Natura elettromagnetica della luce

L’astronomo, matematico e fisico olandese Huygens attribuì alla luce una natura ondulatoria, spiegando il meccanismo di propagazione secondo le leggi del moto ondulatorio. Già nel 1845 Michael Faraday aveva stabilito una correlazione tra luce ed elettromagnetismo dimostrando che un forte campo magnetico altera la direzione della luce polarizzata. Fu J.C. Maxwell nel 1870 a sostenere che la luce è un’onda di natura elettromagnetica dal momento che essa viaggia con la stessa velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto pari a 3 x 108 m/s ed è, come le onde elettromagnetiche un’onda trasversale. Egli sintetizzò in un unico insieme di equazioni tutte le conoscenze sperimentali sulla luce e, risolvendo le equazioni in funzione della velocità di propagazione c ottenne l’uguaglianza:

c = 1/ √εo μo

Essendo εo la permettività elettrica nel vuoto e μo la permeabilità magnetica nel vuoto. Maxwell ottenne che il valore numerico della velocità della radiazione corrispondeva a quella determinata sperimentalmente.

Per comprendere la natura elettromagnetica della luce consideriamo una carica elettrica isolata q che si trovi a una certa distanza da un’altra Q: q  è soggetta a una forza elettrostatica FE ovvero si trova nel campo elettrico E generato da Q e definito da FE= qE. Una carica q in movimento può trovarsi a subire gli effetti di un’altra forza FM proporzionale alla sua velocità v. Essa risulta in tal caso soggetta a un campo detto induzione magnetica, B, tale che FM = qv x B. Se la carica q si trova in una regione nella quale sono presenti contemporaneamente i campi elettrico e magnetico si ha: F = qE + qv x B = q ( E + v B).

Il comportamento dei campi elettrico e magnetico manifesta una interessante simmetria. Un campo magnetico B che varia nel tempo genera un campo elettrico E orientato ortogonalmente rispetto ad esso.

campo magnetico

Per generare un campo magnetico, tuttavia, non è necessario che fluisca una corrente ovvero che ci siano cariche effettive in movimento. Fra le armature di un condensatore in corso di carica o scarica non fluisce alcuna corrente, ma intorno al suo asse sussiste un campo magnetico uguale  a quello che circonda i due conduttori esterni dove c’è corrente. Infatti nello spazio tra le armature esiste un campo elettrico che varia nel tempo e questa è l’unica condizione necessaria per generare un campo magnetico.

Una carica elettrica stazionaria genera un campo elettrico uniforme (omogeneo) e nessun campo magnetico. Se, tuttavia, la carica subisce un’accelerazione ( se ad esempio viene fatta oscillare o ruotare), allora il campo elettrico E si altera e tale alterazione si propaga nello spazio ad una certa velocità. Il campo elettrico è diventato così variabile nel tempo e perciò genera un campo magnetico ad esso perpendicolare. Questo campo magnetico, a sua volta, varia nel tempo e quindi genera a sua volta perpendicolarmente un campo elettrico. Si può ammettere che i due campi siano aspetti di un unico fatto fisico: il campo elettromagnetico. Il processo continua indeterminatamente: E e B si rigenerano a vicenda come un impulso che si sposta nello spazio avanzando in direzione perpendicolare sia ad E che a B: si dice che l’onda elettromagnetica è trasversale.

onda elettromagnetica

L’onda elettromagnetica trasporta energia e tale energia si ripartisce tra i campi elettrico e magnetico che la costituiscono. Quando un’onda elettromagnetica colpisce un materiale mette in moto le cariche elettriche e il suo campo magnetico esercita forze sulle correnti che ne derivano. Inoltre, dato che la forza uguaglia la variazione del momento, ( o quantità di moto p = mv) rispetto al tempo ( F = Δp/Δt), si deve ammettere che l’onda elettromagnetica reca con sé anche un momento

 

Author: Chimicamo

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