ONDE ELETTROMAGNETICHE

Documenti analoghi
ONDE ELETTROMAGNETICHE

Esercizi di Fisica LB - Ottica: polarizzazione e diffrazione

POLARIZZAZIONE. I = < (E 0 cos ϕ) 2 > (1) dove < (E 0 cos ϕ) 2 > è il valore mediato nel tempo.

Lezione 21 - Onde elettromagnetiche

Misure di polarizzazione mediante ricevitori differenziali a microonde

E e B sono inscindibili tra loro e vale la

4.5 Polarizzazione Capitolo 4 Ottica

Onde elettromagnetiche (e dintorni)

Appunti della lezione sulla Equazione Differenziale delle Onde

Fondamenti di fisica

OTTICA ONDE INTERFERENZA DIFFRAZIONE RIFRAZIONE LENTI E OCCHIO

Trasmissione e riflessione di onde piane su interfacce dielettriche (incidenza qualsiasi)

Ottica fisica. Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico

Appunti di Fisica. Sintesi dell elettromagnetismo - onde elettromagnetiche

60 o e. E i. ε 2. ε 1. acqua marina A B I ONDE PIANE E MATERIALI

1 FORMA GENERALE DELLE ONDE PIANE

ESERCITAZIONI FISICA PER FARMACIA A.A. 2012/2013 ELETTROMAGNETISMO - OTTICA

Onde elettromagnetiche

Polarizzazione, i parametri di Stokes e la loro misura

Onde elettromagnetiche

Diffusione dei raggi X da parte di un elettrone

INTERFERENZA - DIFFRAZIONE

Fisica 2 per biotecnologie: Prova in itinere 26 Maggio 2014

1. l induzione magnetica B in modulo, direzione e verso nel piano ortogonale al filo nel suo punto medio, a distanza r dal filo;

Energia del campo elettromagnetico

2.8 Scattering Thomson

Esercizi selezionati per l esame scritto del corso di Fotonica. Laser

I Esonero di Elementi di Ottica del 13/06/2011

Cognome Nome Matricola

Esercitazione 1. Invece, essendo il mezzo omogeneo, il vettore sarà espresso come segue

Formulario. (ε = ε 0 nel vuoto, ε 0 ε r nei mezzi; µ = µ 0 nel vuoto, µ 0 µ r nei mezzi) Forza di Coulomb: F = k Q 1Q 2 r 2 = 1 Q 1 Q 2

Applicazioni delle leggi della meccanica: moto armnico

Diffusione da elettroni legati elasticamente

Onde. ONDA: Perturbazione di una grandezza fisica che si propaga nello spazio.

1.2 Moto di cariche in campo elettrico

L intensità è uguale alla potenza per unità di superficie per cui l intensità media è data da:

Riassunto lezione 14

Theory Italiano (Italy)

Ottica geometrica. H = η 1 u E. S = 1 2 η 1 E 2 u = 1 2 η H 2 u

- hanno bisogno di un mezzo elastico per propagarsi

Dati numerici: f = 200 V, R 1 = R 3 = 100 Ω, R 2 = 500 Ω, C = 1 µf.

Caratterizzazione delle onde: lunghezza d onda, velocità, frequenza, periodo

S.Barbarino - Appunti di Fisica - Scienze e Tecnologie Agrarie. Cap. 2. Cinematica del punto

5.4 Larghezza naturale di una riga

Elettricità e Fisica Moderna

Fisica Generale 1 per Ing. Gestionale e Chimica (Prof. F. Forti) A.A. 2011/12 Appello del 9/01/2013.

3. (Da Veterinaria 2006) Perché esiste il fenomeno della dispersione della luce bianca quando questa attraversa un prisma di vetro?

Intendo svolgere (nessuna risposta: compito intero): Compito intero Recupero I parziale Recupero II parziale Recupero III parziale

Ottica fisiologica, ovvero perché funzionano i Google Glass

FAM. 2. Calcola l intensità media Ī nel caso di un onda piana (longitudinale) e nel caso di un onda sferica ad una distanza di 100m dalla sorgente.

