Forze elettriche e magnetiche

2. La forza elettrica di attrazione fra elettroni e protoni non si limita a tenere insieme gli atomi: anche le forze che si esercitano fra atomo e atomo o fra molecola e molecola sono dovute alle cariche elettriche degli elettroni e dei protoni. Una sbarra di ferro è rigida perchè le forze elettriche fra gli atomi di ferro danno luogo alla struttura del reticolo cristallino. Le reazioni chimiche avvengono solo a causa delle forze elettriche, e sono sempre queste stesse forze elettriche che fanno funzionare il nostro organismo. Sappiamo che in natura esiste un ristretto numero di forze "fondamentali": di queste, quella elettrica ha un ruolo preponderante per il funzionamento del mondo che ci circonda.

3. Abbiamo visto che fra due cariche elettriche Qa e Qb si esercita una forza. Diciamo anche che la carica Qa genera un CAMPO ELETTRICO (E) il quale trasmette la forza a Qb. (ovviamente vale anche l'inverso, ossia Qb genera un CAMPO ELETTRICO che trasmette la forza a Qa). Per sapere a che forza sarà soggetta una carica Q basterà conoscere il campo elettrico E in cui si trova. La forza sarà data da F = E x Q.

Campo elettrico di una carica. Il campo è maggiore nelle zone più scure. La sua direzione è mostrata dalle frecce rosse.

5. E' possibile l'esistenza del solo campo magnetico senza che vi sia un apprezzabile campo elettrico. Questo avviene tutte le volte che abbiamo un ugual numero di cariche positive e negative che generano i campi, in modo che la loro carica sia complessivamente nulla. In tal caso il campo elettrico è nullo ma, se le cariche si muovono, il campo magnetico non lo è.

6.  In una calamita il campo magnetico è prodotto dal movimento interno di cariche elettriche a livello atomico. Questo movimento è "coerente", pertanto i microcampi magnetici creati da ciascuna carica si sommano e danno luogo a un campo magnetico complessivo apprezzabile. La sorgente del maggior campo magnetico ambientale è la Terra stessa, che è un grosso magnete orientato lungo l'asse di rotazione e che dà un campo magnetico B dell'ordine di 30 - 50 microTesla. Questo campo è presente ovunque.

7.  Movimento di cariche elettriche è sinonimo di CORRENTE ELETTRICA. Pertanto una corrente (ossia un movimento di cariche) genera un campo magnetico, tanto più intenso quanto maggiore è la corrente. Se ad esempio questa corrente scorre in un filo del nostro impianto elettrico, intorno a questo si crea un campo magnetico. Il campo naturalmente diminuisce allontanandosi dal filo, per cui a grande distanza il campo è in pratica nullo. Se facciamo scorrere in un filo SINGOLO una corrente di 10 A (vicina al massimo che possiamo avere in un impianto domestico) questa produce a 20 cm di distanza dal filo un campo di circa 10 microT, ossia inferiore a quello terrestre. Raddoppiando la distanza il campo si dimezza.

8. Il campo in pratica è ulteriormente ridotto a causa del fatto che abbiamo sempre a che fare con 2 FILI: ad esempio, il cordone di una lampada da tavolo o di un ferro da stiro è composto da 2 fili, uno di ANDATA e uno di RITORNO. La stessa corrente li traversa entrambi ma in direzioni opposte. Allora i campi magnetici generati da questi 2 fili si cancellano e lontano dai due fili il campo complessivo è ZERO.

9.  Occorre intendersi su "lontano" e "vicino". Il termine di paragone è la distanza fra i due fili nel cordone. Se questa per esempio è di 4 mm allora già a 4 cm di distanza i campi sono cancellati per il 90 %. Se i 2 fili sono quelli di una linea bifilare elettrica ad alta tensione e distano fra loro 2 metri, la stessa cancellazione si avrà a 20 metri di distanza dalla linea. Il campo magnetico allontanandosi da una linea elettrica diminuisce quindi per due motivi:

• i campi dei singoli fili decrescono
• l'effetto schermante di un filo sull'altro aumenta

Onde Elettromagnetiche

In un'onda E.M. deve esistere sia il campo elettrico E che quello magnetico H o B: la "miscela" di campo elettrico e magnetico entro un'onda è regolata da formule ben note. Se per un motivo qualsiasi uno viene a mancare deve mancare anche l'altro. Non esistono quindi (con buona pace degli ambientalisti nostrani) le "onde magnetiche". Per schermarsi da un'onda E.M. ci si può quindi limitare a schermare il campo elettrico: quello magnetico è costretto a subire la stessa sorte. Per questo motivo all'interno di un edificio metallico o con ossatura in cemento armato (che costituisce uno schermo per il campo elettrico) le onde radio penetrano con difficoltà (lo sa chi usando il telefonino si mette spesso vicino a una finestra).

