Onde elettromagnetiche: cosa sono e come vengono prodotte (con esempi)

Le onde elettromagnetiche (EM) sfrecciano intorno a te in ogni momento e il loro studio rappresenta un'intera area cruciale della fisica. Comprendere, classificare e descrivere le varie forme di radiazione elettromagnetica ha aiutato la NASA e altre entità scientifiche spingono la tecnologia umana dentro e oltre un territorio precedentemente inesplorato, spesso in modo drammatico modi. Eppure solo una piccola frazione delle onde elettromagnetiche è visibile all'occhio umano.

In fisica, una certa quantità di matematica è inevitabile. Ma la cosa bella nelle scienze fisiche è che la matematica tende ad essere logicamente "pulita" - cioè, una volta che hai familiarità con le equazioni di base della meccanica classica (cioè, di solito cose grandi e visibili che si muovono), le equazioni dell'elettromagnetismo sembrano familiari, solo con diversi variabili.

Per comprendere al meglio i campi e le onde elettromagnetiche, dovresti avere una conoscenza di base delle equazioni di Maxwell, derivate da James Clerk Maxwell nella seconda metà del 1800. Queste equazioni, da cui deriva la soluzione generale per le onde EM, descrivono la relazione tra elettricità e magnetismo. Alla fine, dovresti anche capire cosa significa "essere" un'onda - come

Le equazioni di Maxwell formalizza la relazione tra elettricità e magnetismo e descrivono tutti questi fenomeni. Basandosi sul lavoro di fisici come Carl Gauss, Michael Faraday e Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell scoprì che le equazioni prodotte da questi scienziati relative ai campi elettrici e magnetici erano fondamentalmente valide, ma imperfetto.

Se non hai familiarità con il calcolo, non scoraggiarti. Puoi seguire abbastanza bene senza risolvere nulla. Ricorda solo che l'integrazione non è altro che una forma intelligente per trovare l'area sotto una curva in un grafico sommando sezioni incredibilmente piccole di quella curva. Inoltre, mentre le variabili e i termini potrebbero non significare molto all'inizio, farai riferimento a loro ripetutamente durante l'articolo mentre le "luci" continuano ad illuminarsi per te su questo argomento vitale.

​La prima equazione di Maxwellè derivato dalegge di Gaussper i campi elettrici, che afferma che il flusso elettrico netto attraverso una superficie chiusa (come l'esterno di una sfera) è proporzionale alla carica all'interno:

Qui, il triangolo capovolto ("nabla" o "del") rappresenta un operatore di gradiente tridimensionale,ρè la densità di carica per unità di volume eε​₀ è l'elettrico?permettività dello spazio libero​.

​Seconda equazione di Maxwellè la legge di Gauss per il magnetismo, in cui, a differenza del caso con i campi elettrici, non esiste una cosa come una "carica magnetica puntiforme", o unmonopolo magnetico. Invece, le linee del campo magnetico appaiono come anelli chiusi. Il flusso magnetico netto attraverso una superficie chiusa sarà sempre 0, il che risulta direttamente dal fatto che i campi magnetici sono dipolari.

La legge afferma in effetti che ogni linea proveniente da un campo magneticoBentrare in un volume scelto nello spazio deve uscire da quel volume ad un certo punto, e questo è il successivo flusso magnetico attraverso la superficie è quindi zero.

​Terza equazione di Maxwell(Legge di Faraday dell'induzione magnetica) descrive come un campo elettrico viene creato da un campo magnetico variabile. Il divertente "∂" significa "derivato parziale" e implica fluttuazione. Simboli strani a parte, la relazione mostra che un cambiamento nel flusso elettrico risulta sia da e obbliga anon costantecampo magnetico.

​La quarta equazione di Maxwell(la legge di Ampere-Maxwell) è la fonte per gli altri, per la correzione di Maxwell all'incapacità di Ampere di tenere conto delle correnti non stazionarie increspate attraverso le altre tre equazioni con i loro fattori di correzione proprio. L'equazione è derivata dalla legge di Ampere e descrive come un campo magnetico viene generato da una corrente (carica in movimento), un campo magnetico variabile o entrambi.

