Induzione elettromagnetica e onde elettromagnetiche: dalla scoperta di Faraday alla radio di Marconi

Induzione Elettromagnetica

Il Campo Elettrico Indotto

Il campo elettrico che causa una corrente indotta, detto campo elettrico indotto, è sempre generato da un campo magnetico che varia nel tempo.

Un campo magnetico variabile dà origine a un campo elettrico indotto con linee chiuse su sé stesse.

• Se il campo magnetico aumenta, le linee del campo elettrico hanno tutte lo stesso verso definito dalla legge di Lenz.
• Se il campo magnetico diminuisce, le linee del campo elettrico si avvolgono in senso opposto al precedente.

Il campo elettrico è uguale alla forza elettrica fratto la carica di prova.

La corrente di spostamento i, nello spazio tra le armature di un condensatore, è uguale all'intensità i della corrente di conduzione che scorre nel circuito.

Un campo elettrico variabile dà origine a un campo magnetico indotto.

Il verso di B è opposto a quello di E nel campo elettrico indotto.

Campo Elettrostatico e Campo Magnetostatico

Il campo elettrostatico e il campo magnetico statico sono campi elettromagnetici particolari, che si ottengono rispettivamente, se si hanno soltanto cariche ferme oppure soltanto correnti continue.

Se una carica elettrica oscilla avanti e indietro tra due punti, questo movimento:

• Genera un campo elettrico variabile, perché la carica cambia continuamente posizione.
• Genera un campo magnetico variabile, perché una carica elettrica che oscilla equivale a una corrente elettrica alternata.

Un'onda elettromagnetica trasporta energia e continua a propagarsi anche quando la carica che l'ha generata smette di muoversi.

La velocità della luce nel vuoto (metri/secondo) è uguale a 1 fratto la radice quadrata della costante dielettrica nel vuoto (Coulomb²/Newton•metri²) per la permeabilità magnetica nel vuoto (Newton/Ampere²).

La Luce come Onda Elettromagnetica

La luce è una particolare onda elettromagnetica.

L'indice di rifrazione è uguale alla radice quadrata della costante dielettrica relativa per la permeabilità magnetica relativa.

Il moto degli elettroni è prodotto dalla tensione alternata applicata all'antenna e ha la frequenza f con la quale varia nel tempo la tensione: f è anche la frequenza dell'onda elettromagnetica che è prodotta dagli elettroni oscillanti e che si propaga poi nello spazio.

Campo elettrico (N/C) = velocità della luce nel vuoto (m/s) per campo magnetico (Tesla (N/A•m)).

In un'onda elettromagnetica i campi elettrici e magnetici sono proporzionali e perpendicolari tra loro e sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda.

La frequenza f o il periodo T = 1/f sono determinati dalla sorgente, cioè sono uguali alla frequenza o al periodo di oscillazione delle cariche che danno origine all'onda.

Lo Spettro Elettromagnetico

Si chiama spettro elettromagnetico l'insieme delle frequenze delle onde elettromagnetiche.

• Le onde radio occupano la parte a bassa frequenza dello spettro e hanno lunghezze d'onda comprese tra 10 chilometri e 10 cm.
• Le lunghezze d'onda delle microonde sono comprese tra 10 centimetri e 1 millimetro.
• La radiazione infrarossa ha lunghezze d'onda minori di un millimetro, fino a 7000 nanometri.
• La radiazione visibile è formata dalle onde elettromagnetiche che percepiamo come luce e ha lunghezza d'onda approssimativamente compresa tra 750 nm e 380 nm.
• A lunghezze d'onda minori di 4 x 10^-7 m, fino a circa 10^-8 metri, si trova la radiazione ultravioletta.
• Le lunghezze d'onda dei raggi X hanno ordini di grandezza compresi tra 10^-8 m e 10^-11 m.
• A lunghezze d'onda minori di 10^-12 m si trovano i raggi gamma.

