Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria · e = carica elementare positiva o negativa ... e l’arco delle saldatrici elettriche. ... Il principale utilizzo delle

Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria

C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2013/2014, Fisica

L’irraggiamento - Onde elettromagnetiche:

Le onde elettromagnetiche sono un fenomeno fisico attraverso il quale l´energia

elettromagnetica può trasferirsi da un luogo all´altro per propagazione.

Tale fenomeno di trasferimento di energia può avvenire nello spazio libero.

Le onde elettromagnetiche, secondo la teoria di Maxwell, sono fenomeni oscillatori,

generalmente di tipo sinusoidale e sono costituite da due grandezze che variano

periodicamente nel tempo: il campo elettrico ed il campo magnetico.

Quando alcuni corpi (vetro, ambra, ...) sono strofinati con

un panno di lana, acquistano una carica elettrica, cioè

essi acquistano la proprietà di attrarre o di respingere

altri corpi elettrizzati.

In natura esistono due tipi di elettricità: positiva e

negativa.

CARICA ELETTRICA



cariche dello stesso segno si respingono, cariche

di segno opposto si attraggono

I criteri di uguaglianza, di somma e di misura per

le cariche sono stabiliti con l’elettroscopio a

foglia.

+ +

+

+

+

+

+

+

+

unità di misura della carica: coulomb (C)

+ +

+ +

+ +

vetro vetro vetro plastica



Proprietà della carica elettrica

La carica elettrica è quantizzata: q = ne

e = carica elementare positiva o negativa

e = 1.6 10-19 C

In un sistema isolato la carica elettrica netta si conserva.

Esempio: creazione di coppie di elettroni:

Q = 0 +

_ fotone



Consideriamo il campo elettrico generato da una carica puntiforme.

Servendoci di una carica di prova disegniamo le linee di campo.

+ Q

E

- Q

E

F qE + q

F qE

- q

Campo elettrico – linee di forza

Carica positiva Carica negativa



Il campo magnetico

La magnetite, ha la proprietà

di attirare oggetti di ferro.

La magnetite è un magnete

naturale.

La magnetite



La magnetizzazione



Le sostanze ferromagnetiche

Si chiamano

sostanze

ferromagnetiche i

materiali che

possono essere

magnetizzati.



Polo nord e polo sud

Ogni magnete ha un polo

nord e un polo sud.



Poli magnetici dello stesso tipo



Poli magnetici di tipo diverso



Il campo magnetico

Ogni magnete genera

nello spazio

che lo circonda un campo

magnetico.



Il campo magnetico terrestre

Nella zona del polo nord

magnetico, il magnete-Terra

ha un polo sud, visto

che attira i poli nord

di tutte le bussole.



Direzione e verso del campo magnetico

La direzione è data dalla retta che unisce i poli nord e sud

del magnete di prova.

Il verso va dal polo sud al polo nord del magnete di prova.



Le linee del campo magnetico (1)



Le linee del campo magnetico (2)

Le linee del campo magnetico

si disegnano seguendo queste regole:

• in ogni punto sono tangenti

alla direzione del campo magnetico;

• escono dai poli nord dei magneti

ed entrano nei poli sud;

• la loro densità è direttamente

proporzionale all’intensità del campo

magnetico.



I poli magnetici isolati non esistono



L’esperienza di Oersted

Un filo percorso

da corrente genera

un campo magnetico.



Il campo magnetico di un filo percorso da corrente



L’esperienza di Faraday

Un filo percorso

da corrente, in un campo

magnetico, subisce

una forza.





Forze tra correnti

Esiste una forza magnetica tra due fili percorsi da corrente: ciascuno

di essi genera un campo magnetico e subisce la forza del campo

creato dall’altro.



La legge di Ampère



La forza magnetica



Il tesla

Nel Sistema Internazionale l’unità di misura del campo

magnetico è detta tesla (T).



