La presenza di una corrente elettrica nel circuito può essere determinata dalle sue varie manifestazioni, che sono chiamate azioni della corrente elettrica. La corrente elettrica può causare calore, luce e fenomeni chimici. Inoltre, la corrente elettrica provoca sempre un fenomeno magnetico.
L'effetto termico della corrente elettrica è quello di riscaldare il conduttore in presenza di corrente al suo interno. Inoltre, se il conduttore viene riscaldato a una temperatura sufficientemente alta, potrebbe iniziare a brillare. Cioè, l'effetto luce della corrente apparirà come risultato dell'effetto termico.
Ad esempio, se una corrente elettrica viene fatta passare attraverso un filo di ferro, si surriscalda. Un simile effetto termico della corrente nei metalli viene utilizzato nei bollitori elettrici e in alcuni altri elettrodomestici.
Il filamento di tungsteno nelle lampade a incandescenza si illumina se riscaldato fortemente. In questo caso si utilizza l'effetto luminoso della corrente elettrica. Nelle lampade a risparmio energetico, il gas si illumina quando viene attraversato da una corrente elettrica.
L'effetto chimico della corrente elettrica si manifesta di seguito. Prendi una soluzione di un certo sale, alcali o acido. In esso sono immersi due elettrodi, quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il circuito, si crea una carica positiva su un elettrodo e una negativa sull'altro. Gli ioni contenuti nella soluzione (solitamente ioni metallici caricati positivamente) iniziano a depositarsi sull'elettrodo con la carica opposta. Questo fenomeno è chiamato elettrolisi.
Ad esempio, in una soluzione di solfato di rame (CuSO 4), gli ioni rame con carica positiva (Cu 2+) si spostano su un elettrodo caricato negativamente. Dopo aver ricevuto gli ioni mancanti dall'elettrodo, si trasformano in atomi di rame neutri e si depositano sull'elettrodo. In questo caso, i gruppi ossidrile dell'acqua (-OH) donano i loro elettroni a un elettrodo caricato positivamente. Di conseguenza, l'ossigeno viene rilasciato dalla soluzione. Nella soluzione rimangono ioni idrogeno carichi positivamente (H +) e gruppi solfato carichi negativamente (SO 4 2-).
Pertanto, a seguito dell'elettrolisi, si verifica una reazione chimica.
L'azione chimica della corrente elettrica è utilizzata nell'industria. L'elettrolisi consente di ottenere alcuni metalli nella loro forma pura. Viene anche utilizzato per ricoprire la superficie con un sottile strato di un determinato metallo (nichel, cromo).
L'effetto magnetico della corrente elettrica sta nel fatto che il conduttore attraverso il quale scorre la corrente agisce su un magnete o magnetizza il ferro. Ad esempio, se si posiziona il conduttore parallelo all'ago magnetico della bussola, la freccia ruoterà di 90°. Se avvolgi un piccolo oggetto di ferro con un conduttore, l'oggetto diventa un magnete quando una corrente elettrica passa attraverso il conduttore.
L'azione magnetica della corrente viene utilizzata negli strumenti di misura dell'elettricità.
I più semplici fenomeni elettrici e magnetici sono noti alle persone fin da tempi antichissimi.
Apparentemente, già nel 600 a.C. e. i greci sapevano che una calamita attirava il ferro e l'ambra strofinata attirava oggetti leggeri, come cannucce, ecc. Tuttavia, la differenza tra attrazione elettrica e magnetica non era ancora chiara; entrambi erano considerati fenomeni della stessa natura.
Una netta distinzione tra questi fenomeni è merito del medico e naturalista inglese William Gilbert (1544-1603), che nel 1600 pubblicò un libro intitolato "Sul magnete, i corpi magnetici e un grande magnete - la Terra". Con questo libro, infatti, inizia uno studio veramente scientifico dei fenomeni elettrici e magnetici. Gilbert ha descritto nel suo libro tutte le proprietà dei magneti che erano conosciute nella sua epoca e ha anche delineato i risultati dei suoi esperimenti molto importanti. Ha sottolineato una serie di differenze significative tra attrazione elettrica e magnetica e ha introdotto la parola "elettricità".
Sebbene dopo Hilbert la distinzione tra fenomeni elettrici e magnetici fosse già indiscutibilmente chiara a tutti, tuttavia, una serie di fatti indicava che, nonostante tutte le loro differenze, questi fenomeni sono in qualche modo strettamente e indissolubilmente legati tra loro. I più cospicui erano i fatti della magnetizzazione degli oggetti di ferro e della rimagnetizzazione delle frecce magnetiche sotto l'influenza dei fulmini. Nella sua opera Thunder and Lightning, il fisico francese Dominique Francois Arago (1786-1853) descrive, ad esempio, un caso del genere. “Nel luglio 1681, la nave Queen, che si trovava a cento miglia dalla costa, in alto mare, fu colpita da un fulmine, che provocò ingenti danni agli alberi, alle vele, ecc. Quando scese la notte, si rivelò dalla posizione delle stelle che da tre compassi che erano sulla nave, due, invece di puntare a nord, cominciarono a puntare a sud, e la terza a puntare a ovest. Arago descrive anche un caso in cui un fulmine ha colpito una casa e al suo interno coltelli, forchette e altri oggetti d'acciaio fortemente magnetizzati.
