Michael Faraday e la scoperta dell`induzione

Elettromagnetismo
Michael Faraday e la scoperta
dell'induzione elettromagnetica
Dal lavoro di
Mauro La Forgia
Dipartimento di Fisica
La Sapienza
Roma
In
Storia della fisica: un contributo per l'insegnamento
della fisica
A cura di Fabio Bevilacqua
Franco Angeli
Il contesto della disputa
• 1820 Oersted scopre gli effetti magnetici della corrente elettrica
• Nasce una disputa in tutto l'ambiente scientificoi europeo su
— Caratteri
— natura dei fenomeni
— le forze interessate all'interazione tra magnetismo e corrente
• Ampere elabora ipotesi che tende a portare il magnetismo come
effetto secondario delle correnti. Un massiccio uso di formalismo
matematicolo portava a dimostrare che l'interazione e-m è una
interazione a distanza tra elementi del circuito (influenza dei
metodi francesi derivanti dai metodi Nw)
• Laplace e Berthollet riconducevano i fenomeni fisici (elettrici,
ottici, termici, elettrochimici) a questo quadro NW:
— interazione di fluidi imponderabili
— di composizione particellare (di materia ordinaria)
— ipotesi particellare con azioni a distanza
— Linguaggio matematico che riconduce alla fenomenologia
macroscopica
Faraday
• 1821 dà una svolta al punto di vista esistente nell'interpretare
l' esperimento di Oersted
• Ragiona sulle strutture interpretative più adeguate a
esprimere la nuova realtà dei fenomeni e-m, propone un
nuovo modo di ragionare basato su:
— Esistenza di più linguaggi formali legati all'interpretazione di un ambito
fenomenologico (le linee di forza di Farday e il formalismo di Ampere
nell'interpretare l'esperimento di Oersted)
— Legami impliciti tra una concezione della fisica e struttura formale (v.
formalismo di Ampere e ipotesi a distanza)
— Relazioni e dipendenze tra teoria e concezione metateoria: come può
emergere una teoria completamente diversa da quelle esistenti?
• 1821-1831: riflessioni epistemiche accanto a quelle teoriche
su
— Compiti e obiettivi della ricerca fisica
— Scoperte ed approfondimento critico
La rotazione e-m
•
Faraday, Electricity 1821: nuova filosofia dei fenomeni e-m a partire
dall'esperimento di Oersted
• Rivendica 8 situazioni fisiche corrispondenti a 2 azioni attrattive e 2 repulsive
tra ciascun polo e il filo:
—
—
—
—
•
l'ago resta in eq o gira repentinamente se lo si avvicina al filo lungo un raggio
Ogni polo tende a girare intorno al filo
Il filo tende a girare intorno al polo
Ogni polo interagisce con il filo nella sua individualità e non come parte dell'ago o in
quanto legato all'altro polo (uhm!!!)
Rifondazione della natura dei processi e-m: analisi puntuale del
fenomeno
• Per concepire una visione alternativa della realtà fisica ci si deve
poggiare su esperienze opportunamente concepite
• Esperienza della rotazione del filo intorno al magnete sospeso e
viceversa
• L'attrazione tra fili di Ampere diventa espressione complicata della
semplice fenomenologia-azioni effettuate da un filo sui lati opposti, che
si estende con continuità intorno a tutto il filo
Ampere - Faraday
• Ampere resta per molti anni titolare delle dimostrazioni matematiche sulle
interazioni tra fili
• Conflitto Ampere - Faraday dovuto a un diverso universo metodologico:
— Faraday contesta:
•
•
•
•
A utilizza in modo particolare e subordinato l'esperienza alle ipotesi teoriche:
l'esperienza è dedotta da ipotesi su entità non osservabili, attraverso la matematica
La teoria non spiega i termini teorici utilizzati
Troppo legato alla struttura matematica e necessità di attribuire significati fisici
— Faraday cerca una nuova sistemazione teorica degli eventi. Gli elementi sono:
• doppia polarità della corrente del filo
• Spiegazioni nell'ambito delle azioni attrattive e repulsive tra polo e corrente da cui
deriva il carattere circolare dell'interazione (esperienza filo e magnete appesi con
contatto strisciante
• I mmaterialità degli enti fisici: corrente e forze magnetiche
— I movimenti appartengono alla corrente e non al materiale. F nel 1821 effettua
l'esperienza dell'indipendenza fisica della corrente con il materiale in cui
circola: esperimento della rotazione senza rivoluzione: fallito!
