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La teoria elettromagnetica della luce

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by

Stefano Ferri

on 6 April 2016

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Transcript of La teoria elettromagnetica della luce

Le onde elettromagnetiche e la teoria elettromagnetica della luce
Le equazioni di Maxwell nel vuoto
La combinazione di queste equazioni permette di prevedere l'esistenza di onde elettromagnetiche!
E il mezzo di propagazione?
Parliamo di onde, e le onde elettromagnetiche in che mezzo si propagano? Anche la luce, in che mezzo si propaga?
La velocità delle onde elettromagnetiche
La teoria prevede una velocità pari a
La misura della velocità della luce
La prima teoria dell'unificazione
Tutti questi indizi fanno ritenere a Maxwell che la luce abbia le caratteristiche di un'onda elettromagnetica. Nella sua opera più importante, il
Treatise on Electricity and Magnetism
, scrive:
Le onde elettromagnetiche
cioè 300.000 km/s
Ma misurata in
quale sistema di
riferimento?!
Nell'
etere
(qui rappresentato nella visione meccanicista)
L'esperimento di Fizeau a Parigi (1849)
A sinistra una versione moderna dell'esperimento
Il metodo di Romer (1675)
c=315000 km/s
Si basa sulla differenza tra gli istanti previsti delle eclissi di Io, un satellite di Giove, e quanto osservato effettivamente
c=210000 km/s
Fizeau e la misura della velocità della luce nell'acqua (1851)
Osservò che la velocità della luce nell'acqua è
inferiore
rispetto a quella nel vuoto: questa è una conferma della natura
ondulatoria
della luce.
Il fatto che le onde elettromagnetiche, entità ancora sconosciute ma previste dalle equazioni, abbiano una velocità, anch'essa prevista, che è la stessa della luce, già misurata con vari esperimenti,
può essere solo una coincidenza?
NO!
Anche perché la coincidenza sul valore della velocità non è l'unico indizio: la luce presenta
interazioni con campi magnetici
ed
è influenzata dalle proprietà elettriche della materia
L'effetto Faraday
Il fatto che la luce presenti fenomeni di polarizzazione è indice della sua natura di
onda trasversale
, mentre l'interazione con un campo magnetico indica che la luce è anche un
fenomeno magnetico
.
Consiste nella rotazione del piano di polarizzazione della luce quando questa attraversa un campo magnetico.
Il legame tra l'indice di rifrazione e le proprietà elettriche della materia
Maxwell ritiene di poter misurare l'indice di rifrazione conoscendo la costante dielettrica relativa del mezzo. Non ottiene grandi risultati (può lavorare tra l'altro solo sulla paraffina) ma scrive:

“Nello stesso tempo, penso che la concordanza tra i numeri è tale che, se non si
trovassero maggiori divergenze tra i numeri derivati dalle proprietà ottiche e da quelle elettriche di un notevole numero di sostanze, si dovrebbe poter concludere che la radice quadrata di K, anche se potrebbe non essere l'espressione completa dell'indice di rifrazione, è almeno il termine più importante di essa”.

Oggi scriveremmo:

“Il passo più importante per stabilire una relazione tra i fenomeni elettrici e magnetici e quelli della luce deve essere la scoperta di qualche esempio in cui l'una serie di fenomeni è influenzata dall'altra. Nella ricerca di questi fenomeni dobbiamo lasciarci guidare da tutte le possibili conoscenze circa la la forma matematica o geometrica delle quantità che si intendono considerare.”


Maxwell però non si limita a questo: il passo successivo, e per lui fondamentale, per identificare la luce come fenomeno ondulatorio elettromagnetico è
l'unificazione dei mezzi di propagazione
della luce e di queste nuove entità, previste ma non ancora osservate, chiamate onde elettromagnetiche
“In parecchie parti di questo trattato si è tentato di spiegare i fenomeni
elettromagnetici ricorrendo all'azione meccanica trasmessa da un corpo all'altro
tramite un mezzo che occupi lo spazio interposto. La teoria ondulatoria della luce
ipotizza pure l'esistenza di un mezzo. Dobbiamo ora dimostrare che le proprietà del mezzo elettromagnetico sono identiche a quelle del mezzo in cui si propaga la luce.
Riempire tutto lo spazio con un nuovo mezzo ogni volta che si debba spiegare un
nuovo fenomeno non è certo cosa degna di una seria filosofia, ma se lo studio di due diverse branche della scienza ha suggerito in modo indipendente l'idea di un mezzo, e se le proprietà che si devono attribuire al mezzo per spiegare i fenomeni
elettromagnetici sono identiche a quelle che si attribuiscono al mezzo luminifero per spiegare i fenomeni luminosi, si rafforzerà notevolmente il complesso di prove a favore dell'esistenza fisica del mezzo.”

La scoperta delle onde elettromagnetiche
Maxwell non si preoccupò di ideare un esperimento capace di produrre e rilevare queste nuove entità, le onde elettromagnetiche, preferendo invece concentrarsi sugli aspetti teorici.

D'altra parte c'era chi non lo incoraggiava troppo...
George Fitzgerald
Non riteneva possibile l'esistenza di questo nuovo, strano fenomeno. Salvo ricredersi poco tempo dopo, affermando che sarebbe stato possibile produrle...
".. utilizzando l'alternanza delle correnti prodotte quando un accumulatore viene scaricato attraverso una piccola resistenza. Sarebbe possibile produrre onde di non più di 10 metri di lunghezza d'onda o meno."
Anche se...
"Non ho visto alcuna soluzione fattibile per individuare la risonanza indotta.
"
A produrre e rilevare le onde elettromagnetiche per la prima volta ci pensa
Hertz
nel 1887
E ora che queste onde sono state scoperte?
"Non credo che queste onde senza fili che ho scoperto troveranno applicazioni pratiche"
Mai previsione si rivelò più sbagliata!
Guglielmo Marconi
Autodidatta, non è iscritto all'università ma frequenta le lezioni da uditore, eppure...
Nel 1895 riesce per la prima volta a far suonare un campanello a distanza oltrepassando un ostacolo naturale (una collina). Un colpo di fucile di un suo collaboratore segnala che l'esperimento è riuscito
Comprendendo l'importantanza di tale scoperta, scrive al Ministero delle Poste e Telegrafi, chiedendo finanziamenti per lo sviluppo del telegrafo senza fili. La risposta?
Al manicomio!

Dopo una serie di esperimenti di successo, Marconi, nel 1930, schiacciando un tasto sul suo yacht Elettra a Genova accende le luci del municipio di Sydney, dall'altra parte della Terra!
L'effetto Faraday
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