Le onde elettromagnetiche Sono perturbazioni che si propagano nello spazio trasportando energia, senza il trasporto di materia.

Le onde elettromagnetiche Avendo una foglia sull’acqua, se lanciassimo un sassolino, si creerebbero oscillazioni ma la foglia resterebbe sempre nello stesso punto. Ciò significa che le onde trasportano energia e non materia.

Le equazioni di Maxwell Caso stazionario (campi non variabili nel tempo) Linee aperte, linee chiuse Flusso Circuitazione Campi conservativi e non conservativi

La prima equazione (Teorema di Gauss) Significa che il campo elettrico E è generato da una distribuzione di cariche nello spazio

Fenomeni correlati con la prima equazione Le linee di E hanno origine e finiscono dove ci sono cariche In condizioni statiche non c’è carica all’interno di un conduttore Dove ci sono cariche, c’è un campo elettrico Il flusso di E attraverso un aS chiusa, può essere nullo o diverso da 0

La seconda equazione (Teorema di Gauss per il magnetismo) Linee del campo magnetico sono linee chiuse Assenza di poli magnetici liberi in natura

La terza equazione (campi stazionari) Il campo E creato da cariche stazionarie è conservativo V(A) V(B) Tra due punti del campo si stabilisce una differenza di potenziale

La corrente indotta Legge di Faraday Movimento di un magnete La corrente senza generatore si ottiene con: Movimento di un magnete Rotazione di una bobina in un campo magnetico Campo magnetico variabile Trasformatori corrente Legge di Faraday

Legge di Faraday - Neumann - Lenz Una variazione di flusso magnetico genera una fem indotta corrente

Come può variare il flusso magnetico? = f (B,S,) Il flusso varia se variano nel tempo il campo B o la superficie S o l’angolo 

La fem è la circuitazione di E corrente Campo elettrico indotto una carica q q

Campi elettrici Campo elettrostatico Campo elettrico indotto (creato da cariche) Circuitazione = 0 il campo è conservativo Campo elettrico indotto (creato da variazioni di B) Circuitazione  0 il campo non è conservativo

Campo magnetico variabile Zona di spazio con campo magnetico che entra dentro la pagina e aumenta nel tempo spira spira Si ha corrente indotta nella spira La corrente indotta a sua volta causa un campo B indotto che esce dalla pagina

La terza equazione (caso generale) La circuitazione del campo elettrico è la variazione di flusso magnetico In condizioni stazionarie il campo elettrico è conservativo

La quarta equazione (caso stazionario: Teorema di Ampère) Significa che il campo magnetico B è creato da una distribuzione di correnti nello spazio Il campo B non è conservativo

Conseguenze della quarta equazione Campo magnetico in funzione della corrente Legge di Biot Savart Campo magnetico al centro di una spira Il campo B non è conservativo Campo magnetico dentro un solenoide

Conseguenze della quarta equazione (2) B = f (i)

Equazioni modificate Flusso Circuitazione

L’importanza della simmetria

Esistono cariche isolate, ma non poli magnetici isolati Asimmetrie Esistono cariche isolate, ma non poli magnetici isolati Se un campo magnetico variabile crea un campo elettrico indotto, è vero il viceversa?

Tentiamo di ristabilire la simmetria C’è un errore dimensionale Un campo elettrico variabile crea un campo magnetico indotto?

Carica di un condensatore B E B La corrente di carica crea un campo magnetico Anche il campo elettrico variabile nel vuoto genera un campo magnetico Dentro il condensatore si crea un campo elettrico variabile

Carica di un condensatore (2) B E B Qui c’è corrente Qui c’è corrente Qui NO Ma…. la variazione di flusso elettrico nel condensatore si comporta come una corrente nel filo

La corrente di spostamento La carica q che si accumula sulle piastre varia nel tempo B E B q q q = C V =  S E =   dq/dt =  d/dt = is corrente di spostamento

La quarta equazione di Maxwell Corrente di conduzione (nei conduttori) Corrente di spostamento (E variabile, anche nel vuoto)

Equazioni di Maxwell definitive Un campo E variabile crea un campo B Un campo B variabile crea un campo E … e così via

Onde elettromagnetiche La variazione dei campi elettrico e magnetico genera reciprocamente il mantenimento di un’onda elettromagnetica. Un campo elettrico E variabile induce un campo magnetico B e viceversa.

Onde elettromagnetiche I vettori E e B sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione.

