7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

1/7

ONDE

ELETTROMAGN

ETICH

E

7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

2/7

P R

r

N

c

r P

r

F

r

s

r

c

r

i

SPiSilf

trH

ilE

ffiJ'-r--,

oNDE

ELETTRoMAGNETTcHE

W

Le onde

elettromagnetiche

rappresentano

la

forma

di energia

pi utilizzata

in

Fisioterapia.

In

questa

breve

introduzione

cercheremo

di

illustra-

re al

lettore, in

modo

discorsivo,

le

principali

ca-

ratteristiche

delle

onde

e

dei

campi

elettromagne-

tici.

Comprendere

I'intima

natura

del

fenomeno

difficile,

siccome

esso

non cade

direttamente

sot-

to

i nostri

sensi

e

possiamo

percepirne

solo

una

piccola

parte,

quella

della

luce visibile

e

dell'infra-

rosso,

tramite

la vista

e

la

sensazione

di calore.

La

desciizione

matematica,

che

permette

la trattazio-

ne formale

e

rigorosa

dei

campi

elettromagnetici

esula

dagli

obiettivi

di

questo libro;

per

I'appro-

fondimento

dell'argomento

si

rimandano

i letto-

ri interessati

a

testi

specialtzzati

(Rizzoli,

1998;

Gettys,

1998;

Born,

2004).

Un'onda

elettromagnetica

pu

essere

concepi-

ta

intuitivamente

come

una

perturbazione

che

tra-

.

sporta

energia

nello

spazio,

variabile

nel

tempo;

qesta

perturbazione

si

diffonde

in tutto

ci

che

la

circondilsa

neila

materia,

in tutte

le

sue

varie-

t

atomiche

e

molecolari,

che

nel

vuoto

cosmico.

La

nostra

stessa

vita

possibile

grazie

alla

radia-

zione

elettromagnetica

del

sole,

che*qi.regala

ener-

fr-sotto

Ia forma

di

calore

e di

luce.

Non

solo,

ma

nche

una

delle

forze

fondamentali

che

tengono

insieme

la

materia

di

tipo

elettromagnetico

e le

,t6ie

rearioni

chimiche

sono

riconducibili

a

feno-

meni

elttromagnetici.

In

natura

esistono

cariche

elettriche

isolate,

po-

sitive

e

negative,

mentre

non

vi

sono

equivalenti

cariche

magnetiche.

Si

parla,

infatti,

di

corrente

elettrica

come

flusso

di elettroni,

ma

non

di

cor-

renti

magnetiche,

cui ci

si

pu

riferire

solo

in

via

teorica,

facilitando

la risoluzione

e

la schematiz-

zazione

dei

problemi.

L'aspetto

che

maggiormente

catatterizza

le

on-

de

elettromagnetiche

ed

il

campo

ad

esse

associa-

to

la.naturl

PrlPagatoria

del

fenomeno,

che

pu

avvenlre anche

rn uttttru

di

matiia.

-

Inoltre,

i

campi

elettromagnetiii

si

diffondono

nello

spazi-ii-na

velocit

molto

elevata

che,

pui

dipendendo

dal

mezzo

materiale

attraversato,

co

n ottim

a

ap

p

ro

s s

imazio

ng-v-icin

Lalb

velo-cit

della

luce,

cio

pari

a

circa

3'i08

m/s.

Al contrario,

le

onde

acustiche

necessitano

di un

mezzo mate-

riale

per

propagarsi,

poich

la

loro

energia

si tra-

smette

per differenza

di

pressione

e viaggiano

nel-

l'aria

avelocit

un

milione

di volte

inferiori

rispet-

to

alle

prime.

L onda

elettromagnetica

carattetizzata

dalla

presenza

simultanea

di

un campo

elettrico

e

di un

campo

magnetico.

I

campi

elettromagnetici

si

rap-

presentano

nello spazio

tramite

vettori

che,

pun-

to

per

punto,

ne

definiscono nel tempo la

direzio-

ne,

il verso

e

I'intensit.

Dal

punto di vista

spazia

le i due

campi

sono

disposti

in

maniera

ortogona-

le

tra loro;

inoltre,

le

loro

intensit

sono stretta-

mente

legate

(Fig.

1.1).

La

direzione

di

propagazione

e I'intensit

del-

I'energia

trasportata

dall'onda

sono

definite

per

ogni

punto dello

spazio

dal

vettore

di

Poynting,

ortogonale

ad entrambi

i vettori

di

campo

elettri-

co

e

magnetico.

