Approfondimento
L’elettromagnetismo e le onde radio
Origini dello studio del magnetismo
Lo studio del fenomeno del magnetismo ha origini storiche molto antiche, infatti il primo fenomeno magnetico, conosciuto fin dall’antichità (Talete VI secolo avanti Cristo), è costituito dall’azione esercitata da magneti naturali sul ferro e altri materiali. Aristotele aveva già notato la magnetizzazione transitoria esercitata dai magneti naturali sul ferro dolce; per contro non sembra affatto possibile precisare in quale epoca si scoprì che un magnete, libero di ruotare attorno a un suo asse, assume costantemente una stessa orientazione, né quando una tale scoperta venne applicata alla navigazione e all’esplorazione. Lo stesso Talete, comunque, conosceva già che un minerale di ferro, la magnetite, aveva la capacità di attrarre la limatura di ferro, specialmente in prossimità dei suoi estremi. Sembra che i primi a utilizzare magneti naturali siano stati i Cinesi; mentre in Europa i primi documenti sull’uso di bussole indicano la fine del XIII sec. Verso la metà del XV sec. a Norimberga venivano fabbricati dei quadranti solari portatili, che si orientavano mediante l’uso di una bussola e sui quali erano segnate le correzioni dovute alla declinazione.
Cristoforo Colombo, durante la traversata dell’Atlantico, ebbe modo di notare anche le variazioni e addirittura l’inversione di queste correzioni; grazie alle sue osservazioni venne precisato, in maniera più chiara, il concetto di declinazione magnetica. G. Hartmann (1544) e poi, più correttamente, R. Norman (1576), scoprirono l’inclinazione magnetica, sospendendo un ago magnetico a un asse orizzontale passante per il suo centro di gravità.
La prima esposizione scientifica delle caratteristiche fondamentali del magnetismo si trova nella celebre opera di W. Gilbert. Le prime carte magnetiche furono disegnate da E. Halley (1701) per la declinazione e da Wilcke (1768) per l’inclinazione. Coulomb mostrò poi, misurando l’attrazione e la repulsione fra i poli di aghi magnetici, come fosse possibile estendere al magnetismo la maggior parte dei risultati teorici relativi all’elettrostatica. Humboldt, Gauss e poi Mascart gettano le basi dello studio classico del magnetismo terrestre. Lo studio dei fenomeni magnetici può essere affrontato analizzando le loro caratteristiche generali, senza tener conto dello strettissimo legame che intercorre fra questi e i fenomeni elettrici. Per analogia con l’elettrostatica, tale studio ristretto è detto magnetostatica. I fenomeni magnetici possono venire affrontati, invece, nella loro completa generalità, nell’ambito dell’elettromagnetismo.
Lo studio della magnetostatica si unisce a quello dell’elettricità: nasce l’elettromagnetismo.
I numerosi studi fatti nel corso degli anni da vari ricercatori portarono ad una sempre più profonda conoscenza del magnetismo e si determinò che in modo analogo alle forze di origine elettrica, quelle magnetiche generano nello spazio circostante un campo di forza (quindi un campo vettoriale), che venne chiamato campo magnetico.
Tuttavia nulla indicava che tra i fenomeni elettrici e magnetici ci fosse una qualche connessione. Nel 1820 però il fisico danese H. C. Oersted (1777-1851) dopo studi e ricerche sull’argomento, pubblicò di aver osservato sperimentalmente che un ago magnetico devia dalla sua posizione di equilibrio se si trova vicino ad un filo conduttore percorso da corrente elettrica. La scoperta di Oersted sollevò grande clamore nel mondo scientifico di allora e moltissimi altri ricercatori, stimolati da questa nuova scoperta si interessarono allo studio del magnetismo, non più come fenomeno isolato, ma si dedicarono allo studio delle interazioni tra campo elettrico e magnetico, essendo ormai dimostrato che i due fenomeni sono strettamente legati tra loro, nasce così un nuovo ramo della fisica: l’elettromagnetismo.