Angolo polare, versori radiale e trasverso

Prova Scritta di Elettricità e Magnetismo e di Elettromagnetismo A. A Febbraio 2008 (Proff. F.Lacava, C.Mariani, F.Ricci, D.

di ogni particella carica che raggiunge con velocità v la regione in cui è presente campo 2 m

Corso di Laurea in LOGOPEDIA FISICA ACUSTICA ONDE (ARMONICHE)

1 SCHERMAGGIO 2 SCHERMO LARGO

LE EQUAZIONI DI MAXWELL E LE ONDE ELETTROMAGNETICHE. Problemi di Fisica. Elettromagnetismo. Le Equazioni di Maxwell e le Onde Elettromagnetiche

a) compressione adiabatica fino alla pressione p 2 = kg/cm 2 ;

Soluzioni della prova scritta di Fisica Generale

antenna ΔV J b V o O : centro di fase dell antenna

MOTO DI UNA PARTICELLA IN UN CAMPO ELETTRICO

LE ONDE. Le onde. pag.1

Luce e onde elettromagnetiche

Fisica II - CdL Chimica. Interferenza Coerenza Diffrazione Polarizzazione

Esercitazione 2. Soluzione

OSCILLATORE ARMONICO SEMPLICE

Gli esperimenti condotti da Faraday hanno portato a stabilire l esistenza di una forza elettromotrice e quindi di una corrente indotta in un circuito

ENERGIA DI UN ONDA. INTENSITA

Formulario Elettromagnetismo

FISICA (modulo 1) PROVA SCRITTA 21/02/2014

Enrico Borghi DESCRIZIONI CLASSICHE DEI FENOMENI ELETTROMAGNETICI

UNIVERSITA degli STUDI del SANNIO

LASER. Proprietà dei fasci laser

mentre la legge della rifrazione richiede sin α = n sin α sin β = n sin β. (2) Sostituendo le (1) nella seconda delle (2): sin α + sin

FAM. T 1) α ν. (e α ν T 1) 2. (con l ipotesi ν > 0) si ottiene

Cinematica in due o più dimensioni

Fisica II. 7 Esercitazioni

F = q E + q v x B, dove v è la velocità di q. Il campo magnetico non agisce su una carica q ferma. Unità di misura: [E] = N/C = V/m, [B] = T.

QUINTA LEZIONE: corrente elettrica, legge di ohm, carica e scarica di un condensatore, leggi di Kirchoff

Elettrostatica I. Forza di Coulomb. Principio di Sovrapposizione Lineare. Campo Elettrico. Linee di campo. Flusso, teorema di Gauss e sue applicazioni

S.Barbarino - Esercizi svolti di Campi Elettromagnetici. Esercizi svolti di Campi elettromagnetici - Anno λ 2

p e c = ev Å

Antenne e Collegamento Radio

Esperienza 4. Misura dell Indice di rifrazione. Cenni teorici

Formulario di onde e oscillazioni

ESPERIMENTO 6: OTTICA GEOMETRICA E DIFFRAZIONE

α =ωt. =ωr in senso antiorario, dove ω indica la velocità angolare. Supponiamo che al tempo t 0

SCUOLA GALILEIANA - CLASSE DI SCIENZE NATURALI PROVA DI AMMISSIONE A.A.: SOLUZIONE DELLA PROVA SCRITTA DI FISICA

Il campo magnetico. n I poli magnetici di nome contrario non possono essere separati: non esiste il monopolo magnetico

Lezione 8. Campo e potenziale elettrici

Esercitazione 2. Soluzione

Fisica 2 per biotecnologie: Prova scritta 6 Febbraio 2015

Distribuzione di carica piana ed uniforme... 32

Esercizi con campi magnetici statici

Circuiti RC. i(t = 0) = V 0. Negli istanti successivi l equazione per i potenziali risulterà

L INDUZIONE ELETTROMAGNETICA. V Scientifico Prof.ssa Delfino M. G.

CORSO di AGGIORNAMENTO di FISICA

Prova scritta di Elettricità e Magnetismo ed Elettromagnetismo A.A. 2006/ Settembre 2007 (Proff. F. Lacava, C. Mariani, F. Ricci, D.

