Che cos'è l'elettromagnetismo?

L'elettromagnetismo è la branca della fisica che studia le interazioni tra le particelle elettricamente cariche e i campi ad esse associati. Queste interazioni sono descritte in termini di campi elettrici e magnetici che, insieme, formano la forza elettromagnetica, una delle quattro forze fondamentali della natura. 

Nell'ingegneria elettromagnetica, gli ingegneri si occupano principalmente delle proprietà elettromagnetiche dei componenti e del loro rapporto con i campi elettromagnetici. In sostanza, gli ingegneri si occupano di:

• Studio della fisica dei sistemi e dei dispositivi elettrici
• Strumenti di analisi ingegneristica per caratterizzare in modo affidabile questi fenomeni

Di conseguenza, l'elettromagnetismo tratta le considerazioni critiche sulla progettazione in applicazioni come i circuiti elettrici, i circuiti magnetici, i circuiti integrati e i dispositivi a semiconduttore.

Con la pubblicazione del Trattato di elettricità e magnetismo nel 1873, Maxwell dimostrò che le interazioni tra particelle cariche elettricamente erano mediate da un'unica forza, la forza elettromagnetica.

Su scala macroscopica, si possono osservare i seguenti effetti di questa forza:

• Le cariche elettriche simili (positive o negative) si respingono, mentre le cariche elettriche diverse si attraggono; l'entità della forza elettromagnetica in ogni situazione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le cariche.
• Allo stesso modo, i poli magnetici (nord o sud) si attraggono o si respingono a vicenda ed esistono sempre in coppia.
• Una corrente elettrica che si propaga attraverso un filo genera un campo magnetico circolare intorno al filo. La direzione della corrente elettrica determina la direzione del campo magnetico, come si vede nell'immagine precedente.
• Un filo conduttore che si muove in un campo magnetico genera una corrente elettrica che si propaga attraverso il filo. La direzione del movimento attraverso il campo magnetico determina la direzione di marcia di questa corrente.

Caratterizzazione delle interazioni elettromagnetiche

La forza elettromagnetica è la seconda più forte delle quattro forze fondamentali della natura. È in gran parte responsabile delle interazioni tra atomi, molecole e oggetti macroscopici. 

La forza elettromagnetica esercita la sua influenza attraverso la propagazione di onde elettriche e magnetiche che viaggiano perpendicolarmente l'una all'altra, oscillando a frequenze specifiche. Nel vuoto, queste onde si propagano a una velocità costante, la velocità della luce nel vuoto, che è all'incirca pari a 3 x 108 m/s.

La velocità della luce nel vuoto c è correlata alla frequenza v in metri e alla lunghezza d'onda λ in Hz attraverso una semplice relazione come:

$$c=v\lambda$$

Per numerose applicazioni, gli ingegneri elettrici non hanno bisogno di approfondire lo studio dell'elettromagnetismo. In molti casi, l'elettrostatica (lo studio delle cariche elettriche stazionarie) è sufficiente. In altri casi è inoltre sufficiente la magnetostatica (che si occupa di magneti permanenti).

Di conseguenza, nelle reti elettriche o magnetiche pure, si può fare a meno anche delle equazioni di Maxwell, per un trattamento più semplice delle reti. Tuttavia, con la crescente elettrificazione dei dispositivi ad alta frequenza e il rigoroso imballaggio dei dispositivi che generano campi elettromagnetici, le considerazioni elettrodinamiche sono sempre più importanti nella progettazione dei prodotti.

Basandosi sul lavoro di fisici come Ampère, Coulomb e Ørsted, Maxwell formulò una serie di quattro equazioni, esponendo così una teoria unificata dell'elettromagnetismo, definita da molti scienziati la "seconda grande unificazione della fisica", in riferimento alla "grande unificazione" della gravità di Isaac Newton.

La soluzione delle equazioni di Maxwell nello spazio libero (privo di cariche elettriche) si traduce in equazioni d'onda che descrivono le onde elettromagnetiche che viaggiano alla velocità della luce. Questo portò Maxwell a suggerire che la luce è, di fatto, una radiazione elettromagnetica e che esiste una gamma di radiazioni elettromagnetiche che differiscono solo per le relative frequenze (o lunghezze d'onda).

Lo spettro elettromagnetico comprende tutti i tipi di radiazioni elettromagnetiche, da quelle a bassa frequenza (onde radio) a quelle ad alta frequenza (raggi gamma). Ogni tipo di radiazione è caratterizzato dalla frequenza e dalla lunghezza d'onda, che sono inversamente correlate. Lo spettro comprende:

Le equazioni di Maxwell furono verificate quando il fisico tedesco Heinrich Hertz dimostrò l'esistenza della radiazione elettromagnetica con la scoperta delle onde radio alla fine degli anni Ottanta del XIX secolo.