Grazie all’esperienza di Oersted si dimostrò che una corrente elettrica genera intorno a se un campo magnetico. In seguito, nel 1821, l’inglese M. Faraday invertì l’esperienza di Oersted, verificando le interazioni tra un magnete ed un filo conduttore non teso, scoprendo sperimentalmente, che un circuito elettrico posto in un campo magnetico è soggetto a delle forze dovute allo stesso campo, dette forze elettromagnetiche. Queste forze tra corrente e corrente (forze elettrodinamiche), tra correnti e magneti (forze elettromagnetiche) e tra magneti e magneti (forze magnetiche), potrebbero sembrare cose diverse, ma in realtà esse possono essere descritte ed espresse usando un solo concetto fondamentale, quello di campo magnetico.
Il Campo Magnetico
Origine del campo magnetico.
Un campo magnetico può essere generato o da un magnete o da un circuito elettrico percorso da corrente.
A questo punto ci si chiede come mai, esteriormente due enti molto diversi tra loro come un magnete ed un circuito elettrico, generino nello spazio circostante il medesimo stato di cose (campo magnetico) e subiscano analoghe azioni meccaniche da parte dello stesso campo di forze.
Per rispondere dobbiamo innanzi tutto premettere, più precisamente, che un campo magnetico è generato da cariche elettriche in movimento, e che le cariche elettriche in movimento sono soggette a forze dovute al campo magnetico.
Gia quando fu scoperto che le correnti elettriche producono effetti magnetici, Ampère tentò di correlare il moto di cariche elettriche con il campo magnetico, formulando l’ipotesi che un campo generato da un magnete originasse da una moltitudine di piccolissime correnti presenti in esso. Ai tempi di Ampère, tutto ciò non poteva essere dimostrato con precisione e restò quindi solo un’ipotesi. Il progresso scientifico e la scoperta che nella materia sono presenti delle cariche in movimento: gli elettroni, dimostrarono che l’idea di Ampère era corretta e, precisamente, grazie al moto degli elettroni (così come avviene in un circuito elettrico), ogni atomo può essere considerato come una piccola spira percorsa da corrente che genera quindi un debole campo magnetico, così quando si magnetizza un pezzo di ferro, tutti gli atomi si orientano in una determinata direzione determinando così la polarizzazione magnetica.
Ecco dimostrato che un campo magnetico è sempre generato da cariche elettriche in movimento ed esercita forze su qualsiasi carica in movimento.
Caratteristiche del Campo Magnetico
Analogamente al campo gravitazionale ed a quello elettrico anche il campo magnetico è caratterizzato da linee di forza la cui tangente in un punto ci dà la direzione del campo in quel punto.
Per riconoscere se in una certa regione di spazio vi è campo magnetico basta vedere se su un ago magnetico posto in quella regione agisce una forza. In presenza di campo magnetico, l’ago ruota, fino a fermarsi in una certa direzione. Questa direzione è definita come direzione del campo magnetico. Per definire il verso del campo magnetico bisogna far riferimento al Campo Magnetico Terrestre, infatti è noto che
in ogni punto della terra un ago magnetico si orienta sempre dirigendo lo stesso suo estremo verso una località vicina al Polo Nord Geografico detta Polo Nord Magnetico, e l’altra estremità verso il Polo Sud Magnetico, nelle vicinanze del Polo Sud Geografico (Il polo situato nell’emisfero settentrionale ha polarità negativa e si trova a 78º30′ N, 69ºW, mentre l’altro, risulta positivo, con posizione 78º30’S, 111ºE). L’estremo dell’ago magnetico che si orienta verso il Polo Nord Magnetico è detto Polo Nord o N mentre l’altro estremo dell’ago è detto Polo Sud o S.
Si assumono così come direzione e verso di un campo magnetico la direzione e il verso della retta orientata che va dal polo sud al polo nord di un ago magnetico che sia in equilibrio in quel punto e sia sottoposto solo all’azione del campo magnetico considerato.
