La scoperta delle onde elettromagnetiche
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La scoperta delle onde elettromagnetiche Le prime osservazioni La rinascita dell’interesse per l’elettricità L’elettrodinamica Dalle forze a distanza al campo La sintesi di Maxwell Gli esperimenti di Hertz e Righi Marconi e lo sviluppo della radio Le telecomunicazioni Altre applicazioni delle onde elettromagnetiche Le prime osservazioni la tradizione vuole che Talete di Mileto sia stato il primo filosofo a descrivere , attorno al 550 a.C., le proprietà dell’ambra strofinata e della magnetite. Le prime osservazioni Un pezzo di plastica si comporta come l’ambra Le prime osservazioni I fenomeni elettrici e magnetici furono dimenticati fino al XVII secolo (nonostante la scoperta della bussola) Le prime osservazioni Il medico di corte di Elisabetta I William Gilbert (1544-1603) pubblicò nel 1600 il “De magnete, magneticisque corpibus, et de magno magnete tellure" Le prime osservazioni Gilbert individuò una serie di sostanze che presentavano lo stesso comportamento dell'ambra e mise in evidenza le differenze tra fenomeni magnetici ed elettrostatici che precedentemente venivano confusi. Le prime osservazioni In particolare Gilbert osservò: L’esistenza dei poli L’impossibilità di separare i poli L’attrazione e la repulsione dei poli La magnetizzazione per induzione L’effetto della temperatura L’inclinazione del campo magnetico terrestre Le prime osservazioni Otto von Geuricke (1602-1686). Il fisico e borgomastro di Magdeburgo, costruì la prima macchina elettrostatica. Le prime osservazioni L'inglese Stephen Gray (1666-1736). Scoprì i conduttori e gli isolanti Le prime osservazioni Charles Du Fay (1698-1739) scoprì l’elettricità: "vetrosa" e "resinosa". Le prime osservazioni Fu l'abate Nollet (1700-1770), ad interpretare le osservazioni di Du Fay I poli di un magnete Una calamita attira la limatura di ferro solo in determinati punti detti poli La calamita spezzata Spezzando una calamita in due parti si ottengono due calamite complete Le interazioni tra i poli Esistono due tipi di poli: poli uguali si respingono e poli opposti si attraggono La magnetizzazione per induzione Un pezzo di ferro posto in prossimità di un magnete diventa a sua volta un magnete. La temperatura di Curie Ad una certa temperatura un pezzo di ferro perde le proprietà magnetiche Il campo magnetico terrestre La Terra equivale ad un grande magnete La riscoperta dell’elettricità Il fisico olandese Pieter Musschengroek (1692-1761), scoprì casualmente un dispositivo per accumulare l'elettricità statica La riscoperta dell’elettricità Tale dispositivo si chiama bottiglia di Leida dal nome della città che ospita l’università dove fu realizzato. La riscoperta dell’elettricità Jesse Ramsden (1735–1800) inventò una macchina elettrostatica che permetteva di ottenere scintille caricando bottiglie di Leyda La riscoperta dell’elettricità Ciò suggerì l’esistenza di una relazione tra i fenomeni elettrici e i fulmini. La riscoperta dell’elettricità Per verificare l'ipotesi che i fulmini fossero di natura elettrica l'americano Benjamin Franklin (1706-1790) compì nel 1752 un esperimento famosissimo La riscoperta dell’elettricità fece volare durante un temporale un aquilone munito di una punta metallica alla quale aveva attaccato un filo di seta in grado di condurre l'elettricità fino ad una chiave metallica sospesa che usò per caricare una bottiglia di Leida. La riscoperta dell’elettricità Nel 1753 John Canton (1718-1772), scoprì l’induzione elettrostatica La riscoperta dell’elettricità Charles Augustine de Coulomb (1736-1806) determinò quantitativamente le forze tra due cariche elettriche La riscoperta dell’elettricità Per misurare le forze del campo elettrico impiegò un dispositivo di sua