Già all'inizio del 1700 era stabilito che il fulmine, infatti, è una forte corrente elettrica che attraversa l'aria; quindi fatti come quelli sopra descritti potrebbero suggerire che ogni corrente elettrica ha qualche tipo di proprietà magnetica. Tuttavia, queste proprietà della corrente furono scoperte sperimentalmente, e fu possibile studiarle solo nel 1820 dal fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851).
L'esperimento principale di Oersted è mostrato in Fig. 199. Sopra il filo fisso 1, posto lungo il meridiano, cioè in direzione nord-sud, un ago magnetico 2 è sospeso su un filo sottile (Fig. 199, a). La freccia, come sai, è anche installata approssimativamente lungo la linea nord-sud, e quindi si trova approssimativamente parallela al filo. Ma non appena chiudiamo la chiave e lasciamo che la corrente fluisca attraverso il filo 1, vedremo che l'ago magnetico gira, cercando di essere posizionato ad angolo retto rispetto ad esso, cioè su un piano perpendicolare al filo (Fig. 199, b). Questa esperienza fondamentale mostra che nello spazio che circonda un conduttore di corrente agiscono forze che provocano il movimento di un ago magnetico, cioè forze simili a quelle che agiscono vicino ai magneti naturali e artificiali. Tali forze chiameremo forze magnetiche, proprio come chiamiamo elettriche forze che agiscono su cariche elettriche.
Riso. 199. L'esperimento di Oersted con un ago magnetico, che rivela l'esistenza di un campo magnetico di corrente: 1 - filo, 2 - ago magnetico sospeso parallelamente al filo, 3 - batteria di celle galvaniche, 4 - reostato, 5 - chiave
Pollice. II, abbiamo introdotto il concetto di campo elettrico per denotare quello stato speciale dello spazio, che si manifesta nelle azioni delle forze elettriche. Allo stesso modo, chiameremo il campo magnetico lo stato dello spazio, che si fa sentire per l'azione delle forze magnetiche. Pertanto, l'esperimento di Oersted dimostra che le forze magnetiche sorgono nello spazio che circonda la corrente elettrica, ovvero si crea un campo magnetico.
La prima domanda che si è posto Oersted dopo aver fatto la sua straordinaria scoperta è stata questa: la sostanza del filo influisce sul campo magnetico creato dalla corrente? "Il filo di collegamento", scrive Oersted, "può essere costituito da diversi fili o strisce di metallo. La natura del metallo non cambia il risultato, se non, forse, per quanto riguarda la grandezza.
Con lo stesso risultato abbiamo utilizzato fili di platino, oro, argento, ottone e ferro, oltre a polizze di stagno, piombo e mercurio.
Oersted ha svolto tutti i suoi esperimenti con i metalli, cioè con conduttori in cui la conducibilità, come ora sappiamo, è di natura elettronica. Non è difficile, tuttavia, realizzare l'esperimento di Oersted sostituendo il filo metallico con un tubo contenente un elettrolita o un tubo in cui si verifica una scarica in un gas. Abbiamo già descritto tali esperimenti nel § 40 (Fig. 73) e abbiamo visto che sebbene in questi casi la corrente elettrica sia dovuta al movimento di ioni positivi e negativi, il suo effetto sull'ago magnetico è lo stesso che nel caso di corrente in un conduttore metallico. Qualunque sia la natura del conduttore attraverso il quale scorre la corrente, si crea sempre un campo magnetico attorno al conduttore, sotto l'influenza del quale gira la freccia, cercando di diventare perpendicolare alla direzione della corrente.
Quindi, possiamo affermare: attorno a qualsiasi corrente c'è un campo magnetico. Abbiamo già menzionato questa proprietà più importante della corrente elettrica (§ 40), quando abbiamo parlato più in dettaglio delle sue altre azioni: termiche e chimiche.
Delle tre proprietà o manifestazioni della corrente elettrica, la più caratteristica è la creazione di un campo magnetico. Gli effetti chimici della corrente in alcuni conduttori - elettroliti - si verificano, in altri - metalli - sono assenti. Il calore generato dalla corrente può essere maggiore o minore a parità di corrente, a seconda della resistenza del conduttore. Nei superconduttori è anche possibile far passare corrente senza generare calore (§ 49). Ma il campo magnetico è un compagno inseparabile di qualsiasi corrente elettrica. Non dipende da alcuna proprietà speciale di un particolare conduttore ed è determinato solo dalla forza e dalla direzione della corrente. La maggior parte delle applicazioni tecniche dell'elettricità sono anche associate alla presenza di un campo magnetico di corrente.