L’unità di misura prevista per l’intensità del campo magnetico (o induzione magnetica), B, dal Sistema Internazionale è il Tesla (T). Se il campo magnetico interessa una regione nella quale è presente un mezzo materiale, questo subisce l’azione del campo e risponde producendo una variazione del campo magnetico originale. Il campo magnetico che ha provocato la risposta del materiale è spesso definito campo magnetizzante, o, più semplicemente, campo magnetico, H, e viene misurato in Ampere/metro (A/m). E’ possibile passare da A/m a microTesla moltiplicando per 1,25.
Il parallelismo tra campo elettrico e campo magnetico potrebbe portare alla erronea convinzione che la natura fisica di un campo magnetico sia simile a quella di un campo elettrico, ma, per quanto intimamente collegati, essi sono diversi.
Differenze tra Campo Elettrico e Campo Magnetico
Alcune delle osservazioni sperimentali di cui si è parlato potrebbero far sorgere l’idea che un polo magnetico sia qualche cosa di simile a una carica elettrica e che, quindi sia possibile separarlo dal polo di nome opposto, con il quale costituisce una calamita, proprio come si fa con le cariche elettriche: cariche positive e negative sono separate per strofinio, per induzione elettrostatica, a mezzo di un generatore di tensione ecc.
Nel caso di un magnete ciò non è possibile, infatti se si spezza una calamita si ottengono due calamite complete, dotate dei due poli opposti, e così volendo dividerla in parti ancora più piccole, otterremo sempre una calamita con due poli. L’impossibilità di ottenere un monopolo magnetico è una delle caratteristiche più importanti del magnetismo.
Una carica di prova posta in un campo elettrico uniforme, risente dell’azione di una forza che tende ad accelerarla; invece un ago magnetico immerso in un campo magnetico risente dell’azione di una coppia di forze finché non si stabilizza in una determinata posizione. Quindi il campo elettrico agisce su una carica con una forza, mentre quello magnetico agisce su un ago magnetico con una coppia di forze.
Un’ulteriore differenza tra campo elettrico e magnetico risiede nelle linee di forza, mentre le linee di forza generate da una o più cariche ferme partono e arrivano sulle cariche, le linee di forza del campo magnetico generato da un magnete non hanno principio né fine, ma proseguono nel suo interno.
Applicazioni degli studi sui fenomeni elettromagnetici
Dopo le iniziali scoperte che hanno portato alla conoscenza degli elementi fondamentali e delle leggi fisiche che regolano i fenomeni di natura magnetica ed elettromagnetica. Le ricerche e lo sviluppo tecnologico hanno consentito di utilizzare le nozioni e le conoscenze in questo campo per sviluppare numerosissime tecniche ed attrezzature che si basano sullo sfruttamento dei principi elettromagnetici.
Negli ultimi cento anni il magnetismo ha trovato numerose applicazioni. L’elettrocalamita, ad esempio, è la base del motore elettrico e del trasformatore. In tempi più recenti, inoltre, lo sviluppo di nuovi materiali magnetici è stato importante per la rivoluzione prodotta nel campo dei sistemi per computer. La memoria dei computer può essere fabbricata mediante domini a bolla: questi domini sono piccole regioni che presentano una magnetizzazione parallela o antiparallela rispetto alla magnetizzazione dell’intero materiale. A seconda della direzione di magnetizzazione, ciascuna bolla rappresenta un 1 o uno 0 nel sistema di codifica binario utilizzato nei computer. I materiali magnetici sono anche impiegati nella fabbricazione di nastri e dischi per la registrazione di dati. In molte tecnologie moderne sono utilizzati grossi e potenti magneti. I treni a levitazione magnetica scorrono sulle rotaie per mezzo di forti magneti, evitando così il contatto e l’attrito tra ruote e rotaie dei treni convenzionali. Anche nella risonanza magnetica nucleare, un importante strumento diagnostico utilizzato in medicina, si usano forti campi magnetici. Inoltre, negli attuali acceleratori di particelle si usano magneti superconduttori per mantenere i fasci di particelle su orbite definite e ben focalizzate.
