STORIA ED EPISTEMOLOGIA DELLA FISICA
lezioni del professor Michelangelo De Maria
TESINA
IL CONTRIBUTO DI FARADAY
NELLO SVILUPPO
DELL'ELETTROMAGNETISMO
STEFANO CAROSELLI
Ho scelto di affrontare questo argomento in quanto mi è sembrato molto ricco e significativo.
Studiando gli appunti presi a lezione e leggendo le dispense del corso, mi sono accorto che è un
argomento molto vasto e dovrò fare una selezione molto rigida su cosa esporre. La mia intenzione è di
non dilungarmi troppo sugli aspetti meno rilevanti, soffermandomi invece su quelli centrali.
Michael Faraday fu un personaggio fondamentale per lo sviluppo dell'elettromagnetismo nel XIX
secolo, contribuendo in maniera sostanziale al progressivo distaccamento dell'elettromagnetismo dalla
meccanica. Faraday rifiutò tutte le ipotesi meccanicistiche, prediligendo le teorie dinamicistiche, il
metodo dell'analogia, l'importanza dei dati sperimentali, e la sua teoria si basava sull'atomo come
centro di forza, sul concetto di polarità e sull'unità delle forze.
Nacque nel 1791 in Inghilterra, da origini molto umili, e da ragazzo imparò la fisica leggendo libri:
a 14 infatti iniziò a lavorare come apprendista rilegatore di testi, ed ebbe la possibilità di leggere
diverse opere, sviluppando un interesse per le scienze, in particolare per l'elettricità. La sua fortuna fu
nell'aver incontrato H. Davy, chimico e fisico scozzese, frequentandone le lezioni e a 21 anni
diventandone assistente; in quegli anni Davy stava studiando l'elettrolisi, scoprendo diversi elementi.
Davy viaggiava molto in tutta Europa, e tra il 1813 e il 1815 Faraday ebbe la possibilità di seguirlo a
Parigi e di incontrare il filosofo fisico-matematico francese A. M. Ampere. Da Davy e Boscovich
Faraday riprese l'idea che la molecola fosse costituita da atomi puntiformi collegati tra loro da forze
attrattive o repulsive (a sua volta ricollegata alla teoria degli atomi-forza di Kant): l'atomo è un centro
di forza.
Dal 1820 iniziò a studiare la teoria della luce, utilizzando soprattutto le scoperte in campo ottico
del fisico e ingegnere francese A. J. Fresnel. Faraday collegò le proprietà della luce a quelle del
suono, basando la sua teoria su modelli ondulatori e compiendo diverse ricerche sulle onde sonore. Il
suo obiettivo era dimostrare la correlazione tra correnti elettriche e onde sonore.
Nel 1821 Faraday fu incaricato di scrivere un articolo sugli esperimenti svolti l'anno precedente da
Ampere e dal filosofo naturale dinamistico H. C. Oersted: quest'ultimo aveva dimostrato che la
corrente elettrica produce un campo magnetico. Faraday decise di riprendere tali esperimenti insieme
ai tentativi fatti da Davy e dal britannico W. H. Wollaston di creare un motore elettrico, ed arrivò a
scoprire l'effetto di rotazione continua, un punto di svolta della teoria elettromagnetica dinamicistica:
costruì un sistema in cui un circuito percorso da una corrente immerso nel mercurio veniva messo in
rotazione dalla presenza di una forza trasversale causata da un magnete.
Provò a collegare i sui risultati in campo acustico anche nei fenomeni elettromagnetici, scoprendo
che variando la corrente si verificano effetti magnetici; successivamente il fisico olandese H. Lorentz
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arrivò ad una descrizione più rigorosa di tale fenomeno, scoprendo la: d
F =i d
ℓ ∧d
B , nota appunto
come forza di Lorentz. L'esistenza di una forza trasversale era di importanza fondamentale per
Faraday, e ciò produsse delle divergenze con Ampere, il quale, pur condividendo la sua convinzione
sulla fondamentale importanza delle forze, era però più interessato all'aspetto attrattivo e repulsivo tra
le forze.
Successivamente nel 1825 i suoi studi sull'elettromagnetismo furono influenzati dall'esperimento
di F. D. Arago, che scoprì che la rotazione di un disco di rame produceva la rotazione di un ago
magnetico sospeso sopra di esso, e viceversa. Tale esperimento fu studiato dai fisici laplaciani, e Biot
spiegò che questo effetto era causato dalla separazione dei fluidi magnetici dovuta alla forza
centrifuga. Faraday al contrario intuì che tale comportamento era spiegato dalle interazioni che
avvengono fra magneti e correnti elettriche indotte, ma non ebbe molto successo nei sui primi
esperimenti.
Continuando i suoi studi, osservò che muovendo un solenoide in un campo magnetico si creava nel
solenoide una corrente indotta, e viceversa mettendo un circuito percorso da corrente in un campo
magnetico, il circuito veniva “spinto”, ottenendo quindi una conversione di energia meccanica in
energia elettrica e di energia elettrica in energia meccanica (i principi su cui si basano rispettivamente
un alternatore e un motore elettrico). Due anni dopo la morte di Davy, nel 1831, in seguito a
numerose osservazioni sulle interazioni tra campo elettrico e campo magnetico e a studi sull'induzione
acustica, scoprì l'induzione elettrica con un famoso esperimento: arrotolò due fili elettrici isolati alle
due estremità di un anello d'acciaio; osservò che facendo passare della corrente in un filo si induce
della corrente anche nel secondo filo:
Da questo esperimento poté ricavare la famosa legge di Faraday-Neumann: in un circuito si poteva
indurre una corrente elettrica, facendo variare nel tempo il flusso di un campo magnetico concatenato
col circuito; ad esempio attraverso:
un secondo circuito, percorso da corrente, in moto rispetto al primo;
un secondo circuito, percorso da corrente di intensità variabile nel tempo;
un campo magnetico in moto rispetto al circuito;
deformazioni di tale circuito, immerso in un campo magnetico.
