Elettricità e Magnetismo

“Tutto ciò che facciamo e siamo è elettromagnetico” (S. Glashow)

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)

Voltapila: disponibilità di correnti elettriche

OerstedNaturphilosophie

MaxwellEquazioni del campo elettromagnetico

Predizione dell'onda e.m. - unificazione con luce

HertzProduzione e rivelaz. onde e.m.

Marconiuso onde e.m.

FaradayIpotesi di campoInterazione locale

Ampere

Faraday Induzione e.m.

OerstedConnessione E→B

AmpereCircuitaz. B

Motore elettrico – dinamo - elettrificazione

Pacinotti: motore a corr. continuaG. Ferraris: motore a corr. alternata

Lampadina (Edison) TelefonoTelegrafo

Innovazione tecnologica

teoria-congetture

esperimenti

ricaduta tecnologica

Gli inizi – dai Greci a W. Gilbert

VI sec. a.C. Magnetite: composto ferroso, abbondante a Magnesia, Asia

Minore; osservate le capacità di attirare il ferro e autointerazioni

repulsive/attrattive (poli)

Ambra, resine (greco: electron) e vetro strofinati: capacità analoghe

alla magnetite repulsione/attrazioneelettricità

magnetismo

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

Lo spirito baconiano

di W. Gilbert

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

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.)

'700 – interpretazione di FLUIDO e esperimenti da salotto

S. Grey (1720 ca.): l'elettricità può essere

comunicata

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)

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.

→ congettura di Priestley: forza elettrica analoga a quella gravitaz? i.e. legge dell'inverso del

quadrato della distanza?

riduzionismo

analogia/unificaz.

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)

“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.

• 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)

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)

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)

• “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

Cariche elettriche → effetti elettrici correnti elettriche → effetti magnetici elettro-

magnetismo

Michael Faraday (1791-1867)

Principio del motore elettrico, del trasformatore, della dinamo; concetto di campo; divulgatore

• “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 • 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

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

Offre la possibilità di convertire ENERGIA MECCANICA → EN. ELETTRICA e viceversa

→ trasporto dell'energia sotto forma elettrica

→ II rivoluzione industriale

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 twine and calico; there were three lengths of wire, each about twenty-four feet long, and they could be connected as one length, or used as separate lengths. By trials with a trough each was insulated from the other. Will call this side of the ring A. On the other side, but separated by an interval, was wound wire in two pieces, together amounting to about sixty feet in length, the direction being as with the former coils. This side call B.

Charged a battery of ten pairs of plates four inches square. Made the coil on B side one coil, and connected its extremities by a copper wire passing to a distance, and just over a magnetic needle (three feet from wire ring), then connected the ends of one of the pieces on a side with battery: immediately a sensible effect on needle. It

oscillated and settled at last in original position. On

breaking connection of a side with battery, again a

disturbance of the needle.

ΔV

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 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.”

“On the Physical Lines of Magnetic Force”

[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”

“[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; […]

James Clerk Maxwell (1831-1879)

• 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...)

• 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)

• 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 velocitàdi 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)

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

• Amburgo, famiglia benestante, origini ebraiche; vasta cultura (arabo, Dante...)

• Allievo di Helmholtz

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

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)

realismo

strumentalismo“Alla domanda: che cos'è la teoria di Maxwell? Io non ho saputo dare risposta più breve e

più precisa di questa: la teoria di Maxwell è il sistema di equazioni di Maxwell”

(Hertz)