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Simone Donadello - classe 5°T - Maturità 2006

Non solo radio...Non solo radio...Le onde elettromagnetiche e le proprietà dielettriche dei materiali

Le applicazioni: dalla radio ad oggi

un approfondimento di

Simone Donadelloclasse 5°T - Maturità 2006

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Indice generale • Le onde elettromagnetiche....................................................................................................... 3

٠ Cosa sono le onde elettromagnetiche............................................................................... 3٠ 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...Le onde elettromagnetiche e le proprietà dielettriche dei materiali

Le applicazioni: dalla radio ad oggiIn questo approfondimento analizzeremo una parte del grande mondo delle onde elettromagne-tiche. 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 nel-la vita comune. In particolare, una delle più rilevanti è stata l'invenzione della radio, che rivolu-zionò il modo di comunicare a partire dal ventesimo secolo; altre applicazioni, più recenti, sfrut-tano le nozioni riguardanti le proprietà elettromagnetiche dei materiali, che permettono di studia-re e capire meglio la materia che ci circonda.

Le onde elettromagnetiche

Cosa sono le onde elettromagneticheIn 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 parti-colare, 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 varia-re, seguendo un andamento sinusoidale nel tempo e nello spazio, esprimibile da una formula di matematica goniometrica. Questo sus-seguirsi 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 lun-ghezza 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 elettromagnetiche nel vuoto si muovono ad una velocità costante, indicata con c; questa co-stante si rivelerà fondamentale in molti ambiti della fisica.

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ν= cλ

c≃3⋅108 ms

E=E0⋅sin [ 2πλ⋅x−c⋅t ]

B=B0⋅sin [ 2πλ⋅x−c⋅t ]


La lunghezza d'onda definisce il tipo di onda elet-tromagnetica; infatti al variare di λ, le onde possono essere classificate come: raggi gamma, raggi X, ra-diazione ultravioletta, luce visibile, radiazione infra-rossa, microonde, o onde radio... Tutte queste mani-festazioni, apparentemente diverse fra loro in quanto occupano differenti campi di applicazione, fanno parte dello stesso fenomeno: quello delle onde elettromagnetiche.

Le prime applicazioni: la radioI 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 108 Hz, che vennero per questo motivo chiamate onde radio. Usualmente le radio sono dotate di una o più antenne, che hanno forme e dimensio-ni diverse, adatte a particolari scopi (ad esempio, se si vuole veicolare il segnale radio in un'unica direzione o se si vuole ri-cevere da ovunque).Queste prime e semplici comunicazioni furono ben presto po-tenziate, e le distanze di trasmissione avvicinarono posti lonta-ni, accorciando di colpo distanze fra i continenti. Tuttavia si trattava ancora di messaggi in codi-ce 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 fi-nalmente 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 guerraLe 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 con-trospionaggio, con il tentativo degli eserciti di intercettare i segnali radio nemici. In quegli anni la famosa Torre Eiffel venne presa in consegna dal-l'esercito e dotata di diverse e potenti antenne, in grado di ricevere e tra-smettere 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 decisa-mente più sviluppate; anche grazie a questo i combattimenti assunsero caratteristiche decisa-mente 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 societàLa radio era destinata ad avere importanti ripercussioni anche sulla società e sulla comunica-zione “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 tutto-ra, nel ventunesimo secolo, continua ad avere un ruolo piuttosto importante, sfruttando tecnolo-gie molto simili a quelle utilizzate agli inizi del 1900. La radio ha intrattenuto, informato, comuni-cato a intere generazioni, formando e modellando idee e pensieri.Non a caso il controllo dei nuovi mezzi di comunicazione di mas-sa 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 attenzio-ne gli effetti della radio come formidabile mezzo di propaganda. Dopotutto, ancora oggi nell'era della democrazia e del libero con-sumo, possedere mezzi di comunicazione radiofonici è di impor-tanza 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 dove-vano essere sintetici e chiari, per poter concentrare in poco tempo tutte le informazioni impor-tanti, 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 ot-tobre 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 pre-da della isteria, si riversarono nelle strade per cercare di scappare dal-le città, il traffico si congestionò, molti si procurarono armi pronti a resi-stere all'esercito alieno. Ci volle un po' di tempo, qualche ferito e addi-rittura qualche vittima “vera”, per far capire che si trattava solo di uno scherzo. Questo episodio ci deve far meditare sull'importanza dei nuo-vi 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, incen-di, versi alieni, grida umane terrorizzate e sirene, a cui facevano eco rapporti di morti e feriti, degni di veri bollettini di guerra.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 pun-to dove sono atterrati gli alieni sta descrivendo i primi contatti con le terribili creature. Il collega-mento 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 cuo-io umido. Ma il muso! È... indescrivibile. Devo farmi forza per riuscire a guar-darlo. 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 micro-fono 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 elettromagneticheQuando 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”].