Onde elettromagnetiche Una carica elettrica in moto emette o assorbe onde elettromagnetiche quando viene accelerata

Onde elettromagnetiche Maxwell prevede teoricamente che i campi elettrici e magnetici possano propagarsi nello spazio anche a grande distanza

Onde elettromagnetiche Maxwell teorizzò che la luce è un’onda elettromagnetica. In ogni istante il rapporto tra il modulo del campo elettrico ed il modulo del campo magnetico è uguale alla velocità della luce! E/B = c

Onde elettromagnetiche Chi sperimentò l’esistenza delle onde elettromagnetiche? Nel 1887 Hertz mise a punto un sistema per la generazione e la rivelazione delle onde elettromagnetiche (onde radio)

Oscillazioni Elettromagnetiche Analogia con la meccanica: Rammentiamo l’oscillatore meccanico massa-molla k = costante elastica -A +A A = ampiezza delle oscillazioni

Oscillazioni di Energia T = periodo di oscillazione Il condensatore si scarica, la corrente aumenta, l’energia si trasferisce dal campo elettrico a quello magnetico. Poi il ciclo si inverte e proseguirebbe all’infinito in assenza di meccanismi dissipativi. Consideriamo un circuito LC

Circuito LC C L I(t) I(t) Consideriamo un semplice circuito LC. Il condensatore ha una carica iniziale Qmax e l’interruttore viene chiuso al tempo t=0. C I(t) la caduta di tensione è determinata dall’integrale della corrente sulla capacità la caduta di tensione è determinata dalla derivata della corrente per l’induttanza L I(t)

Circuito LC Applichiamo la regola delle maglie al circuito LC. La carica nel circuito oscillerà in modo analogo alla massa con la molla:

Esperimento di Hertz trasferimento di energia elettromagnetica Hertz trovò che l’energia viene spedita dal trasmettitore al ricevitore quando la frequenza di risonanza del ricevitore veniva accordata con quella del trasmettitore. L’energia è trasportata da onde elettromagnetiche. Es.: radio FM, TV, telefonia radiomobile 37

l l n n E ln = c l SPETTRO ELETTROMAGNETICO (m) (m) (Hz) (Hz) (eV) (fermi) (Å) (nm) (mm) (mm) (cm) l (m) l (m) 10–14 10–12 10–10 10–8 10–6 10–4 10–2 1 102 RAGGI RAGGI INFRA- MICRO ONDE GAMMA X ULTRA- -ROSSO ONDE RADIO n -VIOLETTO n 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 (Hz) (Hz) VISIBILE 3 108 Hz GeV MeV E keV 109 106 103 (eV) ln = c E = hn 400 500 600 700 l (nm) ONDE ELETTROMAGNETICHE 4

Onde radio Nella parte più bassa dello spettro troviamo le onde radio con lunghezza d’onda compresa tra circa 10km e 10m e frequenza compresa tra 104 e 107 hertz. Le onde elettromagnetiche sono generate da sorgenti che hanno dimensioni paragonabili alla lunghezza d’onda che emette o riceve.

Onde radio Le onde radio possono essere trasmesse a distanza di diverse migliaia di km grazie alla riflessione che esse subiscono da parte degli strati ionizzanti dell’atmosfera. Avendo lunghezza d’onda piuttosto grande, possono aggirare per DIFFRAZIONE ostacoli di dimensioni non troppo grandi (case, alberi…). Sono invece riflesse da colline e montagne.

Onde a radio frequenza: onde TV e radar Nelle trasmissioni televisive troviamo onde con frequenze intorno a 108 hertz e lunghezze dell’ordine del metro. Nei sistemi radar le onde arrivano a frequenze di 1010 hertz con lunghezza dell’ordine del centimetro. Tali onde non sono riflesse dalla ionosfera e quindi costituiscono il mezzo ideale per le comunicazioni spaziali. Non possono essere usate per trasmissioni dirette sulla Terra a distanza maggiori al centinaio di km perché non seguono la curvatura terrestre e non sono riflesse dalla ionosfera.

Onde radio frequenza Nobel per la fisica nel 1909. Per trasmissioni su distanze maggiori del centinaio di km, Guglielmo Marconi (1874/1937), inventa, il sistema antenna-terra e finalmente la trasmissione supera l’ostacolo di una collina; questo esperimento storico celebra la “nascita”della radio. Nobel per la fisica nel 1909.

