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Lorenzo Calloni

Tesina Esame di Stato - 2002

Le onde elettromagnetiche

Faraday, Oersted, Ampère con le loro esperienze e i loro studi avevano accertato che quando c’è l’elettricità, c’è magnetismo e viceversa; Maxwell mostrò che l’oscillazione di una carica elettrica produce un campo elettrico magnetico e che questo si irradia dalla sua sorgente viaggiando alla velocità della luce, cioè a circa 300000 mila km al secondo. Quindi egli dedusse correttamente che queste radiazioni (le onde elettromagnetiche) sono della stessa specie di quelle della luce visibile, la quale è una piccola parte di un grande “spettro”, cioè di una vastissima gamma di frequenze. Le quattro equazioni legano induzione magnetica, forza elettromotrice, forza meccanica e correnti e che costituiscono la spiegazione teorica di tutto quanto è stato scoperto dopo. (Marconi comunque le incontrò solo quando aveva già perfezionato la sua invenzione e non se ne servì mai).

 

 

 Dal 1885 Hertz si immerse nello studio delle onde elettromagnetiche e riuscì a generarle provocando oscillazioni elettriche ad altissima frequenza in un circuito che terminava con due sfere di rame; quando fra le due sfere scoccavano scintille, contemporaneamente si generavano onde elettromagnetiche: mettendo a una certa distanza un cerchio di filo quasi chiuso, in modo da lasciare un piccolo spazio tra le due estremità, si vedevano scoccare scintille anche in quel piccolo spazio.

Era una radiotrasmissione; sul secondo filo infatti non c’era nessuna sorgente di elettricità; esso faceva, diciamo ora noi, da antenna,cioè raccoglieva le onde elettromagnetiche emesse dalle due sfere metalliche sotto l’impulso della corrente oscillante, e in esso nasceva una forza elettromotrice, cioè tensione, e quindi corrente che scorreva saltando il piccolo spazio vuoto in una scintilla.

Hertz fece molti esperimenti, studiando la riflessione delle onde, la loro polarizzazione e rifrazione. Più avanti riuscì a dimostrare che le onde elettromagnetiche avevano la stessa velocità della luce. Scienziato puro egli si interessò poco o nulla della teoria pratica delle sue ricerche e si dedicò ad esplorare il significato della teoria di Maxwell sull’elettrodinamica.

Augusto Righi (1850 – 1920) cominciò ad interessarsi delle onde elttromagnetiche appena furono note le ricerche di Hertz e anch’egli ottenne fenomeni di riflessione, polarizzazione, interferenza e dimostrò che le onde elettromagnetiche differiscono dalla luce soltanto per la loro lunghezza d’onda. Righi incontrò il giovane Marconi nel 1894 e lo autorizzò a compiere alcuni esperimenti nel suo laboratorio. Ma il professore rimase sempre uno scienziato, mentre Marconi era pratico e pragmatico.

 

Le onde dell’etere

Marconi aveva intuito la possibilità di studiare queste onde misteriose, e stava studiando i mezzi per realizzarla. Gli scienziati giustamente facevano la parte loro che era quella di trovare “come e perché” avvengono i fenomeni fisici, risalendo di causa in causa alla costituzione della materia. Marconi invece come gli altri inventori tendeva a scopi pratici e precisi. E si mise presto in contrasto con la scienza.

Infatti gli scienziati sostenevano che le onde elettromagnetiche, essendo della stessa specie della luce, si dovessero  trasmettere come queste in linea retta, cosa che avrebbe letteralmente limitato l’utilità della radio all’orizzonte visibile.

Noi oggi sappiamo che le onde tendono tanto più a propagarsi rettilineamente quanto più la loro frequenza aumenta o la loro lunghezza diminuisce (infatti tanto minore è la lunghezza d’onda quanto maggiore é la frequenza, cioè il numero di oscillazioni per secondo); quindi le onde ultracorte (UHF), come quelle del nostro 2° canale televisivo, viaggiano quasi in linea retta, quelle cortissime (VHF) possono quasi incurvarsi leggermente, e via via fino alle onde lunghe, che girano tranquillamente intorno alla terra.

