Che cosa sono le onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche sono una forma di energia che può assumere molte forme, come le onde radio, microonde, raggi x e raggi gamma. Anche la luce solare è una forma di energia elettromagnetica, ma la luce visibile è solo una minima porzione dello spettro EM, che contiene invece una vasta gamma di lunghezze d'onda elettromagnetiche. Un tempo si pensava che elettricità e magnetismo fossero forze separate. Nel 1873 il fisico scozzese James Clerk Maxwell ha sviluppato una teoria unificata dell'elettromagnetismo. L'elettromagnetismo si occupa anche di capire come particelle caricate elettricamente interagiscono tra loro e con i campi magnetici. Le interazioni elettromagnetiche riguardano in primo luogo la forza di attrazione e di repulsione tra cariche elettriche: questa forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le particelle. La seconda forza riguarda i poli magnetici, che agiscono a coppia e si attraggono e respingono come le cariche elettriche. Una corrente elettrica in un filo produce un campo magnetico la cui direzione dipende dalla direzione della corrente e, infine, un campo elettrico in movimento genera un campo magnetico, e viceversa.
Onde e campi elettromagnetici
Le radiazioni elettromagnetiche si formano quando una particella atomica, l'elettrone, viene accelerata da un campo elettrico. La sollecitazione induce un movimento che produce campi elettrici e magnetici oscillanti, i quali viaggiano ad angolo retto tra loro in un fascio di energia luminosa chiamato fotone. I fotoni viaggiano secondo onde armoniche alla massima velocità possibile nell'universo, 299.792.458 metri al secondo, nota anche come velocità della luce. Le onde sono caratterizzate da frequenza, lunghezza o energia. La lunghezza d'onda è la distanza tra due picchi consecutivi di un'onda, espressa in metri o frazioni. La frequenza è il numero di onde formate in un dato periodo di tempo, ed è misurata come numero di cicli d'onda per secondo, o hertz(Hz). Una lunghezza d'onda corta implica una frequenza maggiore perché un ciclo può compiersi in un tempo più breve e viceversa. La scoperta del rapporto tra magnetismo ed elettricità è stata casuale: nel 1820, il fisico danese Oersted fece passare una corrente elettrica attraverso un filo metallico sospeso su una bussola magnetica e in risposta alla corrente l'ago si mosse.
Onde e spettro elettromagnetico
La radiazione elettromagnetica si estende su una vasta gamma di lunghezze d'onda e frequenze, nota anche come spettro elettromagnetico. Lo spettro è diviso per convenzione in sette regioni, in ordine decrescente di lunghezze d'onda, energia e frequenza crescente. Le denominazioni comuni sono: onde radio, microonde, infrarossi(IR), luce visibile, ultravioletta(UV), raggi X, raggi gamma. Le radiazioni a bassa energia vengono espresse secondo i valori della frequenza, è il caso delle onde radio, al contrario infrarossi, luce visibile e luce UV sono in genere espresse secondo la lunghezza d'onda. Le radiazioni ad alta energia, come i raggi X e gamma sono espresse in termini di energia per fotone. Sebbene esistano onde elettromagnetiche in una gamma molto ampia di lunghezze d'onda, i nostri occhi sono sensibili ad una banda molto stretta. Dal momento che questa fascia ristretta rappresenta il mezzo con cui gli esseri umani vedono, ci si riferisce ad essa anche come spettro della luce visibile. Quando si utilizza il termine "luce", ci si riferisce ad un tipo di onda elettromagnetica che stimola la retina degli occhi.
Onde radio, microonde e onde all' infrarosso
Le onde radio occupano la parte più bassa dello spettro elettromagnetico, con frequenze fino a circa 30 miliardi hertz, o 30 gigahertz, e lunghezze d'onda superiori a circa 10 millimetri. Questa fascia di frequenze viene utilizzata per le comunicazioni voce e la trasmissione di dati. Le microonde rientrano nella gamma dello spettro delle onde elettromagnetiche tra radio e IR e hanno frequenze da circa 3 GHz fino a 30.000 miliardi Hertz, o 30 terahertz(THz), mentre le lunghezze d'onda vanno dai 10 mm ai 100 micrometri( micron). Le microonde vengono utilizzate per le comunicazioni a banda larga, i radar, come fonte di calore per forni a microonde e applicazioni industriali. Tra le microonde e la luce visibile si collocano le onde elettromagnetiche con le frequenze dell'infrarosso, da circa 30 THz a circa 400 THz e lunghezze d'onda da circa 100 micron a 740 nanometri(nm). Questa radiazione è invisibile all'occhio umano, ma è possibile percepire il calore che emana. La radiazione IR è infatti uno dei tre modi attraverso cui il calore viene trasferito da un posto all'altro, gli altri due sono conduzione e convenzione. Il sole emana metà della sua energia totale sotto forma di infrarossi.
Luce visibile e ultravioletto
La luce visibile si trova al centro dello spettro elettromagnetico, tra infrarossi e ultravioletti, ha frequenze da circa 400 THz a 800THz e lunghezze d'onda da circa 740 nm a 380 nm. La luce visibile è definita come l'insieme delle lunghezze d'onda visibili all'occhio umano. All'interno dello spettro del visibile ogni lunghezza d'onda è rappresentativa di un particolare colore: quando la luce di quella particolare lunghezza d'onda colpisce la retina degli occhi abbiamo la percezione di quel colore. E' stato Newton a dimostrare che facendo attraversare un prisma da un fascio di luce, questo viene scomposto nelle diverse lunghezze d'onda mostrando i vari colori di cui la luce è composta. Il sole è fonte anche della radiazione dell'ultravioletto, anche questa invisibile all'occhio umano. Quest'onda elettromagnetica si pone tra la luce visibile e i raggi x, ha frequenze da circa 8x10 alla 14.a potenza Hertz fino a 3x10 alla sedicesima, e lunghezze d'onda da circa 380 nm a circa 10 nm. Per lo più riassorbita dall'ozono atmosferico, è comunemente suddivisa in UV-A, UV-B e UV-C, trova applicazione in campo medico e industriale ma può provocare danni cellulari agli organismi viventi.
Lo spettro dei raggi X e dei raggi gamma
I Raggi X sono classificati in due tipi, raggi x molli e raggi X duri. I primi comprendono la gamma dello spettro EM tra raggi ultravioletti e raggi gamma, hanno frequenze da circa 3x 10 alla sedicesima fino a 10 alla diciottesima potenza e lunghezze d'onda da circa 10 nm a circa 100 picometers(PM). I raggi X sono stati scoperti nel 1895 da Wilhem Roentgen in Germania, al quale per questa scoperta basilare nel campo delle indagini scientifiche andò il premio Nobel per la fisica nel 1901. Grazie al potere di penetrazione di queste radiazioni era infatti possibile produrre l'ombra delle ossa su lastre fotografiche. I raggi X duri occupano la stessa fascia dello spettro dei raggi gamma la cui fonte è costituita da nuclei atomici. I raggi gamma hanno frequenze maggiori a 10 alla diciottesima Hz e lunghezze d'onda inferiori a 100 pm. Sono utilizzati in campo medico e in piccolissime dosi nella cura dei tumori, ma sono estremamente pericolosi per l'essere umano. I lampi di raggi gamma sono studiati dagli astronomi: si tratta di eventi ad altissima energia che durano solo pochi millesimi di secondo e dei quali non è ancora chiara l'origine.