Una

precisa

definizione

di

campo

elettroma-

gnetico

coinvolgerebbe

1o

studio

delle

equazioni

di

Maxrvell

e dei

parametri

costitutivi

dei

mezzi

in

cui

ar,-viene

lapropagazione.

Le

prime

sono

rela-

zioni

che

il

campo

elettromagnetico

e

le

sue

sor-

tig.

l.l

-

Compo

elefirico

e compo

mognelko.

Z: direzione

di

oscillozione

dell'inensit

del

compo

elettrico.

Y: direzione

di oscillozione

dell'intensit

del

compo

mognetico.

X: direzione

di

propogozione

dell'ondo

elefiro-mogneico.

3

7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

3/7

1 TERAPIA

FISICA

-

Nuovr TrcNoLoor

rN

MrorcrNl

Rng:Lmrvl

genti

devono

soddisfare,

assieme

ad

altri

postula-

ti,

per

definizione.

I

parametri

costitutivi

descrivono,

invece,

le rea-

zioni

del

mezzo materiale

alla presenza

del

campo

elettromagnetico,

come la p

olar zzazrone

elettrica

e

magnetica

degli

atomi e

delle

molecole

del mez-

zo

e

il

trasporto

di

cariche libere.

I campi

elettrico

e

magnetico

sono

sostenuti

da

un

insieme

di

sorgenti

impresse

che fungono

da

-generatori

e tengono

in

1q9to_

le

cariche

elettriche

da

cui nasce

il

campo

stesso.

In

mancanza

di tali

sorgenti

il campo

tende

ad

estinguersi

spontanea-

mente per

la

natura

dissipativa

dei

mezzi

mate-

riali

che attraversa,

ai

quali

il

campo

cede

la

pro-

pria

energia

in

modo irreversibile.

Notiamo

come

tale aspetto

possa

essere

convenientemente

usato

per

trasferire

energia e quindi

calore

ad

un

corpo.

Tutti i

campi elettromagnetici,

se non

limitati

da

opportune

strutture

realizzate

con

buoni

con-

.du-tto-ri

elettrici,

tendono

a

diffondersi in

ogni

di-

rezione

spaziale.

Si

parla

di:

propagazione

libera, quando

essa av-

viene

senza

essere

confinata

in una

regione

limi-

tata

dello

spazio;

propagazione

guidata,

quando

il

campo

viene corfinto

rtificialmente

in

una

struttura

limitata.

Le strutture

che

per

loro

conformazione

fisica

e

geometrica

concentrano il

campo

in

una

zona

dello spazio vengono

dettg antenne,

trasmittenti

o

riceventi

in

funzione

aetlro

tiacio

energetico

nel

tempo.

Esempio

di

prgpagazione

libera

la trasmissio-

ne-rad_io, per prima

sperimentata dal premio

Nobel

per

la Fisica,

Guglielmo Marconi,

ed

oggi

ampia-

mente

utilizzata nei settori

delle

telecomunicazioni

ed

informatico.

I moderni

computer

sono

collega-

ti,

senza

bisogno

di cavi,

da

reti

locali

wireless

ad

al-

ta

velocit

o

possono

accedere

a

Internet

tramite

le

reti

UMTS

dei gestori

di

telefonia

mobile.

Un esempio

di

pr.opagazione

guidata

si ha dal

cavo

d'a-ntenna

televsivo,che

porta

il campo

elet-

trico

ricevuto dall'antenna all'ingresso

del

sinto-

nizzatore

del televisore.

Tale

struttura

anche

ihiamata

guida

d'onda

o

linea

di

trasmissione

ed

evita

che

il campo

si

propaghi

ovunque,

con

per-

dita

di

energia.

Quando

un

campo elettromagnetico

incontra

un ostacolo

avente

parametri

costitutivi

diversi

dal

mezzo

in

cui al.viene la propagazione,

si origina

un

campo elettromagnetico

reirradiato,

che

si

dif-

fonde

nello

spazio insieme

al

primo.

Il

radar

basa

il proprio

funzionamento

su

que-

sta

propriet:

l'antenna

radar

emette

un

campo in-

cidente

e riceve

al contempo

il campo

reirradiato.

Con

opportune

elaborazioni

possibil

stabilire

la

posizione

e

le

dimensioni

dell'oggetto

che,

in-

vestito

dall'onda incidente,

si comporta

come

una

sorgente del campo totale.

In

ambito medico

e fisioterapico,

vi sono tera-

pie

che itrTizzano

onde

elettromagnetiche

per

vei-

colare energia

ai tessuti.

Le

onde penetrano

nei

mezzi

materiali

sino

a

profondit

che

dipendono

dalla

loro

frequenza

e dal

tipo di

mezzo

su

cui

I'onda

incide.

