Ingegneria elettromagnetismo

L'ELETTROMAGNETISMO

Col termine "campo elettromagnetico" o "radiazione elettromagnetica" si intende il complesso di grandezze e fenomeni fisici governati da un insieme di equazioni che James Maxwell mise a punto nella seconda metà del XIX secolo, riprendendo e completando il lavoro sperimentale e teorico sull'elettricità ed il magnetismo compiuto da un grande numero di studiosi (come Galvani, Volta, Oersted, Laplace, Ampere, Farady per citare solo i più noti) nei due secoli precedenti.
Possiamo elencare i concetti fondamentali di questa parte della fisica:

• Il campo elettromagnetico è una forma di energia che può permeare lo spazio (anche vuoto) e può propagarsi in esso.
• Lo sviluppo tecnologico ha permesso di realizzare dispositivi in grado di generare campi elettromagnetici, di impiegarli in svariate applicazioni tra cui, prima fra tutte, la possibilità di inviarli nello spazio in modo controllato, utilizzandoli quale veicolo di trasporto di informazione, di riceverli e rivelarne la presenza nonché estrarne l'informazione trasportata ed infine di misurane i parametri caratteristici.
• Le onde elettromagnetiche costituiscono una delle modalità più comuni ed importanti di propagazione del campo elettromagnetico. Esse sono caratterizzate dalla intensità (legata all'ampiezza dell'onda), dalla frequenza (numero di cicli d'onda completi che si susseguono nell'unità di tempo) e dalla lunghezza d'onda (distanza nello spazio tra due successive creste d'onda).
• Frequenza e lunghezza d'onda sono inversamente proporzionali, poiché la lunghezza d'onda non è altro che lo spazio percorso dall'onda in un tempo pari all'inverso della frequenza.
• La frequenza condiziona tutti gli aspetti teorici e tecnologici connessi con l'elettromagnetismo: le tecniche per generare campi elettromagnetici, i sistemi per rivelarli e misurarli, le modalità con cui essi si propagano ed interagiscono con la materia (e quindi con gli organismi biologici). Per questo motivo, anche gli effetti biologici dei campi elettromagnetici dipendono profondamente dalla frequenza, al punto che un campo elettrico di fissata intensità può essere pressoché insignificante o assai pericoloso, a seconda della sua frequenza: ciò spiega perché le norme di sicurezza specifichino sempre limiti massimi notevolmente variabili con la frequenza.

       

       Due sono gli aspetti significativi di questa questione.

• La frequenza condiziona la struttura del campo elettromagnetico nell'intorno della sorgente, che si modifica notevolmente in funzione della distanza da essa, rapportata alla lunghezza d'onda del campo, passando - come vedremo - dalla zona dei campi reattivi a quella dei campi radiativi.
• Il meccanismo di accoppiamento fisico tra campi ed oggetti biologici dipende in modo critico dal rapporto tra la dimensione dell'organismo esposto e la lunghezza d'onda del campo.

• L'intensità della radiazione indica l'effettiva ampiezza del campo e quindi delle forze che esso può esercitare. Essa rappresenta anche la quantità di energia trasportata per unità di tempo e di superficie ortogonale alla direzione di propagazione. Qualunque fenomeno di interazione si studi, esso - se si verifica - è normalmente tanto più evidente quanto più la radiazione è intensa.

Nella figura seguente   è riportata una visione schematica dell'intero spettro elettromagnetico.

 

 

 

Campi elettrici, campi magnetici, campi elettromagnetici, onde elettromagnetiche

E` bene avere presente che i termini campo elettrico, campo elettromagnetico, onda elettromagnetica non sono sinonimi, ma rappresentano aspetti diversi dell'elettromagnetismo, da tenere distinti anche in considerazione delle diverse modalità di interazione con gli individui umani e quindi delle diverse eventuali conseguenze sanitarie.
Il campo elettrico è la grandezza fisica attraverso la quale descriviamo una regione di spazio le cui proprietà sono perturbate dalla presenza di una distribuzione di carica elettrica. Il modo più evidente con cui questa perturbazione si manifesta è attraverso la forza che viene sperimentata da una qualunque altra carica introdotta nel campo stesso. Il campo elettrico viene descritto mediante un vettore E (detto vettore campo elettrico, o semplicemente campo elettrico) che in ogni punto della regione di spazio indica la direzione, l'intensità ed il verso della forza che agisce su una carica puntiforme unitaria positiva che venga posta in quel punto; l'intensità del campo elettrico si misura in volt al metro (V/m). Grazie alla forza che esercita sulle cariche, il campo elettrico è in grado di provocare correnti elettriche nei materiali conduttori.
Analogamente, attraverso il concetto di campo magnetico descriviamo la perturbazione delle proprietà dello spazio determinata dalla presenza di una distribuzione di corrente elettrica, perturbazione che si manifesta con una forza che agisce su qualunque altra corrente elettrica introdotta nel campo. Il campo magnetico può essere descritto mediante un vettore B (detto densità di flusso magnetico, o anche induzione magnetica) definito in maniera un po' complessa, ma in ogni caso riconducibile alla forza che in ogni punto della regione di spazio si manifesta su una corrente elementare che venga posta in quel punto; l'intensità dell'induzione magnetica si misura in tesla (T).
Come nasce un campo magnetico
In natura esistono delle rocce che sono sede di un naturale campo magnetico, si dice perciò che si comportano da magneti  (per esempio la magnetit) tali magneti vengono detti naturali.  Si chiamano magneti artificiali quelli costruiti dall'uomo; per esempio la calamita e' un magnete artificiale in quanto e' costruita prendendo un pezzo di ferro e magnetizzandolo con la corrente.  I magneti artificiali si possono costruire di due tipi: magneti permanenti e magneti temporanei.  Un magnete si dice permanente se conserva la magnetizzazione per molto tempo; la calamita e' un magnete permanente.

