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Simone Donadello - classe 5°T - Maturità 2006
Non solo radio...
Le onde elettromagnetiche e le proprietà dielettriche dei materiali
Le applicazioni: dalla radio ad oggi
un approfondimento di
Simone Donadello
classe 5°T - Maturità 2006
pag. 1

Indice generale
Simone Donadello - classe 5°T - Maturità 2006
• Le onde elettromagnetiche....................................................................................................... 3
٠ Cosa sono le onde elettromagnetiche............................................................................... 3
٠ Le prime applicazioni: la radio........................................................................................... 4
▫ La radio in guerra....................................................................................................... 4
▫ La radio nella società................................................................................................. 5
◦ Un esempio clamoroso: Orson Welles e l'invasione aliena............................... 5
• Proprietà elettromagnetiche dei materiali................................................................................. 6
٠ Cosa sono le proprietà elettromagnetiche......................................................................... 6
▫ A cosa sono dovute ε e μ........................................................................................... 7
▫ La luce come onda elettromagnetica......................................................................... 8
▫ Gli effetti delle caratteristiche elettromagnetiche dei materiali................................... 8
٠ Misura pratica della riflettanza con le microonde.............................................................. 8
▫ Procedimento di misura con riflettometro.................................................................. 9
▫ Applicazioni della misura delle proprietà elettromagnetiche.................................... 10
◦ Punti di forza della spettroscopia dielettrica.................................................... 12
Indice delle formule
▪ formule dell'onda elettromagnetica..........................................................................................................3
▪ relazione fra frequenza, velocità e lunghezza d'onda............................................................................. 3
▪ costanti elettromagnetiche nel vuoto.......................................................................................................6
▪ costanti elettromagnetiche relative..........................................................................................................7
▪ ε e μ come numeri complessi.................................................................................................................. 7
▪ velocità della luce.................................................................................................................................... 8
▪ velocità della luce nei materiali................................................................................................................8
▪ trasmittanza - assorbanza - riflettanza.................................................................................................... 8
▪ legge di Lambert-Beer........................................................................................................................... 11
Indice delle illustrazioni
◦ l'onda elettromagnetica........................................................................................................................... 3
◦ lunghezze e tipi d'onda............................................................................................................................4
◦ uno dei primi apparecchi radio progettati da Marconi............................................................................. 4
◦ l'antenna radio sulla Torre Eiffel.............................................................................................................. 4
◦ Hitler al suo primo discorso alla radio..................................................................................................... 5
◦ Orson Welles recita alla radio................................................................................................................. 6
◦ disegno di un ufo..................................................................................................................................... 6
◦ andamento generale di ε al variare della frequenza................................................................................7
◦ molecole d'acqua polarizzate in un campo elettrico................................................................................7
◦ onde trasmesse-riflesse.......................................................................................................................... 8
◦ schema dell'antenna del riflettometro......................................................................................................9
◦ foto e schema riflettometro......................................................................................................................9
◦ misura della riflettanza di una spugna in due differenti condizioni d'umidità.........................................10
◦ misura e confronto di ε con le concentrazioni di Gin e Vermouth nel Martini........................................11
◦ modello originale di igrometro ottocentesco a capello.......................................................................... 11
◦ un moderno network analyser a microonde.......................................................................................... 12
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Non solo radio...
Simone Donadello - classe 5°T - Maturità 2006
Le onde elettromagnetiche e le proprietà dielettriche dei materiali
Le applicazioni: dalla radio ad oggi
In questo approfondimento analizzeremo una parte del grande mondo delle onde elettromagnetiche.
Si tratta di un esteso argomento di fisica, che coinvolge anche nozioni di chimica ed altre
scienze. Parleremo delle molte applicazioni delle onde elettromagnetiche, importanti anche nella
vita comune. In particolare, una delle più rilevanti è stata l'invenzione della radio, che rivoluzionò
il modo di comunicare a partire dal ventesimo secolo; altre applicazioni, più recenti, sfruttano
le nozioni riguardanti le proprietà elettromagnetiche dei materiali, che permettono di studiare
e capire meglio la materia che ci circonda.
Le onde elettromagnetiche
Cosa sono le onde elettromagnetiche
In questa sede tratteremo l'elettromagnetismo dal punto di vista classico o ondulatorio, fondato
sugli studi di Maxwell, tralasciando la fisica moderna e l'interpretazione quantistica di Einstein.
