Le forze dell'universo: elettromagnetismo

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L'universo ci parla soprattutto attraverso la radiazione. Le conoscenze principali che oggi abbiamo le dobbiamo alla comprensione di cariche elettriche e campi magnetici.

51| 20/11/2024| 19/11/2024
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Elettromagnetismo: una delle forze dell'universo
Corrente elettrica e campo elettrico
Magnetismo, campo magnetico e radiazione di sincrotrone
La radiazione tra onda e particella

Elettromagnetismo: una delle forze dell'universo

La radiazione è lo strumento principale con il quale gli astronomi possono osservare, studiare e capire l'universo

Quando alziamo gli occhi al cielo, la luce delle stelle che ci rapisce lo sguardo o la bellezza delle galassie sono dovute a una "forza" che consente a questi oggetti di raggiungere i nostri occhi: l'elettromagnetismo.

L'elettromagnetismo è una delle quattro forze fondamentali della natura insieme a gravità, forza nucleare debole e forza nucleare forte. e gioca un ruolo centrale in astronomia perché descrive la propagazione della radiazione elettromagnetica, il principale "strumento" a disposizione degli astronomi.

Prima di parlare di elettromagnetismo diamo una schematizzazione delle forze:

Forza	Interazione principale	Portata	Particella mediatrice	Intensità relativa	Note
Gravitazionale	Attrazione tra masse	Infinita	Gravitone (teorico)	10^-39 (molto debole)	Domina su scale cosmiche (galassie, pianeti, stelle).
Elettromagnetica	Attrazione/repulsione tra cariche elettriche	Infinita	Fotone	10^-2	Responsabile della luce, elettricità e chimica.
Nucleare Forte	Tiene insieme protoni e neutroni nel nucleo atomico	Breve (10^-15 m)	Gluone	1 (la più forte)	Mantiene stabile il nucleo atomico superando la repulsione elettromagnetica.
Nucleare Debole	Decadimento radioattivo e fusione nucleare	Breve (10^-18 m)	Bosoni W e Z	10^-6	Importante per reazioni nucleari, come quelle che alimentano il Sole.

L'elettromagnetismo, che approfondiamo in questa prima parte del nostro viaggio, è una forza invisibile ma onnipresente, in grado di regolare il comportamento delle particelle cariche. Da questa forza dipendono non solo la luce visibile che illumina il cielo notturno, ma anche una vasta gamma di fenomeni che rendono l'universo comprensibile e accessibile alla scienza. Siamo distantissimi dai corpi celesti e se li conosciamo è perché li "vediamo". Pensare all'elettromagnetismo come a una "colla" che unisce il microcosmo dell'atomo al macrocosmo delle galassie ci aiuta a comprendere quanto sia essenziale come filo conduttore che collega la fisica terrestre agli eventi più remoti dell'universo.

L'elettromagnetismo è lo studio dei fenomeni associati ai campi elettrici e magnetici, in grado di formare onde elettromagnetiche. Queste onde si propagano nello spazio trasportando energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. È proprio grazie a questa radiazione che possiamo osservare e studiare oggetti celesti a distanze incredibili.

La radiazione elettromagnetica è quindi il linguaggio principale con il quale l'universo si lascia studiare. Gli astronomi la "decodificano" per scoprire i segreti di stelle e galassie lontane. E' un concetto diverso da quello di "luce", che in genere viene intesa come una porzione di radiazione che i nostri occhi sono in grado di vedere. E' un concetto legato a quello di spettro elettromagnetico , il quale si estende dalle onde radio, che ci permettono di mappare i vasti bracci delle galassie, fino ai raggi gamma, che rivelano eventi catastrofici come l'esplosione di una supernova.

La radiazione elettromagnetica è quindi energia che si propaga nello spazio come onde composte da un campo elettrico e uno magnetico

19/11/2024

Corrente elettrica e campo elettrico

Senza voler approfondire più di tanto, corrente e campo elettrico sono concetti che dovremo tenere a mente per proseguire le nostre letture

Come detto, l'elettromagnetismo è una forza fondamentale che agisce su tutte le particelle dotate di carica elettrica ed è alla base di fenomeni come la radiazione, il magnetismo, le onde radio e la chimica.

Carica elettrica

La carica elettrica e è una proprietà intrinseca di alcune particelle, una quantità fisica che determina come le particelle stesse interagiscono con i campi magnetici e i campi elettrici. Le particelle dotate di carica elettrica sono:

Protoni: hanno carica positiva +e
Elettroni: hanno carica negativa -e

I neutroni sono invece particelle elettricamente neutre, cioè a carica zero.

