Come generare onde elettromagnetiche

Che cosa si intende per onda? Molto semplice: consideriamo, per esempio, le onde del mare, cioè delle alterazioni del livello dell'acqua che, ad osservarle hanno alcune proprietà. Se guardiamo una bottiglia che galleggia sulle onde, noteremo che nonostante queste possano essere anche molto veloci, l'oggetto che galleggia si sposta lentamente. Questo perché, in linea di principio, le onde trasportano energia e non materia. Le onde elettromagnetiche si basano sugli stessi principi matematici. Sono impulsi emanati da sorgenti, che si manifestano appunto sotto forma di onda e non hanno bisogno necessariamente di mezzi materiali come l'acqua o l'aria ma possono propagarsi anche nel vuoto; questo permette, ad esempio di scambiare dati con gli astronauti che si trovano nello spazio a anche semplicemente di vedere la luce delle stelle. Le onde elettromagnetiche, oltre ad essere importanti per la tecnologia, sono anche una componente fondamentale dell'universo, nel vuoto si propagano alla velocità della luce, che appartiene alla loro stessa famiglia e in alcuni casi, come i raggi gamma, sono letali. Vediamo quindi come si possono generare in teoria le onde elettromagnetiche usando un circuito risonante.

• Oscillatore
• Circuito risonante

Le onde elettromagnetiche sono una manifestazione dell'energia emessa da un corpo qualsiasi, ad una temperatura superiore a 0 Kelvin, -273.15 °C, che corrisponde alla condizione di minimo energetico. Anche a 0 Kelvin, comunque si può avere teoricamente emissione. Le onde elettromagnetiche sono legate alla velocità di vibrazione degli elettroni e delle particelle subatomiche presenti in un oggetto, e sono caratterizzate a livello matematico da alcuni parametri. Prima cosa, le onde sono dotate di ampiezza, frequenza e fase. Di solito, un corpo che emette onde elettromagnetiche non si limita a produrne di una sola frequenza, ma tende ad avere uno "spettro di emissione", cioè a produrre una serie di onde che differiscono per caratteristiche e per polarizzazione. In sostanza l'emissione spontanea nei corpi è presente, ma è rumorosa, con distribuzione in alcuni casi che tende a quella del rumore gaussiano. Se provassimo a captarle con un'antenna largo spettro, "sentiremmo" un'onda che contiene tutte o quasi le frequenze, senza distinzione. Le onde elettromagnetiche hanno una proprietà notevole, perché il campo elettrico e quello magnetico che esse veicolano, sono indissolubili e formano rigorosamente, punto per punto, angoli di 90° l'uno con l'altro. Niente vieta che i capi, poi, ruotino, uno rispetto all'altro, rigidamente, come le pale di un ventilatore. Le onde elettromagnetiche sono governate dalle equazioni di Maxwell, che non sono semplicissime da capire. Si tratta di una parte di un corpus di equazioni piuttosto ampio che pongono in correlazione campi elettrici e magnetici e che devono essere studiate insieme a quelle di Ampere, Gauss e Faraday. Queste equazioni descrivono bene il comportamento delle onde nel vuoto ed abbastanza bene quello nei pressi di oggetti materiali, ma ne esistono altre più avanzate per la propagazione delle onde in ambienti solidi.

