L irraggiamento - Onde elettromagnetiche:

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1 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.

2 CARICA ELETTRICA 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.

3 vetro vetro 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: vetro coulomb (C) plastica

4 Proprietà della carica elettrica La carica elettrica è quantizzata: q = ne e = carica elementare positiva o negativa e = C In un sistema isolato la carica elettrica netta si conserva. Esempio: creazione di coppie di elettroni: + Q = 0 fotone _

5 Campo elettrico linee di forza Consideriamo il campo elettrico generato da una carica puntiforme. Servendoci di una carica di prova disegniamo le linee di campo. Carica positiva Carica negativa E E F qe + Q + q - q F qe - Q

6 Il campo magnetico La magnetite La magnetite, ha la proprietà di attirare oggetti di ferro. La magnetite è un magnete naturale.

7 La magnetizzazione

8 Le sostanze ferromagnetiche Si chiamano sostanze ferromagnetiche i materiali che possono essere magnetizzati.

9 Polo nord e polo sud Ogni magnete ha un polo nord e un polo sud.

10 Poli magnetici dello stesso tipo

11 Poli magnetici di tipo diverso

12 Il campo magnetico Ogni magnete genera nello spazio che lo circonda un campo magnetico.

13 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.

14 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.

15 Le linee del campo magnetico (1)

16 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.

17 I poli magnetici isolati non esistono

18 L esperienza di Oersted Un filo percorso da corrente genera un campo magnetico.

19 Il campo magnetico di un filo percorso da corrente

20 L esperienza di Faraday Un filo percorso da corrente, in un campo magnetico, subisce una forza.

21 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.

22 La legge di Ampère

23 La forza magnetica

24 Il tesla Nel Sistema Internazionale l unità di misura del campo magnetico è detta tesla (T).

25 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*10 6 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.

26 Indici di rifrazione: Mezzo n Aria 1, H 2 1, CO 2 1, Acqua 1,33 Alcool etilico 1,36 Cloruro di sodio 1,53 Diamante 2,42

27 Legge di Stefan-Boltzmann: W = ε σ A T 4 W potenza irradiata ε emissività, è compresa fra 0 (per i corpi idealmente bianchi) e 1 (per i corpi idealmente neri) σ = 5, Wm 2 K -4 è la costante di Stefan-Boltzmann A l area del corpo T temperatura del corpo

28 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 m 2

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31 B B B B B B B B Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria Lo spettro elettromagnetico 1m LUNGHEZZA D ONDA (m) 1fm 1pm 1nm 1μm 1mm RAGGI GAMMA RAGGI X ULTRA- VIOLETTO INFRA- ROSSO MICRO- ONDE ONDE RADIO ENERGIA VISIBILE

32 Onde hertziane 50 f 1000 Hz, 10 9 λ 10 6 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 10 3 f 10 9 Hz, 10 6 λ 0.3 m Le onde radio sono utilizzate in prevalenza nelle trasmissioni radio ed, in particolare, per la telefonia cellulare. Microonde 10 9 f 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.

33 Infrarosso f Hz, 10-3 λ 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 f Hz, λ 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.

34 Ultravioletto f Hz, λ 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 O 3. 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.

35 Raggi X f Hz, λ 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 Hz, λ 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.

36 B B B B B Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria Colori e lunghezza d onda L occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE COLORE LUNGHEZZA D ONDA (nm) violetto azzurro verde giallo arancione rosso

37 Perché gli oggetti appaiono colorati? Gli oggetti colorati contengono dei PIGMENTI che DIFFONDONO solo la luce di un particolare colore, assorbendo il resto sorgente di luce luce diffusa

38 Perché il cielo è blu? Diffusione Rayleigh: L intensità della radiazione diffusa è inversamente proporzionale con λ 4.

39 Le particelle nell atmosfera diffondono di più la radiazione blu e violetta.

40 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.

41 COLORI PRIMARI rosso verde blu rosso + blu magenta rosso + verde giallo blu + verde ciano rosso + blu + verde bianco

42 Perché il sole al tramonto è rosso? Quando il sole è basso sull orizzonte i suoi raggi devono attraversare uno spessore maggiore di atmosfera cammino breve cammino lungo sole al tramonto atmosfera sole a mezzogiorno La diffusione della radiazione blu, verde, ma anche gialla è molto intensa; nella direzione dei raggi passa solo la luce rosso-arancio

43 L atmosfera terrestre:

44 Composizione dell atmosfera:

45 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 = p 0 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.

46 Variazione della pressione con la quota Pressione (hpa) h (km) Superfici isobariche (hpa) Quota (m)