FORMULARIO DI FISICA 3 MOTO OSCILLATORIO

LA RIFRAZIONE E LA RIFLESSIONE DELLA LUCE. IV^C 2016/2017 Lepore Gianluca Ianniciello Antonio

Produzione dei raggi X

Transcript:

ONDE ELETTROMAGNETICHE ESERCIZIO 1 Un onda elettromagnetica piana di frequenza ν = 7, 5 10 14 Hz si propaga nel vuoto lungo l asse x. Essa è polarizzata linearmente con il campo E che forma l angolo ϑ = 30 con il piano (x,y) ed ha ampiezza E 0 = 10 3 V/m. Scrivere l equazione dell onda. Calcolare l ampiezza del campo magnetico. Il campo elettrico di un onda elettromagnetica piana, linearmente polarizzata monocromatica e che si propaga lungo x, può essere scritta nella forma: E = E 0 sin(kx ωt) con E 0 = (0, E 0y, E 0z ) Parametri dell onda λ T = λν = c λ = c ν = 3 108 7, 5 10 14 = 0, 4 10 6 m k = 2π λ = 2π rad = 1, 57 107 0, 4 10 6 m ω = 2πν = 2π 7, 5 10 14 15 rad = 4, 7 10 s [ Si tratta di radiazione visibile: 4000 8000A, 1A ] = 10 10 m λ = 4000A, cade nella zona di transizione violetto u.v. Componenti del campo elettrico: in quanto E 0y = E 0 cos 30 = 3 2 103 V m E 0z = E 0 sin 30 = 1 2 103 V m 1

E y = E 0y sin (kx ωt) = 3 ( ) V 2 103 sin 1, 57 10 7 x 4, 7 10 15 t m E z = E 0z sin (kx ωt) = 1 ( ) V 2 103 sin 1, 57 10 7 x 4, 7 10 15 t m Per ricavare l equazione della parte magnetica dell onda, occorre osservare che nelle onde elettromagnetiche campo elettrico e magnetico sono in fase tra loro e che la direzione dei campi E e B e la direzione di propagazione dell onda ĉ vale la relazione ÊΛ ˆB = ±ĉ, da cui per permutazione ciclica segue ĉλê = ˆB. Inoltre dalle equazioni di Maxwell nel vuoto risulta che vale tra i moduli dei campi la relazione E/B = ±c, a seconda che l onda sia progressiva (+) o regressiva (-). Da cui: E B = ±c B 0 = E 0 c ma B = 1 c i j k 1 0 0 0 E y E z 2 = ( 0, E z c, E ) y c

B y = 1 2 3 10 8 10 3 sin ( 1, 57 10 7 χ 4, 7 10 15 t ) T; etc... 3

ESERCIZIO 2 Scrivere l espressione di un onda elettromagnetica ( ) monocromatica che si propaghi nel vuoto in direzione n = 2 1 1, 2, 0 con ν = 4 10 14 s 1. Si supponga l onda polarizzata nella direzione del asse z. Un onda si definisce monocromatica quando contiene una sola ν (e quindi una sola λ). Supponiamo che per x=0 e t=0, sia la fase ϕ = 0; E ( r, t) = E ( ) 0 cos (kˆn r ω t) = E 0 cos k r ωt B ( r, t) = B ( ) 0 cos k r ω t k = k ˆn = 2π λ ˆn La pulsazione ω e la lunghezza d onda λ valgono rispettivamente: 14 rad ω = 2πν = 2π 4 10 s = 8π rad 1014 s λ = c T = c ν = 3 108 4 10 14 m = 0, 75 10 6 m = 7, 5 10 7 m = 7500 10 10 m = 7500 A La luce è visibile e sta nella zona del rosso. Il modulo del vettore d onda k è: k = 2π/λ = 8, 4 10 6 m 1. Ma k è un vettore con direzione ˆn, quindi ha componenti: ( k = 8, 4 10 6 1 2, ) 1, 0 m 1 2 Ricavo ora le componenti di E0 e B 0 : E 0 : è polarizzato secondo l asse z E 0 = (0, 0, E 0 ) B 0 : ricavo le componenti ricordando che ˆvΛÊ = ˆB e che E 0 /B 0 = v (per noi nel vuoto v c) B 0 =E 0 /c B 0 = 1 c i j k 1 1 2 2 0 0 0 E 0 B 0 = ( E0 c 2, E ) 0 c 2, 0 4