Un'onda è una “perturbazione” (cioè una variazione) di
una grandezza fisica che si propaga nel tempo e nello
spazio: tale grandezza fisica “oscilla”, cambia il suo valore
da un massimo (“cresta”) ad un minimo (“valle”). In particolare,
nelle onde elettromagnetiche le “perturbazioni”
coinvolgono i campi elettrici e i campi magnetici.
I campi sono grandezze fisiche vettoriali, cioè possiedono
un modulo (l'intensità), una direzione e un verso. Nelle
onde elettromagnetiche il campo elettrico (indicato con E) e il campo magnetico (indicato con B
o H) sono sempre perpendicolari fra loro.
Quando un'onda elettromagnetica si propaga nello spazio, significa
che i moduli dei campi E e B, normalmente in quiete, iniziano a variare,
seguendo un andamento sinusoidale nel tempo e nello spazio,
esprimibile da una formula di matematica goniometrica. Questo susseguirsi
di “creste” e di “valli” è un fenomeno continuo, che avviene
grazie all'autoinduzione, paragonabile ad una “reazione a catena”: quando E cambia, induce
un cambiamento anche in B, e viceversa.
Le caratteristiche principali di un'onda elettromagnetica sono l'intensità (quanto è
“ampia” l'onda, caratterizzata da E0 e B0) e la lunghezza d'onda (cioè la distanza
fra due creste o valli consecutive, indicata con λ). Strettamente collegata alla lunghezza
d'onda è la frequenza, indicata con ν, cioè il numero di oscillazioni che
l'onda compie in un secondo (misurata in Hz). Come vederemo più avanti, le onde
E=E 0 ⋅sin[ 2π
λ ⋅ x−c⋅t ]
B=B 0 ⋅sin [ 2π
λ ⋅x−c⋅t]
ν= c
λ
8 m
c≃3⋅10
s
elettromagnetiche nel vuoto si muovono ad una velocità costante, indicata con c; questa costante
si rivelerà fondamentale in molti ambiti della fisica.
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La lunghezza d'onda definisce il tipo di onda elettromagnetica;
infatti al variare di λ, le onde possono
essere classificate come: raggi gamma, raggi X, radiazione
ultravioletta, luce visibile, radiazione infrarossa,
microonde, o onde radio... Tutte queste manifestazioni,
apparentemente diverse fra loro in quanto
occupano differenti campi di applicazione, fanno
parte dello stesso fenomeno: quello delle onde elettromagnetiche.
Le prime applicazioni: la radio
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I primi studi sull'elettromagnetismo furono compiuti verso la fine del 1800 soprattutto ad opera
del fisico James Clerk Maxwell. Poco dopo Heinrich Rudolf Hertz fu il primo a realizzare un
apparecchio in grado di generare semplici segnali elettromagnetici rilevabili a breve distanza.
Ma la rivoluzione vera e propria arriva nel 1897, quando l'italiano Guglielmo Marconi trasmise
per la prima volta un segnale a diversi chilometri di distanza, realizzando la prima radio.
La radio è un apparecchio in grado di ricevere e trasmettere
onde elettromagnetiche. Normalmente le radio utilizzano onde
con frequenze relativamente basse, 0 a 10 8 Hz, che vennero
per questo motivo chiamate onde radio. Usualmente le radio
sono dotate di una o più antenne, che hanno forme e dimensioni
diverse, adatte a particolari scopi (ad esempio, se si vuole
veicolare il segnale radio in un'unica direzione o se si vuole ricevere
da ovunque).
Queste prime e semplici comunicazioni furono ben presto potenziate,
e le distanze di trasmissione avvicinarono posti lontani,
accorciando di colpo distanze fra i continenti. Tuttavia si trattava ancora di messaggi in codice
Morse, come già avveniva con il telegrafo via cavo, quindi punti e linee in una sequenza da
interpretare, che erano utili solo per trasmissioni di servizio o d'emergenza.
Nel 1900 l'avanzamento della tecnologia rivoluziona tutto il mondo. Infatti fra il 1910 e il 1920,
grazie anche alla spinta bellica, si mettono a punto le prime trasmissioni di voce umana. Ora finalmente
si può parlare e comunicare a distanza: le informazioni possono essere raggiunte e
capite da tutti. Nasce la radiofonia: sorgono le prime emittenti (inizialmente in Inghilterra e
USA), che trasmettono programmi d'intrattenimento, musica ed informazioni a grande distanza,
ricevute da milioni di ascoltatori dotati di un semplice e sempre più economico ricevitore radio.