invenzione, la bilancia di torsione. L’elettrodinamica Luigi Galvani (1737-1798) formulò la teoria dell’elettricità animale L’elettrodinamica Galvani suppose che l'elettricità fosse presente nei muscoli della rana L’elettrodinamica Alessandro Volta (1745-1827), inizialmente concordò con la teoria di Galvani, ma successivamente la contrastò arrivando alla scoperta della pila L’elettrodinamica La pila giunse nel momento opportuno: gli scienziati avevano ormai esaurito le possibilità offerte dalle macchine a strofinio. L’elettrodinamica Alessandro Volta mostra la sua pila a Napoleone L’elettrodinamica Georg Simon Ohm (1789 - 1854) studiò la trasmissione dell'elettricità nei corpi conduttori ed enunciò le sue famose leggi nel 1827. L’elettrodinamica Hans Cristian Oersted (1777-1851) scoprì l’iterazione tra un filo percorso da corrente ed un ago magnetico nel 1820. L’elettrodinamica Oersted mostra il suo esperimento L’elettrodinamica La piccola bussola utilizzata da Oersted per il suo esperimento L’elettrodinamica Dominique F. Arago (1786-1853) riprodusse l’esperimento di Oersted all’Accademia delle Scienze di Parigi. Tra gli spettatori era presente Ampere. L’elettrodinamica André - Marie Ampère (1775 - 1836) scoprì le leggi d’interazione tra fili conduttori attraversati da una corrente. L’elettrodinamica Interazione tra un filo ed un magnete L’elettrodinamica Faraday, Neumann e Lenz formularono la legge sull’induzione magnetica L’elettrodinamica Creazione di correnti indotte L’elettrodinamica Creazione di correnti indotte Dalle forze a distanza al campo Coulomb e Ampére e Poisson si mossero all’interno di una tradizione consolidata: la tradizione newtoniana delle forze a distanza di tipo centrale Dalle forze a distanza al campo Il prototipo di queste forze, introdotte da Newton, è la forza di gravità. Esse agiscono a distanza in linea retta e con velocità infinita. Dalle forze a distanza al campo Con Oersted si fa strada l’idea che la sede dell’azione si estenda allo spazio circostante i corpi elettrici o magnetici. Dalle forze a distanza al campo “Dalle osservazioni appare che il conflitto elettrico non resta limitato nel filo conduttore, ma si propaga ampiamente nello spazio circostante.” Dalle forze a distanza al campo I conflitti di Oersted furono ricondotti allo schema newtoniano da Amperé Dalle forze a distanza al campo “Guidato dai principi della filosofia newtonianana, io ho ricondotto il fenomeno osservato da Oersted a forze agenti sempre secondo la retta che congiunge le particelle tra le quali queste si esercitano” Dalle forze a distanza al campo “Tutti i fenomeni che il signor Oersted ha scoperto rientrano nella legge di attrazione e repulsione di due correnti elettriche, Dalle forze a distanza al campo ammettendo che un magnete non sia altro che un sistema di correnti elettriche manifestantesi in piani perpendicolari alla linea che congiunge i poli del magnete.” Dalle forze a distanza al campo Michael Faraday (1791 - 1867), introdusse il concetto di linee di forza: Dalle forze a distanza al campo “Le linee intorno ad una sbarra magnetica sono state definite come quelle che divengono visibili quando si cosparge limatura di ferro nelle vicinanze del magnete.” Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da una calamita Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da un filo rett. Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da una spira Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da un solenoide Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da un solenoide Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da una carica Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da cariche uguali Dalle forze a distanza al campo Linee di forza prodotte da cariche opp. Dalle forze a distanza al campo Schermo elettrostatico Dalle forze a distanza al campo Linee di forza tra lastre parallele Dalle forze a distanza al campo “non appena un filo si muove attraverso le linee di forza una corrente lo percorre o tende a percorrerlo.” Dalle forze a distanza al campo “La semplice azione del moto non può aver prodotto questa corrente.” Dalle forze a distanza al campo “ci deve essere stata una condizione intorno al magnete, da esso alimentata, nel cui raggio d’azione si trova il filo: questa condizione mostra la costituzione fisica delle linee di forza.” Dalle forze a distanza al campo “Il punto che intendevo dichiarare era, se non sia possibile che le vibrazioni, che in una certa teoria rendono conto dei fenomeni radianti, non possano avvenire nelle linee di forza che collegano le particelle.” Dalle forze a distanza al campo “Un concetto che, se lo si ammette ci libera dell’etere che, in una diversa condizione, si suppone sia il mezzo in cui quelle vibrazioni hanno luogo.” Dalle forze a distanza al campo “Credo che sia un fatto ormai scontato che la materia ponderabile non è indispensabile all’esistenza delle linee di forza magnetica.” Dalle forze a distanza al campo J. Clerk Maxwell (1831-1879) introdusse il concetto di campo: “La teoria che propongo può essere chiamata una teoria del campo elettromagnetico.” Dalle forze a distanza al campo “Il campo elettromagnetico è quella parte di spazio che contiene e circonda i corpi in condizioni elettriche e magnetiche.” Dalle forze a distanza al campo “L’energia dei fenomeni elettromagnetici risiede nel campo elettromagnetico, nello spazio circondante i corpi elettrizzati e magnetizzati, così come nei corpi stessi.” La sintesi di Maxwell “Faraday aveva visto con gli occhi della mente, linee di forza che attraversano tutto lo spazio, dove i matematici vedevano centri di forza che attraggono a distanza; Faraday vedeva un mezzo dove quelli non vedevano altro che distanze.” La sintesi di Maxwell “Quando ebbi tradotto le idee di Faraday in forma matematica trovai che molti dei più fecondi metodi di ricerca scoperti dai matematici potevano essere espressi in termini di idee derivate da Faraday molto meglio che nella loro forma originaria.” La sintesi di Maxwell Un campo magnetico variabile crea una corrente indotta in un anello metallico La sintesi di Maxwell Un campo magnetico variabile crea una corrente indotta in un anello metallico La sintesi di Maxwell Fu Maxwell il primo ad affermare che la corrente indotta nell’anello viene messa in moto da un campo elettrico che si origina anche in assenza dell’anello. La sintesi di Maxwell Maxwell ipotizzò inoltre che, come un campo magnetico variabile può generare un campo elettrico, così un campo elettrico variabile può generare un campo magnetico. La sintesi di Maxwell Le ipotesi di Maxwell portano come conseguenza la possibilità di produrre onde elettromagnetiche. La sintesi di Maxwell Un campo magnetico variabile genera un campo elettrico a sua volta variabile, che genera un campo magnetico variabile e così via. Il risultato è una successione di impulsi elettromagnetici cioè un’onda elettromagnetica La sintesi di Maxwell Per produrre campi elettrici e magnetici variabili occorre un circuito oscillante La sintesi di Maxwell L’apertura del condensatore porta all’esterno il campo elettrico precedentemente chiuso al suo interno Gli esperimenti di Hertz e Righi Il fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894) riuscì nel 1888 a generare onde elettromagnetiche. Gli esperimenti di Hertz e Righi e a verificare le previsioni teoriche di Maxwell Gli esperimenti di Hertz e Righi Schema dell’apparecchiatura usa da Hertz per i suoi esperimenti Gli esperimenti di Hertz e Righi Con questi strumenti Hertz poté misurare