ESERCIZIO 3 [Prova scritta del 14/04/04] Il campo magnetico di un onda elettromagnetica piana polarizzata linearmente lungo l asse y si propaga lungo x in un mezzo con ɛ r = 80 secondo l equazione: ( B = 1, 8 10 6 cos 8 10 7 t 4x + ϕ) k Il modulo di B è misurato in tesla. Determinare: ϕ sapendo che per t=0 e x=0 B = 0, 8 10 6 T; frequenza, lunghezza d onda, ampiezza di E; permeabilità magnetica µ r, impedenza d onda Z; l energia che attraversa nell unità di tempo una superficie piana di area A=2,3 m 2 perpendicolare al piano xz formante un diedro di 30 con il piano xy; la pressione di radiazione se la superficie è perfettamente assorbente; Per t=0 e x=0 risulta: B (0, 0) = 1, 8 10 6 cos ϕ = 0, 8 10 6 cos ϕ = 0, 444 ϕ = 63.6 Ricavo dalla fase i parametri dell onda: 5

(ωt kx + ϕ) = (2πνt 2π ) λ x + ϕ 2πνt = 8 10 7 t ν = 8 107 2π 2π λ x = 4x = 1, 27 10 7 Hz λ = 2π 4 = 1, 57 m v = λ T = λν = 2 10 7 m s E 0 = vb 0 = 36 V m n = c v = 3 108 2 10 7 = 15 Z = n = ɛ r µ r µ r = n2 ɛ r = 2, 81 µ ɛ = µ0 µ r 4π 10 = 7 2, 81 ɛ 0 ɛ r 8, 85 10 12 80 = 70, 6 Ω Il valor medio del vettore di Poynting è: S eff = E2 0 2Z = 362 2 70, 6 = 9, 17 W m 2 L energia che attraversa la superficie A n perpendicolare all asse di propagazione è data da W= SA n t. Poichè A n = A sin 30 = 1, 15 m 2,da cui segue che W = 9, 17 1, 15 1 = 10, 54J. Per una superficie completamente assorbente la pressione di radiazione vale P = S v = 9, 17 2 10 7 = 4, 6 10 7 N m 2 6

ESERCIZIO 4 [Prova scritta del 21/07/03] Un laser He-Ne emette luce rossa con λ = 6328A, potenza media P =1mW. Supponendo la sorgente puntiforme e che il fascio abbia divergenza 1mrad, scrivere l espressione del campo E e del campo B a 20 m dalla sorgente. Determinare la potenza di una sorgente che irradia isotropicamente tutto lo spazio affinché abbia alla distanza di 20 m la stessa intensità dal laser. α = 1 2 (1mrad) = 5 10 4 rad superficie calotta = 2πR 2 (1 cos α); A=2π 20 2 (1 cos 0, 0005) = 3 10 4 Ī = < P > A = 10 3 W Ī = E2 0 2Z 0 E 0 = k = 2π λ 3 10 4 m 3 = 3, 2 W m 2 2Z 0 Ī = 2 377 3, 2 = 49 V m = 9, 9 109 rad m ν = v λ = c λ = 4, 74 1014 Hz 15 rad ω = 2πν = 2, 98 10 s ( ) ( E = 49 cos 2, 98 10 15 t 9, 9 10 9 20 û y = 49 cos 2, 98 10 15 t 2 10 11) û y B 0 = E 0 c = 49 3 10 8 = 1, 6 10 7 T ( B = 1, 6 10 7 cos 2, 98 10 15 t 2 10 11) û z l intensità per srad del laser è: P Ω, Ω = A R 2 = 2π (1 cos α) l intensità di una superficia isotropica per srad è: P 4π P Ω = P 4π P = 4π Ω P P = 4π 10 3 W 2π (1 cos α) = 16 104 W 7

ESERCIZIO 5 Calcolare l energia irradiata in una soluzione da un protone accelerato in un accelleratore di Van de Graaf (acceleratore lineare). Assumo v << c moto non relativistico; v iniziale = 0, v finale = v, lunghezza del tubo di accellerazione = l. Uso la formula di Larmor per una carica soggetta ad accelerazione costante: P Larm = q2 a 2 6πɛ 0 c 3 se l è la lunghezza del tubo, per un accellerazione costanta: l = 1 2 at2 = 1 2 (at) t = 1 2l vt t = 2 v L energia irradiata vale E irr = P Larm t = per il protone q = e =1, 6 10 19 C q2 v 2 6πɛ 0 c 3 t 2 t = E irr = e2 v 3 12πɛ 0 lc 3 q2 6πɛ 0 c 3 v2 v 2l L energia cinetica che il protone acquista attraversando la differenza di potenziale V è E k =ev. Confronto E irr ed E k = 1 2 m pv 2 E irr E k = e2 v 3 12πɛ 0 lc 3 2 m p v 2 = per l=2m; ddp=5 10 5 V: e 2 v 6πɛ 0 c 3 m p l = e 2 2eV 6πɛ 0 c 3 m p l m p E irr E k = 1, 7 10 20 La perdita di energia per irraggiamento è trascurabile. 8