Sulle cause e la natura delle linee di forza magnetiche (MFL) che si formano vicino a magneti permanenti e conduttori di corrente. In un articolo precedente, ho ipotizzato che il campo magnetico vicino a un magnete permanente o a un conduttore che trasporta corrente sia un pattern di interferenza dell'MSL di intensità variabile. Ho dato un certo significato fisico al termine MSL. Queste non sono solo linee geometriche, ma parte della complessa struttura del campo magnetico, che, a sua volta, è costituito da onde microscopiche con proprietà magnetiche. Quando il campo magnetico di un magnete permanente viene applicato a un pezzo di ferro o limatura di ferro, questo campo è esterno (VMF), in relazione a un pezzo di ferro o limatura di ferro. Il VMF induce prima il proprio campo magnetico (SMF) in un pezzo di ferro o nella limatura di ferro, quindi interagisce con questo SMF attraverso il loro MSL.
Lo stesso vale per i conduttori con corrente. Finché c'è corrente nei conduttori di un circuito chiuso (e, quindi, c'è un SMF attorno ai conduttori), il VMF interagisce con l'SMF dei conduttori attraverso il loro MSL. Quando non c'è corrente nel conduttore, e quindi non c'è MSL intorno al conduttore, l'HFMF non agisce sul conduttore stesso, sebbene i suoi MSL penetrino nella microstruttura del conduttore.
In questo articolo parleremo dell'interazione di magneti e conduttori con la corrente attraverso MSL.
Ricordiamo ciò che si sa di questo dalle pubblicazioni scientifiche. Come accennato in precedenza, G. Oersted nel 1820 dimostrò sperimentalmente l'interazione di un magnete e un conduttore con la corrente. Il comportamento di un ago magnetico vicino a un conduttore con corrente continua indicava che c'era un campo magnetico attorno a questo conduttore. Successivamente è stata stabilita una stretta connessione tra il campo magnetico e la corrente. Riassumendo i suoi esperimenti, Oersted ha mostrato che la presenza di corrente nei conduttori di un circuito chiuso, qualunque sia la loro natura, comporta sempre la formazione di un campo magnetico MSL attorno ai conduttori di questo circuito. È l'interazione della MSL del conduttore con la MSL dell'ago magnetico che fa girare uno dei suoi poli verso il conduttore di corrente.
Nel 1821, lo scienziato francese A. Ampère stabilì la relazione tra elettricità e magnetismo nel caso di una corrente elettrica che passa attraverso il circuito e l'assenza di tale relazione per l'elettricità statica.
Per verificare se l'interazione MSL indicata è reciproca, ad es. se un magnete agisce su un conduttore percorso da corrente, è stato condotto il seguente esperimento (Fig. 1). Un conduttore con corrente continua era sospeso sopra un magnete permanente fisso. Si è scoperto che un conduttore che trasporta corrente si comporta in modo simile a un ago magnetico.
Un interessante esperimento con un conduttore flessibile, che si trova in prossimità di una striscia magnetica parallela. Quando una corrente è apparsa nel conduttore, si è attorcigliata attorno alla barra magnetica (Fig. 2). Ciò indicava che gli MSL apparivano attorno a ciascuna sezione del conduttore che trasporta la corrente, che interagiva con l'MSL della barra magnetica.
La stessa conclusione è stata fatta da D. Arago, il quale nella sua esperienza ha richiamato l'attenzione sul fatto che se un filo isolato che trasporta corrente è immerso in una limatura metallica, la limatura vi aderisce per tutta la sua lunghezza come una calamita. Quando la corrente viene interrotta, la segatura scompare.
Interazioni simili sono state stabilite tra due conduttori con corrente continua posizionati uno vicino all'altro. Nell'esperimento (Fig. 3), due conduttori paralleli sono installati a una piccola distanza l'uno dall'altro. Questi conduttori erano attratti o respinti a seconda della sua direzione. In questi e altri esperimenti, è stato dimostrato che l'azione magnetica di una corrente elettrica è simile all'interazione di due magneti.
Gli esperimenti che abbiamo considerato sull'interazione dei campi magnetici mostrano che tutte le interazioni sia nel caso di magneti permanenti che tra magneti permanenti e conduttori di corrente, nonché due conduttori di corrente, si riducono all'interazione di campi magnetici attraverso loro MSL. Tenendo conto del fatto che in pratica un gran numero di dispositivi tecnici viene creato sulla base dell'interazione dei campi magnetici, in particolare sulla base dell'interazione dei campi magnetici e dei conduttori con la corrente, è opportuno eseguire alcuni esperimenti che noi avrà bisogno in seguito di spiegare alcuni fenomeni in quest'area.
Considera il seguente esperimento sull'interazione di un campo magnetico e un conduttore con la corrente. Nel campo magnetico di un magnete a forma di ferro di cavallo è presente una sezione rettilinea di un conduttore di corrente. (Fig. 4). Modificando la direzione della corrente nel conduttore e cambiando la sua posizione rispetto alla direzione del campo magnetico, è possibile determinare la direzione della forza che agisce sul conduttore. Quando la corrente viene attivata (a seconda della sua direzione), il conduttore può essere attirato nel magnete o espulso dal magnete. In questo caso, il campo magnetico agisce sul conduttore con corrente solo quando si trova perpendicolare alla direzione del campo MSL. Con una disposizione parallela del conduttore e dell'MSL, il campo di interazione non si verifica.
