Che cos'è il campo elettromagnetico?

In fisica, ma anche nella realtà di tutti i giorni, che cos'è il campo elettromagnetico? Come si manifesta, qual'è la teoria scientifica che lo descrive e, soprattutto, quali fenomeni comprende?

Faraday e Maxwell

Il campo elettromagnetico viene introdotto matematicamente dal noto fisico e matematico James Clerk Maxwell 

Michael Faraday

che, a sua volta, ha integrato nella sua teoria sull'elettromagnetismo i risultati sperimentali di un altro scienziato: Michael Faraday. Ogni scienziato deve attingere ai lavori svolti da suoi predecessori, ragionando sui risultati e trovando ciò che non era stato possibile capire prima. Faraday era una persona povera e molto intelligente e, al tempo in cui viveva (tra la fine del 700 e l'inizio del 800), le disparità sociali e il razzismo erano più marcate di oggi. E' stato per questo motivo che molti scienziati e accademici dell'epoca non hanno preso sul serio i suoi risultati, talvolta addirittura ostacolandolo. 

Faraday aveva iniziato a lavorare a 13 anni nella bottega di un libraio. E' stato così che ha sviluppato la passione per la scienza, in particolare per l'elettromagnetismo, leggendo i libri che doveva cucire e incollare. E' stato così fino a quando un professore, stupito dalla passione e dalla brillante mente di Faraday, offre all'ora vent enne rilegatore di libri un posto come assistente. Da li ha avuto inizio la brillante carriera dello scienziato, una storia che dovrebbe ricordare a tutti che chiunque può fare scienza se ne è portato, indipendentemente dall'estrazione sociale e dalle possibilità che ha avuto nella vita. Dopo questa parentesi, torniamo a noi. Cosa ha scoperto Faraday riguardo l'elettromagnetismo? Ha scoperto che spostando un magnete nelle vicinanze di un cavo in quest'ultimo si genera corrente. Non solo, ha forgiato la chiave che avrebbe aperto le porte alla fisica moderna: il concetto di campo. Osservando la disposizione che assumono su di un foglio di carta dei trucioli di ferro intorno ai poli di un magnete, ha notato come il ferro si disponesse in determinate "linee di forza", chiamate oggi linee di Faraday. Come faceva il magnete a disporre i trucioli di ferro proprio in quella configurazione? Ha immaginato che tra il magnete e il ferro ci fosse qualcosa. La stessa cosa che permetteva a due magneti di respingersi e attrarsi, un qualcosa che trasportava la forza. Einstein a proposito si è così espresso: 

[...] dovette comprendere, guidato da un sicuro intuito, la natura artificiale di tutti gli sforzi che cercavano di spiegare i fenomeni elettromagnetici tramite azioni a distanza di particelle elettriche che reagivano fra loro. Come poteva sapere ogni truciolo di ferro, sparso su un foglio di carta, della presenza di particelle elettriche singole che pullulavano in un conduttore vicino? L'insieme di tutte queste particelle sembrava creare nello spazio circostante uno stato che, a sua volta, produceva un ordine determinato nei trucioli. Era convinto che, se si fosse compresa la struttura geometrica di queste configurazioni dello spazio, che oggi chiamiamo campi, e le loro vicendevoli dipendenze, si sarebbe scoperta la chiave di lettura delle misteriose interazioni elettromagnetiche.

Albert Einstein [1]

Lo stesso anno in cui Faraday abbozzava le prime idee sulle linee

James Clerk Maxwell

di forza, nel 1831, nasceva James Clerk Maxwell. Al contrario di Faraday, Maxwell era imparentato con la nobiltà e ha poi studiato nelle università di Edimburgo e Cambridge. Nonostante la differenza di classe, Maxwell ha preso molto seriamente le linee di forza di Faraday. Ha disegnato le linee che quest'ultimo aveva intuito nella disposizione dei trucioli di ferro con un preciso tiralinee matematico. Mettendo mano alle derivate parziali ha definito le leggi che reggono la struttura del campo elettromagnetico. Ha trasformato le linee di Faraday, che quest'ultimo aveva spiegato solo a parole, in equazioni. In sostanza ha scritto il manuale di istruzioni matematiche di cui gli ingegneri si serviranno poi per costruire motori elettrici, radio, televisori e qualsiasi apparecchio che funziona grazie all'elettromagnetismo. 

Luce e campo elettromagnetico

Manipolando le sue equazioni, Maxwell si rende conto che la perturbazione elettromagnetica, nel propagarsi, obbedisce alle leggi matematiche del suono. Si comporta quindi come un'onda ed egli ha potuto pertanto calcolarne la velocità: un valore vicino a 300.000.000 m/s. Non si tratta di certo di un valore qualunque! Nel 1849 Hippolyte Fizeau era riuscito a misurare la velocità della luce con un complicato sistema di specchi, ottenendo un valore approssimato di 314.858.000 m/s, in seguito affinato da Leon Foucault che misurò 298.000.000 m/s.

Imaginate il suo stato d'animo quando le equazioni differenziali che aveva formulato gli mostrarono che i campi elettromagnetici si diffondono sotto forma di onde polarizzate e alla velocità della luce! A pochi al mondo è concesso vivere una simile esperienza. 

