Fisica 2018/2019 Lezione 24 8/1/2019

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Elettromagnetismo (6/6)Onde elettromagneticheLezione 24, 8/1/2019, JW 29.1-29.3, 29.5

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1. Le onde elettromagnetiche

Le equazioni di Maxwell, elaborate nel 1864, prevedono l’esistenza nello spazio vuoto di configurazioni di campi elettrici e magnetici, tra loro correlati, che variano sinuoidalmente nel tempo e nello spazio e si propagano con la velocità della luce.

Cosi scoprì che la luce stessa fosse costituita da onde elettromagnetiche.

Il primo esperimento di produzione e osservazione di onde elettromagnetiche fu esegiuto nel 1887 da Hertz, usando un circuito di corrente alternata. Trovò che si poteva trasferire energia ad un altro circuito distante alcuni metri.

James Clerk Maxwell1831-1879

Heinrich Hertz1857-1894

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1. La produzione delle onde elettromagnetiche

Un generatore di corrente alternata collegata ad una antenna crea cariche alle estremità dell’antenna e un campo elettrico nello spazio.

Il campo si allontana da P a Q e a P si crea un nuovo campo.

Il risultato è un campo elettrico a forma d’onda.

1. La produzione delle onde elettromagnetiche

Contemporaneamente viene generato un campo magnetico perpendicolare al campo elettrico e alla direzione di propagazione.

La direzione del campo elettrico e quella del campo magnetico possono essere determinate con la regola della mano destra:

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2. La propagazione delle onde elettromagneticheContrariamente alle onde sonore o le onde su una corda, le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, si propogano anche nel vuoto.

Tutte le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto con la stessa velocità

Velocità della luce nel vuoto

! = 299 792 458m/s (3,00 0 108 m/s)Nei materiali (ad esempio nell’aria o nell’acqua) la luce rallenta.

2. La velocità delle onde elettromagnetiche

Il valore della velocità della luce è deducibile dalla teoria elettromagnetica

Dove !" è la permettività del vuoto, che figura nella legge di Coulomb, scrivendo

# =%&%'()*+,'

invece di # = - %&%','

, !" = 8,85 1 10456C6N45m46

e :" la permeabilità del vuoto, che figura nella legge di Ampere,∑<∥∆? = :"@ABCADEFCDED, :" = 4H 1 104I TmA45 .

Sostituendo i valori:

L = 5

(N,NO15"P&'Q'RP&SP')(()15"PU VSWP&)= 3,00 1 10N m/s

L =1

!":"

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2. La misura della velocità di luceIl primo esperimento volto a misurare la velocità della luce fu realizzato da Fizeau alla fine del XIX secolo.

3. Lo spettro elettromagneticoDato che tutte le onde elettromagnetiche hanno la stessa velocità nel vuoto !, la relazione tra la lunghezza d’onda " e la frequenza # è ! = #"L’insieme delle frequenze delle onde elettromagnetiche è detto spettro elettromagnetico.

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3. Lo spettro elettromagnetico

Onde radio (! ≅ 10% − 10'Hz, + ≅ 300−0,3m)Le onde radio sono comunemente prodotte da correnti alternate in antenne metalliche.

Utilizzati per trasmettere segnali della radio e della televisione.

Anche molecole e elettroni accelerati nello spazio emettono onde radio.

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3. Lo spettro elettromagnetico

Microonde (! ≅ 10% − 10'(Hz, , ≅ 300−0,3mm)Sono utilizzate effetuare conversazioni telefoniche a distanza ma anche per cuocere cibi.

Sono le onde elettromagnetiche di più alta trequenza che si possano produrre con circuiti elettronici.

Infrarossi (! ≅ 10%& − 4,3 + 10%,Hz, / ≅ 0,3mm−700nm)Li percepiamo come calore.Spesso generati dalla rotazione e dalla vibrazione delle molecole.

I telecomandi funzionano con gli infrarossi.

