Un’onda elettromagnetica è una perturbazione accoppiata di campo elettrico e campo magnetico che si propaga nello spazio trasportando energia e quantità di moto. Nel vuoto, in assenza di sorgenti, le equazioni di Maxwell portano a equazioni d’onda per entrambi i campi:
La velocità di propagazione nel vuoto è:
Onda piana nel vuoto
Per un’onda piana monocromatica che si propaga nel vuoto, campo elettrico, campo magnetico e direzione di propagazione sono mutuamente ortogonali. Se la propagazione avviene lungo la direzione \hat{\mathbf{k}}:
In modulo:
Il trasporto di energia è descritto dal vettore di Poynting:
Per un’onda sinusoidale piana nel vuoto, l’intensità media è:
Grandezze caratteristiche
| Grandezza | Relazione | Significato |
|---|---|---|
| velocità nel vuoto | \displaystyle c=\dfrac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}} | velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto |
| lunghezza d’onda | \displaystyle \lambda=\dfrac{c}{f} | distanza tra massimi di fase consecutivi nel vuoto |
| numero d’onda | \displaystyle k=\dfrac{2\pi}{\lambda} | variazione spaziale della fase |
| frequenza angolare | \displaystyle \omega=2\pi f | variazione temporale della fase |
| densità di energia | \displaystyle u=\dfrac{1}{2}\varepsilon_0E^2+\dfrac{1}{2\mu_0}B^2 | energia contenuta nei campi |
Nei mezzi materiali
In un mezzo trasparente non magnetico, la velocità di fase è approssimativamente:
dove n è l’indice di rifrazione. Se n dipende dalla frequenza, il mezzo è dispersivo e impulsi con spettro largo possono deformarsi durante la propagazione.
Nei mezzi assorbenti l’onda perde energia mentre avanza. In conduttori e plasmi possono comparire attenuazione, riflessione e profondità di penetrazione finite.
Spettro elettromagnetico
| Regione | Ordine di frequenza | Esempi di uso |
|---|---|---|
| radio | kHz-MHz | comunicazioni, radiodiffusione |
| microonde | GHz | radar, telecomunicazioni, riscaldamento |
| infrarosso | THz | termografia, fibra ottica, telecomandi |
| visibile | centinaia di THz | visione, illuminazione, ottica |
| ultravioletto | oltre il visibile | sterilizzazione, fotolitografia |
| raggi X e gamma | frequenze molto alte | diagnostica, diffrazione, fisica nucleare |
Le regioni dello spettro non sono onde di natura diversa: cambiano frequenza, lunghezza d’onda, energia dei fotoni e modalità di interazione con la materia.
Un errore comune è pensare che il campo elettrico e il campo magnetico siano due onde indipendenti sovrapposte. In un’onda elettromagnetica libera sono accoppiati: la variazione di uno sostiene la variazione dell’altro.
Vedi anche: Equazioni di Maxwell, Vettore di Poynting, Pressione di radiazione, Polarizzazione, Numero d’onda.