diff --git a/tex/waves/figures/screenshots/2024-04-18-09-25-40.png b/tex/waves/figures/screenshots/2024-04-18-09-25-40.png new file mode 100644 index 0000000..050c1aa Binary files /dev/null and b/tex/waves/figures/screenshots/2024-04-18-09-25-40.png differ diff --git a/tex/waves/figures/screenshots/2024-04-18-09-34-09.png b/tex/waves/figures/screenshots/2024-04-18-09-34-09.png new file mode 100644 index 0000000..3821465 Binary files /dev/null and b/tex/waves/figures/screenshots/2024-04-18-09-34-09.png differ diff --git a/tex/waves/lectures/lec_16.tex b/tex/waves/lectures/lec_16.tex index e13322d..6046c62 100644 --- a/tex/waves/lectures/lec_16.tex +++ b/tex/waves/lectures/lec_16.tex @@ -1 +1,51 @@ -\lecture{16}{17 aprile 2024} \ No newline at end of file +\lecture{16}{17 aprile 2024} +\section{Pressione di radiazione} +Come le onde meccaniche, anche le onde elettromagnetiche trasportano energia (\(\langle u_{EM} \neq 0 \rangle \)). Associato alle onde elettromagnetiche c'è anche il vettore di Poynting, che ha valore medio diverso da zero (quindi trasporta qualcosa!). Si può mostrare che il vettore di Poynting è in grado di esercitare una pressione "di radiazione" sui corpi. Trasportano anche momento angolare, ma questo lo scopriremo in meccanica quantistica. +Ma come nasce la pressione di radiazione? Studiamo il comportamento di una carica positiva (\(q>0\)) in un mezzo conduttivo in presenza di un'onda elettromagnetica di questo tipo: +\begin{align} + \vec{E}(z,t)&= E_0 \cos (kz- \omega t) \vec{\hat{i}} & + \vec{B}(z,t)&=\frac{E_0}{v} \cos (kz - \omega t) \vec{\hat{j}} +\end{align} +\begin{figure}[H] + \begin{minipage}[t]{0.3\textwidth} + \centering + \includegraphics[width=\linewidth]{screenshots/2024-04-18-09-25-40.png} + \end{minipage}% + \hfill% + \begin{minipage}[t]{0.3\textwidth} + \centering + \includegraphics[width=\linewidth]{screenshots/2024-04-18-09-34-09.png} + \end{minipage} +\end{figure} +Il campo elettrico mette in moto la carica e, essendo in un mezzo conduttivo dove vale \(\vec{E}=\rho _R \vec{J}=\rho _R n q \vec{v}\), otteniamo che \(\vec{v} \propto \vec{E}\). Avendo una velocità verso le x positive, la carica subisce una forza di Lorentz diretta lungo l'asse z positivo per tutta la fase dell'onda in cui la componente del campo elettrico è positiva. Quando il campo elettrico si ribalta (quindi anche la velocità della carica) e va verso il basso, anche il campo magnetico inverte il suo verso e quindi il risultato netto è che la forza di Lorentz è diretta anche in questo caso nel verso di propagazione. Nel caso di una carica negativa non cambia nulla! Complessivamente la forza di Lorentz dipende da \(q ^{2} \), quindi ha sempre lo stesso verso indipendentemente dal segno della carica. + +Consideriamo ora una piastra metallica con superficie \(\Sigma \) e \(N\) cariche libere sulla superficie. Su ogni carica agisce una forza data da \(\vec{F}=q \vec{E} + q \vec{v} \cp \vec{B}\), quindi sull'intera piastra si avrà una forza complessiva pari a \(\vec{F}_{tot} = Nq (\vec{E}+ \vec{v} \cp \vec{B})\). La forza elettrica oscilla e quindi mediamente è nulla, ma quella di natura magnetica ha sempre la stessa direzione. La potenza media fornita dall'onda alla piastra è data da +\begin{equation} + \langle \mathcal{P} \rangle = \langle \vec{F}_{tot} \cdot \vec{v} \rangle = \langle N q \vec{E} \cdot \vec{v} \rangle +\end{equation} +che ci dà la potenza spesa per unità di area: +\begin{equation} + \left\langle \frac{\mathcal{P} }{\Sigma } \right\rangle = + \left\langle \frac{Nq \vec{E}\cdot \vec{v}}{\Sigma } \right\rangle + = \sigma \langle \vec{E}\cdot \vec{v} \rangle +\end{equation} +Se l'onda elettromagnetica viene completamente assorbita dalla piastra, si ha che la potenza spesa per unità di area è uguale all'intensità dell'onda iniziale: +\begin{equation} + I = \left\langle \frac{\mathcal{P} }{\Sigma } \right\rangle + = \sigma \langle \vec{E}\cdot \vec{v} \rangle +\end{equation} + +Abbiamo visto che la forza di Lorentz è diretta sempre nella direzione di propagazione dell'onda. Per onde elettromagnetiche che si incontrano quotidianamente le oscillazioni sono molto rapide, il campo magnetico ha modulo \(\vert \vec{B} \vert = \quotient{\vert \vec{E} \vert }{c} \) e le velocità massime degli elettroni sono significativamente inferiori a quelle della luce. Quindi la forza elettrica è sempre dominante rispetto a quella di Lorentz e si può approssimare la direzione di \(\vec{v}\) con quella di \(\vec{E}\), ottenendo quindi: +\begin{equation} + \langle \vec{F}_{tot} = N \langle \vert q\vec{v} \cp \vec{B} \vert \rangle \rangle + = \frac{Nq \langle \vec{v} \cdot \vec{E} \rangle }{c} +\end{equation} +Da questo si trova che la pressione è +\begin{equation} + p = \left\langle \frac{\vec{F}_{tot} }{\Sigma } \right\rangle = + \frac{\sigma }{c} \langle \vec{E} \cdot \vec{v} \rangle = + \frac{I}{c}= + \frac{\langle \vert \vec{S} \vert \rangle }{c} +\end{equation} + +\paragraph{Nota storica} Misurare la pressione di radiazione è molto difficile perché è necessaria un'intensità molto alta! I primi radiometri dell''800 funzionavano al contrario, perché l'effetto dell'onda era di scaldare una delle due facce della piastra metallica e quindi le molecole di gas spingevano leggermente la piastra avendo velocità leggermente diverse da un lato della piastra e dall'altro. Oggi la pressione di radiazione è utilizzata per i viaggi spaziali con le vele solari. \ No newline at end of file