Infatti,

mezzi

diversi

hanno

diffe-

renti parametri

costitutivi

e quindi

diverse

rispo-

ste alla

sollecitazione

del campo.

In

generale,

ra-

gionando

a

parit

di mezzo,

maggiore

la

fre-

quenza

dell'onda

elettromagntica,

minore

il

3o

spessore

di

penetrazione.

Tle

effetto

si mani-

festa

vistosamente

nei

conduttori

elettrici,

che

in

prima

approssimazione

non

consentono

I'esisten-

za

del campo

elettromagnetico

al loro

interno,

ma

solo di

correnti

sulla loro

superficie: questo

com-

portamento

viene

comunemente

chiamato

"effet-

to

pelle'l

Ad esempio,

il forno

a microonde

scalda i

cibi

inviando

loro

energia ad

una frequenza

che

met-

te

in

oscillazione

le molecole

d'acqua

contenute

negli

alimenti,

trasferendo

calore in

modo relati-

vamente

omogeneo.

altres

noto

che

non

possono

essere

introdot-

ti oggetti

metallici,

i

quali

si

comporterebbero

co-

me antenne

riceventi

creando forti perturbazioni

del campo all'interno,

con

indesiderate

conse-

guenze.

Per curiosit

del lettore

spieghiamo

come fun-

zionano

i

comuni

specchi piani.

Uno

specchio

piano

costituito

dalla parte

frontale

in

vetro

e

da

una sottile

lamina

di argento

depositata

dietro

ad

esso,

assimilabile

ad

un conduttore

elettrico

perfetto.

La

luce

e tutto quanto

noi

percepiamo

con la

vista una radiazione

elettromagnetica

che,

quando arriva allo

specchio,

viene

riflessa

verso

i nostri

occhi.

Esiste

un teorema,

noto

co-

me

teorema

delle immagini,

il

quale

dimostra

co-

me l'onda,

nelf

incontrare

il

piano

di

simmetria

e

conduttore

costituito

dalla

lamina

d'argento,

ge-

neri per

riflessione

elettrica

il

campo immagine

che

noi

vediamo.

IJimmagine

ai

nostri

occhi

vir-

tuale:

infatti,

lo spazio

e la

profondit

che perce-

piamo

guardando

nello specchio

in realt

non esi-

stono.

7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

4/7

ONor

EunnoMAGNETlcHE

1

e

e

ORIGINE

DELLE

ONDE

ELETTROMAGNETICHE

Tutti

i corpi

fisici

ghe

hanno

una

temperatura

diversa

dilo

zeio

assoluto

emettono

radiazioni

elettromagnetiche.

D]altra

parte'

tutti

i

corpi

as-

sorbono

rdiazioni.

Per

ogni

corpo

esiste

nnpote-

rs

imlssit

o

e

w

polere

assorbente,

che.sono

massi-

*i

p.i

una

certa

ltnghezza

d'onda

che

,caratte-

ristica

di

quel corpo'

in

quanto

dipende

dalla

sua

composizione

atomica

(Tab.

l.I).

Ogni

corpo

che

emette

radiazioni

pu,

allo

stes-

so

modo,

anche

assorbirle;

non

esiste

un

corpo

to-

talmente

emittente

o

totalmente

assorbente;

infat-

ti,

emissione

ed

assorbimento

sono

i

due

aspetti

diversi

che

esprimono

lo

stretto

rapporto

che

lega

l'energia

con

la

materia.

In

Fisica'

si

definisce

corpo nero

il

corpo

in

gra-

do

di

assorbire

ed

emettere

ogni

tipo

di

radiazio-

ne;

un

concetto

teorico,

tuttavia

importante

perch

la maggior

parte

degli

organismi

viventi

sono

rapportabili

ad

un

corpo

nero.

Abbiamo

detto

che

I'assorbimento

e

I'emissione

d'energia

di

un

corpo

dipendono

dalla

sua

compo-

sizion

atomica;

un'altra

componente

fondamen-

tale

nella

determinazione

dell'emissione

elettroma-

gnetica

la

temperatura

del

corpo

stesso'

Esiste

una

stretta

relazione

tra

la

temperatura

di

un

corpo

e

le

lunghezze

d'onda

emesse

dalla

ra-

diazione

(Tab.

f

.il).