La carica elettrica si misura in Coulomb ed è espressa dalla formula: e = 1.602×10⁻¹⁹C. Nel caso dei protoni, quindi, la formula ha il segno "+" mentre per gli elettroni ha il segno "-". La carica elettrica è quantizzata, il che vuol dire che la misura si presenta sempre come multiplo intero della carica elementare e appena vista. Se un protone ha carica +e e un elettrone ha carica -e, quindi, particelle più grandi possono avere cariche multiple di e come +2e, +5e oppure -4e, -10e e così via.

Questa quantizzazione fu scoperta da Robert Millikan nel 1909 durante un esperimento noto come gioccia di olio che partecipò, unitamente agli studi sul fotoelettrico, il Nobel per la Fisica nel 1923. L'esperimento consisteva nell'osservare il movimento di gocce di olio cariche all'interno di un campo elettrico indotto tramite piastre metalliche parallele. Le gocce venivano caricate elettricamente tramite una sorgente esterna in grado di ionizzare l'aria circostante e, una volta cariche, venivano spruzzate nella camera dell'esperimento. In assenza di campo elettrico (quindi con le piastre disattive), la velocità di caduta delle gocce dipendeva dalla gravità e dalla resistenza viscosa dell'aria. Nota la velocità veniva determinata la massa della goccia. Veniva poi acceso il campo elettrico, che consentiva di bilanciare la forza gravitazionale con quella elettrica facendo rimanere le gocce in equilibrio, "galleggiando". Al variare del campo elettrico, Millikan poté misurare la carica della goccia scoprendo che questa era sempre un multiplo intero della carica fondamentale e. Fu proprio lui a misurare con estrema esattezza il valore di e in 1.602 x 10^-19 C.

Questo esperimento consentì quindi di confermare la natura discreta della carica elettrica dando stabilità al modello atomico.

Secondo il principio di conservazione della carica, una carica elettrica in un sistema isolato rimane costante e questo rappresenta una delle leggi fondamentali della Fisica: gli elettroni (carica negativa) possono passare da un atomo all'altro, ma la loro somma all'interno della totalità del sistema resta invariata.

Come ultimo punto, ben lontani dal voler fornire una informazione esaustiva per la quale si rimanda agli appositi strumenti, assumono importanza le interazioni tra cariche: le particelle di carica opposta tengono ad attrarsi mentre quelle con la stessa carica tendono a respingersi.

La forza tra due cariche è descritta dalla Legge di Coulomb:

$$F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}$$

dove:

F è la forza tra le due cariche, espressa in Newton;
k_e è la costante di Coulomb pari a $8.99 \times 10^9 \, \text{N·m}^2/\text{C}^2$;
q₁ e q₂ sono le cariche elettriche in Coulomb;
r è la distanza tra le due cariche, in metri.

Quindi, la forza è attrattiva se le cariche hanno segno opposto mentre è repulsiva se hanno lo stesso segno. Due protoni in un nucleo tenderebbero a respingersi, ma questa tendenza è bilanciata dalla forza nucleare forte vista nel paragrafo precedente che agisce a livello sub-atomico e che riesce a tenere unite le due particelle.

Campo elettrico

Il campo elettrico E è una regione dello spazio all'interno della quale le cariche subiscono la forza generata da una carica elettrica. Il campo elettrico è rappresentato da linee di forza che escono da cariche positive ed entrano in cariche negative. Più vicine sono queste linee e maggiore è l'intensità del campo.

L'intensità del campo elettrico generato da una carica puntiforme è rappresentata dalla formula che segue:

$$E = k_e \frac{q}{r^2}$$

dove:

q è la carica sorgente;
k è la costante di Coulomb;
r è la distanza della carica dal centro;
E è il campo elettrico espresso in volt/metro (V/M)

In base alla capacità di far passare la carica elettrica, i materiali si distinguono in conduttori (rame, argento, altri), isolanti (plastica, vetro, altri) e semiconduttori (come il silicio). Nei primi gli elettroni sono liberi di muoversi liberamente consentendo la conduzione di corrente mentre nei secondi questo movimento è inibito. Nei terzi, si ha una configurazione intermedia.