la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica, dimostrandone la natura ondulatoria. Gli esperimenti di Hertz e Righi Augusto Righi (1850 –1920) svolse un ruolo fondamentale per la nascita del nuovo Istituto di Fisica di Bologna (1903-1907) Gli esperimenti di Hertz e Righi Righi confermò i risultati già ottenuti da Hertz a convalida della teoria elettromagnetica di Maxwell e svolse ricerche pionieristiche nel campo delle microonde. Gli esperimenti di Hertz e Righi Righi nel laboratorio dedicato allo studio delle onde elettromagnetiche Gli esperimenti di Hertz e Righi Alcuni degli apparecchi utilizzati da Righi. Gli esperimenti di Hertz e Righi Alcuni degli apparecchi utilizzati da Righi. Gli esperimenti di Hertz e Righi Alcuni degli apparecchi utilizzati da Righi. Marconi e lo sviluppo della radio Guglielmo Marconi (1874 - 1937), intuì per primo la possibilità di collegamenti a distanza senza fili utilizzando le onde elettromagnetiche. Marconi e lo sviluppo della radio La formazione scolastica di Marconi fu alquanto frammentaria, discontinua. Marconi e lo sviluppo della radio Frequentò per quattro anni l’IstitutoTecnico di Livorno Marconi e lo sviluppo della radio Pupillo del Prof.Vincenzo de Rosa, a Livorno Marconi acquisì le conoscenze della Fisica di quei tempi Marconi e lo sviluppo della radio A partire dai 18 anni Marconi fu autodidatta e si sentì attratto dalla fisica e, in particolare, dai fenomeni elettromagnetici. Marconi e lo sviluppo della radio Agosto 1894 Marconi ad Oropa, nel Biellese, ha l'idea di trasmettere messaggi a distanza impiegando onde hertziane. Marconi e lo sviluppo della radio Settembre 1894 A Villa Griffone Marconi inizia i suoi esperimenti realizzando oscillatori in VHF e HF. Marconi e lo sviluppo della radio Il laboratorio di Marconi al secondo piano di Villa Griffone (la sala dei bachi). Marconi e lo sviluppo della radio Il primo segnale radio parte dalla finestra della sala dei bachi per raggiungere il sottostante giardino. Marconi e lo sviluppo della radio Agosto 1895 – Marconi Inventa il sistema antenna-terra; arrivando a coprire la distanza di 2400 m. Marconi e lo sviluppo della radio Nel 1884 Calzecchi-Onesti osservò che la conducibilità, molto scarsa della limatura di ferro, aumenta fortemente sotto l'azione di un'onda di tipo Hertziano. Marconi e lo sviluppo della radio La scoperta di Onesti portò alla realizzazione di un rivelatore di onde Hertziane ( il coherer) da parte di Lodge ed altri. Marconi e lo sviluppo della radio Marconi adottò il coherer nei suoi apparecchi riceventi apportandovi importanti modifiche Marconi e lo sviluppo della radio Marconi sistemò il ricevitore dietro la collina dei Celestini. Marconi e lo sviluppo della radio Un colpo di fucile in aria, sparato dal fedele Sig. Marchi, indicò la ricezione avvenuta. Marconi e lo sviluppo della radio Le onde elettromagnetiche avevano superato l'ostacolo era l'Aprile 1895. Marconi e lo sviluppo della radio Una foto di Marconi con dedica: “a Antonio Marchi un ricordo affettuoso di Guglielmo Marconi, 15 Luglio 1935”. Marconi e lo sviluppo della radio 5 Marzo 1896 Presenta la prima richiesta provvisoria di brevetto a Londra. Marconi e lo sviluppo della radio Marzo 1896 Marconi viene ricevuto da Sir Preece Direttore delle Poste Inglesi; prima dimostrazione agli esperti. Marconi e lo sviluppo della radio Luglio 1896 - Prima dimostrazione pubblica: collegamento dalla Direzione delle Poste alla Saving Bank in Queen Victoria Street (1 km). Marconi e lo sviluppo della radio Settembre 1896 esperimenti nella Salisbury Plane: 3 Km. Maggio 1897 esperimenti sul Canale di Bristol: 14 Km. Marconi e lo sviluppo della radio Giugno 1898 primo servizio radiotelegrafico con l'isola di Wight 26 Km Marzo 1899 - Primi messaggi oltre la Manica (32 miglia) Marconi