Di esempi se ne potrebbero citare ancora tantissimi, ma di seguito approfondiremo lo studio di quelli legati alle telecomunicazioni di ogni genere, che avvengono quindi per mezzo della propagazione di onde elettromagnetiche.
Le onde elettromagnetiche
Tra le molteplici tipologie di onde che si studiano in fisica hanno particolare importanza le onde elettromagnetiche; la scoperta di queste onde (che sono delle perturbazioni generate dall’accelerazione di cariche elettriche a cui si concatena un sistema di campi elettrici e campi magnetici variabili) sono state considerate dagli scienziati del secolo scorso il punto di confluenza tra l’ottica classica e l’elettromagnetismo. Le onde elettromagnetiche non necessitano di un mezzo materiale per potersi propagare. La luce e le onde radio emesse dal Sole e dai corpi celesti possono perciò viaggiare attraverso lo spazio interplanetario e interstellare e giungere fino alla superficie terrestre. La velocità di propagazione nel vuoto è uguale per tutte le frequenze della radiazione elettromagnetica ed è pari a 299.792 km al secondo. La prima formulazione completa della teoria delle onde elettromagnetiche è esposta in una serie di articoli pubblicati dopo il 1860 dal fisico britannico James Clerk Maxwell. Questi, oltre a proporre un’analisi matematica della teoria del campo elettromagnetico, scoprì la natura elettromagnetica della luce.
Le onde elettromagnetiche, a seconda della lunghezza d’onda, possono essere classificate in: microonde, onde infrarosse e onde ultraviolette e possono avere diverse applicazioni pratiche. Tanto per fare alcuni esempi: le onde infrarosse trovano applicazione in medicina ed in fotografia, le radiazioni elettromagnetiche ultraviolette sono utilizzate in chimica, per applicazioni biologiche e terapeutiche. Infine le microonde, o più comunemente dette onde radio, sono base di funzionamento del radar, del la televisione e del le telecomunicazioni cellulari e satellitari.
Genesi di un’onda elettromagnetica
Se in una certa regione di spazio, in un certo istante, si determina una variazione del campo elettrico, originato, ad esempio, da un moto accelerato di cariche elettriche, nei punti immediatamente vicini si produce allora un campo magnetico variabile nel tempo. Inoltre la variazione del campo magnetico origina nei punti immediatamente vicini un campo elettrico anch’esso variabile. Nasce in tal modo una perturbazione elettromagnetica che si propaga nello spazio.
La variazione del campo elettrico può essere, per esempio, quella prodotta tra le armatura di un condensatore; oppure si può avere variazione del campo elettrico facendo passare bruscamente a zero l’intensità che attraversa un conduttore, così facendo si determina anche una variazione del campo magnetico, si ha quindi un campo variabile nel tempo. Il fatto che la variazione del campo magnetico in un punto produca un campo elettrico variabile era noto già prima di Maxwell, ma fu questo straordinario scienziato ad intuire e dimostrare che i campi elettrico e magnetico si propagano nello spazio a causa della corrente di spostamento che lui introdusse, cioè del campo magnetico prodotto da un variazione del campo elettrico. Da una brusca variazione di un campo elettrico o magnetico ha perciò origine la propagazione di un impulso elettromagnetico. Se si produce una variazione che dura nel tempo di un campo elettrico o magnetico in un punto, si origina di conseguenza la propagazione di una successione continua di impulsi elettromagnetici, cioè un’onda elettromagnetica. Tali onde sono onde trasversali, infatti il campo elettrico ed il campo magnetico ortogonali tra loro, sono sempre perpendicolari anche alla direzione di propagazione.
La variazione nel tempo di campo elettrico e magnetico in un punto, genera la propagazione di impulsi elettromagnetici, cioè un’onda elettromagnetica.
Legenda: campo magnetico campo elettrico
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