La radio in guerra
Le prime applicazioni si ebbero soprattutto in campo militare e strategico.
Gli stati si dotarono subito di sistemi di comunicazione radio. Trasmettere
tempestivamente gli ordini dei comandanti a tutto l'esercito, o comunicare i
rapporti di guerra dal fronte, divenne molto più semplice che in passato.
Già nella Prima Guerra Mondiale si avverte la rivoluzione operata dalla
radio. Infatti nella logorante guerra di trincea che si svolse dal 1914 al
1918, le prime comunicazioni senza fili in codice Morse cambiarono il
modo di combattere. Di conseguenza nasce la guerra di spionaggio e controspionaggio,
con il tentativo degli eserciti di intercettare i segnali radio
nemici. In quegli anni la famosa Torre Eiffel venne presa in consegna dall'esercito
e dotata di diverse e potenti antenne, in grado di ricevere e trasmettere
in tutta la Francia.
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Si può quindi affermare che la Prima Guerra Mondiale, o il campo militare in genere, diede un
forte impulso alla tecnologia radiofonica, che infatti conobbe il suo massimo successo nel primo
dopoguerra.
Qualche decennio più tardi, nella Seconda Guerra Mondiale, le tecnologie radio erano decisamente
più sviluppate; anche grazie a questo i combattimenti assunsero caratteristiche decisamente
più dinamiche e rapide. In quegli anni ormai le radio erano trasportabili, e la rapidità con
la quale le disposizioni dei rispettivi generali viaggiavano era impensabile prima.
La radio nella società
La radio era destinata ad avere importanti ripercussioni anche sulla società e sulla comunicazione
“civile”. A partire dal 1922 la BBC inglese inizia ad emettere via radio notiziari regolari.
Successivamente trasmissioni musicali, dibattiti e recitazioni di intere commedie, raggiungono
un pubblico sempre più importante. In fondo si trattò della più grande innovazione nell'ambito
della comunicazione dopo l'invenzione della stampa.
La radio è stata per parecchi decenni la principale fonte di informazione di tutti, anche se tuttora,
nel ventunesimo secolo, continua ad avere un ruolo piuttosto importante, sfruttando tecnologie
molto simili a quelle utilizzate agli inizi del 1900. La radio ha intrattenuto, informato, comunicato
a intere generazioni, formando e modellando idee e pensieri.
Non a caso il controllo dei nuovi mezzi di comunicazione di massa
divenne molto ambito da tutti i sistemi politici, con la creazione
di numerose emittenti statali, come la URI in Italia (che divenne
RAI). Soprattutto le dittature osservavano con particolare attenzione
gli effetti della radio come formidabile mezzo di propaganda.
Dopotutto, ancora oggi nell'era della democrazia e del libero consumo,
possedere mezzi di comunicazione radiofonici è di importanza
strategica, economica e politica.
Si può quindi dire che la radio contribuì all'importante passaggio dal 1800 al 1900. Essa agisce
parallelamente alla rivoluzione operata in campo linguistico dal l'ermetismo e il simbolismo;
cooperarono insieme per creare una nuova visione del mondo sempre più tecnologizzato, le cui
conseguenze furono particolarmente visibili nell'evoluzione dell'arte, dalla pittura alla letteratura.
In particolare la corrente futurista ammirava le innovazioni apportate dalla radio, come emerge,
ad esempio nel manifesto futurista chiamato “La Radia” di Marinetti e Masnata. [vedi allegati]
Anche la comunicazione all'interno della società ne uscì radicalmente trasformata, introducendo
concetti sconosciuti alla mentalità ottocentesca. L'informazione, precedentemente affidata ai
soli quotidiani riservati ad un pubblico ristretto, ora diventava accessibile a tutti: i notiziari dovevano
essere sintetici e chiari, per poter concentrare in poco tempo tutte le informazioni importanti,
mentre il lessico si dovette semplificare per essere compreso anche dai meno acculturati.
Un esempio clamoroso: Orson Welles e l'invasione aliena
Per comprendere l'importanza e le reali potenzialità che la comunicazione ha acquistato con la
nascita della radio, possiamo ricordare un evento piuttosto curioso quanto inquietante. Il 30 ottobre
del 1938, il giorno prima di Halloween, il famoso regista Orson Welles trasmetteva da una
stazione radiofonica molto popolare negli Stati Uniti la sua commedia “The War of the Worlds”,
cioè “La guerra dei mondi”.
