Fisica: le onde elettromagnetiche

Prima di Maxwell, la trattazione dell'elettromagnetismo si basava sui teoremi di Gauss, sulla legge dell'induzione elettromagnetica e sul teorema di Ampere. I teoremi Gauss per i campi elettrici e magnetici permettono di quantificare gli effetti globali del flusso dei campi E e B. La legge dell'induzione elettromagnetica permette di determinare gli effetti elettrici delle variazioni di campo magnetico. Il teorema di Ampere correla gli effetti magnetici con le correnti che li producono.                                                                                                     

Mentre la circuitazione del campo elettrico dipende dalle variazioni nel tempo del campo magnetico, la circuitazione del campo magnetico dipende dal valore di una corrente elettrica. Se ne deve dedurre che, mentre i campi magnetici possono generare campi elettrici, il contrario non potrebbe avvenire. Nulla vieta alla natura di comportarsi in questo modo, tuttavia questa asimmetria nelle relazioni che descrivono il comportamento dei campi elettrici e magnetici sembrava davvero singolare.

Ma nel teorema di Ampere generalizzato c'era una contraddizione che indusse Maxwell a formulare la sua quarta equazione. Per evidenziare questa contraddizione, si consideri una linea chiusa concatenata con il circuito in figura, e due superfici a e b delimitate da l e costruite in modo tale che a sia attraversata da un conduttore mentre b racchiuda un'armatura del condensatore. Il flusso della densità di corrente J che attraversa b è pari al valore della corrente I.

La mancanza di corrente elettrica all'interno del dielettrico, invece implica che il flusso della densità di corrente J che attraversa b dev'essere nullo.

Per risolvere la contraddizione insita nel teorema di Ampere generalizzato, Maxwell ipotizzò che all'interno di un dielettrico di un condensatore dovesse esistere una corrente elettrica di intensità pari a quella circolante nel resto del circuito.

L'ipotesi può apparire assurda, in quanto significa ipotizzare il passaggio di corrente elettrica in un isolante, tuttavia, nel caso in cui tra le armature del condensatore esista un dielettrico, può essere parzialmente giustificata pensando alla polarizzazione delle molecole.

Infatti, le deformazioni e i riorientamenti molecolari possono essere visti, a livello macroscopico, come uno spostamento temporaneo di carica in una direzione privilegiata; si può allora ipotizzare che ciò dia luogo a una corrente di intensità uguale a quella che percorre il circuito durante i periodi di carica e di scarica del condensatore. Maxwell chiamò corrente di spostamento questa corrente temporanea e la definì tramite la seguente relazione:

L'ultima equazione completa le equazioni fondamentali dell'elettromagnetismo, chiamate equazioni di Maxwell. Le equazioni di Maxwell forniscono un insieme di relazioni che punto per punto legano i campi alle distribuzioni di carica e di corrente.

Dalla terza e dalla quarta equazione di Maxwell è possibile prevedere che campi elettrici variabili producano campi magnetici variabili i quali, a loro volta, possono generare campi elettrici variabili e così di seguito. Questo fenomeno fisico è alla base del processo di produzione delle onde elettromagnetiche.

In generale si ha una produzione di onde elettromagnetiche ogni volta che una carica elettrica è accelerata; infatti una carica accelerata produce un campo elettrico variabile con legge non lineare, il quale provoca un campo magnetico variabile che, a sua volta genera un nuovo campo elettrico, e così via nello spazio e nel tempo. Di conseguenza per generare un impulso elettromagnetico è sufficiente mettere in moto una carica ferma, oppure fermarne una in moto.

In teoria sarebbe possibile produrre un impulso elettromagnetico aprendo o chiudendo qualsiasi circuito connesso con un generatore di tensione; in pratica questo impulso sarebbe molto breve, salvo rari casi, e di scarsa utilità. Per produrre onde elettromagnetiche che si propaghino a grande distanza sono solitamente usati appositi circuiti oscillanti. In questi circuiti costituiti da condensatori e induttanze le cariche elettriche possono muoversi con andamento sinusoidale con frequenza e ampiezza adattabile ad ogni situazione con un'opportuna modificazione dei parametri del circuito stesso.

