Onde elettromagnetiche, radiazione elettromagnetica, propagazione delle onde elettromagnetiche

Nel 1864, James Clerk Maxwell predisse la possibilità di onde elettromagnetiche nello spazio. Fece questa affermazione sulla base delle conclusioni derivate dall'analisi di tutti i dati sperimentali allora conosciuti riguardanti l'elettricità e il magnetismo.

Maxwell combinò matematicamente le leggi dell'elettrodinamica, collegando fenomeni elettrici e magnetici, e giunse così alla conclusione che i campi elettrici e magnetici, che cambiano nel tempo, si generano a vicenda.

Inizialmente, sottolineò il fatto che la relazione tra fenomeni magnetici ed elettrici non è simmetrica e introdusse il termine "campo elettrico parassita", offrendo una sua, veramente nuova spiegazione del fenomeno dell'induzione elettromagnetica scoperto da Faraday: "ogni cambiamento nel campo magnetico campo elettrico porta alla comparsa nello spazio circostante di un campo elettrico a vortice con linee di forza chiuse”.

Secondo Maxwell, è vera anche l'affermazione opposta che "un campo elettrico variabile produce un campo magnetico nello spazio circostante", ma questa affermazione inizialmente rimase solo un'ipotesi.

Maxwell scrisse un sistema di equazioni matematiche che descrivono in modo coerente le leggi delle trasformazioni reciproche dei campi magnetico ed elettrico, queste equazioni in seguito divennero le equazioni di base dell'elettrodinamica e iniziarono a essere chiamate "equazioni di Maxwell" in onore del grande scienziato che scrisse loro giù. L'ipotesi di Maxwell, basata sulle equazioni scritte, ha diverse conclusioni estremamente importanti per la scienza e la tecnologia, che sono presentate di seguito.

Le onde elettromagnetiche esistono

Nello spazio possono esistere onde elettromagnetiche trasversali che si propagano nel tempo campo elettromagnetico… Il fatto che le onde siano trasversali è dimostrato dal fatto che i vettori dell'induzione magnetica B e dell'intensità del campo elettrico E sono tra loro perpendicolari e giacciono entrambi nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda elettromagnetica.

Le onde elettromagnetiche si propagano a velocità finita

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche in una data sostanza è finita ed è determinata dalle proprietà elettriche e magnetiche della sostanza attraverso la quale l'onda si propaga. La lunghezza dell'onda sinusoidale λ in questo caso è correlata alla velocità υ con un certo rapporto esatto λ = υ / f e dipende dalla frequenza f delle oscillazioni del campo. La velocità c di un'onda elettromagnetica nel vuoto è una delle costanti fisiche di base: la velocità della luce nel vuoto.

Poiché Maxwell affermava che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica era finita, ciò creava una contraddizione tra la sua ipotesi e la teoria dell'azione a grandi distanze accettata all'epoca, secondo la quale la velocità di propagazione delle onde doveva essere infinita. Pertanto, la teoria di Maxwell è chiamata teoria dell'azione a corto raggio.

Un'onda elettromagnetica è un campo elettrico e magnetico che si trasformano reciprocamente l'uno nell'altro.

Nell'onda elettromagnetica la trasformazione del campo elettrico e del campo magnetico l'uno nell'altro avviene contemporaneamente, quindi le densità volumetriche dell'energia magnetica ed elettrica sono uguali tra loro, quindi è vero che i moduli del l'intensità del campo elettrico e l'induzione del campo magnetico sono correlate tra loro in qualsiasi punto dello spazio attraverso la seguente connessione:

Le onde elettromagnetiche trasportano energia

Un'onda elettromagnetica nel processo della sua propagazione crea un flusso di energia elettromagnetica, e se prendiamo in considerazione l'area nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda, allora una certa quantità di energia elettromagnetica si muoverà attraverso di essa in un poco tempo. La densità del flusso di energia elettromagnetica è la quantità di energia trasportata da un'onda elettromagnetica attraverso una superficie per unità di area per unità di tempo. Sostituendo i valori della velocità, nonché dell'energia magnetica ed elettrica, è possibile ottenere un'espressione per la densità di flusso in termini delle quantità E e B.

