Elettricità e Magnetismo
E. Segré, Personaggi e scoperte...
G. Cantor, D. Gooding, F.James, Michael
Faraday, (1991)
N. Witkowski, Storia sentimentale della
scienza (2003)
G. Dioguardi, La scienza come invenzione,
Alessandro Volta, 2000
Giorgione, La tempesta (1507)
“Tutto ciò che facciamo e siamo è elettromagnetico” (S. Glashow)
Innovazione tecnologica
Volta
pila: disponibilità di correnti elettriche
teoria-congetture
esperimenti
ricaduta tecnologica
Faraday
Oersted
Naturphilosophie
Ampere
Ipotesi di campo
Interazione locale
Ampere
Oersted
Connessione E→B
Faraday
Circuitaz. B
Induzione e.m.
Maxwell
Motore elettrico – dinamo elettrificazione
Pacinotti: motore a corr. continua
G. Ferraris: motore a corr. alternata
Lampadina (Edison)
Telefono
Telegrafo
Equazioni del campo elettromagnetico
Predizione dell'onda e.m. - unificazione con luce
Hertz
Produzione e rivelaz. onde e.m.
Marconi
uso onde e.m.
Gli inizi – dai Greci a W. Gilbert
VI sec. a.C. Magnetite: composto ferroso, abbondante a Magnesia, Asia
magnetismo
Minore; osservate le capacità di attirare il ferro e autointerazioni
repulsive/attrattive (poli)
elettricità
Ambra, resine (greco: electron) e vetro strofinati: capacità analoghe
alla magnetite repulsione/attrazione
Nota: fenomeni elettrici più deboli rispetto a quelli magnetici → prevale lo studio del magnetismo.
Nota bene: per i Greci elettricità/magnetismo puro divertissement... oggi: tutto è elettro/magnetico!
W. Gilbert, De Magnete (1600)
Analogie tra elettricità e magnetismo: 2 tipi di elettricità (resinosa/vetrosa), 2 tipi di
magnetismo (polo Nord, Sud); analoghi rapporti di repulsione/attrazione
Differenze: elettricità su numerosi materiali strofinati, magnetismo solo per il ferro;
separabilità delle cariche elettriche, non separabilità dei poli magnetici
Precursore della teoria di campo: orbis virtutis attorno alle calamite
G. esercita il dubbio sistematico, con riferimento alle possibilità di
discernimento del vero da parte dell'esperimento:
“Si dice che la calamita sia un'impostura diabolica, o che, posta sotto la testa
di una donna addormentata, la tiri giù dal letto se ha commesso adulterio; o
che la calamita, fra tutte le pietre fini, sia utilizzata dai ladri per via delle sue
emanazioni e della sua lucentezza; o che apra le serrature […] o che esistano
in India scogli ricchi di pietra magnetica, che strappano tutti i chiodi dalle
navi […] che una calamita guarisce la gotta e gli spasmi, o che rende
eloquente e conquista il favore dei principi... […] I filosofi di bassa lega si
divertono molto con questi inganni idioti e ne riempiono le orecchie dei
lettori amanti di cose nascoste, o gli ignoranti appassionati di assurdità. Ma
Lo spirito
baconiano
di W. Gilbert
dopo che la natura magnetica sarà stata svelata da ciò che segue, e portata
alla luce del nostro lavoro dai nostri esperimenti, le cause nascoste di un
effetto così meraviglioso appariranno certe, provate, mostrate e
dimostrate. Allora ogni oscurità verrà a cadere, e ogni errore verrà estirpato
alle radici, e le basi di una grande filosofia magnetica appariranno rinnovate,
in modo che le grandi menti non siano perturbate da opinioni volgari....”
(De Magnete I, II da N. Witkowski, op.cit.)
S. Grey (1720 ca.): l'elettricità può essere
comunicata
'700 – interpretazione di FLUIDO e
esperimenti da salotto
Charles Du Fay (1698-1739): due FLUIDI
(vetroso/resinoso): repulsione tra fluidi
simili, attrazione tra fluidi diversi [Oss:
coevo a hp calorico e luce corpuscolare];
introduce: “Isolanti” e “conduttori”
B. Franklin (1706-1790): UNICO FLUIDO
(eccesso/scarsità = stato positivo/negativo)
NB: le due teorie (uno o due fluidi)
convivono
fino
all'esperimento
di
J.J.