Modulazione delle Onde Elettromagnetiche

Si chiama modulazione di ampiezza una tecnica di trasmissione secondo la quale il segnale radio è ottenuto miscelando due onde generatrici.

• La portante è un'onda armonica che ha la frequenza caratteristica della stazione che emette il segnale.
• L'onda modulante contiene le informazioni da trasmettere.
• L'onda radio emessa dalla stazione ha la frequenza della portante e l'ampiezza che segue la forma della modulante.

Nella modulazione di frequenza l'ampiezza dell'onda radio rimane costante, mentre la sua frequenza varia. Il messaggio trasmesso è rappresentato dalla differenza tra la frequenza istantanea e la frequenza di riferimento.

All'interno di un intervallo di frequenza destinato alla telefonia mobile, un telefonino attivo occupa una porzione di frequenza, o banda: il rapporto tra l'ampiezza totale dell'intervallo e l'ampiezza della singola banda dà il numero di canali disponibili.

Lo stesso canale può essere utilizzato in due celle che non siano adiacenti.

Il segnale televisivo trasporta le informazioni sull'immagine da riprodurre secondo uno schema progressivo.

Ogni pixel è normalmente diviso in tre parti (subpixel), usate per produrre, rispettivamente, i colori rosso, verde e blu.

La Scoperta dell'Induzione Elettromagnetica

Era ormai dimostrato che una corrente che circola in un conduttore genera un campo magnetico e questo è il motivo per il quale essa provoca delle forze sia su un ago magnetico (Ørsted), sia su altri conduttori percorsi da correnti (Ampere). Era abbastanza naturale pensare che ci dovesse essere una simmetria e che, cioè, dovesse esistere un effetto determinato da campi magnetici che provocavano delle correnti elettriche.

La produzione di una corrente elettrica tramite un campo magnetico fu ottenuta da Michael Faraday.

Il 29 agosto del 1831, Faraday scoprì il fenomeno dell’induzione elettromagnetica.

Faraday notò che variando la corrente elettrica in uno dei due avvolgimenti, e quindi il campo magnetico all’interno dell’anello ferromagnetico, si induceva una corrente nell’altro avvolgimento.

Il motivo per cui non si era riuscito ad individuare tale effetto era che tutti, fino ad allora, avevano effettuato esperimenti con campi magnetici costanti nel tempo; la chiave, viceversa, era proprio quella della variazione del campo magnetico e, perciò, nel caso degli avvolgimenti, della variazione della corrente.

Faraday osservò che nel momento in cui collegava l’avvolgimento A al generatore di differenza di potenziale, l’ago della bussola compiva una veloce oscillazione per poi riposizionarsi nuovamente nella posizione originaria secondo il campo magnetico terrestre. La stessa cosa accadeva nel momento in cui l’avvolgimento A veniva scollegato dalla pila di Volta.

La rapida oscillazione della bussola metteva in evidenza che nell’avvolgimento B passava una corrente elettrica solo in corrispondenza degli istanti di tempo in cui la corrente iniziava a percorrere l’avvolgimento A oppure cessava di percorrere l’avvolgimento A. Nessuna corrente passava nell’avvolgimento B mentre l’avvolgimento A era percorso da una corrente costante.

Faraday interpretò i risultati sperimentali concludendo che si ha una corrente elettrica in un avvolgimento solo nell’intervallo di tempo durante il quale varia il campo magnetico nel quale è immerso l’avvolgimento.

Questa scoperta fondamentale, di cui Faraday non enunciò le leggi quantitative, dette inizio agli sviluppi successivi dell’elettromagnetismo teorico ed applicato.

Questo fatto del segno fu formalizzato da Heinrich Lenz (1804-1865) nel 1834, tuttavia fu solo nel 1845 che Franz Ernst Neumann (1798-1895) formulò le scoperte di Faraday in modo matematico e rigoroso, esprimendo così la legge di Faraday e Neumann.

