Magnetoionico

In fisica, si dice di grandezze e fenomeni che intervengono nelle questioni riguardanti la propagazione di un’onda elettromagnetica in un mezzo ionizzato sottoposto all’azione di un campo magnetico. La teoria m. è di fondamentale importanza per lo studio della propagazione delle radioonde nella ionosfera ed è alla base dei metodi radioelettrici di esplorazione dell’alta atmosfera (➔ ionosfera); i suoi risultati possono essere comunque estesi a un generico gas ionizzato o a un plasma. Essa permette di calcolare, a partire dalle equazioni di Maxwell, le variazioni subite dall’indice di rifrazione elettromagnetico dell’atmosfera per la presenza in essa di particelle elettricamente cariche, per l’interazione di queste con le circostanti particelle neutre e per la presenza del campo magnetico terrestre. La presenza di particelle cariche (ioni ed elettroni) ha come conseguenza una diminuzione dell’indice di rifrazione elettromagnetico, tanto maggiore quanto minore è la massa delle particelle stesse; l’azione prevalente è quella degli elettroni. Per effetto poi degli urti che questi ultimi, posti in vibrazione dal campo elettrico dell’onda, subiscono da parte delle circostanti molecole neutre, vi è una certa perdita di energia (quella dissipata negli urti) a spese dell’onda, che subisce un’attenuazione, con conseguente ulteriore modifica dell’indice di rifrazione.

In quanto al campo magnetico, esso esplica sugli elettroni in movimento una forza (forza di Lorentz) che ne modifica la traiettoria: l’elettrone, che in assenza del campo magnetico sarebbe stato animato da un moto di vibrazione parallelamente al vettore campo elettrico dell’onda, viene a percorrere una traiettoria non più rettilinea ma curva. Il calcolo esatto dell’indice di rifrazione nel caso generale è piuttosto complesso. La conclusione più importante che se ne trae è che l’onda incidente subisce una sorta di birifrazione (birifrazione m.), dividendosi in due onde della stessa sua frequenza (componenti m.), alle quali, per analogia con la birifrazione ottica, si dà il nome di raggio ordinario e raggio straordinario; ognuna di esse è caratterizzata da un differente valore dell’indice di rifrazione e si propaga in modo diverso dall’altra. Nel caso particolare della propagazione ionosferica delle radioonde, per onde di frequenza sufficientemente grandi (in pratica per le cosiddette onde corte) il raggio ordinario si propaga come se non risentisse della presenza del campo magnetico terrestre e per esso l’indice di rifrazione vale, in unità del SI,

,

dove ε₀ è la costante dielettrica assoluta del vuoto, N è la densità elettronica e f la frequenza dell’onda. L’espressione ora scritta stabilisce una relazione diretta fra la densità elettronica e le modalità di propagazione dell’onda, definite dall’indice di rifrazione: si vede subito che, ove N è diverso da zero, n è minore di 1, cioè l’onda è rifratta. Se la densità elettronica è sufficientemente elevata, l’incurvamento della traiettoria dell’onda è tale da ricondurre l’onda a terra, essendosi operata una sorta di riflessione. Data una certa zona dell’atmosfera caratterizzata da un valore N di densità elettronica, esiste in corrispondenza un valore f_c di frequenza, detto frequenza critica, ottenibile imponendo l’annullarsi dell’indice di rifrazione, tale che su questa zona possono riflettersi solo onde di frequenza minore o uguale a f_c, mentre le onde di frequenza maggiore l’attraversano senza riflettersi (➔ radiopropagazione).