Le onde elettromagnetiche si generano quando gli elettroni di un corpo si muovono, e tipicamente ogni oggetto materiale genera onde costantemente in condizioni ordinarie. Ci sono però corpi che possono essere costretti a generare onde in maniera artificiale, come per esempio una trasmittente radio, oppure un forno a microonde, o anche semplicemente un led. Si tratta di meccanismi leggermente differenti, ma che si basano sulla stessa parte della fisica. Per costringere un circuito qualsiasi a generare onde, si deve immettere energia, e renderlo instabile. Ci sono vari metodi, ma si basano tutti sul concetto di risonanza. Un oggetto materiale si può rappresentare come un'impedenza con tre componenti di base: resistiva, induttiva e capacitiva. Volendo si possono costruire fisicamente componenti discreti che hanno queste caratteristiche. Quando, ad esempio usando un modello di impedenza serie, cioè i tre componenti messi uno in fila all'altro e saldati, avremo R+jWL+1/(jWC)=Z. L'impedenza ha due parti, dette reattanze, dipendenti in modulo da W che si chiama pulsazione, ed è pari a 2*f*pi, dove pi è il pi greco, f è la frequenza. Con un conto semplice si può trovare il valore di f, o di W, per il quale la parte immaginaria si annulla. Questo valore si chiama frequenza o pulsazione di risonanza. Se esiste un circuito attivo, intorno all'impedenza Z, quel che succede è che, immettendo rumore nell'impedenza, le componenti spettrali che non sono di risonanza si attenuano dopo qualche ciclo, quelle di risonanza, invece si esaltano. L'energia che "sparisce" quando l'impedenza si annulla, viene emessa per via elettromagnetica e può essere captata per esempio da una radio. Stesso principio governa per esempio i microonde, che sono celle risonati a frequenza intorno a 2.45Ghz dette magnetron, che altro non sono che calamite e filo di rame, inseriti in una scatola di dimensioni opportune detta guida d'onda. Ora, detto così è un po' sbrigativo, ma il concetto di fondo è che le onde elettromagnetiche spesso si generano con oggetti davvero semplici. Altri sistemi per generare le onde elettromagnetiche sono i sistemi a scintilla, circuiti in cui si sfrutta la scarica rapida di un oggetto particolare detto risonatore herziano, che genera brevi lampi di onde elettromagnetiche a largo spettro. Magari non lo sapete, ma gli accendini piezoelettrici sono anche emettitori di onde elettromagnetiche, generate dalla scarica ottenuta schiacciando il cristallo.

Premettiamo una cosa: le onde elettromagnetiche permeano ogni cosa, quindi chi dice che sono pericolose, guarda solo una parte davvero piccola della questione. Esiste moltissima ignoranza sulle onde elettromagnetiche, perché non si possono vedere se non con mezzi strumentali, o meglio, se ne possono vedere solo una piccola percentuale che è quella legata ai fenomeni luminosi. . Le onde si propagano nel vuoto, ma a contatto con la materia, possono generare fenomeni elettrici come corrente differenze di potenziale anche intense. È il caso delle antenne radio, che altro non sono che parte di risonatori accordabili, allungandole e agendo sulla rotellina di sintonia. I cellulari usano le onde elettromagnetiche, perché sono un sistema radio. Internet, la televisione, tutte le telecomunicazioni, i motori elettrici, i fili della corrente, tutti sono meccanismi basati sulle onde elettromagnetiche. Come permesso, le onde interagiscono con la materia mandandola in risonanza, se le dimensioni lo consentono. Il forno a microonde manda in oscillazione le molecole di acqua, ma il suo campo elettromagnetico, sebbene schermato da una semplice gabbia di Faraday formata dal forno stesso, è enorme se paragonato a quello di un cellulare o persino del wi-fi. Basta un minimo di precauzione per non avere problemi. Ovviamente se ci si mette sotto un generatore EMP ad alta intensità, gli effetti possono anche essere letali, ma è come essere colpiti un fulmine. Quel che conta nelle onde elettromagnetiche è la quantità di energia veicolata, e non soltanto la loro frequenza. Quindi si deve conoscere almeno la potenza associata all'onda prima di correre ai ripari. La potenza è legata all'energia,e questa è correlata a intensità e frequenza. Questo però non è sufficiente, perché per allarmarsi, si deve conoscere anche la profondità di penetrazione dell'onda in un mezzo materiale, e la presenza di parti nel mezzo che possano interagire con l'onda, un concetto legato alla "trasparenza".

• Provate a costruire un piccolo oscillatore di Colpitts in laboratorio e a riceverlo con una radio AM

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