ESERCIZIO 6 Calcolare l energia irradiata in una rivoluzione da un protone accelerato in un ciclotrone. Nel ciclotrone le particelle cariche vengono mantenute su un orbita circolare dal campo magnetico mediante la forza di Lorentz. Su una traiettoria circolare di raggio r, l accelerazione centripeta è: a=ω 2 r = 4π 2 ν 2 r A bassa energia si trascurano gli effetti relativistici. La potenza irradiata è data dalla formula di Larmor: P Larm = q2 a 2 6πɛ 0 c 3 = e2 16π 4 ν 4 r 2 6πɛ 0 c 3 = 8π3 ν 4 e 2 r 2 3ɛ 0 c 3 Durata di una rivoluzione: T = 1 ν E irr = P 1 ν = 8π3 ν 3 e 2 r 2 3ɛ 0 c 3 a questa va aggiunta la perdita in corrispondenza all attraversamento dello spazio tra le D (che però risulta << E irr ) L energia cinetica acquistata in una rivoluzione è pari a due attraversamenti della differenza di potenziale tra le cavità: E k = 2eV max E irr E k = 8π3 ν 4 er 2 3ɛ 0 c 3 V max supponendo r=0,92 m; ν = 1, 7 10 7 Hz; V max = 2 10 4 V E irr = 4 10 15 E k trascurabile, ma superiore a quanto di ottiene negli accelleratori lineari. 9

ESERCIZIO 7 Riflessione e rifrazione per incidenza perpendicolare di un onda elettromagnetica alla superficie di separazione di due mezzi (ad esempio vuoto e dielettrico). Per l onda incidente, fissato come in figura il campo elettrico E i H i deve essere uscente perché S i = E i ΛH i sia entrante nel mezzo 2. Per le direzioni dei campi delle onde riflessa e trasmessa faccio delle ipotesi. Suppongo: E i riflesso concorde con E i H i deve essere sfasato di π rispetto ad H i perché S sia uscente nel primo mezzo. Suppongo: Er concorde con E i H i ed H r concordi affinché S r sia concorde con S i. Utilizzo le condizioni sui campi nel passaggio da un mezzo all altro: E 1t E 2t = 0 E i + E i = E r Pongo n = n 21 = n 2 /n 1. H 1t H 2t = 0 H i H i = H r La relazione tra i moduli è: E=vB=v (µh) = vh per µ = 1 da cui H=E/v. { Ei + E i = Er E i c E i c = n c E r { Ei + E i = Er E i E i = ne r { Er E i = 2 1+n E i E i = n 1 n+1 In base al segno dei rapporti verifico gli eventuali sfasamenti. E r ed E i sono sempre in fase; E i ed E i hanno uno sfasamento di 0 oppure di π in base 10

al segno di (n-1). Per H, partendo da H i e H i discordi, valgono le seguenti relazioni: { Hr H i = 2 n+1 H i H i = n 1 n+1 11

ESERCIZIO 8 Su uno schermo opaco posto nel vuoto sono praticati due fori distanti d fra loro. Un onda elettromagnetica piana monocromatica di lunghezza d onda λ incide sullo schermo con una direzione θ = 30 rispetto all asse del segmento congiungente i due fori. In un punto P lontano dallo schermo e situato lungo una direzione che forma un angolo α = 0, 1 rad con l asse si osserva un intensità media I 1 quando un foro è tappato. Determinare l espressione del campo elettrico in P in funzione di I 1 quando entrambi i fori sono aperti. r = d sin θ + d sin α δ = 2π 2πd r = (sin θ + sin α) λ λ Dal diagramma dei vettori rotanti: E T = E01 2 + E2 02 + 2E 01E 02 cos δ per I 1 = I 2 = I 0 I T = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos δ I T = 2I 0 (1 + cos δ) = 4I 0 cos 2 δ 2 I T = E2 T 2Z E T = 2ZI T = 2 cos δ 2 2ZI0 12

E T = 2 2ZI0 cos πd λ (0, 5 + 0, 1) = 2 2ZI 0 cos( πd 0, 6) λ 13