Onde a radio frequenza Per trasmissioni su distanze superiori le onde necessitano di stazioni intermedie, dette ripetitori. Ripetitori posti su satelliti artificiali geosincroni (posti a 36.000 km dalla Terra) permettono trasmissioni televisive intercontinentali.

Raggi infrarossi Sono onde con frequenze tra 1011 hertz e 1014 hertz e lunghezze tra 10-3 m e 10-6 m circa. A causa della piccola lunghezza d’onda, non si riescono ad ottenere con circuiti oscillanti come per le onde radio. Vengono prodotte dalle oscillazioni termiche degli atomi: provengono pertanto da tutti i corpi caldi Sono invisibili, ma percepite al tatto. Impressionano pellicole fotografiche particolari con le quali si riesce a fotografare anche nell’oscurità o in caso di nebbia.

Luce visibile La luce visibile occupa solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico con lunghezza d’onda compresa tra 7.5x10-7 e 4x10-7 m e frequenza compresa tra 4x10¹ a 8x10¹ Hz. Sono emesse da corpi aventi alte temperature come metalli incandescenti, fiamme, Sole e Stelle.

Raggi ultravioletti Hanno lunghezza d’onda inferiore a quella dell’estremo violetto dello spettro del visibile. Arrivano ad un minimo di 10-9 m corrispondente ad una frequenza massima di circa 1017 Hz. Sono emesse da atomi che intervengono p.es. sulla produzione di ozono nell’atmosfera e sulla melanina nell’epidermide, penetrano più profondamente nei tessuti viventi .

Raggi X Lunghezza d’onda compresa fra 10-9 e 10-11 m, e frequenze tra 1017 e 1019 Hz, vengono prodotte quando un elettrone viene inviato a elevata velocità contro un bersaglio metallico. Penetrano facilmente nei tessuti. A lunga esposizione uccidono le cellule e provocano mutazioni genetiche. Un fascio di raggi X che penetra in un cristallo subisce riflessioni e rifrazioni, i vari raggi riflessi sovrapponendosi danno origine a figure di diffrazione. Dalla forma e dalle dimensioni di tali figure si può risalire, nota la distanza tra gli atomi, alla lunghezza d’onda dei raggi e viceversa.

Raggi gamma Hanno lunghezza d’onda inferiori a 10-11 m, e frequenze tra 1019 e 1022 Hz, vengono emesse da nuclei instabili di elementi radioattivi. Estremamente penetranti, provocano gravi alterazioni dei tessuti viventi ed anche la morte.

Spettro elettromagnetico Quando invece la lunghezza d’onda è maggiore rispetto alla dimensione dell’oggetto, l’onda subisce la diffrazione e non si ha un’immagine chiara dell’oggetto.

Spettro elettromagnetico Una volta chiarito questo concetto non è difficile comprendere come mai lo spettro sia costituito da zone scure e zone chiare. Le zone chiare sono quelle nelle quali le onde elettromagnetiche attraversano l’atmosfera,mentre le zone scure sono quelle nelle quali le onde elettromagnetiche non attraversano l’atmosfera. Come possiamo notare quindi la luce visibile e le onde radio attraversano l’atmosfera.

Spettro elettromagnetico La luce è una forma di radiazione elettromagnetica che consiste in rapidissime oscillazioni del campo elettromagnetico. Essa si propaga in linea retta in tutte le direzioni provocando un trasferimento di energia e non di materia, da ciò deriva la sua natura ondulatoria.

Spettro elettromagnetico Secondo Einstein è necessario supporre che la luce stessa sia composta da singoli pacchetti di energia, i quanti del campo elettromagnetico, che più tardi furono chiamati fotoni. Albert Einstein

Spettro elettromagnetico Per tutto il 1700 il modello che ebbe maggior credito fu quello corpuscolare, ma all’inizio del 1800 prese il sopravvento il modello ondulatorio. Oggi i due modelli coesistono in quanto insieme a fenomeni ondulatori, ce ne sono altri spiegabili solo pensando che la luce sia formata da corpuscoli. Essendo la luce un’onda elettromagnetica essa viaggia ad una velocità di 300.000 Km/s, che è il massimo valore della velocità raggiunta.

energia I = Dt × S ONDE ELETTROMAGNETICHE intensità dell'onda I energia trasportata nell'unità di tempo e attraverso l'unità di superficie : energia I = Dt × S joule watt unità di misura S.I. = s× m2 m2 ONDE ELETTROMAGNETICHE 5

