Christopher Kent Mineman - Didattica in rete

Partiamo dalle seguenti considerazioni:

1° Se in una certa porzione di spazio vi è un campo elettrico, nella stessa porzione di spazio risulterà esserci un'energia per unità di volume U pari a:

UE=

1 2

ε0E2

2° Se in una certa porzione di spazio vi è un campo magnetico, nella stessa porzione di spazio risulterà esserci un'energia per unità di volume U pari a:

UB=

1 2

B2 μ 0

 

ossia per il solo fatto che si possa evidenziare la presenza di un campo elettrico o magnetico possiamo affermare che in questa porzione di spazio vi sarà energia, dipendente dall'intensità del campo in ogni punto dello spazio.

Cosa accadrà se siamo in un campo elettrico variabile nel tempo?

Anche l'energia varierà nel tempo.

Può l'energia sparire nel nulla? No. L'energia si trasforma, ma il valore dell'energia presente nel campo si conserva.

Maxwell ha intuito che il campo elettrico e campo magnetico sono strettamente collegati e dipendenti l'uno dall'altro, in particolare sono due aspetti diversi di uno stesso campo: il campo elettromagnetico.

Osserveremo che a livello energetico in un sistema isolato l'energia totale si deve conservare ossia utilizzando un teorema analogo a quello della conservazione dell'energia meccanica vito in terza dovremo avere:

Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni connesse ad un campo elettrico oscillante che genera un campo magnetico variabile, nello spazio e nel tempo. L'energia in gioco si conserva passando da U_E a U_B e viceversa.

I due campi sono associati tra loro e si propagano sotto forma di onda. Le proprietà delle onde elettromagnetiche sono definite matematicamente dalle equazioni di Maxwell, che legano in maniera indissolubile campo elettrico e magnetico.

Ciò che realmente si sposta è l'energia. L'energia si è prodotta o tra le armature di un condensatore o all'interno di un solenoide e questa energia è quella spesa dal circuito per produrre o il campo elettrico o quello magnetico. Questa è l'energia associata all'onda elettromagnetica e che si propaga nello spazio.

Per capire i meccanismi che stanno a monte alla propagazione dell'onda elettromagnetica dobbiamo prendere in considerazione le ultime due leggi del campo elettromagnetico:

 

Equazioni: 

1. C(E)=-dΦ(B)/dt   Legge dell'induzione elettromagnetica di faraday-Neumann: la circuitazione del campo elettrico lungo una linea chiusa è uguale al rapporto, cambiato di segno, tra la variazione del flusso dell'induzione magnetica concatenato con il percorso considerato e l'intervallo di tempo in cui è avvenuta la variazione.

2. C(B)=μ (i+εΦ(dE/dt)) Legge di Ampere-Maxwell: la circuitazione dell'induzione magnetica lungo un percorso chiuso è uguale al prodotto della permeabilità magnetica del vuoto μ per la somma della corrente effettiva e di quella di spostamento. La corrente di spostamento è stata introdotta da Maxwell per far valere la legge di Ampere nei circuiti RLC (circuiti con un resistore, un induttore e un condensatore). All'interno del condensatore l'intensità passa sotto forma di intensità di spostamento, non corrisponde a cariche che si muovono ma ad un aumentare o diminuire della densità superficiale di carica delle piastre e quindi del flusso del campo elettrico.

Osserviamo che se produciamo un campo elettrico variabile nel tempo, questo produce, in direzione perpendicolare a se stesso, in una porzione di spazio prossimo, un campo magnetico pure variabile e, analogamente, un campo magnetico variabile produce, in direzione perpendicolare a se stesso, un campo elettrico pure variabile.

Un campo elettromagnetico, pertanto, può propagarsi nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche con le modalità riportate nella figura sottostante.

L'intensità media della radiazione esprime quanta energia arriva in un metro quadrato nel tempo di un periodo.

le onde elettromagnetiche prodotte da tale sistema si propagano nello spazio con velocità c, ossia alla velocità della luce.

Per visualizzare come si produce un'onda elettromagnetica possiamo prendere in considerazione ciò che accade tra le armature di un condensatore.

Nella figura osserviamo la direzione delle linee di forza del campo elettrico se le armature sono caricate. Detta situazione si inverte per 100 volte al secondo (corrente a 50 Hz) e di conseguenza anche il campo elettrico si modifica seguendo la stessa legge.

Rapportiamo quanto descritto al caso di un condensatore a facce piane caricato da una corrente alternata.

	Istante t=0 sulle armature è presente la carica massima Q . Le armature sono caricate la prima + e la seconda -
	istante 0<t<T/4   Il campo elettrico si attenua; e detta variazione determina all'esterno del condensatore un campo magneticoinizia a prodursi il campo magnetico. Le cariche diminuiscono dal massimo a zero. Il campo elettrico variabile inizia ad originare un campo magnetico con le linee di forza poste su un piano parallelo alle due armature.
	Il condensatore ha le armature scariche. Il campo elettrico presente tra le armature vale 0 e il campo magnetico assume il suo valore massimo. Tutta l'energia che era presente tra le armature si è trasferito completamente al campo magnetico.
	Da questo istante è il campo magnetico pure questo variabile nel tempo ad originare, in una porzione di spazio prossima, un campo elettrico. Tale campo elettrico acquisià l'energia precedentemente posseduta dal campo magnetico.

E questo processo continua all'infinito producendo un impulso elettromagnetico. Se si utilizzano particolari circuiti alimentati da generatori a corrente alternata, possiamo ottenere un'onda elettromagnetica.

Il condensatore deve essere parte di un circuito RC ( contenente una resistenza e un condensatore oppure in serie un circuito RCL {resistenza, condensatore e induttore (solenoide)}

Nell'ultimo caso ottenere onde elettromagnetiche ad una determinata frequenza bisogna tarare il circuito a quella frequenza. Si ottiene che la frequenza delle onde elettromagnetiche prodotte dipende esclusivamente dai componenti del circuito, prendendo un circuito LC la frequenza risulta:

f =1/(2π (LC)½ ossia la frequenza è inversamente proporzionale alla radice quadrata di LC moltiplicata per un fattore di 2π .

Ne risulta che possiamo creare onde elettromagnetiche ad una precisa frequenza scegliendo semplicemente induttore e condensatore adatti.

Le onde elettromagnetiche una volta generate possono essere catturate dalle antenne.

L'energia dell'onda elettromagnetica è esattamente pari all'energia spesa nel circuito RLC.