La costruzione di una teoria coerente e soddisfacente basata su tale concezione alternativa richiese dieci anni, ed uno sforzo intellettuale eccezionale, che condusse alla teoria elettromagnetica della luce, all’introduzione del concetto di campo elettromagnetico ed alla formulazione di quelle equazioni che tutt’oggi adottiamo per la descrizione dei fenomeni elettromagnetici.

Maxwell conclude il suo primo articolo scientifico esprimendo la speranza di riuscire a scoprire un modo per spiegare i fenomeni elettrici e magnetici mediante un attento studio delle leggi che descrivono i moti dei solidi elastici e dei fluidi viscosi che immagina siano gli enti attraverso i quali si propagano le forze elettriche e magnetiche.

Maxwell cercò di ricondurre i fenomeni elettrici e magnetici a modelli di tipo meccanico e, per superare il paradigma dell’azione a distanza, ipotizzò l’esistenza di un mezzo elastico capace di propagare l’azione della forza elettrica e della forza magnetica e di esercitare pressione sui corpi materiali.

L’esperimento di Faraday del 1831 che aveva permesso di scoprire l’induzione elettromagnetica tramite la rilevazione di una corrente indotta poteva essere spiegato in termini di campi elettrico e magnetico solo ammettendo che il campo magnetico variabile nell’anello ferromagnetico (prodotto dalla variazione della corrente nell’avvolgimento A) induceva nell’avvolgimento B un campo elettrico che si manifestava con la comparsa di una corrente elettrica.

La conclusione era quindi che un campo magnetico variabile nel tempo determina un campo elettrico.

Maxwell ipotizzò che un campo elettrico variabile nel tempo determina un campo magnetico.

In seguito, con strumenti ed apparati di laboratorio più sofisticati, è stato possibile verificare la correttezza dell’ipotesi di Maxwell.

Per esempio, durante la carica di un condensatore piano, il campo elettrico presente nello spazio tra le armature cresce progressivamente per effetto dell’aumento delle cariche elettriche su ciascuna armatura e tale campo elettrico variabile determina un campo magnetico tra le armature che ha direzione perpendicolare a quella del campo elettrico.

Le idee sui campi elettrico e magnetico variabili nel tempo che si inducono reciprocamente iniziavano a far pensare che in una regione dello spazio ci potessero essere delle perturbazioni originate dalla variazione di uno dei due campi in un punto di quella regione di spazio.

Ma se, invece di esaminare gli effetti di una carica o di un magnete fissati oppure di una corrente costante in un solenoide, si considerassero cariche o magneti in movimento e correnti variabili in un solenoide, che tipo di campo si avrebbe?

Maxwell diventa consapevole che, tranne il caso in cui si considerano solo cariche elettriche non in movimento e solo correnti elettriche continue, non si può più parlare di campi elettrico e magnetico come di due entità separate, ma occorre studiare un unico campo che riunisce i due campi elettrico e magnetico cioè il campo elettromagnetico del quale i campi esclusivamente elettrico o esclusivamente magnetico costituiscono casi particolari nel caso di cariche elettriche in quiete o di correnti costanti nel tempo.

Le Equazioni di Maxwell

L’esposizione è basata sull’enunciazione di alcuni principi dinamici fondamentali da cui dedurre, a partire da una dettagliata analisi dei risultati sperimentali, le leggi fondamentali. Le leggi sono espresse da 20 equazioni differenziali che coinvolgono, cioè, le derivate delle grandezze fisiche usate da Maxwell per descrivere le azioni del campo elettromagnetico. Queste equazioni, riformulate successivamente da Heinrich Hertz (1857-1894) e Oliver Heaviside (1850-1925), costituiscono quelle che oggi sono note con il nome di equazioni di Maxwell.