Thomson, fine '800 (→ scoperta elettroni)
riduzionismo
J. Priestley (fine '700) legge Newton e osserva che accade per le cariche (il fluido elettrico) quel
che accade per una massa al centro di una cavità: non c'è forza di attrazione.
analogia/unificaz.
→ congettura di Priestley: forza elettrica analoga a quella gravitaz? i.e. legge dell'inverso del
quadrato della distanza?
Forza di Coulomb
•
A.
Coulomb
conferma
l'intuizione di Priestley
1777-1785 misura la forza tra due
corpi carichi con bilancia a
torsione
→ Forza di Coulomb: prima legge
quantitativa dell'elettricità
•
è
la
seconda
interazione
fondamentale dopo la gravità ad
essere studiata
•
Nota: Volta non l'accetterà mai,
non ottiene lo stesso risultato
Le bottiglie di Leida
•
Pieter van Musschenbroeck, 1745 “il braccio e tutto il corpo furono così atrocemente
percossi che non riuscivo affatto a muovermi, insomma pensavo che fosse proprio
giunta la mia ora” (Guillen)
→ possibilità di fare esperimenti con elettricità intensa, non solo da strofinìo, ma solo di breve durata
La disputa tra Volta e Galvani
1770 Galvani: “quando qualcuno toccava per caso, anche leggermente, con la punta di un bisturi
i nervi crurali interni della rana, tutti i muscoli della gamba sembravano contrarsi
ripetutamente come colpiti da crampi violentissimi” (Guillen); G. lo interpreta come la
scoperta della “scintilla della vita”
I nervi rilasciano l'elettricità generata dal cervello della rana in vivo (elettricità intrinseca degli
animali); analogia bottiglia di Leida-muscoli della rana;
→ la rana è generatore di elettricità
Volta: la rana è rivelatore di elettricità, elettrometro, di elettricità (un'unica elettricità dei corpi,
organici e non organici), prodotta nel contatto tra metalli diversi (potenziale di contatto, anche
tra metallo e materiali non metallici bagnati), riequilibrio di fluidi elettrici.
Galvani → Grande risonanza “mediatica”, più al di fuori
della comunità scientifica che dentro (Wesley, il metodista e ispiratore di Sandeman – aggiunge nei principi del
metodismo “l'elettricità è l'anima dell'universo”); il nipote
di Galvani gira l'Inghilterra esibendo cadaveri di criminali
scossi dalle scariche elettriche;
1818: Mary Shelley pubblica Frankenstein: “Con un ansia
che arrivava quasi allo spavento raccolsi intorno a me gli
strumenti della vita per infondere una scintilla animatrice
nella cosa immota che mi giaceva davanti...”
Volta : 1800, pila a colonna: 30-60 dischetti di Zn, Cu (= due metalli diversi) e acqua salata. Scrive alla
Royal Society: “costruzione di un apparecchio che per gli effetti, cioè per la commozione che è capace
di far sentire nelle braccia ecc. rassomiglia alla bottiglia di Leida e meglio ancora alle batterie elettriche
debolmente caricate, che agiscano però senza posa, ossia la cui carica, dopo ciascuna esplosione, si
ristabilisce da se stessa, in una parola, che fruisce di una carica indefettibile, d'un azione, o
impulso perpetuo sul fluido elettrico”
→ possibilità di avere correnti durature
“La pila fu una rivoluzione tecnica che dal gioco di corte settecentesco portò alla rivoluzione scientifica
dell'Ottocento prima, e poi a quella industriale” (G.D.)
“La scoperta di Volta cambiò radicalmente la vita degli uomini, e vorremmo dire la faccia della Terra. L'umanità
aspetterà 142 anni per avere, con la pila atomica, uno strumento paragonabile per le conseguenze alla pila
voltaica” (Gliozzi)
C'è anche (1801) incontro
con Napoleone, che lo
ricompensa con pensione a
vita.