Si trattava di un dramma scritto e recitato dallo stesso Welles, che immaginava la telecronaca
via radio dell'attacco degli alieni alla Terra. La commedia era ben fatta, curata nei particolari e
negli effetti sonori; risultava molto realistica, tanto che molti ascoltatori, credettero veramente
che si trattasse di un notiziario in diretta che raccontasse del terribile attacco di mostri venuti
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dallo spazio agli uomini.
La voce si sparse rapidamente fra la popolazione statunitense, altre
emittenti radiofoniche caddero nella “trappola” ripetendo la notizia, e in
breve tempo la psicosi invase tutta l'America. Gli americani furono preda
della isteria, si riversarono nelle strade per cercare di scappare dalle
città, il traffico si congestionò, molti si procurarono armi pronti a resistere
all'esercito alieno. Ci volle un po' di tempo, qualche ferito e addirittura
qualche vittima “vera”, per far capire che si trattava solo di uno
scherzo. Questo episodio ci deve far meditare sull'importanza dei nuovi
mezzi di comunicazione e sulla loro reale potenza mediatica.
Lo sceneggiato di Welles comprendeva finti notiziari e collegamenti “in
diretta” con gli UFO; sullo sfondo si sentivano esplosioni, spari, incendi,
versi alieni, grida umane terrorizzate e sirene, a cui facevano eco
rapporti di morti e feriti, degni di veri bollettini di guerra.
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Riportiamo qui sotto una parte della trascrizione inglese del lungo sceneggiato di Welles (che
durò quasi un'ora), seguita dalla sua traduzione in italiano. Un inviato speciale in diretta dal punto
dove sono atterrati gli alieni sta descrivendo i primi contatti con le terribili creature. Il collegamento
si interromperà in modo brusco e improvviso fra le urla della gente...
“Good heavens, something's wriggling out of the shadow like a gray snake.
Now it's another one, and another one, and another one! They look like
tentacles to me. I can see the thing's body now. It's large, large as a bear
and it glistens like wet leather. But that face, it... Ladies and gentlemen, it's
indescribable. I can hardly force myself to keep looking at it, so awful. The
eyes are black and gleam like a serpent. The mouth is V-shaped with saliva
dripping from its rimless lips that seem to quiver and pulsate. The monster or
whatever it is can hardly move. It seems weighed down by... possibly gravity
or something. The thing's... rising up now, and the crowd falls back now.
They've seen plenty. This is the most extraordinary experience, ladies and
gentlemen. I can't find words... I'll pull this microphone with me as I talk. I'll
have to stop the description until I can take a new position. Hold on, will you
please, I'll be right back in a minute...”
“Buon Dio, dall'ombra sta uscendo qualcosa di grigio che si contorce come
un serpente. Eccone un altro e un altro ancora. Sembrano tentacoli. Ecco,
ora posso vedere il corpo intero. È grande come un orso e luccica come cuoio
umido. Ma il muso! È... indescrivibile. Devo farmi forza per riuscire a guardarlo.
Gli occhi sono neri e brillano come quelli di un serpente. La bocca è a forma di V e della bava
cade dalle labbra senza forma che sembrano tremare e pulsare. Il mostro, o quello che è, si muove a
fatica. Sembra appesantito... forse la gravità o qualcos'altro. La cosa si solleva. La folla indietreggia.
Hanno visto abbastanza. È un'esperienza straordinaria. Non riesco a trovare le parole... porto il microfono
con me mentre parlo... Devo sospendere la trasmissione finché non avrò trovato un nuovo posto
di osservazione. Restate in ascolto, per favore, riprenderò fra un minuto...”
Proprietà elettromagnetiche dei materiali
Cosa sono le proprietà elettromagnetiche
Quando Maxwell nel 1873 formulò le sue famose equazioni
sull'elettromagnetismo, dovette introdurre delle costanti di
proporzionalità per far coincidere i dati teorici con quelli
sperimentali: questi valori erano la costante dielettrica nel
vuoto ε0 [“epsilon-zero”] e la costante di permeabilità nel
vuoto μ0 [“mu-zero”].
ε0 =8,854187817⋅10 −12F
m
μ 0 =4⋅π⋅10
−7 N
A
2 =12,566370 614⋅10−7 N
A 2
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Inoltre si accorse che negli esperimenti condotti in condizioni di “non-vuoto” (ad
esempio nell'aria), tali costanti cambiavano rispettivamente dei coefficienti εr e μr
(chiamate costanti relative), le quali variavano a seconda del tipo di materiale. εr e μr
, in quanto coefficienti adimensionali, sono numeri puri, cioè non hanno una propria unità di misura.