e lo sviluppo della radio Aprile 1900 - Marconi ottiene il brevetto n. 7777 sui circuiti sintonici. Gennaio 1901 - Collegamento Saint Catherines Cape Lizard (300 km) con apparati sintonici. Marconi e lo sviluppo della radio 12 Dicembre 1901 - Vengono ricevuti i primi segnali attraverso l'Atlantico, da Poldhu a St.John's (Terranova) 3400 km Marconi e lo sviluppo della radio Fine 1901, a St. Jhon’s si utilizza un aquilone per alzare un’antenna ricevente alla maggiore altezza possibile. Marconi e lo sviluppo della radio Febbraio 1902 Durante il viaggio sul Philadelphia per gli USA scopre l'effetto di disturbo del sole sulla propagazione delle LF. Marconi e lo sviluppo della radio 25 Giugno 1902 - Ottiene il brevetto n.10245 sul Detector Magnetico. Marconi e lo sviluppo della radio Luglio 1902 - A Dover s'imbarca sull'incrociatore Carlo Alberto per una crociera sperimentale di oltre due mesi fino al porto di Kronstadt (Mar Baltico). Marconi e lo sviluppo della radio Marconi sulla Carlo Alberto. Marconi e lo sviluppo della radio Agosto 1904 - Marconi inaugura il servizio radiotelegrafico commerciale fra Bari, Antivari (Montenegro), Ancona, Venezia. Marconi e lo sviluppo della radio Nel 1904 Fleming inventa la prima valvola termoionica: il diodo. Marconi adotta subito il nuovo ritrovato unitamente ad un oscillatore rotante di sua invenzione: il ROTOGAP. Marconi e lo sviluppo della radio Il ROTOGAP. Marconi e lo sviluppo della radio Nel 1906 De Forest (1873 – 1961) inventa il triodo, da lui denominato “Audion”. Marconi e lo sviluppo della radio Nel 1906 Il canadese Reginald Fessenden 1866 - 1932 realizza la prima trasmissione in fonia. Utilizza un alternatore da 75kHz della potenza di 500W Marconi e lo sviluppo della radio L’italiano Quirino Majorana realizza a partire dal 1909 trasmissioni in radiofonia fino ad una distanza di 500km Marconi e lo sviluppo della radio Il segnale audio può essere trasmesso utilizzando la modulazione di ampiezza (AM) Marconi e lo sviluppo della radio o la modulazione di frequenza (FM) Marconi e lo sviluppo della radio 1905 - Marconi sposa l’irlandese Beatrice O’Brien Marconi e lo sviluppo della radio La collisione del Republic (1909) e l’affondamanto del Titanic (1912) mettono in evidenza l’utilità degli apparati di Marconi. Marconi e lo sviluppo della radio 1 Dicembe 1909 - A Marconi e a Braun viene assegnato il premio Nobel per la Fisica. Marconi e lo sviluppo della radio Principali scoperte di Braun: Le proprietà raddrizzatrici della galena. Il tubo catodico Marconi e lo sviluppo della radio Marzo 1914 - Marconi vince una causa civile a New York sulla priorità della sua invenzione: è lui l'inventore del "wireless" Marconi e lo sviluppo della radio 1915 -1918 – Marconi partecipa alla guerra come ufficiale addetto alla telecomunicazioni Marconi e lo sviluppo della radio Marconi plenipotenziario italiano alla Conferenza della Pace di Parigi del 1919. Marconi e lo sviluppo della radio Febbraio 1919 Marconi compera il Panfilo Elettra che diventerà il suo Laboratorio Marconi e lo sviluppo della radio L’equipaggio dell’Elettra Marconi e lo sviluppo della radio Una cabina dell’Elettra Marconi e lo sviluppo della radio La cabina radio dell’Elettra Marconi e lo sviluppo della radio Giugno 1920 - Prima trasmissione in fonia: concerto della cantante Nellie Melba. Febbraio 1923 regolari trasmissioni in fonia. Marconi e lo sviluppo della radio Maggio-Giugno 1923 - Crociera dell'Elettra in Atlantico: collegamento in HF da Poldhu a Capo Verde con 12 kW, 2320 miglia marine . Marconi e lo sviluppo della radio Aprile 1924 - Primo collegamento LondraSydney con Onde Corte a fascio. Marconi e lo sviluppo della radio Giugno 1926 – Laurea onoris causa in occasione 30° aniversario della radio. Marconi e lo sviluppo della radio In occasione del 30° anniversario della radio Marconi disse che la sua vita poteva dividersi in tre periodi: 1896 –1906 caratterizzato dall’affermazione del sistema radiotelegrafico Marconi. 