Esse girano soprattutto perché si riflettono su uno strato ionizzato (cioè provvisto di carica elettrica), che si trova nell’alta atmosfera e questo fu scoperto proprio dopo l’esperienza transoceanica di Marconi, a causa di un’anomalia che agli inizi sembrava inspiegabile: di notte si riceveva meglio che di giorno.

Le onde elettromagnetiche si riflettono, come le onde acustiche (fenomeno dell’eco) e come le onde del mare, ma non hanno bisogno di un supporto materiale per viaggiare o, come si dice, per propagarsi. A questa verità la scienza arrivò piuttosto tardi dato che per molti anni si credette che nello spazio ci fosse una sostanza chiamata “etere”, che oscillava cioè ondeggiava come fa l’acqua quando passano le onde.

Nel 1895 gli scienziati sostenevano concordi che le onde elettromagnetiche avevano solo una portata ottica e questo avrebbe ridotto immensamente la possibilità d’impiego della telegrafia senza fili. Marconi aveva fiducia nella sperimentazione e affidandosi ad essa con una certa dose di coraggio e di fortuna (perchè se avesse provato onde corte non sarebbe riuscito), potè ottenere trasmissioni a lunga distanza, e nel 1901 con la famosa trasmissione dall’Irlanda a Terranova, i suoi segnali varcarono l’oceano.

Il suo maggior merito fu il sistema antenna – terra di cui parleremo più dettagliatamente in seguito. In breve all’interno dell’apparecchio trasmittente e fino all’antenna i segnali hanno la forma di correnti elettriche: dall’antenna prendono il volo come onde elettromagnetiche e vengono propagate nell'aria. Quando trovano l’antenna ricevente fanno nascere in essa deboli correnti elettriche e nel ricevitore il segnale è di nuovo elettricità.

 

Genesi di un’onda elettromagnetica e proprietà

Come conseguenza delle equazioni di Maxwell, ad ogni brusca variazione di un campo magnetico o di un campo elettrico ha origine la propagazione di un impulso elettromagnetico. Per far sì che questa perturbazione si trasformi in una vera e propria onda elettromagnetica bisogna che tale variazione sia periodica nel tempo, di modo che questa successione di impulsi diventi continua e quindi dia origine all’onda elettromagnetica.

La direzione dell’onda elettromagnetica forma col campo elettrico e il campo magnetico che la costituiscono una terna di direzione ortogonali tra loro.

La densità di energia del campo elettromagnetico sarà la somma della densità di energia del campo elettrico e magnetico, quindi

 

2+2

 

Mentre l’equazione che rappresenta la velocità di propagazione nel vuoto è

 

 

Che si avvicina di molto al valore di propagazione della luce scoperto da Fizeau: tale risultato infatti ebbe uno straordinario effetto perché unificò in un certo senso la natura delle onde luminose a quelle elettromagnetiche.

 

Circuiti oscillanti

Per produrre onde molto potenti in grado di attraversare lunghe distanze è necessario che i moduli di B ed E siano molto elevati. Dato che per le leggi di Maxwell il vettore B è direttamente proporzionale al flusso del campo elettrico e che il vettore E è direttamente proporzionale alla f.e.m. indotta e quindi al flusso di B, è necessario produrre campi che variano molto rapidamente.

Tali correnti vengono prodotte nei circuiti chiamati oscillanti poichè il valore del campo elettrico e del campo magnetico variano in continuazione. Questi particolari circuiti sono formati da un generatore di f.e.m. costante, da un condensatore C, da una induttanza L, e da un commutatore di tensione.