QUANTO di ENERGIA ELETTROMAGNETICA : FOTONE ® ® campo elettromagnetico : E , B teoria dei quanti quanti di energia elettromagnetica (fotoni) E = h n costante di Planck h = 6.6 10–34 J s n = 5 1014 s–1 l = 600 nm (visibile : luce gialla) E = h n = 6.6 10–34 J s 5 1014 s–1 = 3.3 10–19 J = 3.3 10–19 1.6 J 1.6 10–19 J eV–1 = = 2 eV ONDE ELETTROMAGNETICHE 6

E = h n QUANTO di ENERGIA ELETTROMAGNETICA : FOTONE transizioni tra livelli energetici (atomici o molecolari) : assorbimento di fotoni assorbitori (assorbimento più colori nero) emissione di fotoni sorgenti (emissione più colori luce bianca ) E = h n ONDE ELETTROMAGNETICHE 7

Le onde a radio frequenza

Onde a radio frequenza Le onde radio sono utilizzate per le trasmissioni radiofoniche e televisive.

Onde a radio frequenza Esse occupano la fascia bassa dello spettro con lunghezze d’onda comprese tra (10 km e 10 cm).

Onde a radio frequenza I segnali televisivi viaggiano su onde che hanno frequenze più alte, possono quindi essere captate soltanto dalle antenne che “vedono” il trasmettitore.

Onde a radio frequenza Il telefonino, la radio e la televisione fanno uso di onde a radio frequenza. Esse sono uno strumento rapido e versatile per trasportare informazioni a distanza.

Onde a radio frequenza Per imprimere su un’onda elettromagnetica sinusoidale le informazioni contenenti i parole, immagini e suoni occorre modulare l’onda, cioè modificare la sua ampiezza o la sua frequenza.

Onde a radio frequenza Un esempio nel quale occorre la modulazione di ampiezza è: una stazione radio. La quale con la frequenza di un MHz emette continuamente un’onda elettromagnetica della stessa frequenza, anche quando la radio ricevente non emette alcun segnale sonoro.

Onde a radio frequenza Un esempio nel quale occorre la modulazione di frequenza è: il telefono; in quanto se si dovesse assegnare a ogni telefono mobile una frequenza, in Italia esisterebbero solo 1200 telefonini,uno per ciascuna banda, larga 25Hz compresa tra 890 e 920 MHz, cioè l’intervallo destinato alla telefonia mobile

Il telefono mobile Anche la rete telefonica sfrutta la trasmissione in modulazione di frequenza. Il telefono mobile cellulare è collegato alla centrale telefonica non con i fili, ma mediante onde radio.

Il telefono mobile Il territorio nazionale è diviso in zone chiamate celle, nelle quali il telefonino comunica con la centrale telefonica utilizzando una determinata frequenza o banda.

Il telefono mobile Quando il telefonino si sposta in un’altra cella, esso comunica con un’altra frequenza. Il cambiamento di frequenza è automatico.

Le microonde

Le microonde Tra le onde a radio frequenza, ci sono anche le microonde, le quali sono in grado di attraversare l’atmosfera e, per questo, esse sono utilizzate per le comunicazioni con i satelliti.

Le microonde Inoltre esse vengono anche impiegate in ambito industriale e domestico (forni a microonde) per riscaldare sostanze che contengono acqua infatti:

Le microonde il campo elettrico dell’onda, fa vibrare le molecole di acqua contenute all’interno dei cibi, cedendo una parte della loro energia provocano un aumento di temperatura e quindi la cottura.

Le microonde Sulla terra le microonde sono utilizzate anche per le comunicazioni telefoniche a distanza e per i telefonini: infatti, quando si fa una telefonata interurbana,

Le microonde il segnale elettrico è trasmesso da una città all’altra mediante le microonde, le quali sono inviate e captate per mezzo di grossi riflettori parabolici.

Onde elettromagnetiche e salute

Da tempo si parla dei possibili rischi da esposizione delle onde elettromagnetiche emesse da ripetitori di telefonia fissa e mobile e dai telefoni cellulari. I suddetti timori nascono nel 1993 quando l’americano David Reynard dichiara di aver fatto causa ad aziende produttrici di cellulari responsabili, a suo dire, della morte della moglie per tumore cerebrale.

L’americano perse la causa per mancanza di prove scientifiche che collegano i fatti. Da quel momento sono stati avviati grandi progetti internazionali tra i quali Interpone, indagine in 13 paesi ideata dall’agenzia internazionale per la ricerca sul cancro Lione sotto l’egida dell’Unione Europea.