Qui,μ​₀ è la permeabilità dello spazio libero. L'equazione mostra come il campo magnetico all'interno di una data area attorno alla corrente in un filoJcambia con quella corrente e con il campo elettricoE​.

Una volta che Maxwell ebbe formalizzato la sua comprensione dell'elettricità e del magnetismo con le sue equazioni, cercò varie soluzioni alle equazioni che avrebbero potuto descrivere nuovi fenomeni.

Poiché un campo elettrico variabile genera un campo magnetico e un campo magnetico variabile genera un campo elettrico, Maxwell determinò che un'onda elettromagnetica autopropagante poteva essere generato. Usando le sue equazioni, determinò che la velocità di tale onda avrebbe una velocità uguale alla velocità della luce. Questo non si è rivelato una coincidenza e ha portato alla scoperta che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica!

In generale, le onde sono oscillazioni in un mezzo che trasferiscono energia da un luogo all'altro. Le onde hanno una lunghezza d'onda, un periodo e una frequenza ad esse associati. La velocitàvdi un'onda è la sua lunghezza d'ondaλvolte la sua frequenzaf, o f = v.

L'unità SI della lunghezza d'onda è il metro, anche se i nanometri si incontrano più frequentemente perché sono più convenienti per lo spettro visibile. La frequenza è misurata in cicli al secondo (s^-1) ohertz(Hz), dopo Heinrich Hertz. Il periodoTdi un'onda è il tempo necessario per completare un ciclo, o 1/f.

Per il caso di un'onda EM, a differenza della situazione con onde meccaniche,vè costante in tutte le situazioni, il che significa cheλvariainversamenteconf. Cioè, frequenze più alte implicano lunghezze d'onda più corte per un datov. "Alta frequenza" implica anche "alta energia"; cioè energia elettromagneticaEin joule (J) è proporzionale af, tramite un fattore chiamato costante di Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• L'equazione per un'onda èy = Un peccato (kx − ωt), doveUNè l'ampiezza,Xè lo spostamento lungo l'asse x,Kè il numero d'onda 2π/k, e

​ω​

è la frequenza angolare 2π/T.

Un'onda elettromagnetica è costituita da un campo elettrico (E) onda oscillante in un piano perpendicolare (ad angolo retto) ad un campo magnetico (B) onda. Se ti immagini come un'onda EM che cammina ("propagando") su un pavimento piano, ilEla componente d'onda oscilla su un piano verticale attraverso il tuo corpo eBl'onda oscilla all'interno del piano orizzontale.

Poiché la radiazione elettromagnetica agisce come un'onda, ogni particolare onda elettromagnetica avrà una frequenza e una lunghezza d'onda ad essa associate. Un altro vincolo è che, poiché la velocità delle onde elettromagnetiche è fissata a c = 3 × 10⁸ m/s, la velocità alla quale la luce viaggia nel vuoto (utilizzata anche per la velocità della luce nell'aria per approssimazioni ravvicinate). Una frequenza più bassa è quindi associata a lunghezze d'onda più lunghe e viceversa.

Le onde EM non richiedono un mezzo come acqua o gas attraverso il quale propagarsi; quindi, possono attraversare il vuoto dello spazio vuoto stesso alla velocità più elevata dell'intero universo!

Le onde elettromagnetiche sono prodotte attraverso un'enorme gamma di frequenze e lunghezze d'onda. Partendo dalla bassa frequenza (minore energia) e quindi dalla lunghezza d'onda maggiore, i vari tipi di radiazione EM sono:

