Manadinamica – Campi e onde elettromagnetiche (Interazioni fondamentali Parte III)

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Nel precedente articolo abbiamo visto come molti fenomeni naturali derivino dall’interazione elettrica tra oggetti carichi e come una forza magica che sfrutti questa stessa interazione possa produrre effetti mirabolanti.
Ma non abbiamo ancora considerato un elemento: cosa succede quando le cariche si muovono?

Questo è un articolo della serie di Manadinamica e potete trovare qui gli altri:
Il problema energetico
-L’Entropia
-Gravità e forza nucleare
Elettrostatica

Campi magnetici

Il campo elettrico presenta, come peculiarità, quella di essere sempre accompagnato, nel caso di particelle in movimento, da un suo “gemello”, il Campo magnetico: questi due fenomeni, che rappresentano ciascuno l’altra faccia della medaglia dell’altro, sono talmente legati tra loro dal formare, di fatto, un’unica entità detta comunemente “campo elettromagnetico”.

Quando infatti un oggetto elettricamente carico si muove, produce delle “increspature” nel campo elettromagnetico, simili a quelle di un oggetto che si muove nell’acqua: tali “increspature” sono in grado di interagire con altri oggetti carichi tramite la cosiddetta Forza di Lorentz, una forza che devia il moto degli oggetti carichi.

Nello specifico, la forza di Lorentz è una forza che agisce su corpi che si muovono in una direzione differente rispetto a quella del campo magnetico, deviandoli verso traiettorie che tendono a farli ruotare attorno al campo stesso.

Ma che”forma” ha un campo magnetico?
Questi campi di forza sono sempre caratterizzati da linee di forza chiuse.
Questo significa che, mentre nel campo elettrico e gravitazionale, le linee di forza sono aperte e i corpi tendono ad avvicinarsi o allontanarsi, in un campo magnetico i corpi da esso attratti tendono a seguire traiettorie chiuse, spesso di forma circolare o elicoidale.
Questa caratteristica si può osservare spargendo della limatura di ferro nei pressi di una calamita: la polvere metallica tenderà a disporsi seguendo delle linee che partono da un polo della calamita e raggiungono l’altro. Se si potesse “attraversare” la calamita, la limatura produrrebbe una linea perfettamente chiusa.

Da una forza semplice e apparentemente molto specifica, come quella di Lorenz, deriva però una grande quantità di applicazioni pratiche.
Nel mondo naturale, ad esempio, il campo magnetico terrestre circonda il pianeta partendo dai poli magnetici del pianeta (molto vicini a quelli geografici, motivo per i quali le bussole puntano effettivamente a nord) e si riunisce nel nucleo della terra.
Questo campo ha un’azione utilissima nella protezione del pianeta: esso infatti intrappola molte particelle cariche provenienti dal sole, che sarebbero nocive per la vita, grazie alle cosiddette Fasce di Val Allen e le costringe a ruotare attorno alle sue linee di campo fino al polo nord, dove esse raggiungono l’alta atmosfera producendo le famose aurore boreali.

How does Earth sustain its magnetic field? | Carnegie Institution for  Science

L’uomo, poi, ha scoperto i fenomeni magnetici grazie soprattutto alle correnti elettriche: il movimento di cariche elettriche all’interno di un filo elettrico, infatti, può raggiungere, in caso di intensità importanti, valori tali da produrre campi magnetici misurabili e utilizzabili dall’uomo.
Non solo, si verifica anche un fenomeno “quasi opposto” nel quale, muovendo un magnete in prossimità di un circuito chiuso, le cariche all’interno del filo si mettono in movimento producendo corrente elettrica: è la cosiddetta induzione magnetica, illustrata dalla legge di Faraday-Neumann-Lenz.

