Faraday e l'elettromagnetismo


INQUADRAMENTO STORICO

Poco dopo le scoperte di Oersted del 1820 sugli effetti magnetici della corrente elettrica, il fisico francese André-Marie Ampère eseguì una serie di esperimenti per indagare il fenomeno. Egli analizzò i comportamenti attrattivi e repulsivi tra spire, solenoidi e fili rettilinei percorsi da corrente elettrica. A seguito delle sue osservazioni, egli sviluppò una teoria matematica che si basava essenzialmente sul concetto di azione a distanza. In particolare, egli dichiarò che la forza con cui due fili percorsi da corrente elettrica si attraggono o si respingono è proporzionale all’inverso del quadrato della loro distanza.

Il concetto di azione a distanza fu introdotto per la prima volta da Newton il quale lo utilizzò nella formulazione della sua legge di gravitazione universale. Nonostante le resistenze iniziali della comunità scientifica, tale concetto finì per essere accettato acriticamente anche a seguito del successo delle teorie newtoniane. Ne è una prova che, qualche anno più tardi, Coulomb lo riprese per spiegare gli effetti attrattivi e repulsivi che si rilevavano tra due sfere cariche elettricamente (pendolo elettrico).
Michael Faraday

Poco dopo la divulgazione degli esperimenti di Ampère con le spire e i solenoidi, un giovane fisico sperimentale inglese di nome Michael Faraday, riprodusse questi esperimenti nel proprio laboratorio e si cimentò nella formulazione di una diversa interpretazione del fenomeno.

A differenza di Ampère, egli non possedeva una solida formazione matematica, in quanto la sua cultura proveniva essenzialmente da studi compiuti da autodidatta. Pertanto, egli attribuiva particolare importanza all’esperimento e aveva cura di dare interpretazioni dei fenomeni che fossero esprimibili in termini geometrici e fisici.

linee di campo



Durante le sue ricerche, egli rimase profondamente impressionato dalle figure geometriche formate dalla limatura di ferro in prossimità di un magnete (oggi chiamate linee di campo).

opera di Faraday

Nella sua opera Experimental researches in electricity, egli le definì in questo modo:


<<per curve magnetiche io intendo linee di forze magnetiche, comunque siano modificate dalla sovrapposizione dei poli, che possono essere individuate dalla limatura di ferro; oppure quelle a cui un ago magnetico molto piccolo costituirebbe la tangente>>.


È proprio dall’osservazione delle linee di campo e, probabilmente, a causa della sua attitudine all’interpretazione fisica dei fenomeni, che Faraday rifiutò la tesi di Ampère: egli faticava a concepire come la curvatura delle linee di forza potesse produrre effetti attrattivi e repulsivi basati sull’azione a distanza la quale, per definizione, agisce in linea retta lungo la congiungente dei due corpi. Inoltre, era convinto che questa curvatura indicasse che le linee di forza esistono fisicamente: esse riempiono tutto lo spazio e si possono immaginare come strisce di gomma sottoposte ad una tensione longitudinale e che si respingono fra loro lateralmente.


IL MOTORE ELETTRICO DI FARADAY

L’interpretazione di Faraday dei fenomeni elettromagnetici si basava essenzialmente sulle scoperte di Oersted. Osservando il comportamento di un ago magnetico posto in prossimità di un filo percorso da corrente elettrica, egli aveva concluso che sull'ago non agiscono forze di tipo attrattivo-repulsivo rispetto al filo, ma piuttosto una forza “deviante”. In altre parole, il campo magnetico generato dal filo percorso da corrente elettrica non è radiale, ossia le linee di campo non hanno origine dal filo (come richiederebbe l'azione a distanza), ma risultano essere circolari e concentriche. Per un adeguato approfondimento rimandiamo a questo link.
motore elettrico di Faraday



Faraday verificò la validità di questa interpretazione costruendo il primo modello di motore elettrico. Nel recipiente a sinistra, è contenuto del mercurio liquido in cui è immerso un magnete libero di muoversi. L’asta di metallo verticale che sta sopra il recipiente e che tocca il mercurio è fissa. Nel recipiente di destra la situazione è invertita: il magnete è fisso, mentre il conduttore appeso sopra il recipiente è libero di muoversi e tocca il mercurio. Quando si chiude il circuito, il magnete di sinistra e il conduttore di destra cominciano a ruotare.









Il video qui di fianco riproduce il recipiente di destra dell'apparecchio di Faraday: quando si chiude il circuito il conduttore comincia a ruotare.

Puoi trovare un altro video che riproduce l'apparecchio di Faraday cliccando qui.


ATTIVITA' IN LABORATORIO

Cerchiamo ora di riprodurre con semplici strumenti il motore di Faraday e di spiegarne il funzionamento.

(Questa sezione della pagina vuole essere una sorta di laboratorio interattivo, dove gli alunni sono guidati con una serie di domande a costruire gli strumenti e a spiegarne il funzionamento. L'utilizzo di Internet può essere utile nel caso di mancanza di un laboratorio di fisica in cui compiere concretamente gli esperimenti o nel caso in cui gli strumenti non siano a disposizione delle scuole. L'attività può essere svolta come compito a casa o in un laboratorio di informatica. Questo modo di proporre la Fisica può aiutare gli alunni a sviluppare capacità di interpretazione dei fenomeni e, in definitiva, ad applicare il metodo scientifico. Le risposte corrette compaiono cliccando sugli appositi link, ma l’insegnate può gestire il loro funzionamento come ritiene più opportuno. Ad esempio, le risposte corrette e i video potrebbero apparire solo qualche giorno dopo l’assegnazione del compito.)

[Untitled]Rotazione del magnete

Occorrente: una pila stilo, del filo di rame, un magnete al neodimio.
Come utilizzeresti gli strumenti qui a fianco per riprodurre la situazione del recipiente di sinistra dell'apparecchio di Faraday?

Suggerimento: il filo serve per chiudere il circuito che deve essere formato dalla pila, dalla vite e dal magnete. La parte piatta della vite deve essere attaccata al magnete.

Risposta.

Quando il circuito viene chiuso il magnete comincia a ruotare: guarda il video.


Spiegazione del fenomeno

La forza che provoca la rotazione del magnete sarà rappresentata, punto per punto, da un certo vettore.
Per determinarlo procedi come segue: individua il verso della corrente che scorre nella calamita e il verso del campo magnetico generato dal magnete. Risposta.

Faraday e l'elettromagnetismo - Storia della Scienza


Ora applica la regola della mano sinistra.

Cosa puoi dire della terna di vettori che hai individuato?

Come si chiama la forza che fa muovere il magnete?

Risposte.



Rotazione del conduttore

Osserva attentamente il seguente video.






Trovi qualche analogia con una parte
dell’apparecchio di Faraday?


Come fatto per il caso precedente, individua il verso della corrente, quello del campo magnetico e applica la regola della mano sinistra per trovare il vettore della forza di Lorentz.


APPROFONDIMENTI

L'influenza del pensiero di Faraday sul pensiero scientifico. link

Possiamo infine schematizzare i concetti principali nella seguente Mappa concettuale.


More pages