Albert Einstein [2]

Maxwell, arrivato a questo sorprendente risultato, si è così espresso:

La velocità si avvicina talmente a quella della luce che, a quanto pare, vi sono ragioni estremamente fondate per concludere che la stessa luce (incluso il calore radiante e, se del caso, altre radiazioni) sia una perturbazione elettromagnetica che si propaga sotto forma di onde attraverso il campo elettromagnetico, in accordo con le leggi elettromagnetiche.[3]

Elettricità e magnetismo, sposati assieme nella teoria di campo di Maxwell, si uniscono poi alla luce. Le onde elettromagnetiche, quindi la luce e qualsiasi altra radiazione (onde radio, microonde, ultravioletti, raggi gamma ecc), sono perturbazioni del campo elettromagnetico, che evolvono secondo le equazioni di Maxwell. Il campo elettromagnetico è ovunque nello spazio e viene eccitato e perturbato, trasportando le forze e le perturbazioni secondo la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell. 

Lunghezza d'onda e frequenza

Cosa cambia, dunque, tra la luce e qualsiasi altra radiazione elettromagnetica? E, soprattutto, perchè la luce è un onda visibile mentre le altre non le vediamo? 

Ad ogni onda elettromagnetica, ma anche sonora, è associata una lunghezza d'onda e una frequenza. La lunghezza d'onda è una misura vera e propria della distanza tra due creste dell'onda e si misura in metri, mentre la frequenza misura quante volte l'onda si ripete in un secondo, e si misura in Hertz. La velocità di propagazione delle onde è la costante della velocità della luce (299.792.458 m/s). In simbolismo matematico tali unità vengono cosi rappresentate:

• Lunghezza d'onda: λ (lettera Greca che si legge "lambda")
• Frequenza: f
• Costante della velocità della luce: c

Poiché il prodotto della frequenza per la lunghezza d’onda è uguale alla velocità della luce 

fλ=c 

si ha che: 

f=c/λ

In altre parole tra lunghezza d'onda e frequenza esiste un rapporto di proporzionalità inversa: al diminuire dell’una aumenta l’altra. 

Come si vede da questo noto schema, chiamato spettro elettromagnetico, la luce rappresenta una piccola porzione delle onde elettromagnetiche. All'interno di questa piccola porzione i nostri occhi riconoscono, con una variazione di pochi nano metri di lunghezza d'onda, i diversi colori. Quando osserviamo un oggetto stiamo osservando la luce che ci è rimbalzata contro per poi finire dentro i nostri occhi, essere analizzata da neuroni specializzati, i fotorecettori, e codificata come un colore. L'onda luminosa quando sbatte contro un oggetto cambia lunghezza d'onda e successivamente giunge ai nostri occhi. Gli oggetti rossi sono rossi perchè quando sono colpiti da un onda luminosa la riflettono con una lunghezza d'onda di 700 nano metri. Un pallone giallo è giallo perchè è fatto di un materiale che riflette luce gialla. 

Che cosa cambia, quindi, tra la luce e le altre onde elettromagnetiche? Essenzialmente i parametri di lunghezza d'onda e frequenza, oltre che di quantità di energia trasportata. Le onde comprese nell'intervallo tra la luce visibile e le onde radio (vedi schema dello spettro elettromagnetico) hanno poca energia e risultano scarsamente dannose, le radiazioni comprese tra l'ultravioletto e i raggi gamma hanno più energia e sono ionizzanti. Vuol dire che se noi esseri umani veniamo esposti a radiazioni ad alta energia, come quelle generate da un ordigno atomico o da un incidente in una centrale nucleare, radiazioni che si collocano oltre le bande UV quindi, possiamo rilevare dei problemi di salute istantanei e nelle esposizioni più forti anche la morte in breve tempo. Questo avviene perchè le radiazioni ionizzanti interagiscono direttamente con le particelle che ci compongono, liberando elettroni da atomi o molecole. La luce, le onde radio e le radiazioni che hanno distrutto la città di Chernobyl, ad esempio, fanno parte, quindi, del medesimo campo fisico, ad intensità diverse. Veniamo alla seconda domanda posta all'inizio di questo paragrafo: perchè l'uomo vede solo la luce e non le altre onde elettromagnetiche? Semplicemente perchè i nostri occhi sono solleticati solo dalle onde elettromagnetiche aventi una lunghezza d'onda compresa tra 390 e 760 nanometri. Diversi animali hanno occhi sensibili all'onda ultravioletta: è il caso di alcune farfalle e delle api. Altri animali sono invece sensibili agli infrarossi, per esempio i serpenti, che vedono le prede a sangue caldo grazie a recettori termici posti sotto gli occhi e che il cervello associa alla visione oculare. Questo, come spesso accade avventurandosi in argomenti scientifici, ci fa comprendere la limitatezza umana nell'osservare il mondo. Noi stiamo osservando il mondo, per quanto ci sforziamo di farlo in maniera oggettiva, sempre dal punto di vista umano.

Dualismo onda/particella

Secondo un postulato della fisica quantistica, chiamato dualismo onda/particella, ogni particella si può manifestare come un onda e viceversa, a seconda del fenomeno che si sta analizzando. Ad esempio, quando si intende descrivere a livello fisico un fascio di luce che viene riflesso da un oggetto, bisogna considerare la luce come un onda. Viceversa, quando si analizzano altri fenomeni, come l'effetto foto-elettrico, la si deve considerare come composta da particelle, dette fotoni. Ho approfondito la questione in questo articolo.

Riferimenti

[1] Einstein - La teoria della relatività - grandi idee della scienza RBA pg.27

[2] Einstein - La teoria della relatività - grandi idee della scienza RBA pg. 31

[3] Einstein - La teoria della relatività - grandi idee della scienza RBA pg. 31

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