— Punta a mostrare cjhe non si tratta di interazione tra particelle, ma forze nello
spazio
— La corrente è una manifestazione di una distribuzione spaziale di forze
— Le linee di forza senza mediazioni tra spiegazioni fisiche
— Si ricompongono fatti e mondo obiettivo: A lo ammette anche lui!
Le interazioni e-m di Faraday 1821
• Le interazioni e-m sono fondate su:
— Esistenza di forze distribuite tangenzialmente su circonferenze che
hanno come centro un polo o un fili percorso da corrente
— Reciproca attrazione o repulsione nello spazio tra tali forze in relazione
all'orientamento parallelo discorde o concorde
• L'aderenza al fenomeno per costruire la teoria diventa per F un
paradigma in cui inquadrare i nuovi fenomeni: si cela dietro un
apparente empirismo di induzione ingenua che in realtà vuole
dare una diversa immagine dsella natura
• La nuova visione di F:
— PENSIAMO IN TERMINI DI FORZE DISTRIBUITE, invece che adewrenti
alle particelle e alle strutture
— Non serve un mediatore
— Rifiutiamo la ingerenza totale della matematica: essa può ostacolare il
contatto effettivo con la realtà
• Tutte le lettere di F tra 1821 e 1831 ad A e G de la Rive
toccano il rapporto con la matematica
• Rifiuta la totale ingerenza e dipendenza dalla matematica
La scoperta dell'induzione e-m
• 1831 F scrive memoria: stupito che conduttori in campo B non manifestano effetti,
correnti indotte!
• Ha ormai una teoria da difendere: non si tratta più solo di estendere i risultati
interpretativi del 1821
• Diari di F:
ipotesi di circuiti magnetici a produrre correnti indotte (peculiari circuiti magnetici in oggetti
metallici – passaggi obbligati del magnetismo-)
Esperimento dell'anello di ferro avvolto su archi opposti del primario e del
secondario: le deflessioni si vedono nel galvanometro collegato al secondario
quando si instaura o cessa i nel primario
Disaccoppia primario e secondario... il fenomeno si ripete
Rinuncia alla forma ad anello: nn serve
Il problema cambia: cerca l'induzione muovendo magneti rispetto a circuiti collegati
ad un galvanometro
• F produce un nuovo punto di vista: induzione come
– manifestazione dell'interazione tra elettricità e spazio sede di proprietà magnetiche
indipendente dall'intervento o dalla presenza di particolari circuiti
Il semplice movimento è rilevante se taglia le curve magnetiche dello spazio
(interpretazione dall'esperienza di Arago)
Attribuisce proprietà fisiche allo spazio
Ragiona sulla natura particellare della materia nella produzione di correnti indotte: ricerca
della relazione tra correnti indotte e curve magnetiche: la nascita di fenomeni che si
oppongono all'induzione lo fa riflettere su uno "stato elettronico"
L'interpretazione dell'induzione e-m
•
•
Esperienza di Argo
— Ago magnetico e disco di rame su piani paralleli. Se uno dei due viene fatto ruotare, nasce reciproca
influenza.