19/11/2024

Magnetismo, campo magnetico e radiazione di sincrotrone

Altro aspetto fondamentale dell'elettromagnetismo è quello dato dagli effetti magnetici delle particelle cariche. Ancora qualche nozione di base

L'interazione tra le particelle cariche viste finora, in movimento, determina il fenomeno fisico noto come magnetismo.

Le particelle cariche (elettroni e protoni) hanno una proprietà intrinseca chiamata momento magnetico, che si genera quando una carica si muove in un campo elettrico, creando una corrente elettrica. Il campo magnetico è il campo di forza che circonda una particella o un oggetto magnetico e che esercita una forza su altre particelle cariche in movimento.

Un oggetto in grado di generare campo magnetico è definito magnete: un magnete naturale, come una calamita, ha due poli: il polo nord e il polo sud. Il campo magnetico è diretto dal polo nord al polo sud all'interno del magnete e dal sud al nord all'esterno del magnete. In questa situazione, proprio come visto per il campo elettrico, la densità delle linee di campo indica l'intensità del campo magnetico: più linee ci sono, maggiore è l'intensità del campo. La direzione del campo magnetico in un punto è quella in cui una bussola (che è un piccolo magnete) si orienterebbe.

Una delle scoperte fondamentali dell'elettromagnetismo è che un campo magnetico può essere generato dal passaggio di una corrente elettrica. Fu Hans Christian Ørsted, nel 1820, a scoprire che una corrente elettrica che scorre in un filo provoca una deviazione dell'ago di una bussola posta vicino al filo, indicando la presenza di un campo magnetico attorno al filo stesso. Da questa osservazione, è emersa la relazione tra l'elettricità e il magnetismo, che ha portato alla formulazione delle leggi dell'elettromagnetismo. La relazione tra una corrente elettrica e il campo magnetico generato da questa è espressa nella Legge di Ampère, secondo la quale l'integrale del campo magnetico attorno a un percorso chiuso è direttamente proporzionale alla corrente totale che attraversa il percorso.

La formula di Ampère è:

$ \oint \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I $

Dove:

B è il campo magnetico (in tesla, T),
dl è un elemento infinitesimo di lunghezza lungo il percorso di integrazione,
I è la corrente che attraversa il percorso,
μ0 è la permeabilità magnetica nel vuoto, un parametro fisico che misura la capacità di un mezzo di generare un campo magnetico.

La forza che un campo magnetico esercita su una particella carica in movimento è descritta invece dalla Legge di Lorentz, per la quale la forza magnetica che agisce su una particella carica in movimento con una certa velocità in un campo magnetico è:

$ \mathbf{F} = q (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) $

Dove:

F è la forza magnetica,
q è la carica della particella,
v è la velocità della particella,
B è il campo magnetico

Questa formula ci dice che la forza magnetica è sempre perpendicolare sia alla velocità della particella che alla direzione del campo magnetico. Pertanto, non cambia la velocità della particella, ma ne modifica solo la direzione. Questa proprietà è alla base del movimento delle particelle cariche nelle linee del campo magnetico, come avviene nelle particelle che si muovono nel campo magnetico terrestre o in dispositivi come gli acceleratori di particelle.

Il "magnete" Terra e il suo campo magnetico

Il campo magnetico terrestre è un campo che avvolge la Terra e si estende nello spazio, generato principalmente dal movimento del ferro e di altri metalli fusi all'interno del nucleo esterno della Terra. Questo movimento crea una dinamo geodinamica, trasformando l'energia meccanica del movimento dei fluidi in energia magnetica e generando così il campo magnetico terrestre.

La struttura è simile a quella di una barra magnetica gigante, con un polo nord magnetico e un polo sud magnetico. Le linee di forza del campo magnetico escono dal polo sud magnetico e entrano nel polo nord magnetico.

Il campo magnetico è importante per la vita sulla Terra, poiché agisce come una barriera naturale contro il vento solare, proteggendo la nostra atmosfera e la vita sulla superficie terrestre, ma è anche fondamentale per l'orientamento, sia per gli animali che per l'uomo, poiché gli animali migratori come uccelli e tartarughe marine si orientano grazie al campo magnetico terrestre.