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Un ulteriore esperimento fu quello di far ruotare un disco di rame intorno al suo asse, in presenza
di un campo magnetico ortogonale al disco: il movimento all'interno del campo magnetico generava
una differenza di potenziale tra la zona centrale e il bordo; collegando queste due zone con un filo di
rame, Faraday mostrò che avveniva un passaggio di corrente (il circuito era stato chiuso). Ruotando
poi una spira in tale campo magnetico osservò che la corrente indotta non era costante, ma che anzi la
sua intensità si alternava periodicamente I = I0 sen (ωt): aveva scoperto la corrente alternata. Da questi
esperimenti si convinse dell'esistenza di linee di forza magnetiche, da lui chiamate “linee di tensione”;
egli capì che tali linee, osservabili utilizzando della limatura di ferro, erano responsabili dell'induzione
elettrica e non svolgevano un'azione a distanza, ma un'azione di contatto, modificando tutto lo spazio
circostante.
Dal 1832 al 1835 si occupò di dimostrare che tutti i tipi di elettricità studiati non sono fluidi, ma
sono manifestazioni di una stessa forza (la forza elettromagnetica), e producono gli stessi effetti. Basò
i sui studi sulla teoria di Kant dell'atomo come centro di forza e sulla teoria di Schelling della polarità,
facendo studi sulla separazione e sull'accumulo di ioni sugli elettrodi in una pila di Volta e scoprì il
passaggio di corrente in un liquido conduttore; approfondendo tali studi arrivò a stabilire che la
quantità di sostanza depositata sugli elettrodi era proporzionale alla quantità di carica elettrica che
veniva trasferita, e che variando la soluzione, la quantità di sostanza depositata era proporzionale al
peso equivalente di tale soluzione. Giunse quindi alla conclusione che l'elettromagnetismo è uno stato
di deformazione della materia.
Nel 1836 scoprì che in un conduttore elettricamente carico le cariche si distribuivano sulla
superficie esterna e, se questo era cavo, al suo interno non si risentiva minimamente di eventuali
campi elettrici presenti all'esterno: per questo oggi un tale conduttore viene chiamato “gabbia di
Faraday”.
Un altro importante passo fu il dimostrare che le linee di forza per l'induzione elettrostatica sono
linee curve: pose una sfera metallica su una colonna isolante carica negativamente, studiandone
l'induzione elettrica nello spazio circostante; poté rilevare la presenza di un campo elettrico indotto
anche nella zona d'ombra generata dalla sfera: ciò sarebbe stato impossibile se le linee di forza fossero
state rettilinee. Per Faraday l'induzione era il principio essenziale della produzione di elettricità, che
si basava sulla polarità, e nel 1838 ne espose la sua teoria, affermando che:
l'elettricità è uno stato di deformazione, di polarità della materia prodotta da tensioni;
l'induzione elettrostatica è una comunicazione di polarità, tramite azioni di contatto;
la forza elettrica si può convertire in altre forze.
Dopo una lunga pausa di sospensione, nel 1844 pubblicò un importante articolo intitolato “A
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Speculation Touching Electric Conduction and the Nature of Matter”, nel quale andò oltre il dualismo
tra materia e forze, descrivendo la materia come un “plenum” di forze. Per Faraday esisteva un'unica
forza che si manifesta in diversi modi in varie situazioni.
Integrò quindi i sui studi sul campo magnetico con le scoperte in campo acustico e ottico e in
seguito nel 1845, grazie ai suoi studi sulla luce e alla collaborazione con W. Thomson (meglio noto
come Lord Kelvin) scoprì l'effetto magneto-ottico, chiamato poi “effetto Faraday”: un fascio di luce
polarizzato veniva modificato dalla presenza di un campo elettromagnetico, in quanto il piano di
polarizzazione subiva una rotazione proporzionale all'intensità del campo magnetico e alla distanza
percorsa dalla luce; tali ricerche furono intitolate “On the Magnetization of Light and the Illumination
of Magnetic Lines of Force”. Iniziò quindi a classificare le sostanze in base al loro comportamento
negli esperimenti elettromagnetici, e si concentrò sulle sostanze diamagnetiche. Faraday era convinto
della forte interconnessione tra la luce e il campo magnetico, in quanto due aspetti diversi di una
stessa forza, e tale convinzione si avvalorò quando scoprì che il campo magnetico si propaga nel
vuoto, proprio come la luce: sostenne quindi che la luce non è che una vibrazione lungo le linee di
forza del campo magnetico.
Nel 1850 espone la sua teoria e i suoi risultati sul magnetismo, ormai consolidati, e nel 1852 infine
poté giungere alla conclusione che le linee di forza magnetiche avevano una loro realtà fisica. Il
lavoro di Faraday fu formalizzato dal fisico scozzese J. C. Maxwell, che nel 1864 ne presentò una
descrizione completa con basi matematiche, sviluppando le 4 equazioni fondamentali che legano
effetti elettrici ed effetti magnetici come aspetti diversi di un unico fenomeno: l'elettromagnetismo.
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