La forza che agisce su un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico è determinata dalla relazione:
F=k*H*I*L*sina,
dove H è l'intensità del campo magnetico, I è l'intensità della corrente, L è la lunghezza del tratto rettilineo del conduttore ed è l'angolo tra H e I.
Questa relazione è chiamata legge di Ampère. In pratica, nella maggior parte dei casi, si ha a che fare con conduttori di varia forma attraverso i quali scorre la corrente, e l'effetto di un campo magnetico su tali conduttori che trasportano corrente è piuttosto complesso. Vediamo come agisce il campo magnetico su forme semplici di conduttori con corrente sotto forma di bobina o solenoide.
Una bobina con corrente, come hanno dimostrato gli esperimenti, è simile a un magnete piatto, i cui poli (nord e sud) sono su piani opposti della bobina. I poli sono perpendicolari ai piani della bobina con corrente. Puoi determinare quale di questi poli è nord e quale è sud usando la regola del succhiello. Il polo nord di una bobina con corrente è determinato dalla direzione della sua maniglia di rotazione, un'analogia della direzione dell'MSL. Se avvitate il succhiello nella direzione della corrente, le MSL che emergono dal piano della virata punteranno al polo nord. I poli magnetici del solenoide sono determinati allo stesso modo.
Un campo magnetico esterno, agendo su una bobina con corrente, tende a ruotarla in modo che l'MSL della bobina sia parallela all'MSL del campo magnetico esterno. Per analizzare le forze che agiscono su una bobina con la corrente, è conveniente renderla di forma rettangolare. In questo caso, supponiamo che due lati della bobina siano paralleli alla direzione del campo magnetico e che gli altri due siano perpendicolari (Fig. 5). I primi due lati della bobina non sono interessati dal campo magnetico, mentre gli altri due lati della bobina sono interessati da forze magnetiche uguali e opposte create dalla direzione opposta della corrente. Queste forze formano una coppia che fa ruotare la bobina con la corrente su un piano perpendicolare alla direzione del campo magnetico. Il campo magnetico agisce sugli altri due lati della bobina da due forze uguali, ma opposte, che tendono a deformare (comprimere o allungare) la bobina, a seconda della direzione della corrente.
Sulla base dei risultati di questi e di altri esperimenti, si possono trarre le seguenti conclusioni.
Il campo magnetico agisce su un tratto rettilineo di un conduttore percorso da corrente con una forza la cui direzione è perpendicolare alla direzione della corrente e alla direzione della MSL del campo magnetico;
Il campo magnetico crea una coppia che tende a ruotare la bobina o solenoide in modo che la direzione dal polo sud della bobina o solenoide al polo nord coincida con la direzione del campo;
Il campo magnetico non agisce sui conduttori portatori di corrente posti lungo la direzione MSL;
MSL non è solo linee geometriche, ma parte della complessa struttura del campo magnetico, che, a sua volta, è costituito da onde microscopiche con proprietà magnetiche.
Parleremo della natura e delle caratteristiche di queste e di altre forze nel prossimo articolo.
La possibile esistenza di una stretta relazione tra elettricità e magnetismo era già stata suggerita dai primissimi ricercatori, stupiti dall'analogia dei fenomeni elettrostatici e magnetostatici di attrazione e repulsione. Questa idea era così diffusa che prima Cardan, e poi Hilbert, la considerarono un pregiudizio e fecero del loro meglio per mostrare la differenza tra questi due fenomeni. Ma questa ipotesi sorse di nuovo nel 18° secolo con buone ragioni, quando fu stabilito l'effetto magnetizzante dei fulmini, e Franklin e Beccaria riuscirono a ottenere la magnetizzazione usando la scarica di una giara di Leida. Le leggi di Coulomb, formalmente le stesse per i fenomeni elettrostatici e magnetostatici, ripropongono questo problema.
Dopo che la batteria Volta permise per lungo tempo di ottenere una corrente elettrica, i tentativi di scoprire la connessione tra fenomeni elettrici e magnetici si fecero più frequenti e più intensi. Eppure, nonostante le intense ricerche, la scoperta ha tardato vent'anni ad arrivare. Le ragioni di questo ritardo dovrebbero essere ricercate nelle idee scientifiche che prevalevano in quel momento. Tutte le forze erano intese solo nel senso newtoniano, cioè come forze che agiscono tra le particelle materiali lungo una linea retta che le collega. Pertanto, gli investigatori hanno cercato di rilevare forze di questo tipo, realizzando dispositivi con i quali speravano di rilevare la presunta attrazione o repulsione tra un polo magnetico e una corrente elettrica (o, più in generale, tra un "fluido galvanico" e un fluido magnetico) o hanno cercato di magnetizzare l'ago d'acciaio, dirigendo la corrente attraverso di esso.