Il campo magnetico terrestre non è stabile nel tempo, ma subisce modificazioni. Una delle caratteristiche più mediatiche del campo magnetico è la inversione dei poli magnetici. Questo fenomeno si verifica quando il campo magnetico cambia direzione, invertendo i poli magnetici: il polo nord magnetico diventa il polo sud, e viceversa. Non sono eventi improvvisi, ma piuttosto un processo che si sviluppa lentamente nel tempo. Quando avviene un'inversione, il campo magnetico terrestre diventa più debole e più disorganizzato prima di stabilizzarsi nuovamente con i poli invertiti. Queste inversioni sono documentate dai geofisici grazie allo studio delle rocce vulcaniche e sedimentarie, poiché le particelle magnetiche contenute in queste rocce si allineano con il campo magnetico al momento della loro formazione. L'analisi di queste rocce ha permesso di ricostruire la storia delle inversioni magnetiche della Terra, conosciuta come la scala di tempo delle inversioni geomagnetiche. Queste inversioni avvengono in media ogni 200.000-300.000 anni, ma l'ultima inversione è avvenuta circa 780.000 anni fa. Non c'è un motivo preciso e universale che spiega perché avvengano le inversioni, ma gli scienziati ritengono che siano causate da cambiamenti nei movimenti del ferro fuso all'interno del nucleo terrestre. Le inversioni potrebbero essere quindi causate da fluttuazioni nei flussi di materia nel nucleo terrestre, che alterano le correnti di convezione e la dinamica della dinamo geodinamica che genera il campo magnetico.

Una domanda comune riguarda le conseguenze di un'inversione magnetica. Sebbene un'inversione dei poli magnetici sia un fenomeno naturale e non sia direttamente pericoloso per la vita sulla Terra, potrebbe causare effetti a livello di navigazione (a causa della bussola) e dei sistemi tecnologici che dipendono dal campo magnetico. Tuttavia, gli scienziati ritengono che il cambiamento sia lento e che i sistemi elettronici e di navigazione potrebbero essere adattati nel tempo per far fronte a questa transizione.

Inoltre, durante l'inversione, il campo magnetico terrestre potrebbe indebolirsi temporaneamente, aumentando la quantità di radiazione solare e particelle cariche che raggiungono la Terra. Tuttavia, non è previsto che un'inversione abbia effetti catastrofici diretti sulla vita, poiché la Terra ha già attraversato numerose inversioni nel corso della sua storia geologica senza impatti significativi sugli esseri viventi.

Radiazione di sincrotrone

La radiazione di sincrotrone è una forma di radiazione elettromagnetica emessa quando particelle cariche, come elettroni, si muovono a velocità relativistiche lungo una traiettoria curva, spesso in presenza di un campo magnetico molto forte, come accade ad esempio negli acceleratori di particelle.

Quando una particella carica, come un elettrone, si muove attraverso un campo magnetico, subisce una forza magnetica secondo la Legge di Lorentz che la costringe a deviare dalla sua traiettoria rettilinea. Questo movimento circolare o curvo fa sì che l'elettrone emetta radiazione elettromagnetica. La radiazione emessa è chiamata radiazione di sincrotrone, ed è una forma di radiazione coerente che copre una vasta gamma di energie.

La potenza della radiazione di sincrotrone è direttamente legata all'intensità del campo magnetico e alla velocità della particella. Più alta è la velocità dell'elettrone (più si avvicina alla velocità della luce) e più intenso è il campo magnetico, maggiore sarà l'energia emessa in forma di radiazione.

19/11/2024

La radiazione tra onda e particella

Il dualismo onda-particella e la sua importanza nella comprensione della fisica moderna

La radiazione elettromagnetica si comporta in modo sorprendente: può essere descritta sia come onda sia come particella, a seconda del fenomeno che osserviamo. Questo comportamento, noto come dualismo onda-particella, è una delle basi della fisica moderna e ha rivoluzionato il nostro modo di concepire la luce e l'universo.

Radiazione come onda

Come onda, la radiazione elettromagnetica è una perturbazione periodica che si propaga nel vuoto o attraverso un mezzo, caratterizzata da una lunghezza d'onda (λ), una frequenza (ν), e una velocità (c) (la velocità della luce nel vuoto). Questi parametri sono legati dalla relazione:

$c = \lambda \cdot \nu$

Questo modello è stato storicamente utilizzato per spiegare fenomeni come diffrazione e interferenza, che sono ben osservabili in esperimenti con la luce visibile.