Una corrente oscillante convogliata su apposita antenna trasmittente irradia la sua energia elettromagnetica nel tempo e nello spazio.

Anche altri tipi di onde si propagano nello spazio, ma sole le onde elettromagnetiche posso propagarsi anche nel vuoto. È questa una proprietà molto particolare e, a prima vista, assai sorprendente; infatti le onde sono solitamente oscillazioni di "qualche cosa" e, nel caso della propagazione nel vuoto, è difficile individuare il mezzo nel quale avviene la propagazione.

Posti di fronte a questa difficoltà concettuale, i fisici del secolo scorso ipotizzarono, in analogia con le onde sonore, l'esistenza di un fluido particolare, chiamato etere, in grado di trasportare a distanza le perturbazioni elettromagnetiche. Questo ipotetico fluido doveva avere proprietà molto particolari: essere invisibile, impalpabile, permeare di sé ogni interstizio della materia, essere estremamente elastico e, nel contempo, permettere il moto velocissimo della perturbazione elettromagnetica senza sensibile deformazione.

Nonostante si trattasse di proprietà molto difficili da individuare, furono condotte approfondite ricerche per verificare l'esistenza di questo fluido misterioso e per definirne meglio le proprietà. Tuttavia, nonostante gli intensi sforzi di un gran numero di ricercatori, nessuno studio sperimentale riuscì a dimostrare l'esistenza dell'etere in modo definitivo.

Il fallimento di queste ricerche e il contributo teorico di Einstein indussero in seguito la comunità scientifica ad abbandonare l'ipotesi dell'etere, modificando l'idea stessa di spazio vuoto.

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche o, se si preferisce, la velocità della luce, è indipendente dalla frequenza dell'onda considerata e dall'osservatore inerziale rispetto al quale la luce è in moto.

Se l'indipendenza della frequenza è una caratteristica pienamente accettabile dalla meccanica classica, lo stesso non si può dire dell'indipendenza dal moto dell'osservatore. Ciò significa che il valore di c è identico per un osservatore in moto nello stesso verso dell'onda in arrivo e per un osservatore nel verso opposto.

Per trasmettere segnali elettromagnetici a distanza occorre disporre di un circuito oscillante, in grado di generare una corrente elettrica di frequenza opportuna che, convogliata verso un'antenna trasmittente, provochi la generazione di onde elettromagnetiche che si propaghino nello spazio. Una volta trasmessa l'onda può essere captata da un antenna ricevente, collocata in un punto investito dall'onda, che è percorsa da una corrente elettrica oscillante con frequenza uguale a quella dell'onda trasmessa. Se, a sua volta, l'antenna ricevente è collegata con un circuito oscillante la cui frequenza di oscillazione è uguale a quella della corrente ricevuta, il circuito entra in risonanza. In questo caso la corrente che percorre il circuito avrà un'intensità non trascurabile e potrà essere amplificata da appositi circuiti elettronici. In questo modo un'onda trasmessa da un luogo può essere ricevuta da un apparecchio collocato anche a notevole distanza.

In realtà l'antenna ricevente capta anche onde di frequenza diversa da quella di oscillazione propria del circuito oscillante cui è connessa; tuttavia solo la corrente avente la stessa frequenza di risonanza del circuito oscillante è amplificata. Di conseguenza le correnti di diversa frequenza sono praticamente ignorate e il circuito oscillante assume la funzione di selettore di frequenza.

Per trasmettere a distanza un messaggio elettrico riproducente il suono (comunicazioni radiofoniche), non basta disporre di antenne trasmittenti e antenne riceventi connesse con i circuiti percorse dalle correnti che riproducono analogicamente il suono; infatti la frequenza di oscillazione delle onde sonore è troppo bassa perché le onde elettromagnetiche corrispondenti possano propagarsi a grande distanza. Occorre allora disporre di appositi circuiti oscillanti di alta frequenza che generino correnti alle quali aggiungere la corrente che riproduce il segnale elettrico da trasmettere.

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