Campi non stazionari

Leggi di Maxwell

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Questa è la versione definitiva delle leggi dell'elettromagnetismo di Maxwell: le leggi di Gauss per il campo elettrico e per il campo magnetico, la legge di Faraday e infine la legge di Ampère - Maxwell.

Permane l'asimmetria nelle leggi che riguardano il flusso, legata al fatto che non esiste in natura un monopolo magnetico. Le leggi sulla circuitazione hanno una struttura simile: ognuno dei due campi è legato alla variazione nel tempo dell'altro campo: questo rende possibile la propagazione di onde elettromagnetiche.

La propagazione dei campi elettrici e magnetici nello spazio

Maxwell riuscì a prevedere teoricamente l'esistenza di onde elettromagnetiche che, come le onde meccaniche già conosciute, si sarebbero propagate nello spazio a grandi distanze dalla sorgente.

In un circuito a corrente alternata sono presenti, oltre alle resistenze, anche dei condensatori (capacità) e solenoidi (induttanze). All'interno di un condensatore si crea un campo elettrico e all'interno di un solenoide un campo magnetico. Sia il campo elettrico, sia quello magnetico oscillano nel tempo con la stessa frequenza della corrente alternata. Il campo elettrico variabile in modo sinusoidale provoca la creazione di un campo magnetico indotto perpendicolare e anch'esso sinusoidale (dato che la derivata di un seno o di un coseno è sempre sinusoidale). A sua volta il campo magnetico induce un altro campo elettrico indotto perpendicolare e sinusoidale e così via con la propagazione di campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio, l'uno perpendicolare all'altro.

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Da un circuito oscillante si genera quindi una perturbazione a carattere ondulatorio che si allontana dalla sorgente propagandosi anche nello spazio vuoto. L'onda elettromagnetica è formata dai due campi in mutua induzione: non può esistere un'onda solo elettrica o solo magnetica. Le onde elettromagnetiche sono trasversali, poiché l'oscillazione dei campi elettrico e magnetico è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione.

Oscillazione delle Cariche e le Onde Elettromagnetiche

La velocità di propagazione, altissima, dipende dalle proprietà elettriche e magnetiche del mezzo che esse attraversano e quindi dalla costante dielettrica ε e dalla permeabilità magnetica μ. Maxwell dedusse in modo matematico dalle sue equazioni che tale velocità dovesse essere: vel_luce (1K)

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è la massima possibile nel vuoto. Calcolando la velocità con ε0 = 8.85 10-12 F/m e μ0 = 12.57 10-7 T m / A si ottiene:

velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto v = 3 108 m/s

La coincidenza di questo numero con la velocità della luce c, non passò inosservata e Maxwell intuì che la natura delle onde luminose, fino allora sconosciuta, fosse di origine elettromagnetica.

Si giunse pertanto ad una nuova sintesi: quella tra i fenomeni elettro-magnetici e quelli luminosi: in questo quadro la luce è una particolare radiazione elettromagnetica.

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L'esistenza di radiazioni elettromagnetiche diverse da quelle luminose era soltanto ipotizzata da Maxwell. Qualche tempo più tardi la conferma sperimentale arrivò da Heinrich Hertz (1857-1894) nel 1886, qualche anno dopo la morte di Maxwell.

Esperienza di Hertz

Hertz osservò la produzione di scintille indotte su un circuito posto ad una certa distanza da un rocchetto di Ruhmkorff. Il rocchetto di Ruhmkorff è un trasformatore in cui, da rapide variazioni del primario, si ottengono elevate tensioni nel secondario che producono scintille tra due sferette metalliche. L'interpretazione del fenomeno era che il rocchetto fosse la sorgente di una radiazione elettromagnetica che produceva scintille sul circuito. La natura ondulatoria della radiazione fu provata da fenomeni di riflessione, rifrazione, interferenza.


Copyleft Ludovica Battista

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