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ε0=8,854187817⋅10−12Fm

μ0=4⋅π⋅10−7 NA 2 =12,566370 614⋅10−7 N

A2


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 mi-sura. 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 vuo-to con quelle relative.

Quando, invece che campi costanti, si utilizza-no campi variabili e oscillanti (come nel caso delle onde elettromagnetiche), si osserva che ε e μ hanno valori diversi al variare della fre-quenza elettromagnetica che attraversa il ma-teriale. Questo è dato dal fatto che ε e μ pos-sono essere espressi matematicamente come numeri complessi o come vet-tori: 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 repen-tini e continui cambiamenti dei campi elettromagnetici.

A cosa sono dovute ε e μDal 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 biso-gna 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 so-stanze.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 insie-me, 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 po-lare) viene immerso in un campo elettrico costante, le sue molecole si orientano tutte nello stesso senso, immagazzinando energia. Questo com-portamento 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 elettromagneti-che, 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 imma-gazzinare energia diminuisce e si modifica al variare della frequenza.

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ε *=ε,i⋅ε ,,

μ*=μ ,i⋅μ ,,

ε=ε0⋅εr

μ=μ0⋅μ r


La luce come onda elettromagneticaQuando 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, quel-la 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 velo-cità 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 in-contra 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 . Que-sto non fa altro che confermare che anche la luce è un fenomeno elettromagnetico.Di conseguenza si scopre che le costanti elettromagnetiche relati-ve εr e μr costituiscono l'indice di diffrazione n, che è una caratteri-stica di tutti i materiali, di notevole importanza in tutti gli effetti otti-ci.Quindi, conoscendo le costanti elettromagnetiche di un materiale, si può misurare indirettamen-te 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 materialiLe 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 assor-bita, una parte trasmessa, una parte riflessa (simile alla rifles-sione dei comuni specchi). Essendo nota l'onda trasmessa che noi stessi generiamo, e misurando l'onda trasmessa o riflessa, possiamo ricavare importan-ti 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 tra-smittanza 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 lo-garitmica permette di “comprimere” l'intervallo di misura, cioè di esprimere fa-cilmente sia i valori molto piccoli che i valori molto grandi.Dai valori di riflettanza o di assorbanza si possono ricavare, tramite opportuni e complessi cal-coli, i valori delle costanti elettromagnetiche ε e μ.

Misura pratica della riflettanza con le microondeLa tecnologia oggi ci mette a disposizione nuovi mezzi d'indagine. Lo sviluppo congiunto di elet-

