Come generare onde elettromagnetiche

Tramite: O2O 05/10/2018
Difficoltà: media
16

Introduzione

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.

26

Occorrente

  • Oscillatore
  • Circuito risonante
36

Che cosa sono le onde elettromagnetiche

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.

46

Come generare le onde elettromagnetiche

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.

Continua la lettura
56

Usi e pericoli delle onde elettromagnetiche

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".

66

Consigli

Non dimenticare mai:
  • Provate a costruire un piccolo oscillatore di Colpitts in laboratorio e a riceverlo con una radio AM
Alcuni link che potrebbero esserti utili:

Potrebbe interessarti anche

Segnala contenuti non appropriati

Tipo di contenuto
Devi scegliere almeno una delle opzioni
Descrivi il problema
Devi inserire una descrizione del problema
Si è verificato un errore nel sistema. Riprova più tardi.
Verifica la tua identità
Devi verificare la tua identità
chiudi
Grazie per averci aiutato a migliorare la qualità dei nostri contenuti

Guide simili

Superiori

Fisica: i diversi tipi di onde

La fisica è una materia che spesso fa storcere il naso a molti studenti. Non è una disciplina in grado di farsi amare a primo colpo.  Le onde rappresentano un argomento fondamentale su cui si basa la fisica studiata nei licei.  Ora andremo a scoprire...
Superiori

La propagazione delle onde sonore

Ogni giorno, ogni attimo, avvertiamo dei suoni grazie al nostro apparato acustico (o sistema uditivo, o udito, che è uno dei cinque sensi grazie ai quali percepiamo il mondo esterno). Le onde sonore vengono convogliate efficacemente all'interno del nostro...
Superiori

Come generare un campo magnetico

Un campo magnetico è un campo di forze invisibili che viene generato nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo. La sua unità di misura è il Tesla e si tratta di un campo vettoriale, ossia possiede un'intensità,...
Superiori

Come trovare la velocità massima di un'onda trasversale

Le leggi della fisica dimostrano che un'onda può propagarsi sia nel vuoto che in un mezzo fisico. Un'onda non è altro che una perturbazione che si propaga nello spazio e nel tempo. In entrambi i casi il moto dell'onda lo si può descrivere attraverso...
Superiori

Come calcolare la lunghezza d’onda

La maggior parte di noi conosce il significato di onda, almeno intuitivamente parlando. Se lanciamo un sasso nello stagno, dal punto dove esso impatta sull'acqua si formano dei cerchi concentrici che si allontanano dal centro. Queste circonferenze concentriche...
Superiori

Storia della radio

Come è nata la radio e qual è la sua storia? La radio è stata uno dei primi mezzi di comunicazione inventati dall'uomo e ha permesso, per la prima volta, la trasmissione di contenuti sonori da una parte all'altra del pianeta. Due apparecchi radio,...
Superiori

Come calcolare il numero d'onda

Come suggerito da Einstein agli inizi del XX secolo, la luce e la materia hanno un comportamento duale. Entrambe infatti presentano un comportamento sia corpuscolare che ondulatorio. Ciò significa che la materia, che fino a quel momento aveva il solo...
Superiori

Fisica: l'esperimento di Young

Thomas Young, nato nel giugno del 1773, è stato un importante scienziato inglese, divenuto celebre per i suoi studi in fisica. Egli si concentrò sui temi della meccanica dei solidi e sulla luce ed è inoltre ricordato anche per i suoi studi in ottica....
I presenti contributi sono stati redatti dagli autori ivi menzionati a solo scopo informativo tramite l’utilizzo della piattaforma www.o2o.it e possono essere modificati dagli stessi in qualsiasi momento. Il sito web, www.o2o.it e Arnoldo Mondadori Editore S.p.A. (già Banzai Media S.r.l. fusa per incorporazione in Arnoldo Mondadori Editore S.p.A.), non garantiscono la veridicità, correttezza e completezza di tali contributi e, pertanto, non si assumono alcuna responsabilità in merito all’utilizzo delle informazioni ivi riportate. Per maggiori informazioni leggi il “Disclaimer »”.