Quindi Maxwell dovette introdurre i concetti di proprietà elettromagnetiche dei materiali,
espresse dai valori di ε e μ proprie di ogni materiale, ricavate dal prodotto delle costanti nel vuoto
con quelle relative.
Quando, invece che campi costanti, si utilizzano
campi variabili e oscillanti (come nel caso
delle onde elettromagnetiche), si osserva che
ε e μ hanno valori diversi al variare della frequenza
elettromagnetica che attraversa il materiale.
Questo è dato dal fatto che ε e μ possono
essere espressi matematicamente come
numeri complessi o come vettori:
infatti essi sono costituiti
da una parte reale e da una
parte immaginaria:
• parte reale, cioè ε' e μ': rappresenta l'energia che il materiale è in grado di immagazzinare
quando è attraversato da una campo elettromagnetico.
• parte immaginaria, cioè ε'' e μ'': è strettamente collegata al fenomeno elettromagnetico della
corrente di spostamento, che rappresenta la perdita energetica conseguenza dei repentini
e continui cambiamenti dei campi elettromagnetici.
A cosa sono dovute ε e μ
ε=ε 0 ⋅ε r
μ= μ 0 ⋅μ r
ε *=ε , i⋅ε ,,
μ*=μ , i⋅μ ,,
Dal punto di vista fisico, le costanti nel vuoto ε0 e μ0 sono caratteristiche universali della natura,
per le quali è difficile fornire una vera motivazione.
Per capire profondamente a che cosa sono dovute le costanti relative εr e μr dei materiali bisogna
aspettare gli anni 1970-1980, quando le conoscenze e le tecnologie di chimica e di fisica si
perfezionarono giungendo a comprendere le caratteristiche delle strutture molecolari delle sostanze.
La maggior parte delle molecole sono almeno in
parte polari. La polarità è una caratteristica data
dal fatto che le molecole, pur neutre nel loro insieme,
presentano una parte caricata positivamente, e
una parte caricata negativamente. In questo modo
le molecole si comportano come tanti piccoli aghi di
bussola: quando un materiale (la cui molecola è polare)
viene immerso in un campo elettrico costante,
le sue molecole si orientano tutte nello stesso senso, immagazzinando energia. Questo comportamento
viene chiamato polarizzazione, ed è quantificato dalle parti reali ε' e μ' delle costanti
elettromagnetiche.
Se però il campo E è alternato, come quello generato da un'onda elettromagnetica di una data
frequenza, allora entra in gioco anche la parte immaginaria ε'' e μ'' delle costanti elettromagnetiche,
in quanto le molecole non riescono ad orientarsi alle continue e veloci variazioni di campo.
Si ha in questo modo una “perdita” (loss), così che la capacità totale della sostanza di immagazzinare
energia diminuisce e si modifica al variare della frequenza.
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La luce come onda elettromagnetica
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Quando si parla di onde elettromagnetiche, si pensa soprattutto alle onde radio dei cellulari e
della TV, o alle microonde dei forni. In realtà bisogna pensare che anche la luce visibile, quella
che percepiamo con gli occhi, fa parte dello stesso fenomeno: l'unica differenza fra una onda
radio e un raggio luminoso, è la loro diversa frequenza d'onda.
Sofisticati esperimenti riuscirono a misurare la velocità della luce
nel vuoto c0. La teoria della relatività di Einstein dice che tale velocità
è costante e insuperabile. Infatti c0 (che quindi è la velocità di
propagazione di tutte le onde elettromagnetiche nel vuoto) è un dato importantissimo, che si incontra
in moltissime formule di fisica moderna.
Con semplici operazioni aritmetiche, ci si accorge che c'è una stretta correlazione tra la velocità
della luce nel vuoto e le costanti dielettrica e di permeabilità magnetica nel vuoto, ε0 e μ0 . Questo
non fa altro che confermare che anche la luce è un fenomeno elettromagnetico.
Di conseguenza si scopre che le costanti elettromagnetiche relative
εr e μr costituiscono l'indice di diffrazione n, che è una caratteristica
di tutti i materiali, di notevole importanza in tutti gli effetti ottici.
