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Conferenza pubblica I CAMPI ELETTROMAGNETICI Lugano, 23 novembre 2000

Daniele Andreuccetti, IROE-CNR, Firenze

Aspetti tecnico-scientifici
Concetti fisici di base

1 - Introduzione

Col termine "campo elettromagnetico" o "radiazione elettromagnetica" si intende il complesso di grandezze e fenomeni fisici governati da un insieme di equazioni che James Maxwell mise a punto nella seconda metà del XIX secolo, riprendendo e completando il lavoro sperimentale e teorico sull'elettricità ed il magnetismo compiuto da un grande numero di studiosi (come Galvani, Volta, Oersted, Laplace, Ampere, Farady per citare solo i più noti) nei due secoli precedenti.

Semplificando al massimo, possiamo dire quanto segue.

• Il campo elettromagnetico è una forma di energia che può permeare lo spazio (anche vuoto) e può propagarsi in esso.
• Lo sviluppo tecnologico ha permesso di realizzare dispositivi in grado di generare campi elettromagnetici, di impiegarli in svariate applicazioni tra cui, prima fra tutte, la possibilità di inviarli nello spazio in modo controllato, utilizzandoli quale veicolo di trasporto di informazione, di riceverli e rivelarne la presenza nonché estrarne l'informazione trasportata ed infine di misurane i parametri caratteristici.
• Le onde elettromagnetiche costituiscono una delle modalità più comuni ed importanti di propagazione del campo elettromagnetico. Esse sono caratterizzate dalla intensità (legata all'ampiezza dell'onda), dalla frequenza (numero di cicli d'onda completi che si susseguono nell'unità di tempo) e dalla lunghezza d'onda (distanza nello spazio tra due successive creste d'onda).
• Frequenza e lunghezza d'onda sono inversamente proporzionali, poiché la lunghezza d'onda non è altro che lo spazio percorso dall'onda in un tempo pari all'inverso della frequenza.
• La frequenza condiziona tutti gli aspetti teorici e tecnologici connessi con l'elettromagnetismo: le tecniche per generare campi elettromagnetici, i sistemi per rivelarli e misurarli, le modalità con cui essi si propagano ed interagiscono con la materia (e quindi con gli organismi biologici). Per questo motivo, anche gli effetti biologici dei campi elettromagnetici dipendono profondamente dalla frequenza, al punto che un campo elettrico di fissata intensità può essere pressoché insignificante o assai pericoloso, a seconda della sua frequenza: ciò spiega perché le norme di sicurezza specifichino sempre limiti massimi notevolmente variabili con la frequenza. Due sono gli aspetti significativi di questa questione.
  1. La frequenza condiziona la struttura del campo elettromagnetico nell'intorno della sorgente, che si modifica notevolmente in funzione della distanza da essa, rapportata alla lunghezza d'onda del campo, passando - come vedremo - dalla zona dei campi reattivi a quella dei campi radiativi.
  2. Il meccanismo di accoppiamento fisico tra campi ed oggetti biologici dipende in modo critico dal rapporto tra la dimensione dell'organismo esposto e la lunghezza d'onda del campo.
• L'intensità della radiazione indica l'effettiva ampiezza del campo e quindi delle forze che esso può esercitare. Essa rappresenta anche la quantità di energia trasportata per unità di tempo e di superficie ortogonale alla direzione di propagazione. Qualunque fenomeno di interazione si studi, esso - se si verifica - è normalmente tanto più evidente quanto più la radiazione è intensa.

Nella figura seguente (tratta dal sito Internet Cellular Phone Antennas (Base Stations) and Human Health di J.Moulder) è riportata una visione schematica dell'intero spettro elettromagnetico.

2 - Dualismo onda/corpuscolo - Radiazioni ionizzanti e non

A seconda dei fenomeni studiati, la radiazione elettromagnetica può essere convenientemente descritta in termini ondulatori oppure corpuscolari. Nella descrizione corpuscolare, la frequenza costituisce una misura dell'energia trasportata da ogni singolo corpuscolo (detto fotone), in base alla nota relazione secondo la quale l'energia di ogni fotone è pari al prodotto della frequenza per la costante di Planck (il cui valore è 6,63.10^-34 joule.secondo) mentre ovviamente l'intensità è legata anche al numero di fotoni che transitano per unità di tempo attraverso l'unità di superficie ortogonale alla direzione di propagazione.

Si definiscono radiazioni elettromagnetiche ionizzanti quelle radiazioni in grado di ionizzare direttamente la materia qualunque sia la loro intensità. La ionizzazione è un tipico fenomeno corpuscolare, poiché consiste nell'assorbimento di un fotone da parte di un elettrone esterno di un atomo: l'elettrone acquisisce l'energia del fotone e, se questa è sufficiente (cioè se la frequenza della radiazione è abbastanza alta), abbandona l'atomo a cui appartiene, vincendone la forza elettrostatica che lo lega al nucleo. La ionizzazione, quando avviene (cioè se la frequenza è sufficiente), avviene per qualunque intensità: quello che cambia con l'intensità della radiazione è solo il numero di atomi che subiranno il processo, rapportato all'unità di tempo e di superficie esposta.

La distinzione tra radiazioni ionizzanti e non riveste una grande importanza anche per quel che riguarda gli effetti biologici, poiché il meccanismo di ionizzazione può provocare nei tessuti alterazioni genetiche e tumori. Le radiazioni ionizzanti sono pertanto cancerogeni certi a qualunque livello di intensità.

Nella tabella che segue sono riportate le energie necessarie per ionizzare alcuni tipi di atomi, dal cesio (che è il più disponibile a farsi strappare elettroni) all'elio (che invece è tra i meno disponibili), passando per i tipici componenti del materiale organico.