1906 – 1916 caratterizzato dai perfezionamenti consentiti dalla valvola termoionica. 1916 in avanti caratterizzato dall’abbandono delle onde lunghe, sostituite da onde corte a fascio che consentivano comunicazioni diurne e notturne fino agli antipodi. Marconi e lo sviluppo della radio Aprile 1927 – Marconi sposa Cristina Bezzi – Scali. Marconi e lo sviluppo della radio Marzo 1930 - Marconi accende le lampade del municipio di Sidney dall’Elettra ancorato a Genova, (16500 Km). Marconi e lo sviluppo della radio Novembre 1931 - Collegamento in microonde S.Margherita Ligure - Sestri Levante, 18 Km. Marconi e lo sviluppo della radio febbraio 1931 - Alla presenza di Papa Pio IX Marconi inaugura la nuova Radio Vaticana. Marconi e lo sviluppo della radio Agosto 1932 Collegamento in microonde Rocca di Papa - Capo Figari (Sardegna) 269 Km. Marconi e lo sviluppo della radio Luglio 1934 Positivo esperimento di navigazione cieca con l'Elettra fino al porto di Sestri Levante. Marconi e lo sviluppo della radio Luglio 1937 Marconi muore a Roma. A sinistra l’ultima fotografia di Marconi Le telecomunicazioni Fra le numerosissime applicazioni delle onde elettromagnetiche alle telecomunicazioni esaminiamo due esempi particolarmente significativi: I telefoni cellulari Il GPS I cellulari Uno degli aspetti più appariscenti dello sviluppo delle telecomunicazioni è la diffusione dei “telefonini” I cellulari Trascurando i sistemi ormai superati e non più in uso descriviamo brevemente il sistema digitale GSM. I cellulari Il territorio nazionale è stato suddiviso in tante celle (da qui il nome di cellulari), di solito esagonali, con al centro una Stazione Radio di Base (SRB). I cellulari La configurazione monocellulare è usata nelle zone poco abitate con celle molto grandi. Nelle città la SRB è posta all’incrocio fra tre celle. I cellulari Tante SRB disposte su celle adiacenti sono collegate con un centro di servizio e commutazione digitale (MSC) che collega i cellulari alla rete fissa. Il GPS Il GPS è un sistema di individuazione della posizione che utilizza 24 satelliti artificiali divisi in gruppi di 4 . Il GPS I satelliti ruotano alla quota di circa 20200 km in orbite che formano un angolo di 60° fra di loro. Il GPS Sopra al ricevitore GPS ci sono, in media, da cinque ad otto satelliti che trasmettono continuamente le proprie coordinate e l’istante esatto di trasmissione. Il GPS Il ricevitore elabora i dati e determina la propria posizione, conoscendo le coordinate dei satelliti e calcolando la loro distanza. Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche 50 Hz Trasporto, distribuzione e utilizzazione dell’energia elettrica. 3 kHz – 30 kHz Trasmissioni marittime. Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche 30 kHz – 300 kHz Trasmissioni marittime. 300 kHz – 3 MHz Saldatura, fusione, tempera,sterilizzazione, radio AM, radio amatoriali, radionavigazione. Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche 300 kHz – 3 MHz Saldatura, fusione, tempera, sterilizzazione, radio AM amatoriali, radionavigazione 3 MHz – 30 MHz Essicamento, incollaggio, saldatura, radio Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche 30 MHz – 300 MHz Processi industriali, radio FM, TV VHF, trasmettitori mobili e portatili, marconi terapia. 300 MHz – 3 GHz Industrie alimentari, TV UHF, radar metereologici, telefonia cellulare, forni a microonde. Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche 3 GHz – 30 GHz Ponti radio, stazioni satellitari, radar per il controllo del traffico aereo. 30 GHz – 300 GHz Segnali video analogici, trasmissioni digitali.
