Partiamo dalle seguenti considerazioni:

1° Se in una certa porzione di spazio vi è un campo elettrico, nella stessa porzione di spazio risulterà esserci un'energia per unità di volume U pari a:

UE=
1

2
ε0E2

2° Se in una certa porzione di spazio vi è un campo magnetico, nella stessa porzione di spazio risulterà esserci un'energia per unità di volume U pari a:

UB=
1

2
B2

μ 0

 

ossia per il solo fatto che si possa evidenziare la presenza di un campo elettrico o magnetico possiamo affermare che in questa porzione di spazio vi sarà energia, dipendente dall'intensità del campo in ogni punto dello spazio.

Cosa accadrà se siamo in un campo elettrico variabile nel tempo?

Anche l'energia varierà nel tempo.

Può l'energia sparire nel nulla? No. L'energia si trasforma, ma il valore dell'energia presente nel campo si conserva.

Maxwell ha intuito che il campo elettrico e campo magnetico sono strettamente collegati e dipendenti l'uno dall'altro, in particolare sono due aspetti diversi di uno stesso campo: il campo elettromagnetico.

Osserveremo che a livello energetico in un sistema isolato l'energia totale si deve conservare ossia utilizzando un teorema analogo a quello della conservazione dell'energia meccanica vito in terza dovremo avere:

UT= UE+ UB

Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni connesse ad un campo elettrico oscillante che genera un campo magnetico variabile, nello spazio e nel tempo. L'energia in gioco si conserva passando da UE a UB e viceversa.

I due campi sono associati tra loro e si propagano sotto forma di onda. Le proprietà delle onde elettromagnetiche sono definite matematicamente dalle equazioni di Maxwell, che legano in maniera indissolubile campo elettrico e magnetico.

Ciò che realmente si sposta è l'energia. L'energia si è prodotta o tra le armature di un condensatore o all'interno di un solenoide e questa energia è quella spesa dal circuito per produrre o il campo elettrico o quello magnetico. Questa è l'energia associata all'onda elettromagnetica e che si propaga nello spazio.

Per capire i meccanismi che stanno a monte alla propagazione dell'onda elettromagnetica dobbiamo prendere in considerazione le ultime due leggi del campo elettromagnetico:

 

Equazioni: 

  1. C(E)=-dΦ(B)/dt   Legge dell'induzione elettromagnetica di faraday-Neumann: la circuitazione del campo elettrico lungo una linea chiusa è uguale al rapporto, cambiato di segno, tra la variazione del flusso dell'induzione magnetica concatenato con il percorso considerato e l'intervallo di tempo in cui è avvenuta la variazione.

  2. C(B)=μ (i+ε (dΦ(E)/dt)) Legge di Ampere-Maxwell: la circuitazione dell'induzione magnetica lungo un percorso chiuso è uguale al prodotto della permeabilità magnetica del vuoto m per la somma della corrente effettiva e di quella di spostamento. La corrente di spostamento è stata introdotta da Maxwell per far valere la legge di Ampere nei circuiti RLC (circuiti con un resistore, un induttore e un condensatore). All'interno del condensatore l'intensità passa sotto forma di intensità di spostamento, non corrisponde a cariche che si muovono ma ad un aumentare o diminuire della densità superficiale di carica delle piastre e quindi del flusso del campo elettrico.

Osserviamo che se produciamo un campo elettrico variabile nel tempo, questo produce, in direzione perpendicolare a se stesso, un campo magnetico pure variabile e, analogamente, un campo magnetico variabile produce, in direzione perpendicolare a se stesso, un campo elettrico pure variabile.

Un campo elettromagnetico, pertanto, può propagarsi nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche con le modalità riportate nella figura sottostante.

proprietà dell'onda elettromagnetica

L'intensità media della radiazione esprime quanta energia arriva in un metro quadrato nel tempo di un periodo.

 

le onde elettromagnetiche prodotte da tale sistema si propagano nello spazio con velocità c, ossia alla velocità della luce.

Per visualizzare come si produce un'onda elettromagneticapossiamo prendere in considerazione un dipolo elettrico oscillante, ossia due cariche puntiformi che oscillano con legge sinusoidale.

Sequenza che raffigura il campo E e il campo B concatenati, generati dalla oscillazione di un dipolo elettrico.

Rapportiamo quanto descritto al caso di un condensatore a facce piane caricato da una corrente alternata.

Istante t=0 sulle armature è presente la carica massima Q .

Le armature sono caricate la prima + e la seconda -

istante 0<t<T/4   Il campo elettrico si deforma; inizia a prodursi il campo magnetico.

Le cariche diminuiscono dal massimo a zero. Il campo elettrico variabile inizia ad originare un campo magnetico con le linee di forza poste su un piano parallelo alle due armature.

Il condensatore ha le armature scariche. Il campo elettrico presente tra le armature vale 0 e il campo magnetico assume il suo valore massimo. Tutta l'energia che era presente tra le armature si è trasferito completamente al campo magnetico.

istante T/4<t<T/2   Si riforma un campo elettrico con verso opposto al precedente. il campo magnetico vicino al dipolo diminuisce di intensità.

Le armature si ricaricano con cariche di segno opposto. Nel condensatore appare un campo elettrico e pertanto abbiamo nuovamente energia elettrica.

All'istante t=T/2   Cariche nuovamente ferme. Campo elettrico massimo, campo magnetico vicino al dipolo nullo.

Il campo elettrico tra le armature è massimo. Il campo magnetico nel frattempo ha trasferito l'energia al campo elettrico in su un piano perpendicolare alle superfici del condensatore e posizionato all di là del condensatore.

istante T/2<t<3/4 T   ... Ricominciano le fasi descritte nelle figure precedenti con i campi orientati in senso opposto.

Da questo momento in poi avremo nuovamente il ripetersi di quanto visto nel primo passo.

Il condensatore deve essere parte di un circuito RC ( contenente una resistenza e un condensatore oppure in serie un circuito RCL {resistenza, condensatore e induttore (solenoide)}

Nell'ultimo caso ottenere onde elettromagnetiche ad una determinata frequenza bisogna tarare il circuito a quella frequenza. Si ottiene che la frequenza delle onde elettromagnetiche prodotte dipende esclusivamente dai componenti del circuito, prendendo un circuito LC la frequenza risulta:

ν =1/(2π (LC)½ ossia la frequenza è inversamente proporzionale alla radice quadrata di LC moltiplicata per un fattore di 2π .

Ne risulta che possiamo creare onde elettromagnetiche ad una precisa frequenza scegliendo semplicemente induttore e condensatore adatti.

Le onde elettromagnetiche una volta generate possono essere catturate dalle antenne.

L'energia dell'onda elettromagnetica è esattamente pari all'energia spesa nel circuito RLC.

Le antenne emittenti:

Esistono vari tipi di antenna, il più usato è il dipolo elettrico oscillante. Si tratta di un sistema composto da un circuito RLC (collegato ad una sorgente esterna che lo fornisce di energia), un nucleo ferromagnetico, utile ad aumentare o diminuire la tensione utilizzata, e una antenna. Il funzionamento del sistema consiste nell'accelerare le cariche lungo l'antenna, cambiando velocemente i poli le linee di campo magnetico prendono forma.