Quindi, conoscendo le costanti elettromagnetiche di un materiale, si può misurare indirettamente
la velocità v della luce che attraversa quel materiale: infatti, quando la luce non viaggia nel
vuoto, bensì in una sostanza qualsiasi, la sua velocità diminuisce di un fattore n.
Gli effetti delle caratteristiche elettromagnetiche dei materiali
Le proprietà elettromagnetiche dei materiali condizionano il
comportamento della materia quando essa interagisce con
dei campi elettromagnetici variabili. Infatti tali caratteristiche
sono evidenti quando si effettuano misurazioni irraggiandoli
con delle onde elettromagnetiche.
Le onde che incontrano la materia subiscono deviazioni e
modificazioni. Una parte delle onde incidenti può venir assorbita,
una parte trasmessa, una parte riflessa (simile alla riflessione
dei comuni specchi). Essendo nota l'onda trasmessa
che noi stessi generiamo, e misurando l'onda trasmessa o riflessa, possiamo ricavare importanti
informazioni sulle caratteristiche della sostanza incontrata. Queste misurazioni fanno parte
della spettroscopia dielettrica.
In particolare, il rapporto tra onda trasmessa e onda incidente è chiamato trasmittanza
T o, se in scala logaritmica, assorbanza A. Invece dal rapporto tra
onda riflessa e onda inviata si ricava la riflettanza R. La trasmittanza di solito
viene espressa in percentuale, mentre spesso l'assorbanza e la riflettanza
sono espresse con una scala logaritmica: si misurano quindi in decibell (il cui
simbolo è dB), anche se in realtà si tratterebbe di un numero puro. La scala logaritmica
permette di “comprimere” l'intervallo di misura, cioè di esprimere facilmente
sia i valori molto piccoli che i valori molto grandi.
Dai valori di riflettanza o di assorbanza si possono ricavare, tramite opportuni e complessi calcoli,
i valori delle costanti elettromagnetiche ε e μ.
Misura pratica della riflettanza con le microonde
c0 = 1
=299 792 458
ε 0⋅μ 0
m
s
n=ε r⋅μ r
v= c0 1
=
n ε⋅μ =
T = I trasmessa
I 0
A = log 1
T
R = log I riflessa
I 0
La tecnologia oggi ci mette a disposizione nuovi mezzi d'indagine. Lo sviluppo congiunto di elet-
1
ε 0 ⋅ε r ⋅μ 0 ⋅μ r
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tronica e informatica ha fatto si che il miglior metodo per misurare le caratteristiche della materia
è quello di utilizzare e misurare le microonde. Le microonde sono onde elettromagnetiche
con frequenze che vanno da 10 9 a 10 11 Hz (cioè nell'ordine di grandezza dei GHz).
Si tratta di onde relativamente poco energetiche ma versatili, tanto che oggigiorno vengono utilizzate
in molti ambiti, dalle telecomunicazioni (ad esempio i cellulari GSM, i satelliti, le reti informatiche
Wireless...) al riscaldamento dei cibi (come nei comuni forni a microonde).
Le microonde hanno la caratteristica di poter essere generate e misurate con estrema precisione,
oltre che di attraversare facilmente la materia. Questo ci permette al tempo stesso di penetrare
dentro i materiali, senza distruggerli e senza conseguenze a breve termine, e di ricavare
importanti notizie dall'interno, principalmente collegate con le costanti ε e μ.
Procedimento di misura con riflettometro
Per misurare la riflettanza, il cui termite tecnico è reflection loss, utilizzeremo un apparecchio
chiamato riflettometro. Questo riflettometro, fa parte della famiglia dei network analyzer (cioè
analizzatori di rete), in quanto è in grado di generare un segnale radio e di misurarne un altro
proveniente dall'ambiente.
Il nostro riflettometro sarà quindi composto prima di tutto da un generatore di microonde: si tratta
di un complesso sistema di circuiti integrati che è in grado di emettere con estrema precisione
le frequenze richieste dall'utente.
Il generatore in realtà produce solo dei segnali elettrici. Perché essi
diventino microonde, cioè onde elettromagnetiche, è necessario un
elemento irradiante, comunemente chiamato antenna (paragonabile
a quella per la televisione o per la radio). Questa antenna in particolare
viene chiamata antenna direzionale, in quanto irradia le onde in
un'unica direzione, quella lungo la quale incontrerà il materiale da
esaminare, senza colpire le zone circostanti. L'antenna è anche in
grado di fare il processo inverso, cioè di ricevere dall'ambiente delle
microonde, e di trasformale in segnali elettrici. L'antenna può essere
appoggiata o immersa nella sostanza da studiare.
