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Che cos'è il campo elettromagnetico?

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Davide Fiscaletti - 01/01/2016

In fisica, il campo elettromagnetico, costituito dalla combinazione del campo elettrico e del campo magnetico, è il campo responsabile dell'interazione elettromagnetica, una delle quattro interazioni fondamentali che strutturano l’universo. Sulla base delle equazioni di Maxwell, la variazione temporale di uno dei due campi determina il manifestarsi dell'altro, campo elettrico e campo magnetico sono caratterizzati da una stretta connessione. In particolare, un campo elettrico variabile nel tempo genera nello spazio circostante un campo magnetico e che un campo magnetico variabile nel tempo genera nello spazio circostante un campo elettrico. Le equazioni di Maxwell indicano che il campo elettromagnetico è generato localmente da qualunque distribuzione di carica elettrica variabile nel tempo e si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. Il campo elettromagnetico interagisce nello spazio con cariche elettriche e può manifestarsi anche in assenza di esse, nel senso che è un'entità fisica che può essere definita indipendentemente dalle sorgenti che l'hanno generata. In assenza di sorgenti il campo elettromagnetico è un fenomeno ondulatorio che non necessita di alcun supporto materiale per propagarsi nello spazio e che nel vuoto viaggia alla velocità della luce. Secondo il modello standard della fisica delle particelle, il quanto della radiazione elettromagnetica è il fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica. Le equazioni di Maxwell possono essere formulate anche in elettrodinamica quantistica, dove il campo elettromagnetico viene quantizzato. Nell'ambito della meccanica relativistica, i campi sono descritti dalla teoria dell'elettrodinamica classica in forma covariante, cioè invariante sotto trasformazione di Lorentz. Nell'ambito della relatività speciale il campo elettromagnetico è rappresentato dal tensore elettromagnetico, un tensore a due indici di cui i vettori campo elettrico e magnetico sono particolari componenti.

Il campo elettrostatico
Il campo elettrostatico è il campo vettoriale che esprime lo “stato” speciale dello spazio determinato dalla presenza, nella regione in considerazione, di una o più particelle cariche ferme. In particolare, il campo elettrostatico creato da una carica puntiforme Q in un dato punto dello spazio è definito come il rapporto tra la forza elettrostatica di interazione tra la carica sorgente Q e un’altra carica puntiforme q, detta carica "di prova", posta in quel punto, e il valore della carica di prova q stessa (purché la carica di prova sia sufficientemente piccola da provocare una perturbazione trascurabile sull'eventuale distribuzione di carica che genera il campo). Il campo elettrico è quindi una funzione della posizione occupata dalla carica di prova e questo significa che è una proprietà caratteristica dello spazio: è un vettore che, punto per punto, permette di visualizzare le proprietà elettriche dello spazio attorno alle cariche sorgenti del campo.
Il campo elettrico può essere rappresentato attraverso linee di campo: una carica puntiforme positiva produce linee di campo radiali uscenti da essa, mentre per una carica puntiforme negativa le linee di campo sono radiali ed entranti verso la carica. Il campo elettrico ha l’importante proprietà che una superficie chiusa che racchiuda la sorgente del campo risulta essere attraversata da tutte le linee di forza generate dalla sorgente, cosa che viene formalizzata sul piano matematico attraverso il teorema del flusso, detto anche teorema di Gauss. Nel vuoto il teorema di Gauss afferma che il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa contenente una distribuzione di carica caratterizzata da una data densità di carica volumetrica è pari alla carica totale contenuta nel volume racchiuso dalla superficie diviso per la costante dielettrica del vuoto.
Un’altra proprietà fondamentale che caratterizza il campo elettrostatico consiste nel fatto che si tratta di un campo vettoriale conservativo. Questa proprietà fisica si traduce sul piano matematico nel fatto che la circuitazione del campo elettrico, cioè l'integrale del campo lungo una linea chiusa, è nulla. Questo avviene solamente in condizioni stazionarie. Come conseguenza, per questo tipo di campo, in condizioni statiche, è possibile definire una funzione scalare, il potenziale elettrico, tale che l'integrale del campo per andare da un punto A ad un punto B non dipende dal cammino percorso ma solo dal valore della funzione agli estremi.

 

Nell'articolo troverai approfondimenti su:

  • Il campo magnetico nel caso stazionario
  • Le equazioni di Maxwell

Davide Fiscaletti
Marchigiano, laureato in fisica all’Università di Bologna nel 1999, è membro ricercatore dello SpaceLife Institute, centro di ricerca che si... Leggi la biografia
Marchigiano, laureato in fisica all’Università di Bologna nel 1999, è membro ricercatore dello SpaceLife Institute, centro di ricerca che si propone di aprire nuove prospettive in campo scientifico (in particolare: lo sviluppo di una nuova visione nell’ambito della fisica; lo sviluppo della cosmobiologia, disciplina scientifica che... Leggi la biografia

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