Le soluzioni delle equazioni di Maxwell, se queste equazioni descrivono correttamente la realtà fisica, descrivono anche esse qualcosa che esiste in natura.

Le equazioni di Maxwell sono soddisfatte da equazioni che rappresentano onde tramite le quali un campo elettrico e un campo magnetico si propagano insieme e perciò Maxwell ipotizzò l’esistenza di onde elettromagnetiche.

I vettori campo elettrico e campo magnetico sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione delle onde.

La luce è costituita da onde trasversali (i cui vettori dei campi elettrico e magnetico sono perpendicolari alla direzione in cui le onde si propagano) che si propagano nello stesso mezzo in cui si propaga il campo elettromagnetico cioè la luce è costituita da onde elettromagnetiche.

Maxwell aveva compiuto una delle grandi unificazioni della fisica. Prima del suo tempo c’era la luce e c’erano l’elettricità e il magnetismo. Questi ultimi due campi erano stati unificati dal lavoro sperimentale di Faraday, Ørsted e Ampere. Ed ecco che improvvisamente la luce non era più “qualcos’altro” ma era soltanto elettricità e magnetismo in questa nuova forma: “pezzettini” di campi elettrici e magnetici che si propagano nello spazio.

Nonostante lo scetticismo di una parte della comunità scientifica, nel 1881, Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), un giovane assistente di fisica, riformulò le equazioni di Maxwell per tenere conto di un esperimento eseguito da Albert Michelson nel 1881 che escludeva l’esistenza dell’etere cioè del mezzo elastico nel quale Maxwell aveva ipotizzato che si propagassero le onde elettromagnetiche.

Nonostante la soppressione del mezzo elastico che aveva portato Maxwell a formulare le sue equazioni, Hertz comprese che le equazioni di Maxwell erano adeguate a descrivere i fenomeni che avvenivano in natura.

Hertz pensava che le sue scoperte non fossero di alcuna utilità pratica, anche se in realtà porteranno a pressoché tutte le tecnologie in cui la trasmissione di informazioni avviene senza l’utilizzo di cavi: la telegrafia senza fili, la radio, la televisione, il radar, la telefonia mobile, lo scambio di dati wireless tra dispositivi informatici.

La scoperta sperimentale delle onde elettromagnetiche per opera di Heinrich Hertz fu perciò uno dei trionfi assoluti della fisica ottocentesca.

Dalla Telegrafia Ottica alla Radio di Marconi

Verso la fine del XVIII secolo Claude Chappe e il fratello Ignace Chappe lavorarono allo sviluppo di un sistema di trasmissione basato su una catena di segnalatori ottici. Nel 1791 il progetto di Chappe, che fino a quel momento era stato chiamato tachygraphe (scrittore veloce), venne rinominato télégraphe (scrittore a distanza).

Il sistema ebbe successo e nei decenni seguenti si sviluppò una rete di centinaia di segnalatori telegrafici, rete che collegava Parigi con le zone periferiche della Francia e oltre, seguendo l’espansione dell’impero napoleonico.

Nel 1895, seguendo la stessa idea - come lo stesso Marconi ricorderà nel dicembre 1935 - con la pressione di un tasto telegrafico posto su un bancone avviava la generazione di onde elettromagnetiche (onde radio) e tali onde trasmesse determinavano lo squillo di un campanello posto dall’altro lato della stanza.

Il colpo di fucile che il maggiordomo Luigi Mignani, da dietro la collina, sparò in aria per confermare la riuscita dell’esperimento viene considerato l’atto di battesimo della radio in Italia.

Il 29 maggio 1898 i segnali attraversarono il canale della Manica superando la distanza di 51 chilometri.

Marconi concentrò successivamente le sue ricerche verso l’Atlantico, convinto che le onde potessero varcare l’oceano seguendo la curvatura della Terra.

Il 12 dicembre 1901 ebbe luogo la comunicazione che costituì la prima trasmissione radio transoceanica.