Spettro Elettromagnetico

Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche

Lo spettro delle radiofrequenze

	Campi statici (0 Hz):Magnetismo terrestre; treni a trazione elettrica a C.C. (corrente continua); apparecchiature a risonanza magnetica usate in medicina; processi elettrolitici industriali; magneti usati in strumentazione in Fisica.
	Campi a bassissima frequenza (ELF: Extremely low frequency) (0<f<300 Hz): Treni a trazione elettrica a C.A. (in Europa: 16 2/3 Hz e 50 Hz); tutte le apparecchiature chegenerano, distribuiscono e utilizzano l'energia elettrica (50 Hz in Europa, 60 Hz in America).
	Campi a frequenze intermedie  (OL, OM, FI) (300 Hz < f < 3 MHz): Dispositivi antifurto e di sicurezza (varchi magnetici); schermi video; radiodiffusione Onde Lunghe (OL) e Medie (OM) in genere a modulazione d'ampiezza (MA) .
	Onde Corte (OC) (3 MHz < f < 30 MHz): Radiodiffusione a Onde Corte, servizi radio vari.
	Campi a VHF (30 MHz < f < 300 MHz): Radiodiffusione a Modulazione di Frequenza (MF); Televisione; servizi radio vari.
	Campi a UHF (300 MHz < f < 3 GHz): Televisione; servizi radio vari; telefonia cellulare, forni a microonde.
	Micro Onde   (3 GHz < f < 300 GHz):Radar; servizi radio vari.

Intensità di un'onda E.M.

Dato che un'onda E.M. trasporta energia, si usa definire INTENSITA' I dell'onda l'energia che fluisce in 1 secondo attraverso una superficie d1 1 m² perpendicolare alla direzione di propagazione. L'energia che fluisce in 1 secondo si chiama POTENZA dell'onda E.M. e si misura in Watt (W). L'intensità dell'onda (che misuriamo quindi in W/m²) è legata in maniera molto semplice al campo elettrico E (che si misura in V/m), p per cui è indifferente parlare dell'una o dell'altra variabile. Per passare dall'una all'altra basta usare questa equazione:

Lunghezza d'onda

Invece che di frequenza si può parlare della lunghezza d'onda λ. Fra le due esiste la semplice relazione

Le antenne

Schematicamente un'antenna è un conduttore che viene percorso da una corrente alternata rapidamente variabile nel tempo (corrente a radiofrequenza). In trasmissione tale corrente viene prodotta nei circuiti del trasmettitore; in ricezione viene invece indotta dalle onde E.M. che si propagano nello spazio. Se l'antenna ha una lunghezza paragonabile almeno a 1/4 della lunghezza d'onda del campo E.M. essa irraggia o riceve onde con efficienza ottimale. Accorciando l'antenna l'efficienza si riduce rapidamente. In ricezione l'antenna diventa "cieca". I telefonini hanno lunghezze d'onda comprese fra 15 e 33 cm, pertanto le antenne hanno dimensioni dell'ordine di 3-7 cm.

Supponiamo di avere un trasmettitore da 1000 W di potenza collegato a un'antenna "omnidirezionale", ossia che emette in tutte le direzioni in maniera uguale. Quanto sarà l'intensità a distanza R dall'antenna?

Le onde traversano la superficie 4 π R² di una sfera di raggio R centrata sull'antenna: pertanto I = P/(4 π R²) da cui si vede come I decresca in maniera inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Se R = 50 m I = 0,0318 W/m². Il campo invece vale E = (377 I)^1/2 = 3,46 V/m e naturalmente decresce in maniera inversamente proporzionale a R.

Un'antenna reale non funziona nello stesso modo in tutte le direzioni, ma tende a concentrare l'intensità oppure a ricevere onde solo sotto determinati angoli. Nella figura si vede un'antenna verticale schematizzata dalla barretta rossa. Il valore del campo (elettrico o magnetico) ai vari angoli è semplicemente proporzionale alla lunghezza delle frecce: è massimo nella direzione a (perpendicolare all'antenna), più piccolo nella b e ancora minore nella c.

Diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo

Un ripetitore per telefonia cellulare non serve che irraggi verso il cielo, e neppure che irraggi fuori della cella, quindi le sue antenne sono progettate per concentrare le onde verso il basso e in un settore di circa 120 gradi (vedi figura). Ma non vi è emissione direttamente sotto l'antenna. Qualcuno chiama questo « effetto fontana » anche se la similitudine è poco azzeccata (i diagrammi di radiazione illustrati somigliano ben poco a fontane).

Diagramma di radiazione di un'antenna ripetitrice per telefonia mobile

In questo caso la massima intensità viene irraggiata nella direzione della freccia a. Pochissimo invece viene irraggiato nella direzione c verso il tetto dell'edificio, che paradossalmente è il meglio protetto dei tre. Inoltre la gran parte delle onde vengono assorbite dal tetto per cui la penetrazione all'interno dell'edificio che porta l'antenna è minima.