Descrizione dei campi elettrici e magnetici

In fisica, i campi descrivono le interazioni tra energia e materia in punti specifici dello spazio e del tempo. In particolare, un campo vettoriale assegna un'ampiezza e una direzione a ciascuno di questi punti. Il campo elettrico che circonda una carica elettrica statica è descritto da un campo vettoriale.

In ogni punto, l'ampiezza del vettore descrive l'intensità del campo elettrico, mentre la sua direzione descrive la direzione del campo. Per convenzione, il campo punta nella stessa direzione della forza sulle cariche positive e nella direzione opposta sulle cariche negative.

Pertanto, i campi elettrici fluiscono sempre lontano dalle cariche positive e verso le cariche negative. La relazione tra la forza F esercitata da una carica sorgente (in newton), una carica di prova q (in coulomb) e l'intensità del campo elettrico E (in volt per metro) è data da:

$$\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$$

Un campo magnetico circonda una carica elettrica in movimento. Questo campo influenza altre cariche e magneti. La direzione della forza su una carica in movimento in un campo magnetico è perpendicolare sia alla sua direzione di movimento sia alle linee del campo magnetico.

In combinazione, le forze elettriche e magnetiche che agiscono su una particella carica danno luogo a una forza di Lorentz: una forza proporzionale alla carica e alla grandezza del campo elettrico nella direzione del campo elettrico E e una forza proporzionale alla grandezza del campo magnetico, alla carica e alla velocità nella direzione perpendicolare alla velocità v della particella e al campo magnetico B. Insieme alla legge di Lorentz, le equazioni di Maxwell forniscono una descrizione classica completa delle interazioni elettromagnetiche.

Le equazioni di Maxwell costituiscono il fondamento dell'elettromagnetismo classico. Queste quattro equazioni, espresse in forma differenziale, descrivono il comportamento dei campi elettrici e magnetici e le loro interazioni con cariche e correnti:

Prima equazione di Maxwell: legge di Gauss

La legge di Gauss (nota anche come teorema del flusso di Gauss) mette in relazione la distribuzione delle cariche elettriche con il campo elettrico. Essa afferma che il flusso elettrico netto attraverso una qualsiasi superficie chiusa (una superficie gaussiana) è proporzionale alla carica elettrica netta racchiusa in quella superficie.

Pertanto, se una superficie non racchiude una carica elettrica, non esiste un flusso elettrico. Di conseguenza, se una carica elettrica è posizionata vicino a una superficie di questo tipo, i flussi elettrici in entrata e in uscita dalla superficie devono annullarsi a vicenda. 

Seconda equazione di Maxwell: legge di Gauss per il magnetismo

Analogamente alla prima equazione, la legge di Gauss per il magnetismo descrive il comportamento di un flusso magnetico attraverso una superficie chiusa. Afferma che questo flusso deve essere sempre pari a zero. Pertanto, se è presente un campo magnetico nelle vicinanze, il flusso magnetico verso la superficie deve annullare il flusso verso l'esterno.

Detto altrimenti, i monopoli magnetici non possono esistere come monopoli elettrici (cariche). Pertanto, i poli magnetici positivi e negativi devono sempre esistere come dipoli (nord e sud).

Terza equazione di Maxwell: la legge di Ampère-Maxwell

La legge di Ampère afferma che una corrente elettrica che scorre attraverso un filo genera un campo magnetico. In un filo rettilineo, il campo magnetico si arrotola intorno al filo, con la direzione del flusso indicata dalle quattro dita della regola della mano destra. In un filo avvolto, il campo magnetico punta su una linea retta indicata dal pollice nella regola della mano destra.

L'estensione di Maxwell alla legge di Ampère afferma che un campo elettrico variabile nel tempo può generare anche un campo magnetico variabile.

Quarta equazione di Maxwell: l'equazione di Maxwell-Faraday

L'equazione di Maxwell-Faraday descrive come un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico. Può anche essere ricavata dalla legge di Faraday e dalla legge di Lorentz.

Sotto l'influenza delle forze elettriche, le particelle cariche statiche si attraggono o si respingono. Mentre si muovono, queste particelle sperimentano anche forze magnetiche. Le forze elettromagnetiche derivano dalla somma di queste interazioni elettriche e magnetiche, che esercitano la loro influenza attraverso i campi elettromagnetici.

