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ALCUNI CENNI SUI CAMPI ELETTROMAGNETICI
In questa sezione ci limeteremo a dare alcuni cenni sui campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici nel modo più semplice possibile, senza scendere nei dettagli fisici, cercando tuttavia di non tralasciare gli aspetti fondamentali che li caratterizzano. Lo studio e l'analisi dell'elettromagnetismo è molto complesso e richiede strumenti matematici avanzati e affrontati nei vari corsi universitari tecnico-scientifici.

CAMPI ELETTRICI

Il campo elettrico è una regione dello spazio ove si esercitano forze elettriche su cariche elettriche. Tale campo è determinato in ogni punto dalla grandezza vettoriale E , quindi è definito in ogni punto da una intensità, una direzione ed un verso. L'intensità, la direzione ed il verso sono pari a quelli della forza elettrica che agisce su un'unità di carica positiva posta in quel punto. Se ne ha una rappresentazione visibile mediante le linee di forza e le superfici equipotenziali.
Il potenziale elettrico, essendo un'energia per unità di carica, si misura in [J/C]. Così è pure per la differenza di potenziale. Se in un punto di un campo elettrico, ove il potenziale vale, V è presente una carica Q , tale carica possederà una energia potenziale elettrica pari a W = Q·V [Joule]. Il [J/C] è chiamato Volt [V].

CAMPI MAGNETICI

Mentre i campi elettrici sono associati solamente alla presenza di cariche elettriche, i campi magnetici sono il risultato di movimenti di cariche (correnti elettriche). Un campo elettrico, E, esercita una forza su una carica elettrica ed è espresso in Volt al metro (V/m). In modo analogo, un campo magnetico può esercitare delle forze fisiche su cariche elettriche, ma solo quando queste sono in moto. I campi elettrici e quelli magnetici possiedono sia un’intensità, sia una direzione (sono, cioè, dei vettori). Un campo magnetico può essere specificato in due modi, cioè attraverso l’induzione magnetica B, espressa in tesla (T), oppure attraverso l’intensità di campo magnetico H, espressa in Ampere al metro (A/m). Le due grandezze sono legate dalla relazione: B = µH , dove µ è una costante di proporzionalità (detta permeabilità magnetica); nel vuoto, in aria ed in tutti i materiali non magnetici (compresi quelli biologici), µ ha il valore di 4 x 10-7 in unità di Henry al metro (H/m). Quindi, per descrivere un campo magnetico a fini protezionistici, è sufficiente specificare solo una delle due grandezze B o H.
Nel caso di un filo rettilineo percorso da corrente I l'intensità del campo magnetico è H è data, nel vuoto, da :

Come si può osservare, il campo magnetico è direttamente proporzionale alla corrente I che circola nel conduttore ed inversamente proporzionale alla distanza da esso. In realtà le formule che esprimono il campo magnetico, per geometrie “reali”dei conduttori e soprattutto in campo vicino, sono molto più complesse. La formula sopraindicata vuole essere soltanto utile a spiegare in modo semplice la relazione che intercorre fra le grandezze fisiche che entrano in gioco.

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Come si è già ampiamente detto, le cariche elettriche ferme danno origine ai campi elettrici e le correnti elettriche danno origine a campi magnetici. La condizione di campo elettrico e magnetico statico si ha quando, rispettivamente le cariche elettriche sono ferme e le correnti elettriche sono costanti. Quando, invece abbiamo il campo elettrico e il campo magnetico che variano nel tempo, indipendentemente dalla causa che da origine a tali variazioni, si scopre che una variazione del campo elettrico dà origine ad un campo magnetico e che, viceversa, una variazione del campo magnetico è sempre accompagnata dalla comparsa di un campo elettrico. Osservando queste proprietà Maxwell individuò l'esistenza delle onde elettromagnetiche.

Le oscillazioni dei campi elettrici e magnetici che costituiscono un'onda elettromagnetica sono, ad una opportuna distanza dalla sorgente, sinusoidali, in fase tra loro ed ortogonali alla direzione di propagazione.

ZONE DI CAMPO LONTANO E VICINO

- ZONA DI CAMPO LONTANO

Nel misurare e valutare i campi elettromagnetici bisogna fare molta attenzione nello stabilire se la sorgente e il punto di misura si trovano ad una distanza tale per cui si può considerare zona di campo vicino o zona di campo lontano.
Solitamente con buona approssimazione, senza scendere troppo nei dettagli per radiatori corti od estesi, si può stabilire di trovarsi in una zona di campo lontano se il punto di misura e la sorgente irradiante distano almeno qualche multiplo della lunghezza dell'onda elettromagnetica).
Per questa ragione le misure dei campi elettromagnetici in alta frequenza (100 Khz – 300 Ghz) sono più agevoli in quanto, sfruttando alcune proprietà delle zone di campo lontano, dato il valore di uno dei due campi elettrico o magnetico, si può ottenere l'altro. Infatti, nella regione di campo lontano, il modello di onda piana rappresenta una buona approssimazione della propagazione del campo elettromagnetico. Le caratteristiche di un’onda piana sono:

- I fronti d’onda hanno una geometria planare;

- I vettori E ed H ed il vettore di propagazione dell’onda sono mutuamente perpendicolari;

- La fase dei vettori E ed H è la stessa, ed il rapporto E/H delle loro ampiezze è costante nello spazio. Nello spazio libero, tale rapporto è pari a 377 ohm, valore che costituisce l’impedenza caratteristica dello spazio libero :

E=377 H

- La densità di potenza S, cioè la potenza per unità di superficie perpendicolare alla direzione di propagazione, è legata ai campi elettrici e magnetici dall’espressione:

S = E*H = (E*E)/377 = 377 (H*H)

- ZONA DI CAMPO VICINO

La situazione nella regione di campo vicino è alquanto più complicata perché i massimi ed i minimi dei campi E ed H non si presentano negli stessi punti lungo la direzione di propagazione, come invece avviene in campo lontano. Nel campo vicino, la struttura del campo elettromagnetico può essere molto disomogenea e possono verificarsi notevoli scostamenti dal valore di 377 Ohm dell’impedenza di onda piana; in altre parole, possono esservi campi quasi puramente elettrici in alcune regioni e quasi puramente magnetici in altre. Le esposizioni in campo vicino sono più difficili da specificare, perché si debbono misurare entrambi e separatamente i campi E ed H.
Ai fini dell'indagine dell'esposizione ai campi elettromagnetici in bassa frequenza (0 Hz- 100 KHz) è utile misurare il campo magnetico, anche se poi nella pratica quello che si misura è l'induzione magnetica B. Infatti, poiché i campi a questa frequenza sono generati da apparecchiature elettriche e da conduttori di corrente elettrica, il campo elettrico è pressoché costante e calcolabile deterministicamente una volta acquisite le caratteristiche del sistema, mentre quello magnetico varia a seconda della intensità della corrente elettrica che circola. E come sappiamo quest'ultima dipende dall'uso che ne fa l'utente. I conduttori sono percorsi da un'intensità di corrente elettrica che varia a seconda del carico di rete che varia istante per istante, un'apparecchiatura elettrica è interessata da passaggio di corrente elettrica in base all'uso che richiede l'utente : per esempio una stufa elettrica può essere utilizzata al minimo o portata al massimo della sua potenza.

RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI

L’effetto biologico delle onde elettromagnetiche dipende essenzialmente dalla loro intensità e dalla loro frequenza. Di conseguenza lo spettro elettromagnetico può essere suddiviso in due tipologie principali: le radiazioni ionizzanti (per esempio i raggi X e gamma) con frequenza maggiore di 3000 Thz (lunghezza d'onda <100 nm) e quelle non ionizzanti, come le onde radio e le microonde. Le radiazioni si differenziano fra loro per la diversa capacità che hanno di interagire con gli atomi e le molecole che compongono la materia.

- RADIAZIONI IONIZZANTI (IR – Ionizating Radiation)

In base alla loro caratteristica ionizzare (staccare dalla loro struttura singoli elettroni), possono rompere dei legami chimici di molecole del nostro corpo o creare in esso sostanze particolarmente re attive, che a loro volta possono causare danni rilevanti al sistema biologico, ed è infatti risaputo che anche piccole dosi di raggi ultravioletti o radiazioni ionizzanti (radioattività) possono determinare patologie anche molto gravi come i tumori della pelle o la leucemia.

-RADIAZIONI IONIZZANTI (NIR – NON Ionizating Radiation)

Le radiazioni non ionizzanti, invece, anche in presenza d’intensità di campo assai elevate non sono in grado di ionizzare (staccare dalla loro struttura singoli elettroni) le molecole di cui è costituito il nostro corpo. Il principale effetto che riescono a produrre sulle molecole è quello di farle oscillare producendo attrito e di conseguenza calore (come accade ad esempio in un forno a microonde): il riscaldamento è proprio l’effetto principale delle radiazioni non ionizzanti.
Anche nell’ambito delle radiazioni non ionizzanti l’effetto biologico dipende molto dalla loro frequenza, sicché anche per questo tipo di onde si è soliti adottare un’ulteriore differenziazione in onde ELF ( campi elettrici e magnetici a bassa frequenza 0 – 100 Khz) e RF (campi a radiofrequenze e microonde 100 KHz – 300 Ghz).

BIBLIOGRAFIA

- LEZIONI DI ELETTOMAGNETISMO
Prof. L. Guerriero – Adriatica Editrice - Bari, 1987

- APPUNTI DI COMPATIBILITA' ELETTROMAGNETICA
Prof. M. Bozzetti c/o Politecnico di Bari

- INQUINAMENTO DA CAMPI ELETTRICI, MAGNETICI ED ELETTROMAGNETICI
Dott. P. Bevitori (ARPA di Rimini) – Maggioli Editore, Gennaio, 2007

- LA VALUTAZIONE DELL'INQUINAMENTO ELETTROMAGNETICO
Dott. P. Bevitori – Dott. S. De Donato (ARPA di Rimini) – Maggioli Editore, Luglio 2003