→ rivalità politico- scientifica
FRA/GBR su pile sempre più
grandi
(analoga a corsa odierna al
superPC)
Corrente, resistenza elettrica, nuove esperienze chimiche e sociali
•
G. S. Ohm (1787-1854): tedesco, docente di liceo.
Misura della resistenza elettrica.
Teoria della corrente in circuito (1826): leggi di Ohm
(V=IR è legge valida sul più vasto range di ordini di grandezza)
•
1845 J. Joule: effetto Joule P=I²R → contributo alla scoperta della legge di conservazione
dell'energia
•
Sir H. Davy: ottiene Na e K attraverso l'elettrolìsi
•
1845 leggi di Kirchhoff per i circuiti
•
Th. Alva Edison: lampadina ad incandescenza (effetto Joule + vuoto); 1879 illumina
Menlo Park, NJ; 1881 prima elettrificaz. pubblica in GBR; nuove abitudini (“le luci della ribalta)
Hans Christian Oersted (1777-1851)
•
Danese; fonda società dedita alla divulgazione scientifica
•
Naturphilosophie = identità delle diverse forze fisiche,
principio unitario operante nella natura
•
1820 scoperta E/B
•
Predecessore: G. D. Romagnosi (Trento): 1802, pubblica sui giornali di Trento e Rovereto, scrive all'accademia
di Parigi: ignorato (vedi studi di Stringari)
“Egli aveva persistito nella tesi che gli effetti magnetici sono prodotti dalle stesse forze che producono gli effetti elettrici.
Non era stato condotto a questo tanto dai ragionamenti in genere forniti a sostegno di questa tesi, quanto dal principio
filosofico secondo cui tutti i fenomeni sono prodotti dalla stessa forza originale [...] [egli] decise di esaminare [la sua ]
convinzione attraverso esperienze. I preparativi furono fatti un giorno in cui doveva fare una lezione quella stessa sera […]
ma dato che un incidente gli impedì di fare l'esperimento prima [della lezione], la probabilità di successo dell'esperienza
gli apparve così forte, che egli fece il suo primo esperimento davanti al suo uditorio […] l'effetto era molto debole […] e
non fece molta impressione all'uditorio […] In luglio ricominciò i sui esperimenti con una pila galvanica molto grande
[…] il successo era ora evidente […] scoprì in seguito, continuando le esperienze per qualche giorno, la legge
fondamentale dell'elettromagnetismo, cioè che l'effetto magnetico della corrente elettrica ha un movimento circolare
attorno a questa”
•
(H.C.Oersted, in R.G. Canguilhem, Introduzione alla storia delle scienze)
N.B: O. usa all'inizio fili molto sottili, con grande R (→ piccola I), in modo che diventino caldi e luminosi: idea filosofica –
controproducente, in questo caso – di manifestazione di tutte le forze con identica intensità... grande effetto magnetico solo in
corrispondenza di grandi effetti ottici e termici.
