La frequenza è il parametro distintivo delle onde elettromagnetiche (o della radiazione).
Si
definisce onda
o radiazione elettromagnetica
la forma di energia associata all'interazione elettromagnetica, responsabile della propagazione nello spazio del campo elettromagnetico. Si tratta di un fenomeno
ondulatorio dato della propagazione "in fase" del campo elettrico e del campo magnetico, oscillanti in piani tra loro ortogonali e ortogonali alla direzione di propagazione.
Sia il campo elettrico, sia quello magnetico,
infatti, oscillano nel tempo con la
stessa frequenza della corrente alternata.
Un campo elettrico variabile in modo sinusoidale provoca la creazione di
un campo magnetico indotto perpendicolare e anch'esso sinusoidale
(dato che la derivata di un seno o di un coseno è sempre una sinusoide).
A sua volta il campo magnetico induce un altro campo elettrico indotto
perpendicolare e sinusoidale e così via con la propagazione di campi elettrici
e magnetici oscillanti nello spazio, l'uno perpendicolare all'altro.
Da un circuito oscillante si genera quindi una perturbazione a carattere
ondulatorio che si allontana dalla sorgente propagandosi anche nello spazio
vuoto.
L'onda elettromagnetica è formata dai due campi in mutua induzione:
non può esistere un'onda solo elettrica o solo magnetica.
Le onde elettromagnetiche sono
sempre trasversali, poiché l'oscillazione dei
campi elettrico e magnetico è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione
La velocità di propagazione, altissima, dipende dalle proprietà elettriche e
magnetiche del mezzo che esse attraversano e quindi dalla costante dielettrica
ε e dalla permeabilità magnetica μ.
Maxwell dedusse in modo matematico dalle sue equazioni che tale velocità
dovesse essere:
Dato che il prodotto di queste grandezze assume nel vuoto il valore minore,
la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto deve essere
la massima possibile.
Calcolando la velocità con ε0 = 8.85 10-12 F/m
e μ0 = 12.57 10-7 T m / A si ottiene:
velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto
v = 3 108 m/s
La coincidenza di questo numero con la velocità della luce c non passò inosservata,
e Maxwell intuì che la natura delle onde luminose, fino allora sconosciuta,
fosse di origine elettromagnetica.
Si giunse pertanto ad una nuova sintesi: quella tra i fenomeni
elettro-magnetici e quelli luminosi: in questo quadro la luce è una particolare
radiazione elettromagnetica.
L'esistenza di radiazioni elettromagnetiche diverse da quelle luminose era
soltanto ipotizzata da Maxwell. La conferma
sperimentale arrivò da Heinrich Hertz (1857-1894) nel 1886, qualche anno dopo
la morte di Maxwell.
Secondo il modello standard, il quanto della radiazione elettromagnetica è il fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica.
La
frequenza
delle onde elettromagnetiche è collegata tramite la velocità della luce nel vuoto alla lunghezza d'onda (inversamente proporzionale) e tramite la costante di Planck all'energia del fotone
(direttamente proporzionale); quest'ultimo è la particella elementare,
priva di massa e che si muove alla velocità della luce, che nella
descrizione quantomeccanica del fenomeno elettromagnetico corrisponde
all'onda nell'ottica ondulatoria o al raggio nell'ottica geometrica.
Il
differente comportamento
di un'onda meccanica
e di un'onda
elettromagnetica
(es.: quella
della luce)
La
frequenza delle onde elettromagnetiche (o della radiazione o dei
fotoni) copre una gamma vastissima, denominata spettro elettromagnetico.
Esso per ragioni pratiche viene suddiviso in intervalli di frequenza
che manifestano proprietà comuni in rapporto ai vari fenomeni fisici e
alle applicazioni.
All'estremità inferiore dello spettro vi sono i
raggi meno energetici: il calore radiante e la regione delle
radiocomunicazioni (suddivisa in bande il cui impiego è regolamentato
dalle autorità per evitare l'affollamento dell'etere); seguono l'infrarosso, il visibile, l'ultravioletto, i raggi X
e i raggi gamma che confinano con i raggi cosmici, i più energetici.
Tutti i corpi emettono o assorbono radiazione elettromagnetica in
rapporto alla temperatura; in particolare, in rapporto a transazioni
molecolari, atomiche e nucleari emettono o assorbono radiazione a
frequenza crescente.
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