La Fisica Quotidiana: Cariche Elettriche, Elettricita’ e Onde Elettromagnetiche (Parte II)

Nel precedente articolo (PARTE I) abbiamo discusso il fenomeno di attrazione elettrostatica tra cariche elettriche riassumibile nella Figura 1: cariche elettriche di stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono.

Figura 1

Abbiamo anche visto che l’origine delle cariche elettriche è nell’atomo. Chiariamo la cosa con un esempio esaminando la formazione chimica del comune sale da cucina, con riferimento alla Figura 2. L’atomo del Sodio (Na) e quello del Cloro (Cl) sono normalmente neutri perché la carica totale negativa degli elettroni (pallini blu) è uguale e contraria a quella positiva dei Protoni (pallini rossi).
Se però essi sono vicini accade che l’atomo di Sodio perda un elettrone che viene catturato dall’atomo di Cloro. Il risultato è che nell’atomo di Sodio prevale la carica positiva mentre nell’atomo di Cloro prevale la carica negativa. Atomi in queste condizioni si chiamano Ioni ed abbiamo così uno Ione positivo (Na+) e uno negativo (Cl-). Essi dunque si attraggono formando una molecola di sale (NaCl), cioè una delle innumerevoli sostanze che compongono tutta la materia che ci circonda. Possiamo generalizzare questo esempio per arrivare ad una delle più brillanti sintesi sulle forze fondamentali della natura, che allo stato delle conoscenze attuali sono riconducibili a tre:

Figura 2
  1. Forza nucleare che tiene insieme i nuclei dell’atomo.
  2. Forza elettrica che tiene unito e stabile l’atomo e garantisce i legami tra atomi a formare molecole e le molecole a formare tutta la materia condensata dell’Universo.
  3. Forza gravitazionale che controlla l’aggregazione della materia a formare pianeti, stelle e galassie, e come tale è stata protagonista della evoluzione dell’universo dopo il big bang.    E’ questa forza che ci tiene ancorati al suolo, che fa cadere la pioggia, che fa girare la Luna intorno alla Terra e i pianeti intorno al Sole, che determina la formazione delle Stelle e che aggrega queste in Galassie…

Ma torniamo alle cariche elettriche. I fenomeni di attrazione e repulsione elettrostatica possono essere interpretati con il concetto di Campo inventato da Faraday (1791-1867) il quale ebbe una intuizione geniale: non bisogna pensare, come Newton faceva, a forze che agiscono direttamente tra oggetti distanti tra loro (lo stesso Newton non aveva mai accettato il concetto di azione a distanza della forza gravitazionale, si limitava a constatare che le sue equazioni funzionavano). Bisogna pensare invece che esiste una entità reale, il campo, diffusa nello spazio, che viene modificata dalla presenza di corpi elettrici e magnetici e che, a sua volta, agisce (spinge e tira) sui corpi elettrici e magnetici immersi in esso (Se si gioca con due calamite che si respingono non è difficile sentire il campo che agisce). Faraday immagina che il campo sia formato da fasci di linee sottilissime che riempiono lo spazio, e le chiama linee di forza perché, in qualche modo, sono linee che portano in giro la forza elettrica e magnetica, come cavi che tirano e spingono.

Dunque due cariche (elettriche o magnetiche) distanti non si attirano o respingono direttamente, ma lo fanno attraverso il campo nel quale sono immerse.

Figura 3

La situazione è schematizzata in Figura 3. Le cariche + e (da immaginare infinitamente lontane)generano i rispettivi campi formati da linee di forza (convenzionalmente rappresentati con frecce di verso contrario). Bisogna pensare che tali linee sono in realtà infinite così da formare un campo elettrico uniforme. Quando le cariche si avvicinano le linee di campo interagiscono e formano il campo elettrico risultante come indicato in Figura 3. Osserviamo che si hanno fenomeni del tutto analoghi quando siamo in presenza di magneti. Alle estremità di una calamita sono localizzati quelli che in fisica si chiamano poli, convenzionalmente chiamati polo Nord e polo Sud. Questa terminologia deriva da quello che accade in una bussola: delle estremità dell’ago magnetico è naturale chiamare polo Nord quella che si orienta verso il Nord geografico, e polo Sud l’altra estremità. Come per le cariche elettriche, poli dello stesso nome si respingono e poli di nome contrario si attraggono. E come abbiamo visto per le cariche elettriche, due poli di nome contrario generano campi magnetici che interagiscono quando i poli sono vicini. Le figure usate per il campo elettrico sono valide anche per il campo magnetico sostituendo le cariche + e con Nord e Sud.

Il campo appena descritto è quello generato da cariche ferme, un campo statico come si dice. Vediamo ora cosa succede quando le cariche sono in movimento. Immaginiamo due bambini che in giardino giocano al tiro della fune. Essi tengono ben tesa una lunga corda. La tensione e il peso della corda tendono ad avvicinare i due bambini l’uno all’altro, tendono cioè ad “attrarli”. In questo gioco la corda e i due bambini sono il “modello” di due cariche di segno opposto che si attraggono per mezzo di una linea di campo rappresentata dalla corda. Supponiamo ora che uno dei bambini pur continuando a tenere tesa la corda, cioè ad attrarre l’altro bambino, faccia rapidamente su e giù con la mano. Se guardiamo attentamente la corda noteremo che essa assume la forma di un onda che avanza, si propaga, dalla sua mano verso la mano dell’altro bambino il quale, quando l’onda arriva, avvertirà una forza che tende a muovergli la mano su e giù, seguendo le oscillazioni impresse dalla mano dell’altro bambino. Questo significa che il primo bambino ha trasmesso il suo movimento all’altro bambino, ha cioè trasmesso l’informazione contenuta nel particolare movimento della sua mano.