da Oersted in poi:
•
Prima di Oersted: tra elettricità e magnetismo ci sono solo ANALOGIE
•
Dopo Oersted: tra elettricità e magnetismo c'è un LEGAME FISICO, causa-effetto
→ Ampere: mostra come l'elettricità generi il magnetismo
→ Faraday: mostra come il magnetismo generi l'elettricità
André-Marie Ampere (1775-1836)
•
“il Newton dell'elettricità” (J.C. Maxwell)
•
1821 (1 settimana dopo la notizia di Oersted): interazione
corrente/corrente
•
1826: “Sulla teoria matematica dei fenomeni elettrodinamici”
•
Spira percorsa da corrente ← → dipolo magnetico
Principio di equivalenza:
il campo magnetico è originato da correnti elettriche
microscopiche presenti all'interno della materia
→ equazioni che descrivono gli effetti magnetici delle
correnti elettriche
(è esempio di riduzionismo: idea di negare l'esistenza
indipendente di un ente fisico per ricondurlo ad un altro)
Teorema di Ampere (circuitazione di B)
Cariche elettriche → effetti elettrici
correnti elettriche → effetti magnetici
elettromagnetismo
Michael Faraday (1791-1867)
Principio del motore elettrico, del trasformatore, della dinamo; concetto di campo; divulgatore
Michael Faraday
•
Londra, 1791; figlio di fabbro
•
poca scuola (leggere, scrivere e far di conto)
•
14-21 anni: apprendista rilegatore
•
Assistente di Sir H. Davy, Royal Institution
•
Lo segue (amanuense-cameriere) per 18 mesi nel tour dei labs europei
•
1825 (età 34) Direttore del Laboratorio, Royal Institution; Davy ostile
•
1829 muore Davy; inizia l'ascesa libera di Faraday
•
“while F. was a highly original thinker he was also a person who possessed immense practical skill”
•
400 pubblicazioni; papers privi di matematica; Experimental Researches in Electricity “they are
comparable, in historical importance, with Newton's Principia and Darwin's Origin of Species”
•
Distante dalla politica, non ha studenti, rifiuta le cariche non meritocratiche, non aspira alla ricchezza
materiale
•
Convinto della necessità e del dovere morale della divulgazione (fonda le Christmas Lectures e i
Friday Evening Discourses)
•
Idea del mondo come creatura divina; membro attivo della chiesa di Sandeman; conoscitore della
Bibbia
•
Idea di scienza come sorgente primaria di progresso e di verità, porta alla pace e all'armonia sociale
Michael Faraday
•
1831 “Ogni volta che una forza magnetica aumenta o diminuisce, produce
elettricità; quanto più veloce è il suo aumento o la sua diminuzione, tanto
maggiore è l'elettricità prodotta”
→ INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
•
Esaurimento nel 1840, forse anche dovuto al contatto con il materiale
chimico
•
1846 idea del campo di forze; 1852 “Sul carattere fisico delle linee di
forza”
•
1850 moda dello spiritismo; F. lo contrasta suoi giornali: serve più cultura
scientifica
•
Personalità complessa e ricca di sfaccettature “there can be few people and even fewer scientists who have
been so widely admired and loved as Faraday”; “The perfect simplicity, modesty, and undimmed purity of
his character gave to him a fascination which I have never experienced in any other man” (H. Helmholtz)
•
“He was also in some respects a very distant person who inhabited the strange worlds of science and of
Sandemanianism […] In Blaikley's picture the large empty space between Faraday and his audience may be
taken to symbolise the considerable distance between the Sandemanian church and contemporary society”
Induzione elettromagnetica, 1831
Dal quaderno di laboratorio di Faraday, 29 agosto 1831
I have had an iron ring made (soft iron), iron round and
⅞ ths of an inch thick, and ring six inches in external
diameter. Wound many coils of copper round, one half of the
coils being separated by tw ine and calico; there w ere three
lengths of w ire, each about tw enty-four feet long, and they
could be connected as one length, or used as separate
lengths. By trials w ith a trough each w as insulated from the
other. Will call this side of the ring A . On the other side, but
separated by an interval, w as w ound w ire in tw o pieces,
together amounting to about sixty feet in length, the
direction being as w ith the former coils. This side call B.
Charged a battery of ten pairs of plates four inches square.
ΔV
M ade the coil on B side one coil, and connected its
extremities by a copper w ire passing to a distance, and just
over a magnetic needle (three feet from w ire ring), then
connected the ends of one of the pieces on a side w ith
battery: immediately a sensible effect on needle. I t
oscillated and settled at last in original position. On
breaking connection of a side with battery, again a
disturbance of the needle.
Offre la possibilità di convertire ENERGIA MECCANICA → EN. ELETTRICA e viceversa
→ trasporto dell'energia sotto forma elettrica
→ II rivoluzione industriale
In visita alla Royal Institution, il Cancelliere dello Scacchiere gli
chiese “A cosa serve?” La replica di Faraday è oggi diventata
famosa: “Un giorno, signore, lo tasserete!”. In una generazione, i
discendenti della dinamo di Faraday stavano già cominciando a
illuminare il mondo.