Mentre ciò accade, la forza elettromagnetica regola una serie di interazioni; ad esempio, mantiene gli elettroni con carica negativa legati ai nuclei con carica positiva negli atomi, permettendo anche la formazione di molecole.

Relazione con la teoria dei circuiti elettrici

Nella teoria dei circuiti elettrici, i progettisti di circuiti astraggono i comportamenti dei dispositivi e dei sistemi in modo da non dover considerare i principi sottostanti. Ad esempio, un resistore è semplicemente un dispositivo che risponde a una tensione V e a una corrente I in modo tale che la resistenza R sia data dalla legge di Ohm:

$$R=\frac{V}{I}$$

In questa rappresentazione "a parametri concentrati", non è necessario comprendere la natura della corrente (una corrente di conduzione) o della tensione (un potenziale elettrico). Numerose applicazioni dell'ingegneria elettrica si prestano bene a questo modello a parametri concentrati.

Tuttavia, in molti casi occorre comprendere gli effetti elettromagnetici, ad esempio per l'integrità del segnale e la compatibilità elettromagnetica. Pertanto, nel caso del resistore, potrebbe essere necessario rispondere a domande come le seguenti:

• Come si può progettare un resistore per soddisfare specifiche capacità di gestione della potenza?
• Come si possono progettare resistori pratici che presentano anche reattanza?
• Come si possono progettare condensatori, induttori, trasformatori e altri componenti di circuito che presentano anche una resistenza?

Alle basse frequenze, le lunghezze d'onda elettromagnetiche sono sufficientemente grandi da avere un effetto trascurabile sui circuiti in fase di progettazione, riducendoli a circuiti in corrente continua quasi perfetti.

Tuttavia, quando le frequenze raggiungono alcune centinaia di megahertz e oltre, le interazioni elettromagnetiche rappresentano una considerazione importante. Le antenne, ad esempio, sono in effetti rilevatori di onde elettromagnetiche.

Di conseguenza, i principi elettromagnetici governano la progettazione di una serie di dispositivi moderni, tra cui motori, generatori, antenne, guide d'onda, trasformatori, dispositivi di archiviazione magnetica dei dati, dispositivi di imaging a risonanza magnetica e circuiti stampati, oltre a tecnologie come radar, fibre ottiche, componenti fotonici e sensori remoti.

Fin dall'antichità, le civiltà hanno cercato di spiegare i fenomeni naturali, dall'attrazione osservata tra pezzi di minerali di ferro e l'elettricità statica prodotta dallo sfregamento dei materiali ai fulmini.

Tuttavia, solo nel XVIII e XIX secolo scienziati come Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday e Charles-Augustin de Coulomb iniziarono a formulare espressioni matematiche per descrivere questi fenomeni.

A lungo si è pensato che l'elettricità e il magnetismo fossero fenomeni separati. Tuttavia, nell'aprile del 1820, il fisico danese Hans Christian Ørsted osservò che una corrente elettrica che scorreva attraverso un filo induceva una deflessione nell'ago di una bussola posta nelle vicinanze. Nello stesso anno pubblicò le sue scoperte, dimostrando che una corrente elettrica produce un campo magnetico circolare quando attraversa un filo.

La scoperta di Ørsted ha stimolato un'intensa ricerca sulla natura dell'elettromagnetismo, ispirando, ad esempio, il lavoro di André-Marie Ampère. Questo primo passo verso una teoria elettromagnetica unificata fu ulteriormente ampliato quando Faraday scoprì, nel 1831, che un campo magnetico poteva indurre una corrente elettrica, un processo noto come induzione elettromagnetica. Ha inoltre definito il concetto di campo elettromagnetico.

Questo processo di unificazione culminò negli anni '60 del XIX secolo con il fisico scozzese James Clerk Maxwell, che formulò la sua famosa serie di quattro equazioni differenziali parziali, fornendo così una descrizione matematica completa delle onde elettromagnetiche.

Maxwell postulò inoltre l'esistenza di onde elettromagnetiche autosostenute, suggerendo anche che la luce rappresentasse una di queste onde.

Nell'era moderna, Albert Einstein ha dimostrato con la Teoria della relatività speciale (1905) come il magnetismo derivi dall'elettricità quando le particelle cariche sono in movimento. Con il successivo avvento della meccanica quantistica, sono state applicate ulteriori modifiche alle equazioni di Maxwell per tenere conto della natura quantistica della materia. Pertanto, nell'elettrodinamica quantistica (QED), i campi elettromagnetici derivano da eccitazioni discrete di fotoni, che sono particelle di luce quantizzate.

