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)
La Naturphilosophie
Johann Fichte
Friedrich
Schelling
Una memoria
in latino !
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”
La fisica laplaciana
André Marie
Ampère
(1775-1836)
I due effetti dell’azione
elettromotrice
Tensione
elettrica:
I due corpi fra i quali avviene l’azione
elettromotrice sono separati da corpi
non conduttori. Accumulo di elettricità
positiva e negativa nei due poli,
rispettivamente.
Corrente
elettrica:
I due corpi fanno parte di un circuito
di corpi conduttori. Doppio flusso di
elettricità positiva e negativa.
Dissociazione elettrolitica e deviazione
dell’ago magnetico.
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
Una nuova interpretazione
del magnetismo terrestre
N
S
L’equivalenza tra magneti
e correnti circolari
slnoeid
L’interazione tra correnti
Gli esperimenti (1)
L’interazione tra correnti
Gli esperimenti (2)
L’interazione tra correnti
La teoria
a
r
b
g
Il magnetismo come
fenomeno elettrico
Elemento magnetico secondo la
tradizionale visione coulombiana
Molecola di
fluido australe
Elemento magnetico secondo
la visione di Ampère
Molecola di
fluido boreale
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”
Michael
Faraday
(1791-1867)
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 scoperta dell’induzione
elettromagnetica (1831)
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 ricerca
La 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 ricerca
La 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 ricerca
La 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 ricerca
La 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.”
Elektrodynamische
Maassbestimmunugen
(1846-1878)
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)
Un legame tra
elettromagnetismo
ed ottica ?
Fine della prima
puntata !