Gian Domenico Romagnosi (1761-1835) cercò di scoprire l'interazione tra fluido galvanico e fluido magnetico anche negli esperimenti da lui descritti in un articolo del 1802, a cui Guglielmo Libri (1803-1869), Pietro Configliacchi (1777-1844) e molti altri si riferirono in seguito, attribuendo a Romagnosi la priorità di questa scoperta. Basta però leggere questo scritto per vedere che negli esperimenti di Romagnosi, effettuati con una batteria a circuito aperto e un ago magnetico, non c'è affatto corrente elettrica, e quindi il massimo che ha potuto osservare è stato un normale elettrostatico azione.
Quando, il 21 luglio 1820, in un brevissimo articolo di quattro pagine (in latino), intitolato "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam", il fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851) descrisse un fondamentale esperimento di elettromagnetismo , dimostrando che la corrente in un conduttore rettilineo che corre lungo il meridiano devia l'ago magnetico dalla direzione del meridiano, l'interesse e la sorpresa degli scienziati sono stati grandi, non solo perché è stata ottenuta la soluzione a lungo cercata del problema, ma anche perché la nuova esperienza, come fu subito chiaro, indicava una forza di tipo non newtoniano.
In effetti, dall'esperienza di Oersted era chiaro che la forza che agisce tra il polo magnetico e l'elemento di corrente non è diretta lungo la retta che li collega, ma lungo la normale a questa retta, cioè, come si diceva allora, è " la forza che gira”. Il significato di questo fatto si fece sentire già allora, anche se si realizzò pienamente solo molti anni dopo. L'esperienza di Oersted ha causato la prima crepa nel modello newtoniano del mondo.
La difficoltà in cui è caduta la scienza può essere giudicata, ad esempio, dalla confusione in cui i traduttori italiano, francese, inglese e tedesco stavano traducendo l'articolo latino di Oersted nella loro lingua madre. Spesso, dopo aver fatto una traduzione letterale che sembrava loro oscura, citavano l'originale latino in una nota a piè di pagina.
Ciò che è veramente poco chiaro nell'articolo di Oersted ancora oggi è la spiegazione che egli cerca di dare ai fenomeni da lui osservati, a causa, a suo avviso, di due movimenti spirali opposti intorno al conduttore di "materia elettrica, rispettivamente positiva e negativa".
L'eccezionalità del fenomeno scoperto da Oersted ha immediatamente attirato grande attenzione da parte di sperimentatori e teorici. Arago, di ritorno da Ginevra, dove fu presente ad esperimenti simili ripetuti da De la Rive, ne raccontò a Parigi, e nel settembre dello stesso 1820 assemblò la sua famosa installazione con un conduttore di corrente verticale passante attraverso un cartone orizzontale , cosparso di segatura di ferro. Ma i cerchi di limatura di ferro, che di solito notiamo in questo esperimento, non li ha trovati. Gli sperimentatori hanno visto chiaramente questi cerchi da quando Faraday ha avanzato la teoria delle "curve magnetiche" o "linee di forza". Anzi, spesso, per vedere qualcosa, bisogna desiderarla davvero! Arago, però, vide solo che il conduttore, nelle sue parole, "è intonacato di limatura di ferro come se fosse un magnete", da cui concluse che "la corrente provoca magnetismo nel ferro, che non è stato sottoposto a magnetizzazione preliminare".
Nello stesso 1820 Biot lesse due rapporti (30 ottobre e 18 dicembre), in cui riferiva i risultati di uno studio sperimentale condotto con Savart. Cercando di scoprire la legge che determina la dipendenza della grandezza della forza elettromagnetica dalla distanza, Biot decise di utilizzare il metodo delle oscillazioni, che Coulomb aveva già utilizzato in precedenza. Per fare ciò, ha assemblato un'installazione costituita da uno spesso conduttore verticale posto accanto ad un ago magnetico: quando viene attivata la corrente nel conduttore, la freccia inizia ad oscillare con un periodo dipendente dalla forza elettromagnetica che agisce sui poli a distanze dal centro della freccia al conduttore con corrente. Misurate queste distanze, Biot e Savard trassero la nota legge che oggi porta il loro nome, che nella sua prima formulazione non teneva conto dell'intensità della corrente (non potevano ancora misurarla).
Avendo appreso dei risultati degli esperimenti di Biot e Savart, Laplace ha notato che l'azione della corrente può essere considerata come il risultato di azioni separate sui poli della freccia di un numero infinito di elementi infinitamente piccoli in cui la corrente può essere diviso, e ne concluse che ogni elemento della corrente agisce su ciascun polo con una forza che è inversamente proporzionale al quadrato della distanza di questo elemento dal polo. Il fatto che Laplace abbia preso parte alla discussione di questo problema è menzionato da Biot nella sua opera "Precis elementaire de physique expre-rimentale". Negli scritti di Laplace, per quanto ne sappiamo, non vi è alcun accenno a tale osservazione, da cui possiamo concludere che apparentemente l'abbia fatto in una conversazione amichevole orale con lo stesso Biot.