Un'altra parte importante è chiamata accoppiatore direzionale: questo
componente serve a “smistare” i segnali elettrici provenienti in
entrata e in uscita da uno stesso cavo coassiale. Esso quindi è in
grado di separare gli impulsi che vengono generati da quelli che vengono
ricevuti dall'antenna.
Il generatore inoltre compie un processo chiamato
sweep. Un generatore di frequenze con
sweeping non emette singole frequenze, ma in
realtà emette in ogni istante tutte le frequenze
comprese fra una frequenza iniziale e una finale,
con un risoluzione scelta manualmente. In
questo modo viene effettuata una misura dello
spettro di riflessione parziale.
Annesso al generatore, c'è un ricevitore, che
studia e misura accuratamente il segnale elettrico
che gli viene fornito, cioè quello che viene
riflesso.
Tutto il riflettometro è infine controllato da un
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piccolo processore, che ha la possibilità di collegarsi ad un computer tramite interfaccia seriale.
In questo modo, tramite un apposito programma, dal PC si possono impostare i parametri dello
sweeping e visualizzare i risultati forniti dal ricevitore.
Tutti i componenti solo alimentati con corrente continua a 12V, con un consumo molto basso.
Prima delle misurazioni, di solito si effettua una calibrazione con l'aria.
Elenchiamo ora i passaggi del funzionamento del nostro riflettometro:
• sul computer l'utente sceglie l'intervallo di frequenze da analizzare
• il generatore genera i segnali elettrici richiesti
• il segnale del generatore passa all'accoppiatore direzionale, che lo indirizza verso l'antenna
• l'antenna viene appoggiata al materiale da studiare
• l'antenna emette in un'unica direzione le microonde corrispondenti al segnale elettrico
generato
• le microonde colpiscono i materiali da studiare, ed interagiscono con essi: alcune verranno
trasmesse, altre assorbite, altre riflesse
• le onde riflesse vengono catturate di nuovo dall'antenna, la quale le trasforma in segnali
elettrici
• il segnale di ritorno viene selezionato dall'accoppiatore direzionale
• il segnale riflesso viene poi inviato al ricevitore, che lo misura
• tutti i dati sono raccolti dal processore,
che li elabora e li converte
in informazioni digitali
• i dati digitali vengono infine trasmessi
ad un computer, il quale
restituirà il valore in dB della riflettanza
• sul computer verrà visualizzato
graficamente l'andamento della riflettanza
al variare della frequenza.
La curva ottenuta è diversa in
ogni materiale, e cambia in funzione
delle condizioni di misura.
[vedi allegati]
Applicazioni della misura delle proprietà elettromagnetiche
Dai risultati ottenuti con un riflettometro come quello sopra esposto si possono avere interessanti
applicazioni.
Per la fisica misurare caratteristiche come la riflettanza può portare ad individuare le costanti ε
e μ del materiale, necessarie a compiere i numerosi calcoli dei fenomeni elettromagnetici. Infatti
la struttura interna della materia influenza le proprietà elettromagnetiche della sostanza in esame.
Le costanti così ricavate, possono rivelarsi utili anche nei campi dell'ingegneria, elettronica ed
elettrotecnica, in quanto conoscere ε e μ è fondamentale quando si ha a che fare con circuiti
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elettrici e componenti di precisione.
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Abbiamo applicazioni in campo medico-biologico, per esempio nella ricerca e diagnosi di cancro.
Infatti le cellule tumorali hanno una costante dielettrica diversa rispetto alle cellule sane.
Con un fascio di onde direzionale si può individuare con molta precisione la dislocazione della
malattia, per poter effettuare interventi mirati. Le microonde sono state utilizzate anche per studiare
il metabolismo dell'encefalo, e le modificazioni indotte dall'assunzione di droghe all'attività
celebrale e alle proteine. Particolari riflettometri sono inoltre utilizzati per misurare la carica batterica
di un campione, o effettuare analisi specifiche di particolari sostanze, come per la quantità
di zucchero presente nel sangue (chiamata glicemia).
