Correnti e linee di forzaLa scoperta di Oersted e i suoi

sviluppi

Arturo RussoDipartimento 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)

Johann Fichte

La Naturphilosophie

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

L’interazione tra correntiGli esperimenti (1)

L’interazione tra correntiGli esperimenti (2)

L’interazione tra correntiLa teoria

r

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

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”

“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

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 ricercaLa teoria

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.

Ragionamento speculativo guidato dalla matematica. Interesse per le ipotetiche entità elementari interagenti a distanza secondo leggi di forza di tipo newtoniano.

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

• Riconducendole a proprietà dinamiche dell'etere;

• Riconducendole alle interazioni a distanza tra le particelle dei fluidi elettrici in moto.

Comprendere la natura delle forze elettrodinamiche:

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)

Una funzione potenziale per l’interazione tra due elementi di corrente:

Una teoria generale delle correnti indotte

Könisberg

Friedrich Bessel(1784-1846)

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 elettrodinamicoUnità 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 !