Le onde elettromagnetiche sono oscillazioni di campo elettrico e campo magnetico, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione. Nel vuoto si propagano con velocità costante pari a , e sono descritte da frequenza e lunghezza d'onda.
| Grandezza | Simbolo | Formula | Unità SI |
|---|---|---|---|
| Velocità nel vuoto | |||
| Lunghezza d’onda | |||
| Frequenza | |||
| Energia del fotone | |||
| Costante di Planck | |||
| Campo elettrico | Oscilla perpendicolarmente alla propagazione | ||
| Campo magnetico | Oscilla perpendicolarmente a e alla propagazione | ||
| Spettro elettromagnetico | Radio, microonde, IR, visibile, UV, RX, |
Le onde elettromagnetiche, cioè perturbazioni che trasportano energia senza richiedere un mezzo materiale, risolvono il problema di come la luce possa propagarsi nel vuoto.
L'intuizione fisica è semplice: un campo elettrico variabile genera un campo magnetico variabile, e il campo magnetico variabile rigenera il campo elettrico.
Si ottiene così un'onda che si autosostiene e si propaga nello spazio. Le oscillazioni avvengono in piani perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione.
Questa relazione lega velocità di propagazione, lunghezza d'onda e frequenza. Per esempio, se = m, allora Hz.
Nel vuoto la velocità è costante e vale m/s. Nel mezzo materiale la velocità cambia, perché il campo interagisce con le particelle del mezzo.
Per esempio, nel vuoto una radiazione con m ha frequenza Hz.
La struttura dell'onda si può immaginare come una corda invisibile che oscilla in due direzioni perpendicolari. In realtà non oscilla alcun oggetto materiale.
Si definisce campo elettrico, cioè la grandezza vettoriale che descrive l'azione elettrica nello spazio, e campo magnetico, cioè la grandezza vettoriale associata agli effetti magnetici.
Per esempio, se la propagazione avviene lungo l'asse , il campo elettrico può oscillare lungo e il campo magnetico lungo .
Questa perpendicolarità spiega perché si parla di onda trasversale, cioè un'onda in cui l'oscillazione è ortogonale alla direzione di avanzamento.
Per esempio, se Hz, allora m, cioè una lunghezza d'onda tipica della luce visibile.
La velocità della luce nel vuoto è il limite massimo noto per la propagazione di segnali e radiazioni elettromagnetiche.
Si usa il simbolo e il suo valore è m/s. Questo valore è identico per tutte le onde elettromagnetiche nel vuoto.
Per esempio, un impulso radio e un raggio gamma nel vuoto hanno la stessa velocità, anche se possiedono frequenze molto diverse.
La differenza tra loro sta nell'energia e nella lunghezza d'onda, non nella velocità nel vuoto.
Per esempio, se m, allora Hz. La frequenza diminuisce quando la lunghezza d'onda aumenta.
Lo spettro elettromagnetico, cioè l'insieme ordinato di tutte le radiazioni elettromagnetiche possibili, si classifica in base a frequenza e lunghezza d'onda.
Le onde radio hanno frequenza bassa e lunghezza d'onda grande. I raggi gamma hanno frequenza altissima e lunghezza d'onda piccolissima.
Per esempio, una radio AM può avere frequenza dell'ordine di Hz, mentre un raggio X può arrivare a Hz.
[IMMAGINE: Asse orizzontale con lunghezza d'onda decrescente verso destra e frequenza crescente verso destra. Barre colorate per onde radio, microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma, con etichette e scala logaritmica.]
La frequenza misura quante oscillazioni si compiono in un secondo. La lunghezza d'onda misura la distanza tra due massimi consecutivi.
Questa è la relazione di Planck, cioè la legge che collega l'energia di un fotone alla sua frequenza.
Per esempio, con Hz si ottiene un'energia molto minore che con Hz.
L'idea quantistica è questa: la radiazione non scambia energia in modo continuo, ma in pacchetti discreti chiamati fotoni, cioè quanti di luce.
A parità di intensità, una radiazione ad alta frequenza trasporta fotoni più energetici. Questo spiega perché gli ultravioletti e i raggi X possono essere più pericolosi.
Le onde radio si producono con cariche accelerate nelle antenne. Una carica oscillante emette un campo variabile che si allontana nello spazio.
Per esempio, se un'antenna trasmette a , la lunghezza d'onda vale .
Nel microonde, il forno sfrutta l'assorbimento da parte delle molecole d'acqua. L'energia si trasforma in agitazione termica, cioè in calore.
Nel visibile, gli atomi eccitati emettono fotoni quando tornano a stati energetici più bassi. Per esempio, il sodio emette luce gialla caratteristica.
Nei raggi X e gamma, le sorgenti possono essere tubi a raggi X o processi nucleari. La frequenza elevata rende la radiazione adatta a diagnostica e terapia.