Come si vede, la banda di radiazione interessata è sempre quella degli ultravioletti, che occupano l'intervallo di lunghezza d'onda compreso grossomodo tra 10 e 400 nm (1 nm è pari a un miliardesimo di metro). I campi elettromagnetici di cui ci occupiamo in questo documento rientrano pertanto tutti nell'ambito delle radiazioni NON ionizzanti, per le quali si farà nel seguito riferimento esclusivamente alla trattazione ondulatoria.

3 - Campi elettrici, campi magnetici, campi elettromagnetici, onde elettromagnetiche

E` bene avere presente che i termini campo elettrico, campo elettromagnetico, onda elettromagnetica NON sono sinonimi, ma rappresentano aspetti diversi dell'elettromagnetismo, da tenere distinti anche in considerazione delle diverse modalità di interazione con gli individui umani e quindi delle diverse eventuali conseguenze sanitarie.

Il campo elettrico è la grandezza fisica attraverso la quale descriviamo una regione di spazio le cui proprietà sono perturbate dalla presenza di una distribuzione di carica elettrica. Il modo più evidente con cui questa perturbazione si manifesta è attraverso la forza che viene sperimentata da una qualunque altra carica introdotta nel campo stesso. Il campo elettrico viene descritto mediante un vettore E (detto vettore campo elettrico, o semplicemente campo elettrico) che in ogni punto della regione di spazio indica la direzione, l'intensità ed il verso della forza che agisce su una carica puntiforme unitaria positiva che venga posta in quel punto; l'intensità del campo elettrico si misura in volt al metro (V/m). Grazie alla forza che esercita sulle cariche, il campo elettrico è in grado di provocare correnti elettriche nei materiali conduttori.

Analogamente, attraverso il concetto di campo magnetico descriviamo la perturbazione delle proprietà dello spazio determinata dalla presenza di una distribuzione di corrente elettrica, perturbazione che si manifesta con una forza che agisce su qualunque altra corrente elettrica introdotta nel campo. Il campo magnetico può essere descritto mediante un vettore B (detto densità di flusso magnetico, o anche induzione magnetica) definito in maniera un po' complessa, ma in ogni caso riconducibile alla forza che in ogni punto della regione di spazio si manifesta su una corrente elementare che venga posta in quel punto; l'intensità dell'induzione magnetica si misura in tesla (T). Una delle caratteristiche più importanti del campo magnetico variabile nel tempo, almeno dal punto di vista sia della misura sia dell'interazione con organismi biologici, consiste nella sua capacità di provocare correnti elettriche all'interno di oggetti conduttori dove in assenza di campo esse non erano presenti.

Carica elettrica e corrente elettrica sono dunque le sorgenti materiali rispettivamente del campo elettrico e del campo magnetico. Questa situazione è riassunta nella tabella che segue.

Se tutto finisse qui, non esisterebbero né campo elettromagnetico né onde elettromagnetiche. Invece, risulta che un campo elettrico può essere generato, oltre che da una distribuzione di carica elettrica, anche da un campo magnetico variabile nel tempo; analogamente, un campo magnetico può essere generato, oltre che da una distribuzione di corrente elettrica, anche da un campo elettrico variabile nel tempo. In altre parole, quando si è in regime variabile nel tempo, campo elettrico e campo magnetico divengono uno la sorgente (cioè la "causa") dell'altro.

Grazie a questa interdipendenza, il campo elettrico ed il campo magnetico possono in quel caso essere considerati come due aspetti di un'unica grandezza fisica (il campo elettromagnetico) in grado di propagarsi a distanza indefinita dalla sorgente, un fenomeno indicato anche col termine radiazione elettromagnetica. In molti casi importanti, risulta che l'ampiezza del campo elettromagnetico radiato varia in modo oscillatorio sinusoidale tanto nel tempo quanto nello spazio: si parla allora di onda elettromagnetica.

Una analisi della struttura del campo in funzione della distanza dalla sorgente mostra che in prossimità prevalgono il campo elettrico ed il campo magnetico prodotti dalle sorgenti materiali presenti su di essa, mentre per distanze maggiori di circa una lunghezza d'onda diviene prevalente il campo elettromagnetico dovuto alla mutua generazione, cioè alla radiazione.

Riassumendo:

• Nelle immediate vicinanze di una sorgente (antenna, apparato industriale a radiofrequenza, elettrodomestico), e fino a circa un decimo di lunghezza d'onda di distanza da essa, il campo elettrico ed il campo magnetico sono del tutto indipendenti uno dall'altro, essendo legati e determinati dalle rispettive "sorgenti fisiche" (cariche e correnti); essi perciò non possono essere ricavati uno dall'altro e devono essere valutati separatamente.
• A distanze superiori, la struttura dei campi inizia a risentire del fenomeno della radiazione (ovvero la "mutua generazione" tra campo elettrico e campo magnetico), che resta l'unico significativo per distanze dalla sorgente superiori a circa una lunghezza d'onda.
• Grazie a questa mutua generazione, i campi si propagano a distanza indefinita dalla sorgente, assumendo una struttura detta di tipo radiativo nella quale il campo elettrico ed il campo magnetico sono perpendicolari tra di loro ed alla direzione di propagazione.
• In molti casi importanti le ampiezze dei campi radiativi variano in modo sinusoidale tanto nel tempo quanto nello spazio: si parla allora di onda elettromagnetica.
• Un'onda elettromagnetica trasporta energia; la densità di potenza (energia trasportata per unità di tempo e di superficie, espressa in watt al metro quadrato, W/m²) risulta proporzionale al prodotto delle intensità del campo elettrico e del campo magnetico e costituisce un'altra grandezza accessibile di misura attraverso la quale caratterizzare l'intensità della radiazione.

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Daniele Andreuccetti, IROE-CNR, 2000.