(R. March, Fisica per poeti)
L'idea del CAMPO
Problema dell'azione a distanza (sia gravitazionale - Newton - che elettrica)
→ è il campo ad interagire, localmente, con la carica q e la massa m, non la massa M
o la carica Q, ora dette sorgenti del campo
“On the Physical Lines of Magnetic Force”
“On a former occasion certain lines about a bar-magnet were
described and defined [...], and were recommended as
expressing accurately the nature, condition, direction, and
amount of the force in any given region either within or outside
of the bar. At that time the lines were considered in the abstract.
Without departing from or unsettling anything then said, the
inquiry is now centered upon of the possible and probable
physical existance of such lines.”
“[elenco di fenomeni gravitazionali, elettrici, magnetici] Now all these facts, and many
more, point to the existence of physical lines of force external to the magnets as well
within. They exist in curved as well as in straight lines; […]
[These lines] exist as much when is no magnetic needle or crystal there [to detect them]
as when there is; having an independent existence analogous to (though very
different in nature from) a ray of light or heat, which, though it be present in given
space, and even occupies time in its transmission, is absolutely insensible to us by any
mean whilst it remains a ray, and is only made known through its effects”
James Clerk Maxwell (1831-1879)
•
1831, campagna scozzese; Edimburgo; si diletta con poesie
•
dafty; forte accento scozzese; tratti religiosi e culturali profondi
•
Già visto: teoria cinetica dei gas, distribuzione delle particelle f(v)
“è stato un dio a tracciare questi segni?”
(Boltzmann su eq. di Maxwell, citando il Faust di Goethe)
•
1864 Dynamical theory of the electromagnetic field; equazioni (sintesi) e predizione
delle onde elettromagnetiche
•
1873: Treatise on electricity and magnetism, trattato sistematico: “grande ma
inaccessibile monumento” (Segré): QUATTRO (anche di più) EQUAZIONI di
MAXWELL
•
La teoria di Maxwell si diffonde grazie a Hertz e Poincaré.
•
Primo direttore del Cavendish Laboratory, Cambridge (NB: non investe sulla
possibile corroborazione della sua congettura...)
•
Sintetizza: Legge di Gauss per E, B; Induzione elettromagnetica (Faraday);
teorema della circuitazione di Ampere; conservazione della carica elettrica.
Problemi di coerenza interna alle equazioni → deve introdurre un nuovo termine:
“corrente di spostamento”: non solo salva la non contraddizione tra le sue equazioni
ma è la novità essenziale che gli permette di trovare l'equazione d'onda e.m.;
nel trattato non si dilunga su tale termine, dice solo “The variations of the
electrical displacement should be added to the currents in order to obtain the
total movement of the electricity”
Teorema di Gauss
Legge di Faraday-Neumann-Lenz
Teorema di Ampere
Onda con velocità
di propagaz. = c !
→ luce è E+B!
La corrente di spostamento
“In un dielettrico sotto l'azione di una forza elettromagnetica possiamo pensare che
l'elettricità in ciascuna molecola sia distribuita in modo tale che una parte si carica
positivamente e l'altra negativamente ma che l'elettricità interessa solo quella
molecola e non può passare da una molecola all'altra [in un certo Δt si sposta il
baricentro delle cariche + rispetto a quelle -]. L'effetto di questa azione sull'intera
massa del dielettrico è tale da produrre uno spostamento generale di elettricità in
una certa direzione. Questo spostamento non è dovuto a una corrente perché quando
ha raggiunto un certo valore rimane costante, ma è l'inizio di una corrente e le sue
variazioni determinano correnti in direzione positiva o negativa, a seconda che lo
spostamento sia crescente o decrescente” (Maxwell)
→ se c'è il dielettrico è polarizzazione
→ se non c'è il dielettrico c'è comunque l'etere
→ variazione di E → corrente (di spostamento) → campo magnetico indotto
[simmetria con la legge di Faraday: variaz. B → campo elettrico (f.e.m.)]