 

Un magnete si dice temporaneo se si comporta da magnete quando attorno ad esso si fa circolare della corrente elettrica e poi perde il magnetismo non appena finisce la corrente.  Per esempio nel relè e' presente un magnete temporaneo.
Non tutti i metalli si magnetizzano.  Si chiamano ferromagnetici i materiali che si magnetizzano molto bene, come il ferro.  Si chiamano diamagnetici i materiali che non si magnetizzano affatto come il rame e l'alluminio.
Nei magneti distinguiamo un polo nord N e un polo sud S.


Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N esiste un polo S.
Poli dello stesso nome si respingono; poli di nome contrario si attraggono.
Si chiama campo magnetico lo spazio che circonda un magnete.  Il campo magnetico si rappresenta con delle linee di forza che partono dal polo nord e terminano al polo sud esternamente al magnete.

Un filo percorso da corrente genera attorno a se un campo magnetico:
 


Se la corrente e' diretta verso l'alto il verso del campo magnetico e' antiorario, cioè contrario alle lancette dell'orologio tradizionale.
Se il filo lo ripiego a forma di circonferenza:

 


e la corrente circola in senso antiorario nel filo il polo nord si trova sopra e quindi il sud sotto.
Il tipo di magnetismo generato dalla corrente elettrica si dice elettromagnetismo.Si chiama solenoide un lungo filo avvolto in modo da formare tante spire; il solenoide e' detto anche bobina.
Per costruire un elettromagnete occorre un pezzo di ferro su cui avvolgiamo un certo numero di spire, cioè un solenoide.
 


Se applichiamo un generatore di tensione circolerà una certa corrente: se la corrente circola in senso antiorario vista da sopra il polo nord si trova sopra.  Se il pezzo di ferro e' molto puro, cioè e' ferro dolce, quando stacco la corrente il magnetismo sparisce.  Se invece il ferro non e' puro ma e' misto a carbonio o nichel allora il magnetismo resta anche quando stacco la corrente e il pezzo di ferro si chiama calamita o magnete permanente.

 

Campi magnetici variabili nel tempo.
Una delle caratteristiche più importanti del campo magnetico variabile nel tempo, almeno dal punto di vista sia della misura sia dell'interazione con organismi biologici, consiste nella sua capacità di provocare correnti elettriche all'interno di oggetti conduttori dove in assenza di campo esse non erano presenti.
Carica elettrica e corrente elettrica sono dunque le sorgenti materiali rispettivamente del campo elettrico e del campo magnetico. Questa situazione è riassunta nella tabella che segue.

Se tutto finisse qui, non esisterebbero né campo elettromagnetico né onde elettromagnetiche. Invece, risulta che un campo elettrico può essere generato, oltre che da una distribuzione di carica elettrica, anche da un campo magnetico variabile nel tempo; analogamente, un campo magnetico può essere generato, oltre che da una distribuzione di corrente elettrica, anche da un campo elettrico variabile nel tempo. In altre parole, quando si è in regime variabile nel tempo, campo elettrico e campo magnetico divengono uno la sorgente (cioè la "causa") dell'altro.
Grazie a questa interdipendenza, il campo elettrico ed il campo magnetico possono in quel caso essere considerati come due aspetti di un'unica grandezza fisica (il campo elettromagnetico) in grado di propagarsi a distanza indefinita dalla sorgente, un fenomeno indicato anche col termine radiazione elettromagnetica. In molti casi importanti, risulta che l'ampiezza del campo elettromagnetico radiato varia in modo oscillatorio sinusoidale tanto nel tempo quanto nello spazio: si parla allora di onda elettromagnetica.
Una analisi della struttura del campo in funzione della distanza dalla sorgente mostra che in prossimità prevalgono il campo elettrico ed il campo magnetico prodotti dalle sorgenti materiali presenti su di essa, mentre per distanze maggiori di circa una lunghezza d'onda diviene prevalente il campo elettromagnetico dovuto alla mutua generazione, cioè alla radiazione.