Per integrare la sua conoscenza di questa forza elementare, Biot ha cercato, questa volta da solo, di determinare empiricamente se e se cambia, quindi come cambia l'azione dell'elemento corrente sul polo con un cambiamento dell'angolo formato dalla direzione di la corrente e la retta che collega il centro dell'elemento con il polo. L'esperimento consisteva nel confrontare l'effetto sulla stessa freccia di una corrente parallela ad essa e di una corrente diretta ad angolo. Dai dati sperimentali di Biot, per calcolo, che non pubblicò, ma che, ovviamente, era errato, come dimostrò F. Savary (1797-1841) nel 1823, determinò che questa forza è proporzionale al seno dell'angolo formato dalla direzione della corrente e dalla retta che collega il punto considerato con il centro dell'elemento corrente. Così, quella che oggi viene chiamata "la prima legge elementare di Laplace" è in larga misura la scoperta di Biot.
Mario Liezzi "Storia della Fisica"
Mario Gliozzi
ESPERIENZA OERSTED
La possibile esistenza di una stretta relazione tra elettricità e magnetismo era già stata suggerita dai primissimi ricercatori, stupiti dall'analogia dei fenomeni elettrostatici e magnetostatici di attrazione e repulsione. Questa idea era così diffusa che prima Cardan, e poi Gilbert, la considerarono un pregiudizio e cercarono in tutti i modi di provare la differenza tra questi due fenomeni. Ma questa ipotesi sorse di nuovo nel 18° secolo con buone ragioni, quando fu stabilito l'effetto magnetizzante dei fulmini, e Franklin e Beccaria riuscirono a ottenere la magnetizzazione usando la scarica di una giara di Leida. Le leggi di Coulomb, formalmente le stesse per i fenomeni elettrostatici e magnetostatici, ripropongono questo problema.
Dopo che la batteria Volta permise per lungo tempo di ottenere una corrente elettrica, i tentativi di scoprire la connessione tra fenomeni elettrici e magnetici si fecero più frequenti e più intensi. Eppure, nonostante le intense ricerche, la scoperta ha tardato vent'anni ad arrivare. Le ragioni di questo ritardo dovrebbero essere ricercate nelle idee scientifiche che prevalevano in quel momento. Tutte le forze erano intese solo nel senso newtoniano, cioè come forze che agiscono tra le particelle materiali lungo una linea retta che le collega. Pertanto, gli investigatori hanno cercato di rilevare forze di questo tipo, realizzando dispositivi con i quali speravano di rilevare la presunta attrazione o repulsione tra un polo magnetico e una corrente elettrica (o, più in generale, tra un "fluido galvanico" e un fluido magnetico) o hanno cercato di magnetizzare l'ago d'acciaio, dirigendo la corrente attraverso di esso.
Gian Domenico Romagnosi (1761-1835) cercò di scoprire l'interazione tra fluido galvanico e fluido magnetico anche negli esperimenti da lui descritti in un articolo del 1802, a cui Guglielmo Libri (1803-1869), Pietro Configliacchi (1777-1844) e molti altri si riferirono in seguito, attribuendo a Romagnosi la priorità di questa scoperta. Basta però leggere questo scritto per vedere che negli esperimenti di Romagnosi, effettuati con una batteria a circuito aperto e un ago magnetico, non c'è affatto corrente elettrica, e quindi il massimo che ha potuto osservare è stato un normale elettrostatico azione.
Quando, il 21 luglio 1820, in un brevissimo articolo di quattro pagine (in latino), intitolato "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam", il fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851) descrisse un fondamentale esperimento di elettromagnetismo , dimostrando che la corrente in un conduttore rettilineo che corre lungo il meridiano devia l'ago magnetico dalla direzione del meridiano, l'interesse e la sorpresa degli scienziati sono stati grandi non solo perché è stata ottenuta la soluzione a lungo cercata del problema, ma anche perché il la nuova esperienza, come fu subito chiaro, indicava un tipo di forza non newtoniano. In effetti, dall'esperienza di Oersted era chiaro che la forza che agisce tra il polo magnetico e l'elemento di corrente non è diretta lungo la retta che li collega, ma lungo la normale a questa retta, cioè, come si diceva allora, è " la forza che gira”. Il significato di questo fatto si fece sentire già allora, anche se si realizzò pienamente solo molti anni dopo. L'esperienza di Oersted ha causato la prima crepa nel modello newtoniano del mondo.
La difficoltà in cui è caduta la scienza può essere giudicata, ad esempio, dalla confusione in cui i traduttori italiano, francese, inglese e tedesco stavano traducendo l'articolo latino di Oersted nella loro lingua madre. Spesso, dopo aver fatto una traduzione letterale che sembrava loro oscura, citavano l'originale latino in una nota a piè di pagina.
Ciò che è veramente poco chiaro nell'articolo di Oersted ancora oggi è la spiegazione che egli cerca di dare ai fenomeni da lui osservati, a causa, a suo avviso, di due movimenti spirali opposti intorno al conduttore di "materia elettrica, rispettivamente positiva e negativa".
