu prevista teoricamente da James Clerk Maxwell intorno al 1865 e confermata sperimentalmente da Heinrich Hertz nel 1887 con la generazione di onde radio in laboratorio. Capire questo fenomeno significa comprendere insieme la luce che ci illumina, le onde radio che trasportano i segnali dei telefoni e i raggi X usati in medicina. Si tratta quindi di uno degli argomenti più unificanti e potenti di tutta la fisica classica, vero ponte verso la fisica moderna.
Origine e proprietà fondamentali
Maxwell, riorganizzando le leggi dell'elettromagnetismo, scoprì che un campo elettrico variabile nel tempo genera un campo magnetico variabile, il quale a sua volta produce un nuovo campo elettrico variabile. Questo meccanismo di auto-sostentamento permette ai due campi di staccarsi dalla sorgente e propagarsi nel vuoto come un'onda trasversale, in cui i vettori del campo elettrico e del campo magnetico sono perpendicolari fra loro e alla direzione di propagazione. La velocità di propagazione nel vuoto risulta uguale per tutte le onde elettromagnetiche e vale c = 1/√(ε₀μ₀) ≈ 3·10⁸ m/s, valore che coincide con la velocità della luce misurata sperimentalmente. Questa coincidenza condusse Maxwell a una conclusione rivoluzionaria: la luce è essa stessa un'onda elettromagnetica, unificando così ottica ed elettromagnetismo in una sola teoria. Le grandezze caratteristiche dell'onda sono la lunghezza d'onda λ, la frequenza f e il periodo T, legate dalla relazione fondamentale c = λ·f, che permette di passare con immediatezza da una descrizione spaziale a una temporale. Le onde elettromagnetiche trasportano energia con densità proporzionale al quadrato dell'ampiezza del campo elettrico e possono esercitare una pressione di radiazione, come dimostrano le code delle comete che si orientano sempre in direzione opposta al Sole.
Lo spettro elettromagnetico
Le onde elettromagnetiche esistono con frequenze che spaziano per oltre venti ordini di grandezza, costituendo il cosiddetto spettro elettromagnetico, suddiviso convenzionalmente in regioni distinte per applicazioni e modalità di produzione. Partendo dalle frequenze più basse troviamo le onde radio (da pochi Hz fino a circa 10⁹ Hz), prodotte da circuiti oscillanti e usate per radio, televisione e telefonia mobile; seguono le microonde, impiegate nei radar, nei forni a microonde e nelle comunicazioni satellitari. Le onde infrarosse, emesse da tutti i corpi caldi, trasportano calore e vengono usate dai telecomandi e dalle termocamere; poi compare la luce visibile, una sottile fascia tra circa 400 nm (violetto) e 700 nm (rosso), l'unica percepibile dai nostri occhi. Oltre il violetto si incontrano i raggi ultravioletti, responsabili dell'abbronzatura ma anche di danni cellulari, seguiti dai raggi X, capaci di attraversare i tessuti molli e quindi preziosi nella diagnostica medica. Le frequenze più alte appartengono ai raggi gamma, emessi nei decadimenti nucleari e dai fenomeni astrofisici più violenti come le supernovae. Un esempio concreto chiarisce il legame fra le grandezze: un'emittente radio FM trasmette a f = 100 MHz, dunque la lunghezza d'onda corrispondente è λ = c/f = (3·10⁸)/(10⁸) = 3 m, valore confrontabile con la dimensione delle antenne usate per riceverla.
Ricorda
- Un campo elettrico e un campo magnetico variabili si sostengono a vicenda generando un'onda trasversale che si propaga nel vuoto alla velocità c ≈ 3·10⁸ m/s.
- Vale sempre la relazione c = λ·f: a frequenze alte corrispondono lunghezze d'onda piccole, e viceversa.
- Lo spettro elettromagnetico si estende dalle onde radio ai raggi gamma; la luce visibile ne occupa solo una piccolissima porzione.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: un laser emette luce verde con lunghezza d'onda λ = 550 nm. Calcola la frequenza corrispondente e indica in quale regione dello spettro elettromagnetico si colloca, motivando la risposta con il valore numerico ottenuto.