Dato che nella direzione preferenziale (il « lobo ») un'antenna direttiva produce un'intensità maggiore di un'antenna non direttiva, si parla di guadagno dell'antenna. E' come se avessimo a che fare con un'antenna non direttiva alimentata con una potenza efficace maggiore di quella reale. La potenza efficace (EIRP=Effective Isotropic Radiated Power) si calcola come

Per trovare la distanza di sicurezza ossia quella in cui il campo elettrico è al disotto del limite considerato basta usare la formula

Niente radiazione dalle linee elettriche

Nel caso degli impianti elettrici, delle apparecchiature elettriche e degli elettrodotti non vi è produzione apprezzabile di onde E.M. perchè la frequenza di 50 Hz è troppo bassa. A essa corrisponde infatti una lunghezza d'onda di ben 6000 km per cui un'antenna efficiente dovrebbe essere lunga almeno 1500 km. In questo caso si hanno solo i campi da induzione diretta e il campo elettrico e magnetico sono in pratica "slegati" l'uno dall'altro. Mentre è facile schermare il campo elettrico è molto più difficile schermare quello magnetico. In particolare, in Italia molti edifici sono di cemento armato, per cui il campo elettrico non penetra al loro interno, ma il campo magnetico non subisce attenuazioni apprezzabili. Nel caso delle basse frequenze (rete elettrica) siamo quindi più esposti ai campi magnetici che a quelli elettrici, e appunto per questo motivo la ricerca medica si è focalizzata sui campi magnetici a bassa frequenza.

Effetti fisici delle onde

Per capire l'effetto di un'onda E.M. sul materiale biologico occorre tirare in ballo la teoria dei quanti. Questo è necessario per smontare lo slogan: "non vogliamo distinguere fra onde buone e onde cattive". Chi ha coniato questo slogan riteneva ovviamente che tutte le onde fossero intrinsecamente cattive. Purtroppo non si è dato pena di definire cosa si intende per onda cattiva. Cercheremo di farlo noi con questa definizione:

• un'onda cattiva è quella in grado di rompere un legame chimico

L'esposizione prolungata del corpo ai raggi ultravioletti ha qundi solo effetti dannosi. Non si conoscono viceversa effetti benefici della radiazione ultravioletta sul corpo, ciononostante i vantaggi estetici (abbronzatura) sembrano compensare, nella mente del pubblico, quelli che sono dei danni effettivi.

La fisica ci insegna ormai da 100 anni che, se per rompere un legame chimico abbiamo bisogno di un fotone di una certa energia, NON possiamo supplire con due fotoni di energia metà. Per cui tante onde "buone" non faranno mai un'onda "cattiva". Questa è in parole povere la scoperta che valse nel 1921 il premio Nobel a Einstein. 100 anni di verifiche sperimentali hanno reso questo principio solido come il granito. Le onde dei telefonini, dei forni a microonde, dei radar, non potranno mai spezzare una molecola.

Anche se non possono spezzare le molecole, le onde "buone" possono in certi casi produrre anch'esse dei danni. L'energia di queste onde riscalda infatti il materiale che le assorbe. Qui le cose si complicano dato che materiali diversi hanno assorbimenti diversi a seconda della frequenza. Per esempio la frequenza dei forni a microonde (2450 MHz) è stata scelta proprio per massimizzare l'assorbimento da parte delle molecole d'acqua che è presente in tutti i tessuti. Se l'onda è molto intensa si può sempre arrivare a un riscaldamento tale da provocare, in un organismo, la rottura di legami chimici e la morte delle cellule. Nel forno a microonde il riscaldamento è tale da arrivare alla cottura. Quindi è chiaro che anche un'onda "buona" ma troppo intensa può provocare danni, ma con un meccanismo sostanzialmente diverso da quello dell'onda "cattiva". Viceversa, se l'intensità non è eccessiva, le onde "buone" sono fondamentali per la nostra esistenza;

• come radiazioni luminose ci permettono di vedere
• come radiazioni infrarosse ci riscaldano
• come onde radio ci permettono di comunicare a distanza

Su cosa si basano i limiti ai campi ad alta frequenza?

Il fatto che un valore di soglia esista è provato dal fatto che l'organismo umano è capace (entro certi limiti) di regolare la sua temperatura interna e che aumenti di qualche grado (es. in caso di febbre) non provocano effetti letali.

Il livello di riferimento è quello del metabolismo basale: infatti questo rappresenta la dissipazione di potenza interna dell'organismo, che quindi l'organismo stesso è in grado di gestire. Il metabolismo è la potenza dissipata nell'unità di massa: è circa 1 W/kg per una persona adulta (questo significa che una persona di 60 kg dissipa circa la potenza di una lampadina) e approssimativamente 2 W/kg per i bambini. Si ammette quindi che se un'onda deposita all'interno del corpo una potenza specifica molto minore del metabolismo basale essa sia innocua. Si tratta di un'ipotesi molto ragionevole e conservativa.

La dose assorbita specifica (SAR)

Come si passa dal campo elettrico (V/m) alla SAR (W/kg)?

Misurare direttamente la dose assorbita da un organismo (SAR) è estremamente difficile e comunque non si può fare "in vivo".

Fortunatamente la SAR si può ottenere con buona precisione misurando con opportuni strumenti il campo elettrico (espresso in V/m) o l'intensità dell'onda (espressa in W/m²) che arriva sul corpo in esame. I fattori di conversione si calcolano sulla base di modelli fisici dell'organismo.

I valori di riferimento internazionali