3. Lo spettro elettromagnetico

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3. Lo spettro elettromagnetico

Luce visibile (! ≅ 4,3 & 10)* − 7,5 & 10)*Hz, 0 ≅ 700 − 400nm)Corrisponde a un intervallo di frequenze piuttosto ristretto

3. Lo spettro elettromagnetico

Luce ultravioletta (! ≅ 7,5 & 10)* − 10),Hz, / ≅ 400 − 3nm)Parte dalle frequenze immediatamente superiori a quelle della luce visibile.

Gli ultravioletti abbronzano; possonoprovocare bruciature e talvolta il cancro della pelle.

La maggior parte della radiazione UV che dal sole raggiunge la terra è assorbitanegli strati superiori dell’atmosfera dall’ozono (O3) e da altre molecole.

Alcuni insetti riescono a vedere nell’ultravioletto, e sui petali di alcuni fiori ci sono motivi visibili solo in luce ultravioletta.

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3. Lo spettro elettromagnetico

Raggi X (! ≅ 10%& − 10()Hz, - ≅ 3 − 0.003nm)I raggi X in medicina sono generati attraverso la decelerazione rapida di elettroni ad alta velocità.

I raggi X sono assorbiti debolmente dai tessutti molli ma fortemente assorbiti dalle ossa e denti.Tuttavia, possono danneggiare i tessuti, perciò conviene limitare l’esposizione.

3. Lo spettro elettromagneticoRaggi gamma(! > 10%&Hz, * < 0.003nm)Estremamente energetici, i raggi gamma sono prodotti nelle reazioni nucleari.Sono fortemente penetranti e dannosi per le cellule viventi e quindi sono utilizzati per distruggere le cellule tumorali e per sterilizzare il cibo.

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5. La polarizzazioneLa polarizzazione di un’onda elettromagnetica coincide con la direzione del suo campo elettrico.

5. La polarizzazione

Il campo elettrico di un fascio di luce polarizzata linearmente è orientato sempre nella stessa direzione.

Il campo elettrico di un fascio di luce non polarizzata ha il campo elettrico orientatoa caso.

Una lampada produce luce non polarizzata. Anche la luce del sole non è polarizzata.

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5. I polarizzatoriSi può polarizzare un fascio di luce facendogli attraversare un filtro polarizzatore che lascia passare solo una certa componente del campo elettrico.

Se si invia un fascio non polarizzato su un polarizzatore, l’intensitàtrasmessa è pari alla metà di quella incidente:

! = #$!%

5. La legge di Malus

Un polarizzatore trasmette la componente della luce orientata nella direzione di polarizzazione.

Dal momento che l’intensità luminosa è proporzionale al quadrato dell’ampiezza del campo, l’intensità del fascio trasmesso è data dalla legge di Malus:

! = !# cos' (La luce uscente da un filtro polarizzatore è polarizzata nella direzione di quest’ultimo.

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5. La polarizzazione

È possibile combinare un filtro polarizzatore e un analizzatore; l’intensità finale è

5. Polarizzazione per diffusione

Un fascio di luce non polarizzata può venire polarizzato totalmente o parzialmente dalla diffusionesu atomi o molecole che si comportano come piccolissime antenne.

La luce del cielo blu è polarizzata così. Il massimo della polarizzazione si osserva in direzione perpendicolarerispetto al sole

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5. Polarizzazione per riflessione

Si ha polarizzazione anche quando la luce è riflessa da una superficie liscia.

Gli occhiali di sole Polaroid hanno asse di trasmissione verticale in modo che luce riflessa da una superficie orizzontale non viene trasmessa.

!" = $%!&,!) = !" cos)(." − .)) , !1 = !) cos)(.) − .1) →

!1 = ")!& cos)(30°) cos)(30°) = "

)!& 6 17 6 17 =932 !& = 11,3W

La figura mostra tre dischi polarizzatori su piani paralleli, con indicata la direzione dell'asse di trasmissione. I dischi sono centrati su un asse comune. Se una luce non-polarizzata incide da sinistra sul primo disco con un'intensità di 40Wm>), calcola l'intensità della luce uscente dal terzo disco, sapendo che ." = 10°, .) = 40° e .1 = 70° .