Maxwell insegnante: Egli aveva la sua dote di accidenti nello svolgere le lezioni e si
aveva l'impressione – confermata, credo, dai suoi scritti – che, benché avesse una
ferma padronanza degli elementi essenziali e potesse formulare grandi concezioni
matematiche, non aveva molta destrezza nei minuti dettagli di calcolo. Il suo intuito
fisico lo salvava da errori di fondo... Le lezioni di Maxwell erano interessanti e
incantevoli per alcuni di noi, non tanto per l'argomento trattato, che era elementare,
ma perché ci permetteva ogni tanto di intravedere il modo di guardare le cose del
nostro docente, il suo costante ricorso a principi fondamentali e anche gli espedienti
usati quando si trovava in difficoltà, nonché per le spiritose e inattese digressioni,
per le occasionali osservazioni satiriche e, spesso, per qualche allusione letteraria o
addirittura poetica. (Lamb)
Heinrich Hertz (1857-1894)
•
Amburgo, famiglia benestante, origini ebraiche; vasta cultura (arabo, Dante...)
•
Allievo di Helmholtz
1886 corrobora la congettura di Maxwell
(morto nel 1879) sulle onde e.m. :
circuito oscillante: dipolo alimentato da
una scintilla, produce onde ad alta
frequenza
rivelatore: filo metallico circolare con
piccola apertura in cui appare una
scintilla
Campo... modificazione dell'etere... ma se l'etere non c'è....
Lange, An introduction to the philosophy of physics)
→ l'ETERE è l'unico passo mancante ai meccanicisti per
completare la loro interpretazione del mondo
Riflessioni sulla realtà/esistenza delle onde e.m.
“The real difficulty lies in the fact that physics is a kind of metaphysics; physics
describes “reality”. But we do not know what “reality” is; we know it only by means
of the physical description” (Einstein, 1935)
“Perhaps you still want to ask, what is an electric field? Is it something real, or is it
merely a name for a factor in an equation which has to be multiplied by something
else [a body's electric charge] to give the numerical value of the force [on the body]
we measure in an experiment? ...Since it works, it doesn't make any difference.
That is not a frivolous answer, but a serious one.”
(Purcell, 1965, Electricity and Magnetism)
“The answer may make no difference to the way we should use the concept of an electric
field to predict the path of a charged body. But the answer should make a big
difference to our beliefs about what the universe is like.”
(M. Lange, An introduction to the philosophy of physics, 2002)
“L'antico criterio meccanicistico tendeva a ridurre tutti gli eventi della natura a forze agenti
tra particelle elementari. Su questo criterio si basa la primitiva e ingenua teoria dei fluidi
elettrici. Per il fisico dei primi anni del secolo XIX il campo non esisteva. Egli
considerava come reali soltanto la sostanza e le sue modificazioni. Egli tentava di
realismo
descrivere l'azione di due cariche elettriche unicamente mediante concetti afferenti
direttamente alle cariche stesse. Al principio il concetto di campo non fu altro che uno
strumento volto ad agevolare la comprensione dei fenomeni dal punto di vista
meccanico. Ma nel nuovo linguaggio del campo l'essenziale per la comprensione
dell'azione fra le due cariche è la descrizione del campo interposto fra di esse e non le
cariche stesse. L'accettazione del nuovo concetto si affermò progressivamente, e
finalmente il campo lasciò in ombra la sostanza. Ci si accorse allora che qualcosa di
molto importante era avvenuto in fisica. Si era creata una nuova realtà, un nuovo
concetto che non trova posto nello schema meccanicistico. Lentamente e non senza
lotta, il concetto di campo finì per occupare una posizione direttiva in fisica e ne
costituisce tuttora uno dei concetti basilari. Per il fisico moderno, il campo
elettromagnetico è altrettanto reale quanto la sedia su cui egli siede.”
(Einstein, Infeld)
“Alla domanda: che cos'è la teoria di Maxwell? Io non ho saputo dare risposta più breve e
strumentalismo
più precisa di questa: la teoria di Maxwell è il sistema di equazioni di Maxwell”
(Hertz)