In

natura,

in

funzione

crescente

della

tempera-

tura

di

un

corpo'

vengono

emesse

tadiazioniapar-

tire

dalla

banda

deil'infrarosso'

Al

di

sotto

dei

300'C

praticamente

tutta

l'energia

radiante

emessa

da un

corpo

trasportata

da

onde

la cui

lunghezza

d'on-

da

corrisponde

al

lontano

infrarosso'

A

800"C

il

corpo

diventa

luminoso,

cio

emette

una

quantit

Iob.

l.l

-

ll ropporo

tro

potere

emissivo

e

polere

osorbenle

costonte

per

ogni

c0rp0

e mossimo

per

uno

determinoto

lunghezzo

d'ondo

che

corotteilstico

per

quel

c0rp0.

tig.

I .2

-

Spetlro

delle

rodiozioni

emesse

do

un c0rp0

nero

in

funzione

del-

lo temperoturo.

di

radiazioni

nel

campo

del

visibile

umano;

il colo-

re di

questa

luce

francamente

rossastro,

perch

la

-uggiot

parte dell'energia viene

emessa

con fre-

quenze

attorno

alla

banda

dell'infrarosso'

Man

ma-

no

che

la

temperatura

aumenta'

la colorazione

pas-

sa

ai

toni

dell'arancione

fino

a

che,

a

3000"C,

che

corrisponde

all'incirca

alla

temperatura

di un

fila-

ment

di

una

lampada

ad

incandescenza,l'enetgia

irradiata

contiene

una

quantit

di

onde

con

lun-

ghezzasuffcientemente

corta

da

far

apparire

bian-

o

il corpo

incandescente,

per

miscellanea

di

varie

gradazioni

di

colori,

dal

rosso

al

violetto'

Oltre

queste

temperature,

si ottengono

radia-

z\oni

ad

ltissima

frequenza

ed

aitissima

energia'

fino

ai

raggi

X

e

i

raggi

gamma

(Fig'

1'2)'

.

..

Il

corpo

umano

ha

un

comportamento

srmlle

a

quello

di

,ttt

.otpo

nero.

Considerando

la

tempe-

iatura

della

superficie

corporea

media

pari

a cir-

ca

32"C,la

radiazione

che

il corpo

umano

emette

Iocalizzabile

nel

lontano

infrarosso'

Inoltre,

il

corpo

umano

presenta

un

forte

potere

assorbente

per

lo stesso

tiPo

di

radiazione.

RAPPRESENTMIONE

E UNITA

DI

MISURA

DELLE

ONDE

ELETTROMAGNETICHE

POTERE

EMISSIVO

(I)

--

=K()

POIERE

ASSORBENTE

(}")

Le

onde

elettromagnetiche

presentano

aspetti

ben

definiti

che

le

accomunano.

Se

ipotizziamo

una

sorgente

monocromatica

e

stazionaria

e rap-

presentimo

le

onde

elettromagnetiche

in un

siste-

ma

cartesiano

x/y

del

tipo

tempo/ampiezza,

esse

assumono

un

andamento

sinusoidale,

con

alcuni

elementi

caratterizzanti:

(Fig.

1.3

A,

B,

C):

-

il

periodo

(n)

il

tempo

impiegato

per un'oscil-

--t

l

l

Iob.

l.ll

-

Lo

lunghezzo

d'ondo

delle

rodiozioni

emesse

do

un corpo

invenomente

proporzionole

ollo

suo

emperoturu

(T0)'

r

K

(0,2897)

l

1

)"mox=-

I

iTol

t-,-

f

.?_

7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

5/7

1

TERAPIA

FlslcA

-

Nuovr

TrcNoLoore

rN

MrorcrNl

R^srurnnvn

Fig.

1.3

A,

4

C

-

lt

Periodo

=

empo

necessorio

per

compiere

un,oscillo-

zione

completo

dell'ondo;

B)

lunghezzo

d'ondo

=

spozio

percono

doll,ondo

in

un

periodo;

C)

Frequenza

=

rurero

dei

periodi

in

un

secondo.

Tob.

l.lll

-

Muhipli

e sottomuhipli

del

metro.

lazione

completa

dell'onda;

nel

sistema

m/k/s

si

esprime

in

secondi;

-

la

lunghezza

d'onda

(1")

lo

spazio

percorso

dal_

l'onda

in

un

periodo:

si

misura

in

metri;

-

la

frequenza

(v)

il

numero

di

oscillazioni

del_

I'onda

(cicli)

nell'unit

di

tempo,

cio

al

se_

condo,

e

si

misura

in Hertz

(7

Hz

=

I

ciclo/s).

Periodo

e frequenza

sono

quindi

uno

il reci_

proco

dell'altra.

In

un'onda

elettromagnetica

la frequenza

(v)

e

la

lunghezza

d'onda

(

l,)

sono

gr

andeize

correlate.