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T =I trasmessa

I 0

A = log 1T

R = log I riflessa

I 0

c0=1

ε 0⋅μ0

=299 792 458 ms

n=ε r⋅μr

v=c0

n= 1ε⋅μ

= 1ε0⋅ε r⋅μ0⋅μr


tronica e informatica ha fatto si che il miglior metodo per misurare le caratteristiche della mate-ria è quello di utilizzare e misurare le microonde. Le microonde sono onde elettromagnetiche con frequenze che vanno da 109 a 1011 Hz (cioè nell'ordine di grandezza dei GHz).Si tratta di onde relativamente poco energetiche ma versatili, tanto che oggigiorno vengono uti-lizzate in molti ambiti, dalle telecomunicazioni (ad esempio i cellulari GSM, i satelliti, le reti infor-matiche Wireless...) al riscaldamento dei cibi (come nei comuni forni a microonde).Le microonde hanno la caratteristica di poter essere generate e misurate con estrema precisio-ne, oltre che di attraversare facilmente la materia. Questo ci permette al tempo stesso di pene-trare 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 riflettometroPer 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 trat-ta di un complesso sistema di circuiti integrati che è in grado di emettere con estrema precisio-ne 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 partico-lare 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: que-sto 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 ven-gono ricevuti dall'antenna.

Il generatore inoltre compie un processo chia-mato 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 fina-le, 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 elet-trico 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'an-tenna

• 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 verran-no 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 proces-sore, che li elabora e li converte in informazioni digitali

• i dati digitali vengono infine tra-smessi ad un computer, il quale restituirà il valore in dB della riflet-tanza

• sul computer verrà visualizzato graficamente l'andamento della ri-flettanza al variare della frequen-za. La curva ottenuta è diversa in ogni materiale, e cambia in fun-zione delle condizioni di misura.

[vedi allegati]

Applicazioni della misura delle proprietà elettromagneticheDai risultati ottenuti con un riflettometro come quello sopra esposto si possono avere interes-santi 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 esa-me.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.Abbiamo applicazioni in campo medico-biologico, per esempio nella ricerca e diagnosi di can-cro. 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 stu-diare 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 bat-terica di un campione, o effettuare analisi specifiche di particolari sostanze, come per la quanti-tà di zucchero presente nel sangue (chiamata glicemia).Lo studio della risposta della materia alle onde elettroma-gnetiche ha applicazioni anche nella chimica, come nel riconoscimento delle sostanze, in quanto ogni materiale ha la propria “impronta” elettromagnetica. Quindi si pos-sono ricavare informazioni riguardo la struttura molecola-re di una sostanza. Inoltre, tramite l'assorbanza, si può quantificare la concentrazione c di una sostanza all'inter-no di un'altra. Tutte queste applicazioni si raggruppano sotto il nome di spettrofotometria (nel caso vengano utiliz-zate onde di luce visibile) o più in generale di spettrosco-pia dielettrica.In campo industriale i riflettometri possono essere utilizzati per misurare e quantificare sostanze e polveri presenti nelle emissioni gassose. Per esem-pio, nei camini delle centrali termo-elettriche, è spesso presente un riflettome-tro in grado di misurare la percentuale di carbone incombusto (cioè non bru-ciato) che esce insieme al fumo, permettendo ai tecnici della centrale di otti-mizzare i consumi.

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 nel-l'aria.Infatti, questi nuovi apparecchi trovano una grande applicazione anche nella meteorologia. Si tratta di un'importante innovazione: basti pen-sare che fino a 2-3 decenni fa, la misura dell'umidità dell'aria era affi-data 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 pre-cedentemente) 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. Op-pure 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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Legge di Lambert-Beer:

A=k⋅c⋅s

c= Ak⋅s


Punti di forza della spettroscopia dielettrica

Le caratteristiche vincenti della misura delle caratteristiche dielettriche dei materiali con le mi-croonde 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 temperatu-re, molto fragili, corrosivi...)

– rappresenta un metodo non distruttivo per i campioni in esame: il materiale non subisce alcun danno o modifica-zione dalla misura. Non necessita di particolari preparazio-ni e può essere riutilizzato dopo il test.

ConclusioneAbbiamo 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 ul-time innovazioni tecnologiche, che cambiano sempre più la nostra vita.

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Bibliografia essenziale▪ 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

RingraziamentiSi ringrazia in particolare ing. Gianni Chizzoni per la consulenza tecnica, e la ditta PM Microwa-ve 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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non solo radio - sunt.it · rapporti di guerra dal fronte, divenne molto più semplice che in...

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