Il campo elettromagnetico

Natura e Proprietà del Campo Elettromagnetico

Il campo elettromagnetico è un fenomeno fisico caratterizzato dalla presenza congiunta di un campo elettrico e di un campo magnetico, che si influenzano reciprocamente e si propagano nello spazio sotto forma di onde. Questi campi sono perpendicolari l'uno all'altro e alla direzione di propagazione dell'onda. Le equazioni di Maxwell descrivono matematicamente il comportamento del campo elettromagnetico, includendo i principi fondamentali come il teorema di Gauss per il campo elettrico, che afferma che il flusso netto del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è proporzionale alla carica elettrica totale racchiusa all'interno della superficie, e il teorema di Gauss per il campo magnetico, che stabilisce che non esistono cariche magnetiche isolate, quindi il flusso netto del campo magnetico attraverso una superficie chiusa è sempre nullo. La legge di Faraday descrive come un campo magnetico variabile nel tempo possa indurre un campo elettrico, e la legge di Ampère-Maxwell estende la legge di Ampère includendo il contributo della corrente di spostamento, che è la variazione temporale del campo elettrico. Queste equazioni sono fondamentali per comprendere fenomeni come la propagazione delle onde elettromagnetiche e l'interazione tra campo elettromagnetico e materia.

Interazione delle Onde Elettromagnetiche con la Materia

Le onde elettromagnetiche possono interagire con la materia attraverso vari processi, tra cui riflessione, rifrazione, diffusione e diffrazione. La riflessione avviene quando un'onda incontra una superficie e viene rimandata indietro nell'ambiente di provenienza. La rifrazione si verifica quando un'onda passa da un mezzo a un altro con diversa densità ottica, cambiando velocità e direzione. L'angolo critico è l'angolo di incidenza oltre il quale si verifica la riflessione totale interna, e non la rifrazione. La diffusione si verifica quando le onde elettromagnetiche incontrano particelle o irregolarità nel mezzo, disperdendosi in varie direzioni. La diffrazione permette alle onde di piegarsi attorno agli angoli degli ostacoli o di passare attraverso aperture, diffondendosi oltre le regioni geometriche d'ombra. L'attenuazione è la riduzione dell'intensità delle onde elettromagnetiche dovuta all'assorbimento o alla dispersione durante la propagazione attraverso un mezzo.

Classificazione delle Onde Elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche sono classificate in base alla loro frequenza e lunghezza d'onda in uno spettro che include radioonde, microonde, raggi infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Ogni tipo di onda ha modalità di produzione e caratteristiche specifiche. Le radioonde sono prodotte da correnti alternate in antenne e sono utilizzate per la comunicazione a distanza. I raggi gamma, con la loro elevata energia, sono generati da processi nucleari e hanno applicazioni mediche, come la radioterapia per il trattamento del cancro. Lo spettro delle radioonde si estende dalle onde lunghe (kilometriche) alle onde corte (centimetriche), con applicazioni che variano dalla radiodiffusione alla comunicazione satellitare.

Propagazione delle Onde Elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche si propagano attraverso diversi meccanismi, tra cui onde spaziali e onde terrestri. Le onde spaziali viaggiano attraverso l'atmosfera e possono essere riflesse dagli strati ionizzati, permettendo comunicazioni a lunga distanza. Le onde terrestri comprendono onde dirette, che si propagano in linea retta e richiedono visibilità diretta tra trasmettitore e ricevitore; onde riflesse, che si staccano dalla superficie terrestre e possono coprire distanze maggiori; e onde superficiali, che seguono la curvatura della Terra e la cui attenuazione è influenzata dalla resistività del suolo. La propagazione varia in base alla frequenza dell'onda, con differenze significative tra onde a lunga distanza, onde medie, onde corte e onde ultracorte, ciascuna con caratteristiche e applicazioni specifiche.

Antenne e Telecomunicazioni

Le antenne sono dispositivi fondamentali per la trasmissione e la ricezione delle onde elettromagnetiche. La loro progettazione dipende dalla frequenza dell'onda da trasmettere e dalla direzionalità richiesta. Un'antenna trasforma l'energia elettrica in onde elettromagnetiche e viceversa. L'antenna isotropa è un modello teorico che irradia energia egualmente in tutte le direzioni, ma le antenne reali hanno diagrammi di radiazione che privilegiano certe direzioni, determinate dal loro guadagno. Esistono diversi tipi di antenne, come i dipoli semplici, le antenne a riflettore parabolico, le antenne a telaio e le antenne direzionali, ciascuna con specifiche applicazioni. La potenza irradiata da un'antenna è proporzionale al quadrato della corrente che la attraversa e dipende dalla lunghezza dell'antenna e dalla lunghezza d'onda. L'efficienza di un'antenna è valutata dal rapporto tra la resistenza di radiazione e la resistenza dissipativa totale, che determina quanta energia viene effettivamente irradiata rispetto a quella dissipata sotto forma di calore.