La concezione della radiazione elettromagnetica come onda risale al XVII secolo, quando Christiaan Huygens propose la teoria ondulatoria della luce per spiegare fenomeni come la rifrazione. Secondo questa teoria, la luce si propaga come un'onda attraverso il "medio" etereo, un concetto che venne successivamente abbandonato. Tuttavia, fu solo con James Clerk Maxwell, nel 1865, che si comprese che la luce e altre forme di radiazione sono onde elettromagnetiche, ossia oscillazioni simultanee di campi elettrici e campi magnetici perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione. Maxwell dimostrò che queste onde si propagano nel vuoto alla velocità della luce ($ c \approx 3 \times 10^8 \, \mathrm{m/s} $), unendo così il mondo dell'ottica a quello dell'elettromagnetismo.

I fenomeni di diffrazione e interferenza sono tipici della natura ondulatoria della luce. La diffrazione si verifica quando la luce incontra ostacoli o fessure di dimensioni simili alla sua lunghezza d'onda, generando schemi di interferenza (zone chiare e scure), che sono la prova evidente che la luce può comportarsi come un'onda. Lo stesso vale per l'interferenza, che si verifica quando due onde si sovrappongono: se le creste delle onde coincidono, si rinforzano a vicenda (interferenza costruttiva); se una cresta coincide con una valle, si annullano (interferenza distruttiva). Questi fenomeni non possono essere spiegati con il modello particellare della luce.

Radiazione come particella

Nonostante il successo della teoria ondulatoria, alcune osservazioni non potevano essere spiegate. Per esempio, il corpo nero, un oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione che incide su di esso e la riemette, emette radiazione in modo discontinuo, secondo quantità ben definite di energia. Questo fenomeno, noto come spettro del corpo nero, non poteva essere descritto dalla teoria classica delle onde.

Questo filone è stato aperto da Max Planck, che nel 1900 introdusse l'idea che l'energia fosse quantizzata, ossia che l'energia fosse emessa o assorbita in pacchetti discreti chiamati quanti. La relazione che descrive l'energia di un quanto è:

$E = h \cdot \nu$

dove $ h $ è la costante di Planck ($ 6.626 \times 10^{-34} \, \mathrm{J \cdot s} $) e $ \nu $ è la frequenza della radiazione.

Successivamente, nel 1905, Albert Einstein utilizzò questo concetto per spiegare l'effetto fotoelettrico, un fenomeno in cui la luce incidente su una superficie metallica libera degli elettroni. Einstein dimostrò che la luce è composta da particelle discrete chiamate fotoni, ciascuna con un’energia proporzionale alla frequenza ($ E = h \cdot \nu $). L'effetto fotoelettrico non poteva essere spiegato dalla teoria ondulatoria della luce, ma fu perfettamente descritto considerando la luce come flusso di fotoni. Quando i fotoni colpiscono una superficie metallica, trasferiscono la loro energia agli elettroni, liberandoli. Questo dimostra che la radiazione non è solo un'onda continua, ma può essere anche "granulare".

L'evidenza sperimentale

La natura ondulatoria e particellare della radiazione è stata confermata da esperimenti cruciali:

Diffrazione e interferenza (onda): Questi esperimenti mostrano che la radiazione si comporta come un'onda continua quando interagisce con barriere o fenditure. Ad esempio, quando un fascio di luce passa attraverso due fenditure, si osservano zone di interferenza, che sono la prova che la luce può interferire con sé stessa, proprio come fanno le onde in acqua.
Effetto fotoelettrico e Compton (particella): Questi fenomeni dimostrano che la radiazione agisce come particelle discrete quando interagisce con la materia. Nel caso dell'effetto fotoelettrico, i fotoni colpiscono un metallo e liberano elettroni solo se la loro energia è sufficientemente alta, indipendentemente dall'intensità della luce. L'effetto Compton, invece, mostra che i fotoni possono trasferire parte della loro energia e momento a un elettrone, confermando ulteriormente la natura particellare della luce.

Il dualismo onda-particella è oggi un pilastro della meccanica quantistica, una teoria che ha rivoluzionato il nostro modo di interpretare il mondo naturale. La scoperta ha avuto implicazioni profonde non solo per la comprensione della luce, ma anche per il comportamento di elettroni, protoni e altre particelle fondamentali, mostrando che il dualismo non è esclusivo della radiazione elettromagnetica, ma si applica anche alle particelle subatomiche. La meccanica quantistica è oggi alla base della fisica moderna, e le sue applicazioni spaziano dalla tecnologia dei semiconduttori alla medicina, fino alla fisica delle particelle e all'astronomia.

07/12/2024

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