I risultati che stanno emergendo sono quelli epidemiologici e quelli condotti sugli animali. Secondo Paolo Vecchia, presidente del comitato internazionale per la protezione delle radiazioni non ionizzanti, cioè quelle a radiofrequenza, si può affermare che almeno a breve termine non esiste alcun legame tra l’utilizzo del telefono cellulare e l’incidenza del tumore (risultati che arrivano da Londra).

Anche in Italia, cioè a Bologna, è iniziato un esperimento da parte della fondazione Ramazzini per la ricerca sul cancro, che finirà nel 2009, dove sono stati sottoposti a campi magnetici simili a quelli generati dalle antenne dei telefonini 2400 ratti fino alla morte naturale.

Nel frattempo dobbiamo attenerci ai risultati che dimostrano la non pericolosità a medio e breve termine. Intanto c’è da dire che l’effetto negativo sulla salute sarebbe il riscaldamento dei tessuti provocato dalle radiazioni.

Da uno studio condotto da David De Pomerai dell’università Nottingham in Inghilterra sugli invertebrati, si è dimostrato che l’aumento di temperatura durante l’esposizione alle onde elettromagnetiche a radio frequenza è solo di qualche decimo di grado, pertanto non si può dire che una variazione così lieve di temperatura possa provocare una sofferenza da parte delle cellule nell’uomo.

Una risposta più significativa potremo averla nel 2009 Una risposta più significativa potremo averla nel 2009. Nel frattempo possiamo concludere che già i produttori di telefonini stanno diminuendo questi rischi perché i moderni GSM e UMTS emettono meno di un quarto delle radiazioni dei cellulari di prima generazione.

Quelli più recenti, addirittura, modulando le emissioni con un sistema di filtraggio senza più antenne esterne, le riducono al minimo indispensabile.

Focalizziamo ora la nostra attenzione sulle antenne e i ripetitori di telefonia mobile. Gli esperti dell’istituto superiore di sanità confermano che le antenne installate non si dovrebbero ridurre ma, anzi, aumentare perché in caso di intenso traffico telefonico,la comunicazione viene deviata su stazioni più lontane con frequenti commutazioni che aumentano in misura sostanziale l’esposizione degli utenti

Inoltre è frequente la richiesta di collocare stazioni radio base lontane da scuole ed ospedali e addirittura fuori dall’abitato. Una misura di questo tipo non solo aumenta il livello ambientale di campo elettromagnetico ma in alcuni casi anche quello locale in corrispondenza dell’ area che si intende proteggere

Spettro delle onde elettromagnetiche L’insieme delle onde elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico Le onde elettromagnetiche viaggiano nel vuoto con velocità c, frequenza f e lunghezza d’onda l. I vari tipi di onde elettromagnetiche, prodotte tutte da cariche accelerate, sono mostrate in figura. Es.: onda radio di frequenza f=94.7MHz l = c/f = 3.17 m 85

Spettro elettromagnetico L’insieme delle onde elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico. Come si evince dalla figura esso risulta essere costituito da quattro colonne. Nella prima colonna ci sono le sorgenti di radiazione che vanno da un ordine di grandezza maggiore a un ordine di grandezza minore,come ad esempio: acceleratori di particelle, lampade e laser,antenne paraboliche, antenne radio. Nella seconda colonna ci sono le finestre atmosferiche che indicano quali radiazioni riescono ad attraversare l’ atmosfera che circonda la terra.

Spettro elettromagnetico Nella terza colonna ci sono le radiazioni con rispettive lunghezze d’onda e frequenze,esse vanno da un massimo di 3x10² hertz ad un minimo di 10 hertz. Le prime,ossia i raggi gamma, avendo una piccolissima lunghezza d’onda vengono dette onde corte, le ultime ossia le onde radio avendo una grande lunghezza d’onda di 10km vengono dette onde lunghe. Nella quarta colonna ci sono gli oggetti rilevabili come ad esempio:quark,cellula,palla,casa che vanno dal più piccolo al più grande.

Spettro elettromagnetico La parola spettro ci richiama alla mente la striscia di colori che Newton ottenne facendo passare la luce solare attraverso un prisma ottenendo così un fascio di luce costituito dal rosso,arancione giallo,verde, indaco e violetto che non sono altro che i colori che vediamo quando sorge l’arcobaleno,questo fenomeno fu definito dispersione.

Onde a radio frequenza