Questo fenomeno ha delle notevoli applicazioni pratiche nel mondo moderno: infatti, è alla base della maggior parte dell’energia elettrica.
Quasi tutta la corrente è, ad oggi, prodotta tramite calore: bruciando una sostanza o utilizzando altre fonti di calore come, ad esempio, le reazioni nucleari di una centrale atomica, una certa quantità di acqua viene scaldata, ridotta in vapore sotto pressione e fatta passare con forza all’interno di una turbina.
Grazie al moto di quest’ultima, un magnete interagisce con delle bobine di materiale conduttore e produce la corrente elettrica che arriva, poi, alle nostre case.

turboalternatore

Ma se i campi magnetici agiscono solo su corpi in movimento, come fanno le calamite ad attirare il metallo?
I fenomeni magnetici dei materiali sono dati dalla loro struttura interna: gli atomi, infatti, grazie al moto degli elettroni intorno al nucleo, costituiscono delle piccole strutture dette “dipoli magnetici”.
Nella maggior parte dei materiali, però, essi sono orientati casualmente e la loro enorme quantità produce, complessivamente, un effetto nullo: tuttavia, alcuni materiali presentano una certa disposizione ad allineare questi atomi in presenza di un campo magnetico esterno.
In questi materiali, detti ferromagnetici, la ridisposizione delle cariche interne produce una forza attrattiva tra calamita e metallo (o anche tra due calamite): l’effetto opposto, detto diamagnetismo, è molto più raro e richiede spesso temperature estremamente basse, ma produce un fenomeno repulsivo che può essere utilizzato, ad esempio, per sospendere un materiale nel vuoto (la cosiddetta levitazione diamagnetica).

E’ evidente che i campi magnetici possano essere considerati la base fisica di incantesimi molto interessanti: il mago potrebbe attrarre o deviare oggetti metallici, creando delle specie di “scudi di forza”. In effetti, i campi magnetici vengono utilizzati per catturare il plasma ionizzato negli attuali tentativi di produrre reattori a fusione nucleare.
Inoltre, un potente campo magnetico potrebbe produrre correnti elettriche devastanti all’interno di materiali conduttori.

Ma non è finita qui…

Onde Elettromagnetiche

Invece che come degli insiemi di forze, possiamo immaginare il campo elettromagnetico come un’entità nella quale siamo immersi e che ha determinate caratteristiche: esattamente come un territorio, il campo elettromagnetico avrà zone dove il campo è più positivo, esattamente come un terreno ha delle alture, e zone dove esso tende al negativo, proprio come un territorio presenta avvallamenti.
A differenza del terreno, però, il campo elettromagnetico è soggetto a variazioni repentine, come abbiamo visto grazie al magnetismo.

Queste “perturbazioni” del campo si propagano nello spazio “oscillando” esattamente come le onde sul mare, ed è per questo che sono chiamate Onde Elettromagnetiche: lungi dall’essere le entità artificiali e dannose dipinte dai complottisti, si tratta di fenomeni di un’unica natura, l’oscillazione del campo magnetico, ma che, come vedremo, hanno origini ed effetti molto differenti in base alla frequenza di oscillazione dell’onda stessa.

Possiamo immaginare un’onda elettromagnetica come un insieme di fotoni, particelle di “luce” (che, come vedremo, è un tipo di onda) prive di massa, che viaggia nel cosmo: il numero di fotoni determinerà l’intensità della radiazione, mentre la frequenza dell’oscillazione le sue caratteristiche fra le quali, la più importante, l’energia a disposizione e, da essa, quanto l’onda possa penetrare attraverso un materiale.
Tutte le onde elettromagnetiche possono essere posizionate in una linea immaginaria, lo “spettro elettromagnetico”, partendo da quelle con frequenza inferiore e salendo di frequenza.

Partiamo dalle onde di frequenza inferiore, le onde radio: si tratta di onde relativamente rare in natura sulla terra, ma che sono invece emesse da diversi corpi celesti e hanno permesso la nascita di una nuova, apposita branca dell’astronomia, la radioastronomia.
A causa della loro bassa energia, alta penetrazione, capacità di rimbalzare nell’atmosfera e facilità di produzione, sono utilizzate ormai da oltre un secolo per la comunicazione (le famose onde radio). Una magia che sfrutti tale fenomeno potrebbe usare il mago come antenna per inviare e ricevere messaggi esattamente come una normale radio.

How waves can travel from a transmitter to a receiver either by line of sight, through a ground wave, or by bouncing off the ionosphere.

