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All'inizio del XX secolo, le radiocomunicazioni si erano sviluppate per circa un trentennio con l'impiego di onde lunghe e medie, ma verso il 1925 l'attenzione fu attratta dalle onde corte, sia perché gli scienziati e tecnici si erano orientati verso lo studio di questa parte dello spettro elettromagnetico, sia per l'esigenza di esplorare la ionosfera, sia per la nascita di una nuova scienza, la radioastronomia, intorno al 1930, quando l'ingegnere americano Karl Guthe Jansky (1905 - 1950), mentre studiava i disturbi provocati dalle scariche elettriche sulle radiotrasmissioni a onde corte, captò onde elettromagnetiche dalla galassia; le successive osservazioni furono coperte dal segreto militare e la nuova scienza esplose dopo la seconda guerra mondiale.

Poincaré ricorda che ci si era serviti del coherer «per ricercare se il Sole emette radiazioni hertziane; il risultato fu negativo. Forse tali radiazioni sono assorbite dall'atmosfera solare (Poincaré, La théorie de Maxwell et les oscillations hertziennes cit., p. 42).

Lo studio sperimentale delle onde corte risale a Hertz, che negli ultimi tempi aveva impiegato onde di circa 66 cm, mentre Righi impiegò onde di una decina di centimetri, ma ne produceva anche di circa 2.5 cm. Nel 1897 l'indiano Jagadis Chandra Bose (1858-1937), con un oscillatore a due scintille, che imitava quello di Righi, era in grado di produrre oscillazioni di 6 mm di lunghezza. Ma queste piccole lunghezze d'onda erano ottenute con dispositivi a bassa potenza. Per poter irradiare maggiori quantità d'energia era necessario ricorrere a strumenti di notevoli dimensioni e quindi di grande lunghezza d'onda.

Intorno al 1930 il fisico italiano Nello Carrara (1900 - 1993) introdusse il termine microwaves (in italiano microonde) per identificare le onde elettromagnetiche di lunghezza compresa tra 10 cm e 0.2 mm, al limite superiore dell'infrarosso.

Le microonde si rivelarono importanti non soltanto per le applicazioni tecniche ricevute nelle radiocomunicazioni e nei radar, ma anche in vari campi della ricerca scientifica. Le tecniche per microonde sono nettamente distinte da quelle usate nell'impiego delle onde più lunghe: tubi elettronici, circuiti oscillanti, linee di trasmissione per microonde sono diversi dagli analoghi dispositivi per onde più lunghe.

Ricordiamo soltanto che le linee di trasmissione delle microonde sono le guide d'onda, costituite da tubi metallici rettilinei, di sezione costante quadrata o circolare, con pareti conduttrici, riempiti di un dielettrico nel quale si propagano le onde. Le dimensioni trasversali delle guide debbono essere dello stesso ordine di grandezza delle lunghezze d'onda: perciò questo tipo di propagazione è impossibile per onde di notevole lunghezza.

La scoperta delle proprietà delle guide d'onda ha le sue radici alla fine del XIX secolo, quando gli sperimentatori, per proteggersi dalle perturbazioni esterne, ponevano l'oscillatore in un tubo metallico. Lodge aveva osservato qualche particolarità specifica della propagazione e Lord Rayleigh (1842 - 1919) fin dal 1897 aveva avviato lo studio sommario della propagazione all'interno della guida. Se ne occuparono anche altri fisici illustri, come Thomson, Larmor, Drude, senza tuttavia riuscire a dare una teoria soddisfacente. Soltanto nel 1936 gli americani John Renshaw Carson (1897 - 1940), Sallie Mead e Sergei Schelkunoff (1897 - 1992), dei Bell Telephone Laboratories, pubblicarono un'accettabile teoria matematica della guida d'onda. Nello stesso anno il fisico francese Léon Nicol Brillouin (1889 - 1969) interpretò le proprietà di propagazione delle onde elettromagnetiche in un tubo come dovute all'interferenza di onde piane riflesse dalle parti. Dal punto di vista fisico si tratta di questo: le pareti metalliche della guida fanno da schermo e impediscono che l'onda elettromagnetica generata alla bocca del tubo si disperda nello spazio circostante, onde l'energia elettromagnetica è costretta a propagarsi lungo il tubo. Dalla teoria di Brillouin risulta che c'è sempre, nella direzione di propagazione, una componente elettrica o magnetica, mentre nelle abituali onde lungo i conduttori i campi sono perpendicolari alla direzione di propagazione: queste onde si chiamano «onde trasversali elettromagnetiche TEM; esse si propagano con la velocità della luce nei dielettrici che circondano i conduttori. Le onde delle guide cave, invece, si chiamano "trasversali magnetiche" (TM) o "trasversali elettriche" (TE), secondo la loro natura. Al principio del secolo si conoscevano soltanto le onde TEM, perciò riusciva impossibile interpretare teoricamente la propagazione nelle guide d'onda.

