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Correnti e linee di forza La scoperta di Oersted e i suoi sviluppi. Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo. Tre campi di ricerca. Elettricità. Magnetismo. Galvanismo. La scoperta di Oersted (1820). Hans Christian Oersted (1777-1851).
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Correnti e linee di forzaLa scoperta di Oersted e i suoi sviluppi Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo
Tre campi di ricerca Elettricità Magnetismo Galvanismo
La Naturphilosophie Johann Fichte Friedrich Schelling
Il conflitto elettrico “Daremo il nome di conflitto elettrico all'effetto che si manifesta nel filo conduttore e nello spazio circostante.” Il conflitto elettrico viene emesso dal conduttore e si propaga nello spazio circostante in forma di spire, agendo sulle “particelle di materia magnetica”
Convenzioni Direzione “convenzionale” della corrente elettrica è quella dell’elettricità positiva, ovvero quella che, in un conduttore collegato ai poli di una batteria, va dall’estremità in cui si produce ossigeno a quella in cui si produce idrogeno La “regola dell’omino” stabilisce la relazione tra il verso della corrente e il verso della rotazione dell’ago
L’ago magnetizzato astatico Eliminando l’effetto del campo magnetico terrestre, l’ago magnetico si dispone perpendicolarmente al filo percorso da corrente
L’equivalenza tra magneti e correnti circolari slnoeid
Il magnetismo come fenomeno elettrico Elemento magnetico secondo la tradizionale visione coulombiana Molecola di fluido australe Molecola di fluido boreale Elemento magnetico secondo la visione di Ampère Molecola di sostanza magnetica
Un'ipotesi sulla natura della corrente elettrica L'etere luminifero (Fresnel) come fluido neutro risultante dalla combinazione di elettricità positiva e negativa. La corrente come propagazione di una serie di decomposizioni e ricombinazioni delle due elettricità attraverso l'etere.
L’eredità newtoniana “Newton ci ha insegnato che [ogni fenomeno naturale] deve essere ricondotto, per mezzo del calcolo, a forze agenti sempre tra due particelle materiali secondo la retta che le congiunge, in modo che l’azione esercitata da una di queste particelle sia uguale ed opposta a quella che quest’ultima esercita nello stesso tempo sulla prima”
“Guidato dai principi della filosofia newtoniana …” “… ho ricondotto il fenomeno osservato da Oersted […] a forze agenti sempre secondo la retta che congiunge le due particelle tra le quali queste si esercitano. Inoltre, ho stabilito che la stessa disposizione o lo stesso movimento dell’elettricità in un filo conduttore si verifica anche intorno alle particelle dei magneti”
Il successo della teoria “Secondo la mia formula è possibile calcolare le forze che si sviluppano tra le particelle di un magnete e quelle di un conduttore o di un altro magnete, secondo rette che congiungono due a due le particelle di cui si considera la mutua azione. I risultati del calcolo sono completamente verificati dalle esperienze fatte e dal loro accordo con le leggi di Coulomb, sull’interazione tra due magneti, e di Biot, sull’interazione tra un magnete e di un conduttore”
Il fondamento dell’elettrodinamica “Qualunque sia la causa fisica alla quale si vogliano attribuire i fenomeni elettrodinamici, la formula che ho ottenuto rimarrà sempre l’espressione dei fatti”
Faraday vs Ampère “Sono per natura scettico nei confronti delle teorie e di conseguenza vi prego di non serbarmi rancore per il fatto che non accetto immediatamente la vostra […] Non riesco a capire in che modo vengano prodotte le correnti” “Sono sfortunatamente privo di conoscenze matematiche e quindi della possibilità di penetrare nei ragionamenti astratti. Sono dunque costretto a trovare la mia strada seguendo la stretta concatenazione dei fatti” Lettere ad Ampère, 1822
Un’esplorazione sperimentale sistematica delle “forze” [powers] intorno alle sorgenti magnetiche
Rotazioni ! On some new electro-magnetic motions and on the theory of magnetism (1821)
Rotazioni vs attrazioni E’ un fatto ormai stabilito che il filo collegato alla batteria esercita azioni differenti ai suoi lati opposti; o meglio, che ciascuna azione si estende con continuità tutt’intorno al filo. E’ quindi evidente che le attrazioni e repulsioni di Ampère non sono dei fatti semplici, ma risultati complicati di questo tipo di azioni”
La legge dell'induzione "Se un filo conduttore si muove in modo tale da tagliare una curva magnetica, si produce una forza [power] che tende a produrre una corrente elettrica attraverso di esso." (Nel caso di induzione e.m. prodotta da una corrente variabile, le curve magnetiche sono prodotte o spariscono durante la variazione, "tagliando" così il circuito secondario)
Ampère vs Faraday “La rotazione mutua del filo conduttore e di un magnete, che Faraday considera come fatto primitivo, non si presta ad una trattazione matematica: sarebbe stato necessario che egli avesse determinato in modo preciso l’azione che ha luogo tra ogni elemento del filo e ogni particella del magnete” Commento alla traduzione francese dell’articolo di Faraday
“[Faraday] considera l’azione che produce la rotazione come fatto primitivo e mostra che le attrazioni e repulsioni possono essere ricondotte a tale azione. Noi abbiamo invece dimostrato che, considerando come fatto primitivo le attrazioni e repulsioni tra porzioni infinitesime di correnti elettriche e utilizzando le leggi fornite da Ampère, si riesce immediatamente a dedurre i movimenti circolari dei fili conduttori e dei magneti gli uni intorno agli altri.”