Se aumentiamo l’energia e la frequenza delle onde, incontriamo le Microonde: chiamate così perché il loro spettro di lunghezze d’onda (parametro che si riduce all’aumentare della frequenza) contiene quella dei micron, si tratta di onde utilizzate anch’esse per la comunicazione, ma non soltanto.
Queste onde, infatti, vengono anche prodotte e assorbite da alcuni materiali: hanno infatti, in alcuni casi, le stesse energie delle rotazione specifiche di alcune molecole.
L’esempio famoso è la molecola d’acqua, in grado di assorbire onde di frequenza di 2,45 Gigahertz: si tratta comunque, in generale, di onde innocue salvo pochi casi specifici come il precedente.
In ogni caso va ricordato che tale frequenza fu scoperta casualmente da un tecnico radio a causa dello scioglimento di una barretta di cioccolato, e che il suddetto tecnico, Percy Spencer, dopo aver inventato il forno a microonde morì serenamente nel 1970 alla tenera età di 76 anni.

Continuando a salire di frequenza, incontriamo finalmente gli infrarossi (chiamati così perché , nello spettro, stanno subito prima della la luce rossa, quella di frequenza inferiore nella luce visibile).
Gli infrarossi sono onde elettromagnetiche prodotte per lo più dall’agitazione termica dei corpi: i corpi più caldi risultano emettere infatti radiazioni infrarosse di frequenza maggiore, dunque più energetiche, ed è proprio su questo presupposto che si basano i visori infrarossi di uso militare e civile per la visione notturna, oppure i sistemi di rilevazione di alcuni animali.
Inoltre, tutte le volte che percepiamo calore senza contatto diretto con un’oggetto caldo, ne trasportato da una vampata di aria calda, allora si tratta per lo più (come in un caminetto) di emanazione di raggi infrarossi.

Arriviamo finalmente alla luce visibile: tutta la luce che i nostri occhi riescono a vedere corrisponde all’insieme di queste frequenze.
Esse compongono quella parte di spettro elettromagnetico detto “spettro visibile” che corrisponde sostanzialmente ai colori dell’arcobaleno, partendo dal rosso e salendo verso i gialli, verdi, blu e infine le frequenze violette.
Questa luce è emessa, in natura, in maniera equivalente all’infrarosso ma per corpi estremamente caldi (che diventano infatti “incadescenti”) come giust’appunto le stelle come il sole, oppure da fenomeni che hanno a che vedere con la ionizzazione dei materiali (la separazione cioè degli elettroni dai loro atomi) come fulmini e fiamme.

Superato il violetto, si trovano i fotoni di ad alta frequenza: i più noti sono i raggi ultravioletti provenienti dal sole, chiamati così proprio perché le frequenze superano quelle del colore violetto, che sono in grado di danneggiare la pelle a causa dell’alto livello energetico dei fotoni che li compongono.

Quando però si sale ulteriormente di energia, le radiazioni tendono ad interagire meno con la materia, attraversando buona parte dei materiali: tuttavia, nei casi relativamente rari nei quali invece interagiscono con la materia, possono trasferire quantità di energie molto grandi e dannose.

E’ il caso questo dei raggi X, che stanno oltre gli ultravioletti e vengono comunemente usati per le radiografie, attraversando i tessuti molli ma venendo assorbiti dalle ossa (non è un caso che si raccomandi di ridurre al minimo le radiografie): l’ultimo stadio dello spettro elettromagnetico poi, i raggi gamma, possono attraversare chilometri e chilometri di materia senza interagire minimamente, ma sono molto pericolosi e per fermarli sono necessari spessi strati di piombo.

L’uso magico delle onde elettromagnetiche è enorme: un abile incantatore potrebbe usarle per comunicare, riscaldare, illuminare, per percepire e ferire gli avversari: è però importante capire che, per percepire un’onda, è necessario che essa sia emessa o rimbalzata da un altro mezzo.
Insomma, mentre per vedere gli infrarossi basta un visiore, per i raggi X servirebbe che la radiazione venisse emessa dietro il bersaglio.

E ora?

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