Babbage e Herscel lo spiegano con polarità indotte sul disco dal magnete (!disco di rame! e
? Non presenti in condizioni di quiete relativa)
• F ha la teoria delle linee e può facilmente interpretare il fenomeno solo studiando il verso
della rotazione. F costruisce dispositivo per misurare le i indotte sul disco
• Mostra che equivale a far correre un pezzo di metallo su retta tra 2 poli: si creani i
perpendicolari alla direzione del moto nelle zone più vicine ai poli
• Schema interpretativo di F:
—
—
—
—
—
—
•
•
•
Muovo un filo vicino a un polo magnetico come il raggio di una ruota
Nasce i nel filo
Disco equivale a tanti fili
Tali fili sono lateralmente in contatto e allora si ha un disco con le stesse i
Tali i sono modificate solo dalle azioni d'insieme tra particelle
Le correnti indotte sul disco rotante interagiscono con il magnete che le ha prodotte e ne determinano
la rotazione
La distribuzione delle linee assume un ruolo di primo piano
Non sono particolari fenomeni dovuti alla formazione nel tempo di un magnete a determinare
l'induzione dinamica di un magnete. Essa è frutto di:
— Movimento di metalli nello spazio magnetico
— Le linee intervengono nell'interazione e-m: il raggio che le taglia diventa sede di i
Nb cambia un fondamentale pto di vista fisico: direzione della forza è la direzione
dell'azione fisica... c'è uno status magnetico autonomo
L'induzione elettrico-magnetica terrestre 1931
• Esperimenti di F e tutti erano pieni di effetti spuri per la
vicinanza di polo e alla variabilità di B non uniformi
• F ripete l'esperimento del disco rotante usando solo il B
terrestre e trova conferma della situazione: circuito in
moto-flusso tagliato
• La terra come enorme sfera rotante sottoposta agli effetti
del suo stesso magnetismo (linee magnetiche svincolate
dal movimento di rotazione terrestre):
— se lasciamo una barra di metallo in direzione parallela al meridiano
magnetico terrestre, sarebbe attreversata da una i in direzione N-S
per il suo spostamento E-0 causa rotazione terrestre
— Le linee magnetiche non mutano per la ritazione della terra
Le linee di forza (campo)
• F ripete l'esperimento del disco di rame con il magnete
inducente fermo e in moto: non cambia niente!
• È la prova dell'indipendenza delle linee di campo dalla
sorgente: ciò che conta sono le interazioni dinamiche!
• Dopo '31 tutto lo sforzo è dimostrare che le linee non
sono solo rappresentazioni delle azioni tra poli e correnti,
ma proprietà oggettive dello spazio,, responsabili dei
processi di induzione
• Tentativo di sistemare i processi e-m partendo dalle
interazioni dinamiche tra elettricità, poli e linee di forza:
ricerca della natura dei processi e-m
Le parole di Faraday
• Quando si stabilisce una i in un filo, il filo viene circondato da curve
magnetiche,
- La cui intensità diminuisce proporzionalmente alla distanza
- simili ad anelli
- In un piano perpendicolare al filo, o meglio ad i
• Quando un secondo filo parallelo, che trasporta i, viene avvicinato
- Attraversa tali curve magnetiche
- Esattamente dello stesso tipo di quelle che avrebbe intersecato se
spostato in una certa direzione tra poli opposti magnetici
- Se viene allontanato, taglia le curve attorno al primo filo nello stesso
modo in cui avrebbe tagliato quelle presenti tra gli stessi poli,
spostandosi in direzione opposta
• Nel caso di induzione per I'apertrura di un primario
- Le curve magnetiche stesse devono essere considerate in movimento (se
posso usare l'espressione) attraverso il filo sottoposto a induzione,
- Dal momento in cui la forza magnetica della corrente ha raggiunto il
massimo
- Si espandono dal filo in fuori.... Stabiliscono con il filo la stessa relazione
che si sarebbe stabilita se il filo fosse stato mosso attraverso esse
• Interrompendo il contatto con la batteria si puo' immaginare che
- Le curve magnetiche (semplici descrizioni delle forze magnetiche) si
contraggano e ritornino verso la corrente che si indebolisce
Le parole di Faraday
• F può abbandonare l'idea della necessaria esistenza di
uno stato elettronico nel filo, rispetto alla sistematicità
della trattazione dell'induzione dinamica in termini di
curve magnetiche
• La ragione che mi aveva indotto a supporre l'esistenza
di un tale stato nel filo è scomparsa
• Sebbene mi sembri improbabile che un filo in quiete
nelle vicinanze di un altro che trasporta i resti
indifferente a questo passaggio ... non sono a
conoscenza di nessun fatto distinto che autorizzi la
conclusione che tale filo si trovi in uno stato
particolare
• La sistematicità della trattazione DINAMICA in termini
di curve magnetiche è esauriente.