Per esempio, se la frequenza raddoppia, anche l'energia di ciascun fotone raddoppia.
Si osserva così la differenza tra onde elettromagnetiche e onde meccaniche, cioè quelle che richiedono un mezzo materiale per propagarsi.
La velocità di propagazionecioè la rapidità con cui l’onda si sposta nello spazio, nel vuoto vale = .
In questa relazione è la lunghezza d’onda, cioè la distanza tra due massimi consecutivi, e è la frequenza, cioè il numero di oscillazioni al secondo.
Le unità di misura sono in , in , e in .
Si consideri un’onda elettromagnetica con e .
La frequenza vale , cioè .
Questa forma inversa si usa quando è nota la frequenza. Più grande è , più piccola è .
Nel vuoto, frequenza e lunghezza d’onda sono quindi inversamente proporzionali. Se raddoppia, si dimezza.
Si consideri una stazione con .
Si ottiene . Le onde radio hanno quindi lunghezze d’onda molto grandi.
In questa formula è l’energia del fotone, cioè il pacchetto minimo di energia della radiazione, è la costante di Planck, e è la frequenza.
Le unità sono in , in , e in .
Si consideri luce con . Si usa .
L’energia del singolo fotone è molto piccola. All’aumentare di , aumenta anche .
La banda cioè l’intervallo di frequenze assegnato a una radiazione, dipende dall’uso e dal metodo di generazione.
Le onde radio si ottengono con antenne, cioè dispositivi che trasformano correnti elettriche alternate in radiazione. Le microonde sono prodotte da circuiti elettronici ad alta frequenza.
L’infrarosso e il visibile sono emessi da corpi caldi e da atomi eccitati. I raggi X nascono soprattutto da transizioni elettroniche molto energetiche. I raggi gamma provengono dai nuclei.
Le onde elettromagnetiche si distinguono dalle onde meccaniche, cioè quelle che richiedono un mezzo materiale, perché possono propagarsi anche nel vuoto.
Questa proprietà spiega la ricezione della luce stellare e delle radiazioni cosmiche. Nel vuoto non serve aria, acqua o un solido per la propagazione.
Un’onda sonora richiede aria o un altro mezzo materiale. La luce del Sole raggiunge invece la Terra attraversando il vuoto spaziale.
Confronto numerico: nel vuoto la radiazione elettromagnetica viaggia a , mentre il suono nell’aria a temperatura ambiente viaggia a circa .
Determinare la frequenza di un’onda elettromagnetica che nel vuoto ha lunghezza d’onda pari a 6,0 cm.
[IMMAGINE: Schema di un’onda elettromagnetica nel vuoto con vettore di propagazione orizzontale, campo elettrico verticale, campo magnetico uscente dal piano, λ indicata tra due creste consecutive, etichetta c = 3,0 × 10^8 m/s.]
Si conosce la lunghezza d’onda, cioè la distanza tra due punti equivalenti consecutivi dell’onda. Si cerca la frequenza, cioè il numero di oscillazioni al secondo.
Nel vuoto si usa la relazione , dove è la velocità della luce. Con e , si ricava il dato utile.
La frequenza vale , cioè 5,0 GHz. Il risultato è tipico delle microonde.
Risultato: l’onda ha frequenza .
Errore comune: dimenticare di convertire i centimetri in metri prima del calcolo.
Confrontare due onde elettromagnetiche: un’onda radio con frequenza 1,0 MHz e un raggio X con frequenza 2,4 × 10^18 Hz.
[IMMAGINE: Spettro elettromagnetico orizzontale con onde radio a sinistra, luce visibile al centro, raggi X a destra. Frecce che indicano frequenza crescente verso destra e lunghezza d’onda decrescente verso destra.]
Si confrontano frequenza, lunghezza d’onda ed energia. La frequenza, cioè il numero di oscillazioni al secondo, cresce passando verso i raggi X.
Per l’onda radio si usa . Si calcola la lunghezza d’onda con .
Per il raggio X si usa . Si ottiene una lunghezza d’onda molto piccola.
Risultato: l’onda radio ha lunghezza d’onda molto maggiore e ; il raggio X ha frequenza molto maggiore ed energia più alta.
Errore comune: pensare che tutte le onde elettromagnetiche abbiano la stessa lunghezza d’onda.
Calcolare l’energia di un fotone di luce visibile verde con frequenza 5,6 × 10^14 Hz.
[IMMAGINE: Diagramma del visibile nello spettro elettromagnetico con una banda verde evidenziata, fotone rappresentato come pacchetto di energia, etichetta E = hf e valore della frequenza.]
Si tratta di applicare la relazione di Planck, cioè la formula che lega l’energia del fotone alla frequenza.
Si usa , con e .