Lo studio della risposta della materia alle onde elettromagnetiche
ha applicazioni anche nella chimica, come nel
riconoscimento delle sostanze, in quanto ogni materiale
ha la propria “impronta” elettromagnetica. Quindi si possono
ricavare informazioni riguardo la struttura molecolare
di una sostanza. Inoltre, tramite l'assorbanza, si può
quantificare la concentrazione c di una sostanza all'interno
di un'altra. Tutte queste applicazioni si raggruppano
sotto il nome di spettrofotometria (nel caso vengano utilizzate
onde di luce visibile) o più in generale di spettroscopia
dielettrica.
In campo industriale i riflettometri possono essere utilizzati per misurare e
quantificare sostanze e polveri presenti nelle emissioni gassose. Per esempio,
nei camini delle centrali termo-elettriche, è spesso presente un riflettometro
in grado di misurare la percentuale di carbone incombusto (cioè non bruciato)
che esce insieme al fumo, permettendo ai tecnici della centrale di ottimizzare
i consumi.
Legge di Lambert-Beer:
A=k⋅c⋅s
c= A
k⋅s
Troviamo un'importante applicazione nella misura dell'umidità. Essa è
la quantità di acqua presente nell'aria o in un corpo. La presenza di
acqua modifica la capacità di risposta dei materiali al passaggio di
un'onda elettromagnetica, e quindi le sue proprietà elettromagnetiche.
Effettuando opportune tarature, è possibile misurare con precisione la
quantità di acqua presente in una spugna, in un mobile di legno, o nell'aria.
Infatti, questi nuovi apparecchi trovano una grande applicazione anche
nella meteorologia. Si tratta di un'importante innovazione: basti pensare
che fino a 2-3 decenni fa, la misura dell'umidità dell'aria era affidata
solo a metodi ottocenteschi, come l'igrometro a capello (ancor
oggi ampiamente utilizzato), che sfrutta la proprietà dei capelli umani
di allungarsi e restringersi al variare dell'umidità nell'aria. La moderna
tecnologia ci fornisce invece piccoli apparecchi elettronici (simili al riflettometro presentato precedentemente)
che effettuano misure digitali, di precisione e in tempo reale.
Altre particolari applicazioni sfruttano la capacità delle microonde di attraversare facilmente i
corpi che incontrano. Un apparecchio a microonde che misura la potenza riflessa, può ad
esempio funzionare da radar, fornendo informazioni sugli oggetti presenti oltre una parete. Oppure
si possono effettuare misure di distanza e di spessore, individuare dove all'interno di un
pezzo di legno è presente un chiodo, o dove le tubature dell'acqua attraversano il pavimento.
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Punti di forza della spettroscopia dielettrica
Simone Donadello - classe 5°T - Maturità 2006
Le caratteristiche vincenti della misura delle caratteristiche dielettriche dei materiali con le microonde
si possono riassumere in:
– misure veloci (in pochi secondi), versatili e comode
– misure precise e digitalizzate
– possibilità di analizzare “a distanza” materiali altrimenti non
raggiungibili o non maneggiabili (perché ad alte temperature,
molto fragili, corrosivi...)
– rappresenta un metodo non distruttivo per i campioni in
esame: il materiale non subisce alcun danno o modificazione
dalla misura. Non necessita di particolari preparazioni
e può essere riutilizzato dopo il test.
Conclusione
Abbiamo analizzato una parte dell'elettromagnetismo e delle sue applicazioni, osservando la
loro importanza e articolazione. Siamo passati dalla radio, con i suoi effetti nella società, alle ultime
innovazioni tecnologiche, che cambiano sempre più la nostra vita.
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Bibliografia essenziale
Simone Donadello - classe 5°T - Maturità 2006
▪ Basics of measuring the dielectric properties of materials - Application Note 1217-1 - HP
▪ Microwave Dielectric Spectroscopy Workshop - Agilent Technologies
▪ HP 85070B Dielectric Probe Kit - User's Manual - HP
▪ varie voci di Wikipedia - l'enciclopedia libera - http://it.wikipedia.org
▪ Il nuovo atlante storico 1996 - Zanichelli
▪ fonti varie tratte da ricerche con Google - http://www.google.it
Allegati
▫ “La radia - Manifesto futurista dell'ottobre 1933” di Filippo Tommaso Marinetti e Pino Masnata
▫ alcune misurazioni di riflettanza effettuate con un riflettometro a microonde
Ringraziamenti
Si ringrazia in particolare ing. Gianni Chizzoni per la consulenza tecnica, e la ditta PM Microwave
di Mantova (specializzata in apparecchiature per microonde ad alta tecnologia) per la gentile
concessione dei componenti necessari alla dimostrazione pratica di spettroscopia.
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