• ​Onde radio(circa 1 m e oltre): la radiazione EM a radiofrequenza si estende da circa 20.000 a 300 miliardi di Hz. Questi "volano" non solo in giro per il mondo ma in profondità nello spazio, e il loro sfruttamento da parte di Marconi all'inizio del XX secolo ha rivoluzionato il mondo degli umani comunicazione.
• ​Microonde(da circa 1 mm a 1 m): possono anche penetrare nello spazio, ma sono utili nelle applicazioni meteorologiche perché possono anche penetrare nelle nuvole.
• ​Onde infrarosse(da 700 nm a 1 mm): la radiazione infrarossa, o "luce infrarossa", è il materiale degli occhiali per la "visione notturna" e di altri dispositivi di miglioramento visivo.
• ​Luce visibile(da 400 nm a 700 nm): le onde luminose nello spettro visibile coprono una piccola frazione della frequenza delle onde elettromagnetiche e della gamma di lunghezze d'onda. I tuoi occhi, dopo tutto, sono il prodotto abbastanza conservatore di ciò che la natura ha bisogno che raccolgano per la sopravvivenza quotidiana.
• ​Luce ultravioletta(da 10 nm a 400 nm): la radiazione ultravioletta è ciò che provoca scottature solari e probabilmente anche tumori maligni della pelle. Tuttavia, i lettini abbronzanti non esisterebbero senza di essa.
• ​raggi X(da circa 0,01 nm a 10 nm): questa radiazione ad alta energia è un incredibile aiuto diagnostico in medicina, ma questo deve essere bilanciato con il loro potenziale di causare loro stessi danni fisici in un livello superiore esposizioni.
• ​Raggi gamma(< 0,01 nm): come ci si aspetterebbe, questa è una radiazione ad alta energia e quindi potenzialmente letale. Se non fosse stato per l'atmosfera terrestre che ne bloccava la maggior parte, la vita nella sua forma attuale non sarebbe stata in grado di andare avanti miliardi di anni fa. Sono usati per trattare i tumori particolarmente aggressivi.

Poiché la radiazione elettromagnetica ha entrambe le proprietà di un'onda e agirà come un'onda quando misurata come tale, ma agisce anche come una particella (chiamatafotone) quando misurato come tale, diciamo che ha la dualità particella-onda.

Una corrente costante produce un campo magnetico costante, mentre una corrente variabile induce un campo magnetico variabile. Se il cambiamento è costante e ciclico, si dice che le onde (e i campi associati) oscillino o "si muovono" rapidamente avanti e indietro su un piano.

Lo stesso principio essenziale funziona al contrario: un campo magnetico oscillante induce un campo elettrico oscillante.

Le onde elettromagnetiche risultano da questa interazione tra campi elettrici e magnetici. Se una carica si muove avanti e indietro lungo un filo, crea un campo elettrico variabile, che a sua volta crea un campo magnetico mutevole, che poi si autopropaga come un'onda EM, in grado di emettere fotoni. Questo è un esempio di due onde trasversali (e campi) che si intersecano per formare un'altra onda trasversale.

• Atomi e molecole possono assorbire ed emettere frequenze specifiche di radiazione elettromagnetica coerenti con i loro livelli di energia quantizzata associati.

Le persone spesso confondono questi due tipi di onde semplicemente perché hanno molta familiarità con l'ascolto della radio. Ma le onde radio sono, come ora sapete, una forma di radiazione elettromagnetica. Viaggiano alla velocità della luce e trasmettono informazioni dalla stazione radio alla tua radio. Tuttavia, tale informazione viene poi convertita nel movimento di un altoparlante, che produce onde sonore, che sonolongitudinaleonde nell'aria (come quelle in uno stagno dopo che è stato disturbato da un sasso lanciato).

• Le onde sonore viaggiano a circa 343 m/s nell'aria, che è molto più lenta delle onde radio, e richiedono un mezzo attraverso cui viaggiare.

Un fenomeno chiamato spostamento di frequenza Doppler nella radiazione EM consente agli astrofisici di dire se gli oggetti nello spazio si stanno muovendo verso di noi o lontano da noi, perché un oggetto fermo che emette onde EM mostrerà uno schema diverso da quello in movimento, rispetto a un osservatore fisso.

Una tecnica chiamata spettroscopia consente ai chimici di determinare la composizione dei gas. L'atmosfera terrestre protegge la biosfera dalle radiazioni ultraviolette più dannose e da altre radiazioni ad alta energia come i raggi gamma. I forni a microonde per la cottura dei cibi hanno permesso agli studenti universitari di preparare i pasti nei loro dormitori. I segnali di telefoni cellulari e GPS sono un'aggiunta relativamente recente ma già fondamentale all'elenco delle tecnologie che dipendono dall'energia EM.