La teoria di base dei circuiti elettrici astrae il comportamento dei dispositivi e dei sistemi in modo tale che gli ingegneri non debbano considerare la teoria elettromagnetica sottostante. In molti casi, tuttavia, gli ingegneri elettrici devono colmare il divario esistente tra la teoria dei circuiti elettrici e le applicazioni ingegneristiche più generali.

Di conseguenza, lo studio dell'elettromagnetismo è alla base della progettazione di dispositivi come conduttori, condensatori, induttori e semiconduttori, nonché di circuiti integrati più complessi, che consentono di costruire veicoli elettrici, dispositivi di telerilevamento, strumentazione generale, componenti elettronici, apparecchiature di potenza e altro ancora.

Conduttori

I materiali conduttori sono materiali che consentono il libero flusso di elettroni. Metalli come l'oro, l'argento, il rame e l'alluminio sono conduttori efficaci perché agevolano il disaccoppiamento degli elettroni dai nuclei atomici.

In alcuni materiali, gli elettroni rimangono legati al nucleo ma richiedono solo una piccola quantità di energia per disaccoppiarsi. Questi materiali sono definiti semiconduttori e tale comportamento è spiegato dalla fisica alla base dei transistor che rendono possibile l'elettronica moderna.

I superconduttori sono materiali che, se raffreddati al di sotto di una temperatura critica, presentano una resistenza elettrica nulla ed espellono campi magnetici (effetto Meissner). I superconduttori ad alta temperatura, come i composti di ossido di rame e bario di ittrio (YBCO), possono raggiungere la superconduttività a temperature superiori a -140 °C, rendendoli più pratici per applicazioni come le macchine per la risonanza magnetica e i treni a levitazione magnetica.

Isolanti

Al contrario, gli isolanti sono materiali che inibiscono il libero flusso di elettroni. Nei materiali isolanti, gli elettroni sono strettamente legati ai nuclei atomici e non si disaccoppiano facilmente quando viene applicato un campo elettrico. Di conseguenza, gli isolanti sono perfetti per coprire i fili conduttori, migliorando la sicurezza.

In particolare, alcuni isolanti possono polarizzarsi sotto l'applicazione di un campo elettrico. Quando il campo viene applicato, si verificano piccoli spostamenti tra le cariche che formano dipoli positivi e negativi. Questi tipi di materiali (noti come dielettrici) sono utilizzati nei condensatori per aumentare la loro capacità di accumulo di energia.

Condensatori

I condensatori sono dispositivi elettronici che immagazzinano energia elettrica in un campo elettrico generato tra due piastre. La capacità C misura la capacità di un condensatore di immagazzinare energia. È proporzionale alla permittività elettrica dello spazio libero, in modo tale che, per un'area di piastra A:

$$C=\frac{{\epsilon }_{0}A}{d}$$

Un materiale dielettrico moltiplica la permittività, con conseguente aumento della capacità.

Induttori

Analogamente, gli induttori sono dispositivi elettronici che immagazzinano energia nei campi magnetici generati all'interno di fili avvolti. Secondo la legge di Ampère, una corrente che scorre attraverso un filo avvolto genera un campo magnetico lineare. L'energia immagazzinata è direttamente proporzionale alla corrente I, che è inversamente proporzionale all'induttanza L. L'induttanza misura la resistenza al cambiamento di un circuito. Pertanto, i dispositivi ad alta induttanza possono essere utilizzati per smorzare i circuiti a corrente alternata.

Semiconduttori

I semiconduttori sono materiali con una conduttività elettrica intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti. La loro conduttività può essere controllata introducendo impurità (drogaggio) o applicando campi esterni. Questo comportamento è alla base dei transistor e di altri componenti elettronici.

Gli ingegneri dei semiconduttori possono alterare la conduttività dei semiconduttori applicando un campo elettrico o magnetico, variando l'esposizione al calore o alla luce o deformando una griglia di silicio monocristallino drogato.

I dispositivi a semiconduttore sono prodotti come dispositivi indipendenti o integrati in circuiti contenenti da due a centinaia di milioni di dispositivi, interconnessi su un singolo wafer.