La lunghezza d’onda e la frequenza di una onda elettromagnetica sono legate

dalla seguente relazione:

λ = c / f

dove λ è la lunghezza d’onda, f la frequenza e c la velocità della luce nel vuoto

c = 3*106 m/s

Negli altri mezzi invece tale velocità è pari a:

v = c / n

dove n è una costante tipica del mezzo nel quale si propaga l’onda ed è detta

indice di rifrazione assoluto del mezzo. Non esistono mezzi nei quali n è minore

di uno, cioè la luce nel vuoto si propaga con la massima velocità possibile.



Indici di rifrazione:

Mezzo n

Aria 1,000294

H2 1,000139

CO2 1,000449

Acqua 1,33

Alcool etilico 1,36

Cloruro di sodio 1,53

Diamante 2,42

Legge di Stefan-Boltzmann:

W = ε σ A T4

W – potenza irradiata

ε – emissività, è compresa fra 0 (per i corpi idealmente bianchi) e 1 (per i

corpi idealmente neri)

σ = 5,67∙10-8 Wm2K-4 è la costante di Stefan-Boltzmann

A – l’area del corpo

T – temperatura del corpo



Esercizio:

Determinare la potenza irradiata da

ognuno di voi in questo momento!

L’energia irradiata in 24 h?

ε = 0.9

T = 35 °C 1 cal = 4.18 J

A = 1.7 m2







1fm 1pm 1nm 1μm 1mm

1m

RAGGI

GAMMA

RAGGI X ULTRA-

VIOLETTO

INFRA-

ROSSO

MICRO-

ONDE

ONDE

RADIO

Lo spettro elettromagnetico

LUNGHEZZA D’ONDA (m)

VISIBILE

10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1

102

B

B

B

B

B

B

B

B

B

ENERGIA





Onde hertziane 50 ≤ f ≤ 1000 Hz , 109 ≥ λ ≥ 106 m

Le onde hertziane furono scoperte da Hertz, e si trovano alle maggiori lunghezza

d’onda ed alle frequenze più basse. Sono le responsabili dell’inquinamento

elettromagnetico causato dalla linee elettriche dell’alta tensione.

Onde radio 103 ≤ f ≤ 109 Hz , 106 ≥ λ ≥ 0.3 m

Le onde radio sono utilizzate in prevalenza nelle trasmissioni radio ed, in

particolare, per la telefonia cellulare.

Microonde 109 ≤ f ≤ 3·1011 Hz , 0.3 ≥ λ ≥ 10-3 m

Le microonde sono utilizzate in prevalenza nelle applicazioni termiche, per esempio

nei forni a microonde, oppure per comunicazioni e sistemi radar.



Infrarosso 3·1011 ≤ f ≤ 3.8·1014 Hz , 10-3 ≥ λ ≥ 0.78·10-6 m

Le radiazioni infrarosse sono prodotte da corpi caldi, in cui gli atomi vengono

eccitati tramite gli urti causati dall’agitazione termica. Il moto vibrazionale si traduce

in un aumento di temperatura.

L’emissione infrarossa è utilizzata in medicina per terapie fisiche e, nella ricerca, per

lo studio dei livelli energetici vibrazionali delle molecole.

Luce visibile 3.8·1014 ≤ f ≤ 7.9·1014 Hz , 0.78·10-6 ≥ λ ≥ 0.38·10-6 m

Il campo della luce visibile è molto stretto rispetto all’intero spettro delle radiazioni,

seppure sia molto importante per gli organismi viventi, poiché l’occhio della maggior

parte di essi è sensibile a queste radiazioni.



Ultravioletto 7.9·1014 ≤ f ≤ 5·1017 Hz, 0.38·10-6 ≥ λ ≥ 6·10-10 m

Le principali sorgenti di onde ultraviolette sono: il sole, i fulmini (seppure per breve

tempo) e l’arco delle saldatrici elettriche.

Una parte notevole delle radiazioni ultraviolette prodotte dal sole sono assorbite

dall’atmosfera, provocando la reazione di formazione dell’ozono O3. Tale

assorbimento è fondamentale per la vita sulla terra, in quanto questa radiazione in

grandi quantità risulta letale. È noto il problema dell’assottigliamento dello strato di

ozono dovuto principalmente ai clorofluorocarburi (CFC).