In una prima fase il condensatore viene caricato finchè la d.d.p. tra le sue armature eguagli quella del generatore, accumulando così una certa quantità di energia al suo interno. Nella seconda fase (con lo spostamento del commutatore di tensione) il condensatore inizia a scaricarsi, producendo intorno all’induttanza un campo magnetico crescente a cui si trasferisce l’energia posseduta dal condensatore. Ora tutta l’energia elettrica è trasferita al campo magnetico dell’induttanza dato che la d.d.p. del condensatore è nulla. Queste due fasi vengono ripetute in continuità in modo da fare variare periodicamente l’energia del campo elettrico e l’energia del campo magnetico, producendo delle oscillazioni persistenti, che hanno frequenza

 

 

 

Emissioni e ricezione di onde elettromagnetiche attraverso i circuiti oscillanti

Per produrre onde ad alta frequenza è necessario quindi o diminuire il numero delle spire dell’induttanza o aumentare la capacità del condensatore.

Il sistema più utilizzato per emettere onde elettromagnetiche è quello che associa un conduttore rettilineo (antenna) a un circuito oscillante. Infatti il circuito oscillante varia periodicamente il potenziale all’estremità dell’antenna, il quale genera campi elettrici e conseguentemente magnetici in continuazione, dando origine all’onda richiesta.

Analogamente la ricezione delle onde avviene attraverso lo stesso sistema che si utilizza per l’emissione (antenna + circuito oscillante). Le onde elettromagnetiche presenti nell’etere vengono percepite dall’antenna ricevente che le trasforma in impulsi elettrici nel circuito oscillante ad essa associato. Per ricevere tali onde la frequenza del circuito ricevente deve essere uguale alla frequenza del circuito emittente, cioè il circuito è in risonanza con le onde ricevute. Per ottenere questo risultato si può variare la capacità del condensatore o il valore L dell’induttanza, ma per evidenti motivi pratici, è più conveniente cambiare la capacità di C. Ciò si può ottenere grazie ai condensatori a capacità variabile, dei quali si può variare la superficie delle armature ( C = e  S/d ).

Questa operazione è quella che si compie quotidianamente quando giriamo la manopola della radio per cercare la frequenza della stazione desiderata.

 

La valvola che cambiò il mondo

Se noi tocchiamo i fili di un’antenna ricevente, non c’è pericolo di prendere una scossa, perché la tensione elettrica che l’antenna raccoglie dalle onde elettromagnetiche presenti nello spazio circostante, è minima, dell’ordine di millesimi, anche milionesimi di V; ma nel nostro TV quel segnale debolissimo fa apparire immagini in bianco e nero e in colore e per far questo ci vuole molta potenza. Questa potenza viene dalla presa della corrente elettrica, quindi per le “vie dell’etere” arriva solo l’informazione che entra nell’ antenna con una potenza trascurabile.

Ci basta poco perché nel nostro apparecchio abbiamo modo di amplificare i segnali; senza amplificazione infatti saremmo ancora al livello del 1908, non avremmo la radiodiffusione, la tv, il radar, il microscopio elettronico, gli strumenti di radioaiuto alla strumentazione marittima e aerea. Gli aeroplani viaggerebbero solo di giorno e col bel tempo, non vi sarebbero satelliti artificiali. Tutti questi esempi ancora non bastano a chiarire quale prodigiosa scoperta sia stata l’amplificazione. Si può forse comprenderlo pensando che essa non è meno importante delle scoperte del telescopio e del microscopio messe insieme. Lo strumento che rese possibile l’amplificazione dei segnali fu una valvola termoionica: il triodo. Si chiama triodo perché ha tre elettrodi (filamento, griglia e placca); prima di essa era stato realizzato il diodo (con solo filamento e placca) per merito di Edison e di Fleming.