Riassumendo:

• Nelle immediate vicinanze di una sorgente (antenna, apparato industriale a radiofrequenza, elettrodomestico), e fino a circa un decimo di lunghezza d'onda di distanza da essa, il campo elettrico ed il campo magnetico sono del tutto indipendenti uno dall'altro, essendo legati e determinati dalle rispettive "sorgenti fisiche" (cariche e correnti); essi perciò non possono essere ricavati uno dall'altro e devono essere valutati separatamente.
• A distanze superiori, la struttura dei campi inizia a risentire del fenomeno della radiazione (ovvero la "mutua generazione" tra campo elettrico e campo magnetico), che resta l'unico significativo per distanze dalla sorgente superiori a circa una lunghezza d'onda.
• Grazie a questa mutua generazione, i campi si propagano a distanza indefinita dalla sorgente, assumendo una struttura detta di tipo radiativo nella quale il campo elettrico ed il campo magnetico sono perpendicolari tra di loro ed alla direzione di propagazione.
• In molti casi importanti le ampiezze dei campi radiativi variano in modo sinusoidale tanto nel tempo quanto nello spazio: si parla allora di onda elettromagnetica.
• Un'onda elettromagnetica trasporta energia; la densità di potenza (energia trasportata per unità di tempo e di superficie, espressa in watt al metro quadrato, W/m2) risulta proporzionale al prodotto delle intensità del campo elettrico e del campo magnetico e costituisce un'altra grandezza accessibile di misura attraverso la quale caratterizzare l'intensità della radiazione.

 

LEGGE DI FARADY-NEUMANN-LENZ
Consideriamo il seguente circuito:

in cui notiamo un solenoide che genera un campo magnetico H la cui intensità può essere variata agendo sul resistore variabile R, ed una spira avente sezione S, immersa nel campo magnetico. Se indichiamo con B la induzione magnetica prodotta nella spira, il flusso magnetico della spira sarà
F = B S
qualora la spira sia ortogonale alle linee di induzione. Lo strumento G è un galvanometro, in grado di misurare piccoli valori di tensione.
Se il solenoide, la spira, il potenziometro restano fermi, non si nota alcuna tensione misurata dal galvanometro. Qualora, invece, anche uno solo dei tre componenti subisce una variazione, vi sarà una tensione misurata dal galvanometro. Quindi per ottenere una certa tensione nella spira si può:

• Tenere fermo il solenoide e muovere la spira.
• Tenere ferma la spira e muovere il solenoide.
• Muovere sia il solenoide sia la spira.
• Tenere ferma la spira e il solenoide e muovere il potenziometro.

Solo durante il movimento o la variazione, vi è tensione; non appena il movimento o la variazione si arresta, la tensione sparisce.
La tensione che si forma nella spira si dice forza elettromotrice indotta, e la indichiamo con la lettera e minuscola, per indicare che varia istante per istante. La causa che genera tale forza elettromotrice indotta è la variazione di flusso magnetico della spira. Ciò può essere sintetizzato con la legge di Farady - Neumann - Lenz che dice: la forza elettro motrice indotta in una spira, a causa di una variazione di flusso magnetico concatenato con la spira è direttamente proporzionale alla variazione di flusso, è inversamente proporzionale al tempo in cui tale variazione di flusso avviene, ed ha verso tale da opporsi alla causa che l'ha generata.
In formula abbiamo
e = - dFC
      dt
dove e è la forza elettromotrice indotta, dF C è la variazione di flusso, dt è la variazione del tempo.

AUTOINDUZIONE
Un solenoide percorso da corrente elettrica genera un campo magnetico in cui esso stesso è immerso. Se tale campo magnetico è variabile, vi si genera nel solenoide una forza elettro motrice indotta, secondo la legge di Farady - Neumann - Lenz. Tale forza elettro motrice si dice di autoinduzione, perché viene indotta dal solenoide stesso e non da un altro solenoide.
Esiste una relazione tra corrente e flusso concatenato col solenoide, che è la seguente:
F C = L i
dove F C è il flusso concatenato col solenoide, L è detto coefficiente di autoinduzione, i è la corrente che attraversa il solenoide. Unità di misura dell'autoinduzione L è l'henry.
MUTUA INDUZIONE
Quando due solenoidi sono posti nelle immediate vicinanze oppure sono avvolti l'uno sull'altro, si dice che i due solenoidi sono mutuamente accoppiati, in quanto una variazione di corrente di un solenoide genera nell'altro solenoide una forza elettromotrice indotta. Per tenere conto di questo si introduce un coefficiente di muta induzione M; unità di misura di M è l'henry. Dato il seguente schema:
se indichiamo con i1 la corrente che circola nel primo solenoide, con e2 la forza elettro motrice indotta nel secondo solenoide, otteniamo:
e2 = - M di1
      dt

dove di1 indica la variazione di corrente nel primo solenoide, dt indica la variazione di tempo in cui è avvenuta di1.