Tanto più i raggi ultravioletti sono ad alta frequenza, tanto più sono dannosi per gli

esseri viventi; non tanto perché aumenta il loro potere penetrante nei tessuti, tanto

più perché si avvicina a valori di lunghezza d’onda che mandano in risonanza i

legami molecolari, portandoli alla rottura.

Il principale utilizzo delle radiazioni ultraviolette è la sterilizzazione.



Raggi X 5·1017 ≤ f ≤ 5 · 1019 Hz, 6 · 10-10 ≥ λ ≥ 6 · 10-12 m

Il loro principale utilizzo è in campo medico. Il loro potere penetrante è molto

elevato, tanto da poter attraversare il corpo umano ed arrivare agli organi interni.

L’assorbimento dei raggi X è differente nei tessuti del corpo umano e soprattutto

nelle ossa; il flusso di raggi X che attraversa il corpo è quindi diverso in

corrispondenza del tessuto attraversato e una lastra fotografica viene più o meno

impressionata – radiografia, tomografia.

Raggi f ≥ 3 · 1018 Hz, λ ≤ 10-10 m

Queste radiazioni sono tipiche dei raggi cosmici, ma non arrivano fino alla

superficie terrestre perché filtrati prima dall’atmosfera.

Sono inoltre estremamente dannose per le cellule umane, in quanto portano alla

rottura delle strutture molecolari. Una prolungata esposizione ai raggi , dovuta a

reazione nucleare, può essere letale anche se è basso il trasporto di energia.

Colori e lunghezza d’onda

COLORE LUNGHEZZA

D’ONDA (nm)

violetto

380-430

azzurro

430-470

verde

470-520

giallo

520-590

arancione

590-610

rosso

610-750

B

B

B

B

B

L’occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte

dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE



Perché gli oggetti appaiono colorati?

sorgente

di luce

luce

diffusa

Gli oggetti colorati contengono dei PIGMENTI che

DIFFONDONO solo la luce di un particolare colore,

assorbendo il resto



Perché il cielo è blu?

Diffusione Rayleigh:

L’intensità della radiazione

diffusa è inversamente

proporzionale con λ4.



Le particelle nell’atmosfera

diffondono di più la

radiazione blu e violetta.



Perché blu e non viola?

- c’è meno viola nella luce che arriva dal sole, anche per il fatto

che l’atmosfera assorbe di più la luce viola;

- Il nostro occhio è più sensibile alla luce blu rispetto a quella

viola;

Abbiamo tre tipi di recettori

di colore nella nostra retina:

rosso, verde, blu.



COLORI

PRIMARI rosso verde blu

rosso + blu magenta

rosso + verde giallo

blu + verde ciano rosso + blu + verde bianco



Perché il sole al tramonto è rosso?

La diffusione della radiazione blu, verde, ma anche gialla è molto

intensa; nella direzione dei raggi passa solo la luce rosso-arancio

Quando il sole è

basso sull’orizzonte

i suoi raggi devono

attraversare uno

spessore maggiore

di atmosfera atmosfera

sole al tramonto

cammino lungo

sole a

mezzogiorno

cammino breve



L’atmosfera terrestre:



Composizione dell’atmosfera:



La densità diminuisce rapidamente con l'altezza:

- 90% della massa dell'atmosfera è contenuta entro i primi 20 km

- 99,9% entro i primi 50 km.

Rispetto al raggio della Terra (circa 6400 km), 99,9% dell'atmosfera della

terra è in un anello il cui spessore è 0,8% del raggio terrestre.

p = p0·e-gh/RT

- La pressione a 20 km di altezza è 1/10 della pressione atmosferica.

- La pressione a 50 km di altezza è 1/1000 della pressione atmosferica.





Superfici isobariche (hPa)

Quota

(m)

Variazione della pressione con la quota

Pressione (hPa)

h (km)

1000 120

850 1460

700 3000

500 5600

300 9120

200 11800

Documents

Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria · e = carica elementare positiva o negativa ... e l’arco delle saldatrici elettriche. ... Il principale utilizzo delle