Se si riscalda un corpo metallico fino a portarlo all’incandescenza esso emette elettroni. Con l’aumento della temperatura del metallo, i moti di oscillazione degli atomi intorno alle loro posizioni di equilibrio aumentano d’ampiezza, le particelle si urtano, e gli elettroni di conduzione subiscono anch’essi urti che aumentano la loro energia cinetica media. Quando la temperatura diviene sufficientemente elevata, gli elettroni sono in grado di superare la barriera di potenziale che a temperatura normale li trattiene nel metallo, e che ricorda la tensione superficiale dei liquidi, che pure diminuisce con l’aumento della temperatura; come le bollicine di vapore escono dal liquido riscaldato, così dal metallo riscaldato escono gli elettroni.

Questo fenomeno si chiama emissione termoionica e fu scoperto da Edison nel 1883, durante le ricerche per trovare i filamenti più adatti alle lampade ad incandescenza  

 

                                                                                           

                                                              2e

 

Queste particelle, di carica negativa, formano in beve tempo una specie di nuvola nei pressi del filamento; e questa nuvola di elettroni, evidentemente negativa, respinge tutti gli altri elettroni che vorrebbero uscire dal metallo. Ma se a una certa distanza, nel vuoto del tubo di vetro si mette un altro elettrodo, cioè una placca con potenziale positivo, ecco che gli elettroni sono attratti da essa, la nuvola non si forma più, e si forma invece un flusso, una corrente di elettroni che partendo dal filamento va alla placca. Si forma cioè attraverso il vuoto del tubo, una corrente elettrica che è fatta di elettroni in movimento dal polo negativo a quello positivo, e non dal positivo al negativo come si era arbitrariamente assunto prima.

Se la corrente è alternata la placca muta continuamente il suo potenziale fra negativo e positivo; ma il flusso di elettroni passa solo quando la placca è positiva rispetto al filamento. Una corrente alternata quindi, passando attraverso il tubo di Fleming, diventa pulsante, cioè scorre a flotti sempre nel medesimo senso; Fleming dette perciò il nome di “valvola” di origine idraulica, al congegno che aveva scoperto. Esso poteva trasformare la corrente alternata in pulsante unidirezionale, “quasi continua”; era un raddrizzatore così venne tradotto in italiano il termine “rectifier”. Il termine “valvola” (valve) fu accettato in Europa, ma non negli USA, dove le valvole sono state chiamate da allora tubes; da noi, dopo la seconda guerra mondiale, quando la tecnologia americana divenne predominante, al termine “valvola” si è affiancato quello di “tubo elettronico”, semanticamente più corretto, in quanto le valvole fanno tanti altri compiti oltre a quello di raddrizzare la corrente alternata, ad esempio amplificando i segnali.

La valvola sviluppata da Fleming, che divenne un prezioso e fidato collaboratore di Marconi, si chiamò “diodo”, perché ha due elettrodi, un catodo che emette elettroni e una

placca o anodo che li raccoglie. Il tutto in un’ampolla di vetro dove è stato fatto un vuoto molto spinto (fino al milionesimo di atmosfera).

Invece il triodo si chiama così perché ha tre elettrodi: un catodo che emette elettroni, una placca che li riceve, e la griglia, una reticella di metallo o una spirale di filo sottile la cui funzione si può paragonare a quella di un rubinetto posto su un tubo. Come abbiamo visto perché vi sia flusso di elettroni la placca deve essere positiva rispetto al catodo; ma se la griglia che sta in mezzo è abbastanza negativa da neutralizzare l’attrazione della placca, il flusso si arresta. Diminuendo questa carica negativa la valvola comincia a condurre; per una minima variazione del potenziale di griglia si hanno forti variazioni di corrente nel circuito di placca. Quindi un segnale che arriva in griglia con pochissima potenza si ritrova nel circuito di placca con la stessa forma, ma amplificato.

per approfondire:

Le onde radio e la salute. Definizione, misure ed effetti biologici delle radiazioni non ionizzanti. Quanto serve per prevenire i rischi Senigaglia Gianfranco ; C&c

La propagazione delle onde radio Ciccognani Costanzo ; C&c

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