Capitolo 33 E Onde elettromagnetiche Copyright 2009 Zanichelli

Capitolo 33 E Onde elettromagnetiche Copyright © 2009 Zanichelli editore

L’arcobaleno di Maxwell Lo spettro elettromagnetico. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Propagazione dell’onda elettromagnetica: trattazione qualitativa Un sistema per generare un’onda elettromagnetica in moto, nella regione dello spettro delle onde corte per trasmissioni radio: un oscillatore LC genera una corrente sinusoidale nell’antenna, che emette l’onda. P è un punto distante in cui un osservatore con un’opportuna apparecchiatura può rivelare l’onda. Frequenza dell’oscillazione: Copyright © 2009 Zanichelli editore

Propagazione dell’onda elettromagnetica: trattazione qualitativa 1. I campi elettrico e magnetico E e B sono sempre perpendicolari alla direzione di avanzamento dell’onda. Si tratta quindi di un’onda trasversale. 2. Il campo elettrico è sempre normale al campo magnetico. 3. Il prodotto vettoriale E × B dà sempre la direzione di avanzamento dell’onda. 4. Le intensità di campo variano sempre sinusoidalmente. Inoltre la loro variazione avviene alla stessa frequenza reciprocamente in fase. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Propagazione dell’onda elettromagnetica: trattazione qualitativa Campo elettrico: Velocità nel vuoto: Campo magnetico: Numero d’onda: Frequenza angolare: Costante dielettrica del vuoto: Permeabilità magnetica del vuoto: Copyright © 2009 Zanichelli editore

Propagazione dell’onda elettromagnetica: trattazione qualitativa Un’onda elettromagnetica (riferiamoci ora per semplicità a un’onda luminosa ossia alla luce) presenta la notevole proprietà di non richiedere alcun mezzo per propagarsi. Se inviamo un fascio di luce lungo un asse e chiediamo a molteplici osservatori, animati da diverse velocità rispetto allo stesso asse in entrambi i sensi, di misurare la velocità del fascio, tutti rileveranno la medesima velocità. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Propagazione dell’onda elettromagnetica: trattazione quantitativa Mentre l’onda raggiunge il rettangolo tratteggiato nel punto P, la variazione sinusoidale di flusso magnetico attraverso il rettangolo centrato in P induce un campo elettrico lungo quel rettangolo. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Propagazione dell’onda elettromagnetica: trattazione quantitativa La variazione sinusoidale del campo elettrico induce campi magnetici lungo il rettangolo. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Trasporto di energia e vettore di Poynting Un’onda elettromagnetica può trasportare energia e trasferirla al corpo su cui incide. La quantità di energia trasportata nell’unità di tempo per unità di area da una simile onda è descritta da un vettore S, detto vettore di Poynting: Vettore di Poynting: La grandezza S è legata alla velocità con cui l’energia è trasportata da un’onda attraverso l’unità d’area in ogni istante (ist): Unità di misura SI: W/m 2 La direzione del vettore di Poynting S in un qualunque punto di un’onda elettromagnetica dà la direzione di propagazione e del trasporto dell’energia in quel punto. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Trasporto di energia e vettore di Poynting Flusso di energia istantanea Siamo più interessati al valor medio della grandezza S variabile nel tempo; questo valor medio è detto intensità I dell’onda. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Trasporto di energia e vettore di Poynting Una sorgente puntiforme S emette onde elettromagnetiche uniformi in tutte le direzioni. I fronti sferici attraversano una sfera immaginaria di raggio r centrata in S. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Pressione di radiazione Le onde elettromagnetiche trasportano anche quantità di moto. È possibile esercitare una pressione su un oggetto illuminandolo. Assorbimento totale Riflessione totale Copyright © 2009 Zanichelli editore

Polarizzazione Piano di vibrazione di un’onda elettromagnetica polarizzata. Si può rappresentare la polarizzazione dell’onda indicando la direzione di oscillazione del campo elettrico in una vista «frontale» del piano di oscillazione. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Polarizzazione La luce non polarizzata consiste di onde con campi elettrici orientati a caso. Un secondo modo di considerare un’onda non polarizzata. Può essere vista come la sovrapposizione di due onde piane polarizzate, l’una perpendicolare all’altra. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Polarizzazione La luce originariamente non polarizzata può essere convertita in luce polarizzata facendola passare attraverso una lamina polarizzante. Le componenti dei vettori del campo elettrico parallele alla direzione di polarizzazione vengono trasmesse attraverso la lamina polarizzante. Le componenti perpendicolari alla direzione di polarizzazione vengono assorbite dalla lamina. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Polarizzazione L’intensità della luce non polarizzata che emerge dalla lamina è: Consideriamo una luce incidente già polarizzata. Scomponiamo E nelle due componenti parallela e perpendicolare alla direzione di polarizzazione della lamina: la componente parallela Ey verrà trasmessa, mentre la componente perpendicolare Ez sarà assorbita. L’intensità della luce polarizzata trasmessa è: Copyright © 2009 Zanichelli editore

Riflessione e rifrazione Per quanto un’onda luminosa si espanda allontanandosi dalla sorgente, spesso potremo approssimare il suo cammino con una linea retta. Lo studio delle proprietà della luce in questa approssimazione è chiamato ottica geometrica. Legge della riflessione: Il raggio riflesso giace sul piano di incidenza e forma un angolo di riflessione uguale a quello di incidenza. riflessione Legge della rifrazione: Il raggio rifratto giace nel piano di incidenza e forma un angolo di rifrazione legato all’angolo di incidenza dalla relazione: rifrazione Copyright © 2009 Zanichelli editore

Riflessione e rifrazione n 1 ed n 2 sono costanti adimensionali chiamate indici di rifrazione, che dipendono solo dal tipo di sostanze implicate nel fenomeno. Consideriamo una luce che si rifrange nel passaggio da un mezzo con indice di rifrazione n 1 a un mezzo con indice di rifrazione n 2. • n 2 = n 1 q 2 = q 1 • n 2 > n 1 q 2<q 1, la luce si piega verso la normale • n 2 < n 1 q 2 > q 1, la luce tende ad allontanarsi dalla normale Copyright © 2009 Zanichelli editore

Riflessione e rifrazione L’indice di rifrazione n in qualsiasi mezzo, eccetto il vuoto, dipende dalla lunghezza d’onda della luce. Quindi, quando un raggio di luce è formato da componenti con lunghezze d’onda differenti, la rifrazione del raggio alla superficie ne separa le componenti così che esse assumono direzioni diverse. Questo effetto si chiama dispersione cromatica. n 2, blu>n 2, rosso Copyright © 2009 Zanichelli editore

Riflessione e rifrazione Per il raggio e è di 90°, il che significa che il raggio rifratto è parallelo alla superficie di separazione dei due mezzi. L’angolo di incidenza di questo particolare caso si chiama angolo critico (o angolo limite) θc. Angolo critico Per angoli di incidenza maggiori di θc, come per i raggi f e g, non esiste raggio rifratto e tutta la luce è riflessa; questo fenomeno è detto riflessione totale. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Polarizzazione per riflessione In generale le componenti perpendicolari e le componenti parallele del campo elettrico della luce riflessa hanno diversa intensità. Questo significa che la luce riflessa è parzialmente polarizzata. Quando però la luce ha un particolare angolo di incidenza, chiamato angolo di Brewster θB, la luce riflessa presenta solo le componenti perpendicolari, Legge di Brewster Angolo di Brewster Copyright © 2009 Zanichelli editore