La scoperta delle onde elettromagnetiche è stata effettuata da Maxwell, in seguito allo studio dei campi elettrici e magnetici e all’influenza che essi hanno l’uno sull’altro.
Maxwell notò, infatti, che un campo elettrico variabile genera un campo magnetico variabile; quest’ultimo, a sua volta, è in grado di generare un altro campo elettrico indotto, anch’esso variabile. Il processo, quindi, si protrae teoricamente all’infinito.
Osservando il fenomeno in un grafico, e mettendo in evidenza le variazioni dell’intensità dei campi elettrico e magnetico in funzione del tempo, si può dire che l’oscillazione di un campo elettrico genera l’oscillazione di un campo magnetico nelle vicinanze, e tale oscillazione di propaga nello spazio sotto forma di onda elettromagnetica.
L’esistenza delle onde elettromagnetiche fu scoperta, per via teorica, da Maxwell intorno al 1861, e fu provata sperimentalmente diversi anni dopo dal fisico tedesco Hertz.
Le onde elettromagnetiche si propagano sia nei mezzi elastici, sia nello spazio vuoto, in quanto ciò che oscilla non è un mezzo materiale, ma sono i campi elettrici e magnetici, che variano nello spazio e nel tempo; inoltre, le onde elettromagnetiche trasportano energia, e possono continuare a propagarsi anche quando la carica che le ha generate smette di muoversi.
L’energia che viene trasportata da un’onda elettromagnetica presenta due contributi, uno riguardante l’energia elettrica, e l’altro quella magnetica. Il valore medio di energia trasportato da un’onda, quindi, è dato da:
$ w_(vec E) = 1/4 * ε_0 * E_0 ^2 , w_(vec B) = 1/(4μ_0) * B_0 ^2 $
dove $E_0$ e $B_0$ rappresentano i valori estremi del campo elettrico e magnetico che vengono raggiunti durante un’oscillazione.
Le onde elettromagnetiche e la luce
E’ stato possibile dimostrare che le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto con velocità v che dipende dalle costanti ε0 e μ0, in base alla seguente relazione:
$ v = frac(1)(sqrt(ε_0 * μ_0))$
Inoltre, calcolando esplicitamente il valore di tale velocità, a partire dal valore numerico delle costanti, si nota che il suo valore è pari a quello della velocità della luce nel vuoto.
Da questo risultato è stato possibile concludere che la luce è costituita proprio da onde elettromagnetiche.
La generazione delle onde
Le onde elettromagnetiche vengono prodotte da un dispositivo particolare, detto antenna trasmittente.
Il suo funzionamento si basa sull’oscillazione di cariche elettriche che percorrono un conduttore elettrico filiforme, o una lunga struttura di metallo. Muovendosi avanti e indietro lungo tale struttura ad alta frequenza, il flusso di elettroni genera un campo elettrico variabile che, in base alle leggi di Maxwell, genera a sua volta un campo magnetico variabile.
I campi magnetici generati dalle antenne sono spesso molto complicati, ma assumono una forma più semplice se osservati a grande distanza dall’antenna che li genera.
A grandi distanze, infatti, la sorgente delle onde appare puntiforme, e le onde emesse vengono ricevute dall’osservatore come se fossero onde piane.
Infatti, sebbene le onde abbiano fronti d’onda sferici, a grandi distanze vendono rilevate di tali fronti solo delle calotte molto piccole, che assumono quindi le sembianze di quelli di un’onda piana.
In un punto molto lontano dall’antenna, quindi, è possibile anche rappresentare un’onda elettromagnetica, supponendo che in uno spazio tridimensionale, essa si propaghi solo nella direzione positiva dell’asse x:
Possiamo notare che, in ogni punto della retta di propagazione delle onde, sia il campo elettrico che quello magnetico risultano perpendicolari e proporzionali tra loro, e perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda.
SI conclude, quindi, che le onde elettromagnetiche sono onde trasversali.
Entrambi i campi, inoltre, oscillano in modo concorde, in quanto raggiungo insieme i valori massimi e minimi, e si annullano nello stesso istante.
Entrambe le onde, quindi, si propagano con la stessa frequenza, che corrisponde alla frequenza di oscillazione delle cariche elettriche emesse dalla sorgente; la frequenza, quindi, è data dal rapporto tra la velocità di propagazione e la lunghezza d’onda:
$ f = c/λ $
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