Vettore di Poynting — vettore del flusso di energia dell'onda

Poiché la direzione di propagazione dell'energia dell'onda coincide con la direzione della velocità di propagazione dell'onda, il flusso di energia che si propaga nell'onda elettromagnetica può essere impostato utilizzando un vettore orientato allo stesso modo della velocità di propagazione dell'onda. Questo vettore è chiamato «vettore di Poynting» — in onore del fisico britannico Henry Poynting, che nel 1884 sviluppò la teoria della propagazione del flusso di energia di un campo elettromagnetico. La densità del flusso di energia delle onde è misurata in W/m2.

Le onde elettromagnetiche premono contro i corpi che le riflettono o le assorbono

Quando un campo elettrico agisce su una sostanza, in essa compaiono piccole correnti, che sono il movimento ordinato di particelle elettricamente cariche. Queste correnti nel campo magnetico di un'onda elettromagnetica sono soggette all'azione della forza Ampere, che è diretta in profondità nella sostanza. Di conseguenza, la forza di Ampere genera pressione.

Questo fenomeno fu successivamente, nel 1900, indagato e confermato empiricamente dal fisico russo Pyotr Nikolayevich Lebedev, il cui lavoro sperimentale fu molto importante per confermare la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell e la sua futura accettazione e approvazione.

Il fatto che l'onda elettromagnetica eserciti una pressione permette di stimare la presenza di un impulso meccanico nel campo elettromagnetico, esprimibile per unità di volume dalla densità volumetrica dell'energia elettromagnetica e dalla velocità di propagazione dell'onda nel vuoto:

Poiché la quantità di moto è correlata al movimento della massa, è possibile introdurre un concetto come massa elettromagnetica, e quindi per un'unità di volume questo rapporto (secondo STR) assumerà il carattere di una legge universale della natura e sarà valido per qualsiasi corpo materiale indipendentemente dalla forma della materia. Quindi il campo elettromagnetico è simile a un corpo materiale: ha energia W, massa m, quantità di moto p e velocità terminale v. Cioè il campo elettromagnetico è una delle forme di materia realmente esistenti in natura.

Conferma definitiva della teoria di Maxwell

Per la prima volta nel 1888, Heinrich Hertz confermò sperimentalmente la teoria elettromagnetica di Maxwell. Ha dimostrato empiricamente la realtà delle onde elettromagnetiche e ne ha studiato le proprietà come la rifrazione e l'assorbimento in vari mezzi, così come il riflesso delle onde dalle superfici metalliche.

Hertz misura la lunghezza d'onda radiazioni elettromagnetiche, e ha mostrato che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica è uguale alla velocità della luce. Il lavoro sperimentale di Hertz fu il passo finale verso l'accettazione della teoria elettromagnetica di Maxwell. Sette anni dopo, nel 1895, il fisico russo Alexander Stepanovich Popov utilizzò le onde elettromagnetiche per creare comunicazioni wireless.

Le onde elettromagnetiche sono eccitate solo da cariche in movimento accelerato

Nei circuiti in corrente continua le cariche si muovono a velocità costante e le onde elettromagnetiche in questo caso non vengono emesse nello spazio, perché ci sia radiazione è necessario utilizzare un'antenna in cui le correnti alternate, cioè le correnti che cambiano rapidamente direzione, si ecciterebbero.

Nella sua forma più semplice, un dipolo elettrico di piccole dimensioni è adatto per irradiare onde elettromagnetiche dove il momento di dipolo cambierebbe rapidamente nel tempo. Tale dipolo è oggi chiamato "dipolo hertziano", la cui dimensione è parecchie volte inferiore alla lunghezza d'onda che emette.

Quando emesso da un dipolo hertziano, il flusso massimo di energia elettromagnetica cade su un piano perpendicolare all'asse del dipolo. Non c'è radiazione di energia elettromagnetica lungo l'asse del dipolo. Negli esperimenti più importanti di Hertz, i dipoli elementari sono stati usati sia per emettere che per ricevere onde elettromagnetiche, provando l'esistenza di onde elettromagnetiche.