L'eccezionalità del fenomeno scoperto da Oersted ha immediatamente attirato grande attenzione da parte di sperimentatori e teorici. Arago, di ritorno da Ginevra, dove fu presente ad esperimenti simili ripetuti da De la Rive, ne raccontò a Parigi, e nel settembre dello stesso 1820 assemblò la sua famosa installazione con un conduttore di corrente verticale passante attraverso un cartone orizzontale , cosparso di segatura di ferro. Ma i cerchi di limatura di ferro, che di solito notiamo in questo esperimento, non li ha trovati. Gli sperimentatori hanno visto chiaramente questi cerchi da quando Faraday ha avanzato la teoria delle "curve magnetiche" o "linee di forza". Anzi, spesso, per vedere qualcosa, bisogna desiderarla davvero! Arago ha visto solo che il conduttore, nelle sue parole, "è ricoperto di limatura di ferro come se fosse un magnete", da cui ha concluso che "la corrente provoca magnetismo nel ferro, che non è stato sottoposto a magnetizzazione preliminare".
Nello stesso 1820 Biot lesse due rapporti (30 ottobre e 18 dicembre), in cui riferiva i risultati di uno studio sperimentale condotto con Savart. Cercando di scoprire la legge che determina la dipendenza della grandezza della forza elettromagnetica dalla distanza, Biot decise di utilizzare il metodo delle oscillazioni, che Coulomb aveva già utilizzato in precedenza. Per fare ciò, ha assemblato un'installazione costituita da uno spesso conduttore verticale posto accanto ad un ago magnetico: quando viene attivata la corrente nel conduttore, la freccia inizia ad oscillare con un periodo dipendente dalla forza elettromagnetica che agisce sui poli a distanze dal centro della freccia al conduttore con corrente. Misurate queste distanze, Biot e Savard trassero la nota legge che oggi porta il loro nome, che nella sua prima formulazione non teneva conto dell'intensità della corrente (non potevano ancora misurarla).
Avendo appreso dei risultati degli esperimenti di Biot e Savart, Laplace ha notato che l'azione della corrente può essere considerata come il risultato di azioni separate sui poli della freccia di un numero infinito di elementi infinitamente piccoli in cui la corrente può essere diviso, e ne concluse che ogni elemento della corrente agisce su ciascun polo con una forza che è inversamente proporzionale al quadrato della distanza di questo elemento dal polo. Il fatto che Laplace abbia preso parte alla discussione di questo problema è menzionato da Biot nella sua opera "Precis elementaire de physique sperimentale" (2a ed., II, Parigi, 1821, p. 122). Negli scritti di Laplace, per quanto ne sappiamo, non vi è alcun accenno a tale osservazione, da cui possiamo concludere che apparentemente l'abbia fatto in una conversazione amichevole orale con lo stesso Biot.
Per integrare la sua conoscenza di questa forza elementare, Biot ha cercato, questa volta da solo, di determinare empiricamente se e se cambia, quindi come cambia l'azione dell'elemento corrente sul polo con un cambiamento dell'angolo formato dalla direzione di la corrente e la retta che collega il centro dell'elemento con il polo. L'esperimento consisteva nel confrontare l'effetto sulla stessa freccia di una corrente parallela ad essa e di una corrente diretta ad angolo. Dai dati sperimentali di Biot, per calcolo, che non pubblicò, ma che, ovviamente, era errato, come dimostrò F. Savary (1797-1841) nel 1823, determinò che questa forza è proporzionale al seno dell'angolo formato dalla direzione della corrente e dalla retta che collega il punto considerato con il centro dell'elemento corrente. Così, quella che oggi viene chiamata "la prima legge elementare di Laplace" è in larga misura la scoperta di Biot.
GALVANOMETRO
L'esperimento di Arago di cui abbiamo già parlato, spiegato da molti fisici dell'epoca con il fatto che il filo attraverso il quale passa la corrente è magnetizzato, fu subito correttamente compreso da Ampère, il quale predisse subito, e poi confermò sperimentalmente, che un barra d'acciaio posta all'interno di una spirale lungo la quale scorre la corrente, acquisisce una magnetizzazione permanente. Fu così trovato un nuovo metodo di magnetizzazione, molto più efficiente, semplice e conveniente dei precedenti. Ma soprattutto, questo ha dato impulso alla creazione di un dispositivo semplice ma molto prezioso: un elettromagnete, che viene utilizzato in numerosi strumenti scientifici e tecnici. Il primo elettromagnete a ferro di cavallo fu realizzato nel 1825 dall'americano William Sturgeon (1783-1850); questo elettromagnete ha sorpreso i ricercatori per la velocità di magnetizzazione e smagnetizzazione di una barra di ferro dolce quando la corrente veniva attivata o disattivata nel conduttore con cui la barra era avvolta. Il design di Sturgeon fu migliorato simultaneamente e indipendentemente nel 1831 da Moll (1785-1838) e dall'americano Joseph Henry (1797-1878).