L’energia è molto piccola perché il singolo fotone visibile trasporta poca energia. Il valore ottenuto è dell’ordine dei .
Risultato: l’energia del fotone vale .
Errore comune: usare la frequenza della luce come se fosse quella di un’onda meccanica sonora.
Un dispositivo emette radiazione con lunghezza d’onda 2,0 mm. Stabilire in quale regione dello spettro elettromagnetico si trova.
[IMMAGINE: Tabella visiva dello spettro elettromagnetico con microonde evidenziate, insieme a radio, infrarosso, visibile, UV, raggi X e raggi gamma. Indicare λ = 2,0 mm vicino alla zona delle microonde.]
Si confronta il valore dato con i domini dello spettro. La lunghezza d’onda, cioè la distanza tra creste consecutive, è molto più piccola di quella delle onde radio lunghe.
Si converte il dato: . Poi si osserva che questo valore rientra nell’intervallo delle microonde.
La frequenza ottenuta è dell’ordine di , tipica delle microonde usate in radar e forni a microonde.
Risultato: la radiazione appartiene alle microonde.
Errore comune: classificare la radiazione usando solo il nome “onda corta” senza controllare il valore di .
Le onde elettromagnetiche sono vibrazioni di un mezzo materiale, come l’aria o l’acqua.
Le onde elettromagnetiche sono oscillazioni di campo elettrico e magnetico, anche nel vuoto.
L’errore nasce dal confronto con le onde meccaniche, che richiedono un mezzo. Le onde elettromagnetiche, invece, non hanno bisogno di materia per propagarsi.
La velocità delle onde elettromagnetiche dipende dal mezzo ed è sempre con valore uguale a quello del suono.
Nel vuoto la velocità è e vale .
La relazione tra lunghezza d’onda e frequenza è corretta, ma la velocità non è quella del suono. In un mezzo materiale la velocità cambia, mentre nel vuoto resta quella della luce.
Lo spettro elettromagnetico va dalle onde gamma alle onde radio in ordine di frequenza crescente.
Lo spettro si ordina da onde radio a raggi gamma in frequenza crescente e in lunghezza d’onda decrescente.
Si confondono spesso gli estremi dello spettro. È utile ricordare che più aumenta la frequenza, più diminuisce la lunghezza d’onda.
La frequenza di un’onda elettromagnetica si calcola con .
La frequenza si calcola con .
L’inversione della formula è un errore molto comune. Si verifica subito l’ordine corretto controllando le unità di misura: Hz = m/s diviso m.
Le onde elettromagnetiche e quelle meccaniche differiscono solo per la velocità.
Le onde elettromagnetiche non richiedono un mezzo materiale, mentre le onde meccaniche sì.
La velocità non è la differenza fondamentale. La distinzione essenziale riguarda il modo di propagazione e la necessità, oppure no, di un mezzo.
Tutte le onde elettromagnetiche hanno la stessa energia.
L’energia del fotone dipende dalla frequenza: .
Questo errore porta a confondere radio, visibile e raggi X. A frequenza maggiore corrisponde energia maggiore, quindi gli effetti fisici possono essere molto diversi.
Le onde elettromagnetiche sono oscillazioni accoppiate di campo elettrico e campo magnetico, cioè perturbazioni che si sostengono a vicenda durante la propagazione.
I due campi sono perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione.
La velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto è la velocità della luce, cioè = m/s.
Nel vuoto vale la relazione , cioè velocità uguale lunghezza d'onda per frequenza.
I tipi di onde elettromagnetiche si ordinano nello spettro elettromagnetico, cioè dalla frequenza più bassa alla più alta.
L'ordine è: onde radio, microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi γ.
All'aumentare della frequenza, la lunghezza d'onda diminuisce.
La frequenza si calcola dividendo la velocità della luce per la lunghezza d'onda, cioè .
Per esempio, se m, allora Hz.
Le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo materiale, mentre le onde meccaniche richiedono un mezzo come aria, acqua o un solido.
Le onde meccaniche sono vibrazioni della materia, cioè spostamenti di particelle del mezzo.
Le onde elettromagnetiche, invece, sono oscillazioni di campi e possono propagarsi nel vuoto.
L'energia di un fotone è proporzionale alla frequenza, cioè cresce quando cresce .
La relazione di Planck è , dove è la costante di Planck.
Per esempio, se Hz, allora l'energia aumenta rispetto a un'onda radio, che ha frequenza molto più bassa.
Le onde elettromagnetiche si usano nelle comunicazioni radio, nel radar, nei forni a microonde, nella diagnostica medica con raggi X e nella terapia oncologica.
L'uso dipende dalla frequenza e dall'energia del fotone, cioè da quanto l'onda può interagire con la materia.
La luce visibile permette la visione, mentre gli UV e i raggi X hanno effetti più energetici sulla materia.