Infatti,

la

velocit

delle

radiazioni

elettromagneti_

ch-e

si

pu

supporre

costante

ed

uguale

a quella

della

luce

(c

=

3.108

m/s):

Velocit

(c)

=

lunghezza

d'onda

(?u)

x

frequenza 1v

1

Per

cui,

conoscendo

o la

frequenza

o la

lun_

ghezza

d'onda,

si

pu

facilmente determinare

il

parametro

mancante.

Vi

sono

radiazioni

alunghezza

d'onda

molto

piccola,

dell'ordine

del

picometro

(10-12

m)

e

on_

de

dell'ordine

del

km

(Tab.

I.III).

Strettamente

legata

alla

frequenza

ed

alla

lun-

ghezza

d'onda

l'energia

trasportata

dall,onda

elettromagnetica:

onde

con frequenza

molto

alta

trasportano

energie

elevate

e

viceversa.

INTERMIONE

DELLE

ONDE

ELETTROMAGNETICHE

CON

LA MATERIA

Nel

vuoto

la propagazione

delle

onde

elettro_

magnetiche

uniforme;

al

contrario,

nella

mate_

E

,,

t.

,:

:'.'

|,{

,'' ,-

E

periodo

(ru)

lunghezza

d'onda

(1,)

frequenza

(v)

1

t,;

,,,

tt

l(l

'l

,'

tr,

ffi

s

(Hz)

J'l

I

MITRO

MUrTtPl.o

(x)

S0TT0filUtTlP[0 (:)

SCAI.A

ESPONEI{ZIAI.E

stGr.A

Iero

fl)

t.000.000.000.000

I

012

x

t.00q00

000

0e

:

,

{

t

.{

Qiqoi0)s'

, t

x

1.000.000

t0

Mego (M)

t

Xl.,

ti

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,

J.0Q0

r

l0g

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0-3

Miili(m)

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I 0-e

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l

l0-12

Pko

(p)

;

6

7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

6/7

ONorELrnnouAGNETrcHE I

se-

e

il

d

detErminano

diverse interazioni

con il mez-

h

n:lazione

alla diversa capacit di

interagire

h

materia,

si

pu

affermare che

le onde elet-

iche

sono

pi penetranti quanto mag-

la

loro htnghezza

d'onda

e

minore

la fre-

Fcr

esempio,

le onde con

lunghezza

d'onda su-

irlre

d centimetro

si diffondono

piuttosto fa-

rLrente

nella maggior

parte

dei materiali; sono

ffi

assorbite totalmente solo da materiali ad

al-

b

peso atomico,

come i

metalli.

Infatti,

il campo

dcnomagnetico

in prima

approssimazione nul-

b

dl'interno dei

materiali

conduttori.

Questa

ca-

ilristica

ha

fatto

s che le onde

centimetriche e

miche

si siano rilevate

particolarmente

idonee

ndle telecomunicazioni

(onde

radio).

Le

onde con lunghezze

d'onda

inferiori

al

cen-

timetro

(dall'infrarosso

alla

banda

gamma)

si

dif-

fondono

per

"quanti"

(o

fotoni)

e

si comportano

quasi

come

radiazioni

corpuscolate,

con

intera-

uione

fra gli

elettroni e la materia

circostante

rTab.

l.IV).

La modalit d'interazione

delle onde dipende

fortemente

dalle

caratteristiche fisiche

del corpo

incontrato.

I

fenomeni

che un'onda subisce

quan-

do

interagisce con

un corpo

sono

vari;

i

principa-

li sono

(Fig.

1.a):

-

la

rillessione la creazione di un raggio riflesso

come

reazione ad

un'onda elettromagnetica

che

si

trovi ad incidere sulla superficie di un corpo

avente caratteristiche

particolari.

Iangolo di in-

ctdenza

e I'angolo di

riflessione,

definiti

rispet-

to alla

normale nel

punto

considerato,

sono

uguali.

-

la

rifrazione

la

deviazione

che

il

raggio subi-

A. l.lY

-

Spettro elettromognetico: lunghezzo

d'ondo

d

anrgio

trosporloto

dolle

rodiozioni.

lUHGHEZZA

D'oNDA

{},1

ONDA E.M.

ENERGIA

=

I

pm

(10r2)

Roggi

^y

500

keV

=

I

nm

(10'e)

Rogsii I keV

400: 100

nm Roggi

UV 3eV

800;'400 rm

Roggi visibili 1,5

eV

B00nm+lmm

Roggi

lR

7/24/2019 1. ONDE ELETTROMAGNETICHE.pdf

7/7

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