Il primo articolo di Oersted scritto in latino fu seguito da un secondo scritto in tedesco, che tuttavia rimase poco conosciuto. In esso, Oersted ha mostrato la reciprocità del fenomeno elettromagnetico che aveva scoperto. Appese una piccola batteria al filo, chiuse il circuito e ne registrò la rotazione mentre il magnete si avvicinava. La stessa cosa, indipendentemente da Oersted, fu scoperta da Ampère, a cui questa scoperta è solitamente attribuita. Ancora più semplicemente, Davy dimostrò l'effetto di un magnete sull'elemento in movimento della corrente, avvicinando il polo del magnete all'arco elettrico su consiglio di Arago. Sturgeon ha modificato l'esperimento di Davy e ha dato al suo esperimento la forma in cui viene dimostrato oggi nelle lezioni di fisica, quando l'arco ruota continuamente in un campo magnetico.
Ma il primo fisico che riuscì a ottenere la rotazione di un conduttore che trasporta corrente in un campo magnetico fu Faraday. Nel 1821 progettò un dispositivo molto semplice: l'estremità di un conduttore sospeso veniva calata in un serbatoio di mercurio, in cui un magnete verticale leggermente sporgente sopra la superficie di mercurio entrava dal basso. Quando una corrente è passata attraverso il mercurio e il conduttore, quest'ultimo ha iniziato a ruotare attorno al magnete. L'esperienza di Faraday, brillantemente modificata da Ampere, è variata in innumerevoli modi nel corso del XIX secolo. Qui indicheremo solo la “ruota di Barlow” descritta nel 1823, perché è una specie di motore elettrico che può essere utilizzato ancora oggi dagli insegnanti per scopi didattici. Si tratta di una ruota metallica ad asse orizzontale, il cui bordo è immerso in un bagno di mercurio e si trova tra i poli di un magnete di ferro a forma di ferro di cavallo. Se una corrente scorre dall'asse della ruota alla sua periferia e oltre attraverso il mercurio, la ruota ruota.
Le regole di Oersted per la deflessione di un ago magnetico e la corrispondente regola di Ampère indicavano che la deflessione aumenta se la stessa corrente viene fatta passare sia sopra che sotto l'ago magnetico. Questo fenomeno, previsto da Laplace e ben studiato da Ampere, fu utilizzato nel 1820 da Johann Schweigger (1779-1857) quando progettò un moltiplicatore, che era una cornice rettangolare avvolta più volte con un filo attraverso il quale scorreva una corrente. Un ago magnetico è stato posizionato al centro del telaio. Quasi contemporaneamente, Avogadro e Michelotti costruirono un altro tipo di moltiplicatore, indubbiamente molto meno riuscito di quello di Schweigger; la sua descrizione fu pubblicata nel 1823. Tuttavia, c'era un'innovazione nel moltiplicatore di Avogadro e Michelotti: un ago magnetico sospeso su un filo ruotato su un settore grafico e l'intero apparato era posto sotto una calotta di vetro.
All'inizio sembrava che il moltiplicatore fosse un galvanometro estremamente sensibile, ma si scoprì presto che poteva essere notevolmente migliorato. Già nel 1821 Ampère aveva costruito un "apparato astatico", come lo chiamava lui, simile a quello usato da Vassally Eandi, e anche prima, nel 1797, da John Tremery. Il dispositivo consisteva in due frecce magnetiche collegate rigidamente parallele con poli diretti in direzioni opposte. L'intero sistema era appeso a un punto e si poteva osservare girare mentre una corrente elettrica veniva fatta passare attraverso un conduttore parallelo molto vicino alla freccia in basso. Ampere ha così dimostrato che l'ago magnetico, quando non è soggetto all'influenza magnetica della Terra, si trova perpendicolare alla corrente.
Leopoldo Nobili (1784-1835) ebbe la buona idea di abbinare all'apparato astatico di Ampère una sospensione su un filo, come in Avogadro e Michelotti; giunse così al suo famoso galvanometro astatico, di cui presentò la prima descrizione ad una riunione dell'Accademia delle Scienze di Modena il 13 maggio 1825. giunzioni con le dita in modo che la freccia devii di 90°.
Il galvanometro Nobili è rimasto per diversi decenni lo strumento di misura più sensibile nei laboratori di fisica, e abbiamo già visto quale prezioso aiuto ha fornito al Melloni nelle sue ricerche. Nel 1828, Oersted decise di migliorarlo utilizzando un magnete a ferro di cavallo ausiliario. Questo tentativo non fu coronato da successo, ma va comunque citato come il primo dispositivo con campo ausiliario.
Questi strumenti di misura furono notevolmente migliorati solo nel 1837. Forse lo stesso Pouille non conosceva esattamente la teoria del funzionamento del suo strumento, data nel 1840 da Wilhelm Weber (1804-1891). Nel 1837 A. S. Becquerel inventò il "bilancio elettromagnetico", che si diffuse solo nella seconda metà del secolo. Poi apparvero altri tipi: Helmholtz (1849), Gauguin (1853), Kohlrausch (1882). Nel frattempo Poggendorf introdusse dal 1826 il metodo del conteggio a specchio, poi sviluppato da Gauss (1832) e applicato nel galvanometro a specchio da Weber nel 1846.
Fu adottato con grande entusiasmo il galvanometro, inventato nel 1886 da D'Arsonval (1851-1940), in cui, come è noto, la corrente misurata passa attraverso una leggera bobina mobile posta in un campo magnetico.
