Le onde elettromagnetiche (EM) ti sfrecciano in ogni momento, e il loro studio rappresenta un'intera area cruciale della fisica. Comprendere, classificare e descrivere le varie forme di radiazione elettromagnetica ha aiutato la NASA e altre entità scientifiche a spingere la tecnologia umana dentro e oltre un territorio inesplorato, spesso in modo drammatico. Tuttavia solo una piccola parte delle onde EM è visibile all'occhio umano.

In fisica, una certa quantità di matematica è inevitabile. Ma la cosa bella nelle scienze fisiche è che la matematica tende ad essere logicamente "ordinata" - cioè, una volta che hai familiarità con le equazioni di base della meccanica classica (cioè, di solito roba grande e visibile che si muove), le equazioni di l'elettromagnetismo sembra familiare, solo con diverse variabili.

Per comprendere meglio i campi e le onde elettromagnetiche, dovresti avere una conoscenza di base delle equazioni di Maxwell, derivata da James Clerk Maxwell nella seconda metà del 1800. Queste equazioni, da cui deriva la soluzione generale per le onde EM, descrivono la relazione tra elettricità e magnetismo. Alla fine, dovresti anche capire cosa significa "essere" un'onda - come queste
onde particolari sono un po 'diverse.
Equazioni di Maxwell

Le equazioni di Maxwell formalizzano la relazione tra elettricità e magnetismo e descrivono tutti questi fenomeni. Basandosi sul lavoro di fisici come Carl Gauss, Michael Faraday e Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell scoprì che le equazioni prodotte da questi scienziati in relazione ai campi elettrici e magnetici erano fondamentalmente sane, ma imperfette.

Se tu ' non hai familiarità con il calcolo, non scoraggiarti. Puoi seguire abbastanza bene senza risolvere nulla. Ricorda solo che l'integrazione non è altro che una forma intelligente di trovare l'area sotto una curva in un grafico sommando sezioni incredibilmente minuscole di quella curva. Inoltre, anche se all'inizio variabili e termini potrebbero non significare molto, ti riferirai ripetutamente ad essi in tutto l'articolo, poiché le "luci" continuano a illuminarti su questo argomento vitale.

La prima equazione di Maxwell è derivato dalla legge di Gauss per i campi elettrici, che stabilisce che il flusso elettrico netto attraverso una superficie chiusa (come l'esterno di una sfera) è proporzionale alla carica interna:
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}

Qui, il triangolo capovolto ("nabla" o "del") rappresenta un operatore di gradiente tridimensionale, ρ
è la densità di carica per unità di volume e ε
_{0 è la permittività elettrica dello spazio libero
.}

La seconda equazione di Maxwell è la legge di Gauss per il magnetismo, in cui , diversamente dal caso dei campi elettrici, non esiste una "carica magnetica puntuale" o un monopolo magnetico
. Invece, le linee del campo magnetico appaiono come anelli chiusi. Il flusso magnetico netto attraverso una superficie chiusa sarà sempre 0, che risulta direttamente dal fatto che i campi magnetici sono dipolari.

La legge stabilisce in effetti che ogni linea da un campo magnetico B
entra in una scelta il volume nello spazio deve uscire da quel volume ad un certo punto, e cioè il prossimo flusso magnetico attraverso la superficie è quindi zero.

La terza equazione di Maxwell (legge dell'induzione magnetica di Faraday) descrive come un campo elettrico viene creato da un cambiando campo magnetico. Il divertente "∂" significa "derivata parziale" e implica fluttuazioni. Simboli dispari a parte, la relazione mostra che un cambiamento nel flusso elettrico è il risultato e obbliga un campo magnetico non costante e costante.

La quarta equazione di Maxwell (la legge Ampere-Maxwell) è la sorgente per gli altri, per la correzione di Maxwell all'incapacità di Ampere di spiegare le correnti non stazionarie che si increspavano attraverso le altre tre equazioni con fattori di correzione propri. L'equazione deriva dalla legge di Ampere e descrive come un campo magnetico sia generato da una corrente (carica mobile), un campo magnetico mutevole o entrambi.

Qui, μ
_{0 è la permeabilità dello spazio libero. L'equazione mostra come il campo magnetico all'interno di una determinata area attorno alla corrente in un filo J
cambia con quella corrente e con il campo elettrico E
.
Implicazioni delle equazioni di Maxwell}

Una volta che Maxwell ha formalizzato la sua comprensione dell'elettricità e del magnetismo con le sue equazioni, ha cercato varie soluzioni alle equazioni che potrebbero descrivere nuovi fenomeni.

Poiché un campo elettrico in cambiamento genera un campo magnetico e un cambiamento il campo magnetico genera un campo elettrico, Maxwell ha determinato che potrebbe essere generata un'onda elettromagnetica autopropagante. Usando le sue equazioni, ha determinato che la velocità di tale onda avrebbe una velocità pari alla velocità della luce. Questa non si è rivelata una coincidenza e ha portato alla scoperta che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica!
Proprietà delle onde

In generale, le onde sono oscillazioni in un mezzo che trasferiscono energia da un luogo a un altro. Le onde hanno una lunghezza d'onda, un periodo e una frequenza associati ad esse. La velocità v
di un'onda è la sua lunghezza d'onda λ
volte la sua frequenza f
, oppure λf \u003d v.

L'unità SI della lunghezza d'onda è il metro, sebbene i nanometri si incontrino più frequentemente perché sono più convenienti per lo spettro visibile. La frequenza viene misurata in cicli al secondo (s ^{-1) o hertz
(Hz), dopo Heinrich Hertz. Il periodo T
di un'onda è il tempo impiegato per completare un ciclo, o 1 /f.}

Nel caso di un'onda EM, a differenza della situazione con onde meccaniche, v
è costante in tutte le situazioni, il che significa che λ
varia inversamente
con f
. Cioè, le frequenze più alte implicano lunghezze d'onda più brevi per un dato v
. "Alta frequenza" implica anche "alta energia"; cioè, l'energia elettromagnetica E
in joule (J) è proporzionale a f
, tramite un fattore chiamato costante di Planck h
(\u003d 6.62607 × 10 ^{- 34 J).}