Elettromagnetismo (6/6) Onde elettromagnetiche
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Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 Elettromagnetismo (6/6) Onde elettromagnetiche Lezione 24, 11/1/2022, JW 29.1-29.3, 29.5 1 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. 2 1
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 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. 3 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: 4 2
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 La propagazione delle onde elettromagnetiche Contrariamente 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 = 299 792 458 m/s (3,00 2 108 m/s) Nei materiali (ad esempio nell’aria o nell’acqua) la luce rallenta. 5 La velocità delle onde elettromagnetiche Il valore della velocità della luce è deducibile dalla teoria elettromagnetica 1 = ! ! Dove ! è la permettività del vuoto, che figura nella legge di Coulomb, scrivendo " "# """# = #$%" # invece di = &# , ! = 8,85 2 10'()C)N'(m') $& e ! la permeabilità del vuoto, che figura nella legge di Ampere, ∑ ∥∆ = ! +,-+./0-./. , ! = 4 2 10'1 T m A'( . Sostituendo i valori: ( = = 3,00 2 103 m/s (3,356(!%"#7#8%"9%#)(#$6(!%& ; 9
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 La misura della velocità di luce Il primo esperimento volto a misurare la velocità della luce fu realizzato da Fizeau alla fine del XIX secolo. 7 Lo spettro elettromagnetico Dato 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. 8 4
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 9 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. 10 5
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 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. 11 Lo spettro elettromagnetico Infrarossi ( ≅ 10() − 4,3 2 10(#Hz, ≅ 0,3mm − 700nm) Li percepiamo come calore. Spesso generati dalla rotazione e dalla vibrazione delle molecole. I telecomandi funzionano con gli infrarossi. 12 6
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 Lo spettro elettromagnetico Luce visibile ( ≅ 4,3 ' 10'( − 7,5 ' 10'(Hz, ≅ 700 − 400nm) Corrisponde a un intervallo di frequenze piuttosto ristretto 13 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; possono provocare bruciature e talvolta il cancro della pelle. La maggior parte della radiazione UV che dal sole raggiunge la terra è assorbita negli 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. 14 7
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 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. 15 Lo spettro elettromagnetico Raggi 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. 16 8
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 La polarizzazione La polarizzazione di un’onda elettromagnetica coincide con la direzione del suo campo elettrico. 17 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 orientato a caso. Una lampada produce luce non polarizzata. Anche la luce del sole non è polarizzata. 18 9
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 I polarizzatori Si 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’intensità trasmessa è pari alla metà di quella incidente: = "# ! 19 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. 20 10
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 La polarizzazione È possibile combinare un filtro polarizzatore e un analizzatore; l’intensità finale è 21 Polarizzazione per diffusione Un fascio di luce non polarizzata può venire polarizzato totalmente o parzialmente dalla diffusione su 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 perpendicolare rispetto al sole 22 11
Fisica 2021/2022 Lezione 24 11/1/2022 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. 23 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 , = 70° . ' = !" +, * = ' cos *( ' − *) , , = * cos *( * − ,) → 9 , = '* + cos *(30°) cos *(30°) = '* + ' ,( ' ,( = = 11,3Wm-* 32 + 24 12
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