I due principali tipi di dispositivi a semiconduttore sono:

• Diodi: i diodi sono dispositivi a due terminali che si comportano come interruttori unidirezionali per la corrente, consentendo alla corrente di fluire facilmente in una sola direzione, nel qual caso sono direttamente polarizzati. Quando sono inversamente polarizzati, si comportano come isolanti. Nei fotodiodi, l'esposizione alla luce aumenta il numero di elettroni liberi, incrementando così la conduttività. I dispositivi a due terminali comprendono diodi ad emissione luminosa (LED), diodi Gunn, diodi IMPATT, diodi laser, diodi tunnel, fotocellule e celle solari.
• Transistor: i transistor sono dispositivi a tre terminali che amplificano o commutano l'energia elettrica. Costituiscono gli elementi di base delle porte logiche, che agiscono come interruttori di accensione/spegnimento nei circuiti digitali. Al contrario, nei circuiti analogici (come gli amplificatori e gli oscillatori) rispondono a ingressi continui, fornendo anche uscite continue. Nei circuiti integrati di potenza (applicazioni ad alta corrente e tensione) regolano la distribuzione della potenza. I transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido metallico (MOSFET) rappresentano, nella stragrande maggioranza dei casi, il tipo più comune di transistor esistente. Si basano sull'applicazione di un campo elettrico per aumentare la conduttività. Altri tipi di transistor sono i transistor a giunzione bipolare (BJT), i transistor a effetto di campo a giunzione (JFET) e i transistor bipolari a porta isolata (IGBT).

Trasferimento di potenza wireless

Il trasferimento di potenza wireless (WPT) trae le sue origini alla fine del XIX secolo, quando Nikola Tesla dimostrò che l'energia elettrica poteva essere trasferita attraverso l'aria generando un campo magnetico tra due bobine (ciascuna definita rispettivamente "trasmettitore" e "ricevitore") in un fenomeno chiamato accoppiamento risonante magnetico.

Il trasmettitore, collegato a una fonte di alimentazione, genera un campo magnetico che a sua volta genera una corrente elettrica nel ricevitore.

Il WPT consente di ricaricare senza fili dispositivi personali, portatili e industriali, evitando l'uso di cavi, prolungando la durata della batteria, aumentando la praticità e migliorando la sicurezza. I tre tipi più comuni di ricarica wireless sono:

• Carica induttiva: in base al principio dell'induzione elettromagnetica, il dispositivo da caricare viene posizionato vicino alla stazione di ricarica, senza bisogno di un allineamento preciso.
• Accoppiamento induttivo risonante: più avanzata della carica induttiva, la bobina di trasmissione e quella di ricezione sono sintonizzate per risuonare alla stessa frequenza, migliorando così l'efficienza del trasferimento di energia.
• Ricarica a radiofrequenza (RF): nella ricarica a radiofrequenza, i dispositivi sono dotati di antenne riceventi sintonizzate per captare le onde radio ad alta frequenza che trasmettono energia. Anche se sperimentale, questa tecnologia consente di trasferire energia su distanze maggiori.

Attualmente, l'elettronica di consumo rappresenta il mercato più grande per l'adozione della tecnologia wireless, grazie alla proliferazione di smartphone, tablet e dispositivi indossabili. I dispositivi elettronici di consumo sono in genere a bassa potenza (<100 W). Di conseguenza, la ricarica induttiva è la tecnologia preferita.

Una tipica configurazione di ricarica wireless per smartphone funziona come segue:

• Una bobina trasmittente all'interno di una base di ricarica (a sua volta collegata a una fonte di alimentazione alternata) trasmette un segnale.
• Una volta che questo segnale riconosce una bobina del ricevitore (montato su uno smartphone compatibile), innesca un flusso di elettroni all'interno del trasmettitore, generando una corrente elettrica variabile nel tempo.
• Questa corrente variabile nel tempo genera un campo magnetico variabile nel tempo, che provoca il flusso di elettroni nella bobina del ricevitore (creando una corrente alternata indotta).
• All'interno del dispositivo smartphone, un raddrizzatore converte la corrente alternata in corrente continua da immagazzinare nella batteria.

Il trasferimento di potenza è quindi agevolato da un campo elettromagnetico variabile nel tempo tra una bobina trasmittente e una ricevente. La carica induttiva si verifica in genere a frequenze comprese nell'intervallo di 110-205 KHz.

Con il continuo progresso della tecnologia, lo studio e l'applicazione dell'elettromagnetismo rimangono fondamentali. Dallo sviluppo del calcolo quantistico alla progettazione di reti wireless di nuova generazione, i principi elettromagnetici continuano a plasmare il nostro panorama tecnologico. La comprensione di questi principi è essenziale per gli ingegneri e gli scienziati che lavorano all'avanguardia dell'innovazione in campi come le telecomunicazioni, i sistemi energetici e la tecnologia medica.

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