Onde e oscillazioni Lezioni di illuminotecnica. Luce e Onde elettromagnetiche Fabio Peron Università IUAV - Venezia Si parla di onde tutte le volte che una grandezza fisica varia la sua entità nel tempo e nello spazio in maniera periodica, ripetitiva. 2 Onde e oscillazioni Le grandezze che caratterizzano le onde ampiezza Lunghezza d onda Ampiezza ampiezza, A è l entità della variazione intorno a un valore medio della grandezza che oscilla lunghezza d onda, λ,[m]: è la lunghezza che intercorre tra due punti in cui in un certo istante si hanno fasi omologhe dell onda. 4
Le grandezze che caratterizzano le onde Le grandezze che caratterizzano le onde periodo, T, [s]: frequenza angolare o pulsazione, ω, [rad/s] : è il tempo che intercorre tra i passaggio in un determinato punto dello spazio di due fasi omologhe dell onda. per un oscillazione di tipo sinusoidale o cosinusoidale corrisponde all angolo in radianti descritto in un unità di tempo dal corrispondente oscillatore armonico. frequenza, f, [Hz]: è il numero di oscillazioni complete che l onda compie nell'unità di ω = 2π f tempo. Unità di misura sono i cicli per secondo ovvero gli hertz [Hz]. Essa corrisponde all inverso del periodo: velocità, c, [m/s]: 1 f = T è la velocità con cui la perturbazione si propaga nello spazio. Per le onde elettromagnetiche è pari a 300.000 km/s nota la velocità di propagazione dell onda, c, valgono le seguenti relazioni tra lunghezza d onda, λ, pulsazione, ω, il periodo, T, e la frequenza, f, esistono le seguenti relazioni: 1 f = T λ = c f λ = c T ω = 2π f T = 2π ω 5 6 La luce La luce
La luce: un po di storia La luce: un po di storia Scuola pitagorica (V secolo a.c.): la luce è un fluido che viene emesso dagli occhi e vi ritorna con l immagine degli oggetti circostanti Democrito (V IV secolo a.c.) e gli atomisti successivi: gli oggetti emettono senza interruzione delle immagini materiali, tuttavia tanto sottili da non svuotare i corpi che le emettono. Fra medioevo e rinascimento si approfondirono soprattutto gli aspetti pratici dell ottica, come la produzione di lenti per occhiali. Leonardo da Vinci osserva l analogia fra l occhio e la camera oscura. Johannes Kepler (Keplero) (1604): i raggi di luce vengono emessi in numero infinito e in tutte le direzioni da ogni punto degli oggetti. Newton mise in evidenza come la luce bianca sia una miscela di diverse componenti cromatiche (Optica, 1704) 10 Colori: il cerchio di Newton La luce: un po di storia rotazione Hertz (1857-1894) Con il cerchio di Newton è possibile miscelare le componenti monocromatiche ed ottenere la loro somma, il bianco. 11 James Maxwell (1831-1879) Maxwell descrive matematicamente il campo elettromagnetico dando un base all interpretazione della luce come onda. Hertz per primo nel 1886 riesce a produrre onde elettromagnetiche artificiali.
La generazione di onde elettromagnetiche La radiazione elettromagnetica Tutti i corpi a temperatura diversa dallo zero assoluto emettono radiazioni elettromagnetiche Si ha una perturbazione variabile nel tempo e nello spazio del campo elettromagnetico. A una variazione del campo elettrico si accompagna una variazione del campo magnetico. Si manifestano su due piani perpendicolari e in fase. Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da frequenza, f, e lunghezza d onda, λ. 1 La Via Lattea a diverse lunghezze d onda La radiazione fossile a 3 K 15 16
Onde elettromagnetiche e energia Onde Elettromagnetiche e luce Le onde elettromagnetiche con diverse frequenze hanno diverso contenuto energetico. All aumentare della frequenza aumenta il contenuto di energia secondo la relazione di Planck: E= h ν Si definisce LUCE la radiazione elettromagnetica che ha la proprietà di impressionare l occhio umano, all interno di una determinata banda di radiazioni detta appunto banda visibile 380 nm-780 nm. 17 18 La luce in natura La luce in natura 19 Il Sole è una stella di medie dimensioni di tipo molto comune nell universo (stella gialla - tipo spettrale G). Si ha: massa M= 2x1030 kg (333000 volte la terra, 99% sistema solare); densità media 1410 kg/m 3, nella parte più interna 80000 kg/m 3 ; composizione: 98% H e He, presenti altri 60 elementi in tracce le reazioni termonucleari: 4 H 11 He 24 + energia; potenza emessa Es= 3,8x10 26 W (4x10 6 ton materia trasformate in energia al secondo). 20
La luce in natura La luce in natura: il fulmine La radiazione solare è costituita da diverse tipologie di onde elettromagnetiche. Circa il 50% è nel campo IR, il 44% nel visibile e il 7% nell UV. Oltre i 2-3 μm si ha solo un 1%. Il suono è veloce 340 m/s ma la luce è più veloce 3x10 8 m/s. Il tuono arriva sempre dopo il lampo. La luce in un secondo percorre 27 volte un meridiano terrestre. 21 22 La luce in natura: l arcobaleno Luce in natura: nuvole e aloni 23 24
Luce in natura: i cani del sole - Pareli Fenomeni atmosferici http://www.atoptics.co.uk/ I Pareli costituiscono un fenomeno ottico atmosferico dovuto alla rifrazione della luce solare da parte dei piccoli cristalli di ghiaccio sospesi nell'atmosfera e che solitamente costituiscono i cirri. Questi cristalli, fungendo da prismi, rifrangono la luce del sole in molte direzioni, ma con un minimo angolo di deviazione di circa 158, che causa la formazione di pareli a circa 22 gradi dal Sole. La rifrazione dipende dalla lunghezza d'onda, così i pareli hanno la parte interna rossa e altri colori nelle parti più esterne 25 26