Dai molti dispositivi ricavati dalle guide d'onda, ricordiamo le cavità risonanti, costituite da una parte di guida d'onda chiusa da pareti conduttrici. Se nella cavità si produce un'onda elettromagnetica, la cui semionda sia un sottomultiplo della distanza tra le due pareti che chiudono la guida, si stabilisce nella cavità, per effetto della riflessione delle onde ai due capi della guida, un regime di onde stazionarie. La cavità risonante risulta pertanto l'analogo del circuito oscillante, ma rispetto a questo ha il vantaggio di presentare una triplice infinità di frequenze di risonanza.

La produzione di onde corte richiede apparecchi speciali; fin dal 1919 s'erano ottenute onde di 43 cm con l'impiego dei triodi. Ma per lunghezze d'onda minori, cioè per frequenze maggiori, il triodo non è più utilizzabile, perché quando il tempo che impiega un elettrone per andare dal catodo all'anodo è dello stesso ordine di grandezza del pe riodo d'oscillazione da produrre, si generano sfasamenti che rendono impossibile il funzionamento del triodo. Si cercò di superare la difficoltà con successivi dispositivi: i «triodi fari», dovuti ai russi Deviatkon, Gurevch e Khokhov sono del 1940; il klystron fu realizzato nel 1939 dagli americani Russel e Sigurd Varian; il tubo a onde progressive (TWT) realizzato nel 1942 da R. Kompfuer e di cui dette la teoria nel 1947 John Pierce; e finalmente il magnetron, che ha la sua prima origine nel diodo di Hull del 1921, nel quale la corrente tra catodo cilindrico e anodo coassiale è regolata da un campo magnetico parallelo all'asse. Attraverso numerose modificazioni, il magnetron è divenuto la sorgente più comune per potenze elevate e ha la sua principale applicazione nel radar, oggi usato nei forni a microonde domestici e industriali.

La ricerca nel campo delle microonde condotta presso l'Istituto di Fisica dell'Università degli studi di Palermo ebbe inizio nel 1953, quando i coniugi Massimo Ugo Palma (1927 - 2012) e Maria Beatrice Vittorelli (1930 - 2008) vanno al MIT con due borse di studio nel gruppo di M. W. Strandberg: qui entrano in contatto con diversi fisici, tra cui J. H. Van Vleck. Alla fine del '54 sono di ritorno a Palermo e si impegnano nella costruzione di uno spettrometro EPR (v. foto), il cui pregio principale è l'elettromagnete, progettato in loco, con un'eccellente omogeneità e stabilità di campo e la possibilità di essere ruotato (Palma-Vittorelli & Palma, 1958). Nel 1957, la Regione Siciliana istituisce e finanzia un comitato regionale per la ricerca fisica: cento milioni di lire all'anno (corrispondenti a circa 2.1 mld del 2001) da distribuirsi tra le tre Università siciliane. Anche l'INFN viene coinvolto nel comitato siciliano con conseguenze positive per il gruppo di Fisica dello Stato Solido di Palermo: sei tecnici e diverse collaborazioni di ricerca. Con i fondi del comitato regionale viene anche acquistato nel 1959 un liquefattore di elio Collins che permette quindi al gruppo di acquisire le tecniche criogeniche. Gli argomenti di ricerca sviluppati a Palermo sono stati, tra l’altro: interazioni tra transizioni elettroniche e vibrazionali in cristalli magnetici; moti collettivi dei protoni in cristalli non ferroelettrici; cascate di processi ionici ed elettronici innescati a varie temperature in cristalli fotosensibili; risonanza paramagnetica elettronica di radicali liberi.

Il campo delle microonde è suddiviso in bande, come riportato nella seguente tabella.

Bibliografia & Sitografia

• Dilda G. (1956). Microonde, Libreria Editrice Universitaria Levrotto e Bella, Torino, archive.org/details/Microonde

• Gliozzi M. (2005). Storia della Fisica. Bollati Boringhieri

• Poincaré H. (1907). La théorie de Maxwell et les oscillations hertziennes: la télégraphie sans fil. III Ed. Scientist, gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k82013f.texteImage

• Palma-Vittorelli M. B. and Palma M. U. (1958). A Microwave Electron Spin Resonance Spectrometer. Suppl. Nuovo Cimento 7:139 

• Soresini F. (2004). Di tubo... in tubo. Storia dei tubi elettronici nel centenario del diodo, 1904-2004. Sandit Libri, Bergamo

• Enciclopedia Treccani: Microonde, www.treccani.it/enciclopedia/microonde_Enciclopedia-del-Novecento/

• HP Memory Project: Microwave Measurement Accessories, www.hpmemoryproject.org/wa_pages/wall_a_page_06.htm

• WikipediA: 

  • Microonde, it.wikipedia.org/wiki/Microonde

  • Nello Carrara, it.wikipedia.org/wiki/Nello_Carrara