“Tutti le azioni che producono i vari fenomeni scoperti fino ad oggi si esercitano tra due punti secondo la linea che li congiunge, esattamente come le attrazioni e le repulsioni ipotizzate da Ampère tra due porzioni infinitesime di correnti elettriche. Adottando la teoria di Ampère, i fenomeni elettromagnetici sono ricondotti alle leggi generali della fisica, e non si è costretti ad ammettere come fatto semplice e primitivo un’azione di rotazione di cui non esistono altri esempi in natura e che ci sembra difficile ammettere in quanto tale.”
Due diversi stili di ricercaLa teoria Ragionamento speculativo guidato dalla matematica. Interesse per le ipotetiche entità elementari interagenti a distanza secondo leggi di forza di tipo newtoniano. Nessun uso della matematica. Radicale agnosticismo circa la natura dell’elettricità e del magnetismo. Interesse per la distribuzione delle forze intorno ai corpi elettrizzati o magnetizzati.
Due diversi stili di ricercaLa pratica sperimentale L’esperimento come conferma della teoria. Apparati rigidi, progettati professionalmente in stretto rapporto con la struttura matematica della teoria. L’esperimento come esplorazione. Strumentazione flessibile, costruita senza pregiudizio teorico per indagare in dettaglio i fenomeni noti, scoprire eventuali interconnessioni e ricercare nuovi effetti.
Due diversi stili di ricercaLa ricerca dell’unità Un’unica entità fisica e una semplice legge di forza per rendere conto delle azioni osservate Riducendo la corrente al flusso di elettricità si può unificare elettrostatica e galvanismo; riducendo il magnetismo alle correnti si unifica magnetismo ed elettrodinamica; identificando l’etere con un composto neutro delle due elettricità si spera di unificare ottica ed elettrodinamica.
Due diversi stili di ricercaLa ricerca dell’unità Unità delle forze prodotte dalle diverse fonti. Le linee di forza magnetiche rivelano proprietà fisiche dello spazio Gli effetti magnetici, elettromagnetici ed elettrodinamici derivano tutti dall’interazione tra le forze magnetiche prodotte intorno ai poli magnetici e ai fili percorsi da correnti.
Due strade per gli sviluppi teorici successivi Comprendere la natura delle forze elettrodinamiche: • Riconducendole a proprietà dinamiche dell'etere; • Riconducendole alle interazioni a distanza tra le particelle dei fluidi elettrici in moto.
Due diverse strategie di ricerca sperimentale • Negare il controllo della teoria matematica sulla progettazione e l'esecuzione degli esperimenti, ricercando nuovi effetti e nuove connessioni tra i fenomeni elettromagnetici; • Fondare l'elettrodinamica di Ampère su più solide basi sperimentali, costruendo una coerente e rigorosa teoria fisico-matematica.
L’eredità di Ampère in Germania • Grande rigore sperimentale con apparati di misura sofisticati • Una teoria matematica completa e rigorosa dell’elettrodinamica, fondata sull’idea di forze a distanza tra particelle dei fluidi elettrici elementari • Misure assolute di grandezze elettriche
Franz Neumann(1798-1895) Könisberg Friedrich Bessel(1784-1846) Una funzione potenziale per l’interazione tra due elementi di corrente: Una teoria generale delle correnti indotte
Wilhelm Weber(1804-1891) Leipzig (Göttingen) Carl Friedrich Gauss(1777-1855)
Oltre Ampère “Che si tratti di darle un più solido fondamento e svilupparne tutte le potenzialità, oppure di confutarla, l’elettrodinamica richiede tecniche sperimentali più solide, tali da consentirci di confrontare in modo più critico la teoria con i risultati degli esperimenti. Occorre quindi attrezzare l’anima della teoria con un appropriato organo di osservazione, senza il quale le forze dell’anima non possono dispiegarsi in tutta la loro potenza.”
Gustav Kirchhoff(1824-1887) Una teoria generale delle correnti elettriche Georg Simon Ohm(1789-1854)
Le unità assolute (1) Sistema elettrostatico: Unità di carica elettrica dalla legge di Coulomb: f = q q' / r2 Unità di corrente definita come il trasferimento di una unità di carica per unità di tempo
Le unità assolute (2) Sistema elettrodinamico Unità di corrente definita dalla legge di Ampère: Unità di carica definita come la carica trasferita dall’unità di corrente nell’unità di tempo
Le unità assolute (3) Sistema elettromagnetico Unità di massa magnetica dalla legge di Coulomb: f = m m' / r2 Unità di corrente definita dall’interazione tra polo magnetico m ed elemento di corrente idl: df = m idl / r2 Unità di carica definita come la carica trasferita dall’unità di corrente nell’unità di tempo
Le unità assolute (4) u.e.m. / u.e.s. = C/√2 = c Nel 1956, Weber e Rudolph Kohlrausch, misurano il valore di c, trovando che esso risulta praticamente uguale alla velocità della luce (A. Fizeau, 1949)