Figura 4

Schematizziamo ora questo gioco come in Figura 4, dove le cariche elettriche prendono il posto dei bambini e la corda è sostituita da una linea del campo elettrico (per semplicità, ma il discorso che segue vale per tutte le linee di campo e quindi per tutto il campo inteso come entità uniforme, assimilabile alla superficie di un laghetto dove dal punto in cui gettiamo un sassolino vediamo il propagarsi di un moto ondoso a cerchi concentrici). Ebbene, per analogia col gioco della corda accade che una carica mossa SU e GIU’genera onde che si propagano nello spazio circostante. Si può verificare sperimentalmente che si tratta di onde che increspanoil campo elettrico e che, contemporaneamente generano un campo magnetico ugualmente increspato cioè, in breve, un campo elettromagnetico. Ma c’è di più: l’onda elettromagnetica trasmette a distanza il movimento delle carica elettrica che l’ha generato cosicché la carica elettrica negativa a sua volta oscillerà SU e GIU’ con lo stesso ritmo della carica positiva (Attenzione: propagazione dell’onda non significa che qualcosa si muova dalla carica positiva a quella negativa. Sono le valli e le creste dell’onda che si propagano per via del loro alternarsi su e giù. Questo e vero anche nel caso del moto ondoso del mare dove non c’è trasporto orizzontale dell’acqua).

E’ interessante soffermarci sul meccanismo sopra detto perché su di esso è basato il funzionamento di radio, televisione, rete cellulare e sistemi di telecomunicazione in generale. Con riferimento alla Figura 5, una stazione radio (TX) genera una corrente alternata di elettroni che fanno su e giù in un filo chiamato antenna trasmittente generando così un campo elettromagnetico che si propaga a distanza.

Figura 5

Nell’antenna ricevente di un ricevitore (RX) investito dall’onda, gli elettroni fanno su e giù con lo stesso ritmo degli elettroni dell’antenna trasmittente. In altri termini, l’informazione (acustica, visiva) contenuta nel moto degli elettroni dell’antenna trasmittente viene trasferita inalterata all’apparecchio ricevitore.

La fenomenologia dei campi elettromagnetici e della loro propagazione è nota da molto tempo. Fu il fisico inglese James Clerk Maxwell (1831-1879) che sintetizzò tutta la conoscenza sperimentale accumulata in circa due secoli di studi sull’elettricità e sul magnetismo, in solo 4 equazioni note come equazioni di Maxwell: una delle più belle conquiste del pensiero umano! Una delle più importanti conseguenze di queste equazioni è che esse ci consentono di calcolare con estrema precisione la velocità di propagazione del campo elettromagnetico. Si ottiene un risultato straordinario: le onde elettromagnetiche si propagano esattamente alla velocità della luce (300.000 Km/Sec), indipendentemente dalla loro lunghezza d’onda (distanza tra due creste o due valli). Una coincidenza? Ovviamente NO. Piuttosto questo risultato ci ha fatto capire la natura della luce e gli associati fenomeni luminosi: essi sono dovuti alla propagazione di un campo elettromagnetico e alla sua interazione con la materia.

Figura 6

Un raggio luminoso non è altro che un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio!

Nella Figura 6 è rappresentato lo spettro delle onde elettromagnetiche che in ordine decrescente di lunghezza d’onda si estende dalle onde radio fino ai raggi cosmici passando per varie tipologie indicate con nomi che richiamano le loro più comuni applicazioni pratiche. E’ bene precisare che in fisica quando si parla di luce si intende tutto lo spettro elettromagnetico. Per come ci siamo evoluti in natura, noi possiamo vedere solo una piccola fetta di questo vasto spettro: la luce visibile. Essa è tipicamente la luce solare che è luce bianca. Ma quando facciamo passare un raggio di luce bianca attraverso un prisma essa ci si disvela con tutte le meravigliose sfumature dei colori dell’iride (sfumature di lunghezze d’onda, scusate la “volgare” precisazione!).

E’ una piccola fetta dell’intera torta questa luce visibile, ma è la sua interazione con gli atomi di cui è fatta la materia dell’universo, compresi quelli dei nostri occhi e del nostro cervello, che ci regala immagini di incomparabile bellezza di un mondo che intrinsecamente è buio e incolore.

Luigi Catalani nasce a Norma (LT) nel 1946. Si laurea in Ingegneria Elettronica con indirizzo Calcolatori e Controlli Automatici nel 1975. E’ assunto da una società romana leader nel settore della Meccanottica di precisione occupandosi di progettazione elettronica e software di sistemi di Aereofotogrammetria per applicazioni cartografiche civili e militari. Nel 1980 è assunto da una primaria azienda Aerospaziale italiana come dirigente del reparto progettazione e sviluppo di apparati avionici di bordo per aerei ed elicotteri militari e civili. Nel 1988 passa alle dipendenze di una società romana leader nel settore dei sistemi di difesa avionica con l’incarico di Project Manager per diversi contratti internazionali per lo sviluppo e produzione di apparati destinati alle aeronautiche di Italia, Germania, UK e Spagna. Nel 2007,nella stessa società, conclude la sua carriera in qualità di Responsabile Commerciale degli stessi contratti.


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