Ørsted, Maxwell, Hertz e le onde elettromagnetiche

Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Ørsted (1777-1851) durante un esperimento scoprì un legame tra campi elettrici e campi magnetici. Attualmente questo esperimento è noto come esperimento di Ørsted. Egli avvicinò una bussola a un cavo in cui passava corrente elettrica. In prossimità del cavo, l’ago della bussola deviò dal polo nord magnetico evidenziando una connessione tra il magnetismo e la corrente elettrica. Vennero così poste le basi per lo sviluppo di un nuovo ramo di ricerca fisico: l’elettromagnetismo. In seguito, nel 1864, James Clerk Maxwell presentò alla Royal Society le quattro leggi di Maxwell, leggi elaborate grazie agli studi precedenti di Faraday e Ampère. Queste leggi descrivono i campi elettrico e magnetico e come interagiscono con la materia. Maxwell fu il primo a elaborare teoria del campo elettromagnetico. Secondo Maxwell il campo elettromagnetico si propagava nello spazio con moto oscillante sotto forma di onda. Il tipo di onde descritte dalle leggi sono le onde elettromagnetiche.

Le onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni di natura simultaneamente elettrica e magnetica. Queste onde si originano grazie a una carica elettrica oscillante. La carica elettrica oscillando genera un campo elettrico con moto ondulatorio a cui è associato un campo di tipo elettrico. Entrambi i campi si muovono di moto sinusoidale, ma su due piani ortogonali. Inoltre, siccome la direzione di propagazione è perpendicolare alla direzione di propagazione, sono definite onde trasversali.

In quanto onde sono caratterizzate da una frequenza, una lunghezza d’onda e da un’ampiezza. Queste onde si propagano nello spazio trasportando energia. Maggiore è la frequenza e maggiore è l’energia che possono trasportare. Al contrario, essendo inversamente proporzionale alla frequenza, tanto maggiore sarà la lunghezza d’onda e tanto minore sarà l’energia trasportata. Le onde ad alta energia sono dette ionizzanti, sono dannose per l’uomo e tra queste troviamo i raggi X e i raggi UV. Le onde a bassa energia sono dette non ionizanti e tra queste troviamo, ad esempio, le onde radio, gli infrarossi e le microonde. In base alla lungezza d’onda e alla frequanza, le onde elettromagnetiche sono ordinate nello spettro elettromagnetico. Dalla frequenza maggiore a quella minore abbiamo: raggi gamma, raggi X, raggi UV, luce visibile, infrarossi, microonde, onde radio.

Maxwell capì quale fosse la velocità di queste onde e, sulla base dei dati disponibili all’epoca, ne calcolò teoricamente la velocità. Ottenne come risultato 310.740.000 m/s, e di essa scrisse: “Questa è così vicina a quella della luce che ho ragione di supporre che la luce stessa sia un’onda elettromagnetica”. Definì così anche la natura della luce visibile.

Esperimento di Hertz

Maxwell non dimostrò l’esistenza delle onde elettromagnetiche, ma si limitò al teorizzarle. Fu solo grazie a Heinrich Rudolf Hertz che si ebbe la loro scoperta sperimentale: uno dei trionfi della fisica ottocentesca.

Hertz sapeva, stando alle teorie di Maxwell, le onde elettromagnetiche si generassero da oscillazioni di cariche elettriche lungo un circuito. Per l’esperimento usò il rocchetto di Ruhmkorff, un sistema costituito da una batteria, un interruttore e due bobine avvolte su un nucleo di ferro. sfruttando una differenza di potenziale il rocchetto genera scariche elettriche.

Hertz pose ad una certa distanza un anello. Alle estremità dell’anello si trovavano due sferette e poi generò delle scintille con il rocchetto. Dopo poco tempo osservò delle scintille tra le sferette dell’anello senza che questo fosse mai stato posto a contatto col generatore. La variazione del campo elettrico originò un’onda elettromagnetica. Questa propagandosi arrivò sulle sferette originando una scarica. Venne così dimostrata l’esistenza delle onde elettromagnetiche.

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