Introduzione alla Storia dell’Elettromagnetismo Classico Fabio Bevilacqua Dipartimento di Fisica “A.Volta” Università di Pavia

Elettromagnetismo Classico La ripartizione classica della Storia dell'E.C. corrisponde a otto fasi: a) la fase baconiana nel seicento e settecento, culminante con la formulazione della legge di Volta nel 1784 e di Coulomb nel 1785 b) gli sviluppi della teoria matematica del potenziale c) la scoperta della pila, le esperienze di Oersted e le leggi di Biot-Savart e di Ohm d) l'opera di Ampère e lo sviluppo dell'elettrodinamica, cioè il filone newtoniano nell'elettromagnetismo in particolare con Weber in Germania

Elettromagnetismo Classico e) lo sviluppo delle idee di Faraday e Maxwell in Inghilterra e della teoria dell'azione a contatto f) il dibattito nella seconda metà dell'ottocento tra le concezioni inglese e tedesca dell'azione per contatto e dell'azione a distanza g) la soluzione del dibattito con la sintesi di Lorentz h) lo sviluppo della teoria della relatività a partire dalla teoria dell'elettrone di Lorentz.

Sommario Introduzione metodologica Sperimentazioni baconiane Due quantificazioni: Volta e Coulomb (tensione e forza) Due modelli: azione a contatto e a distanza); schema La teoria matematica del potenziale (tabella) Oersted, Biot e Savart, Ampère Ohm e i circuiti Faraday e l’azione a contatto Forze elettromotrici e ponderomotrici Neumann, Fechner, Weber, Kircchoff: azione a distanza Helmholtz e la conservazione dell’energia Maxwell, etere e corrente di spostamento Weber, Clausius e i potenziali elettrodinamici Helmholtz e la soluzione formale C.Neumann, V.Lorenz e l’azione a distanza ritardata Poynting, Planck e l’energia locale Hertz: esperimenti e modelli Michelson-Morley e l’etere trascinato J.J. Thomson e l’elettrone Lorentz e la sintesi Einstein e le asimmetrie teoriche L’induzione unipolare 5 libri di testo avanzati

Un’elaborazione di Holton

Baconian electricity Veniamo più direttamente ai dibattiti nel campo dell'elettricità e della fisiologia. La prima passa nel Settecento dai giochi di società ai gabinetti sperimentali, con la formulazione di alcune generalizzazioni empiriche, soprattutto relative agli isolanti e conduttori ed alla produzione di elettricità per strofinio, e con la realizzazione di generatori elettrostatici, del "primo condensatore", la bottiglie di Leyda, e di elettroscopi. In Francia, Coulomb, un ingegnere esperto di attrito, applica la propria bilancia di torsione alla quantificazione delle attrazioni e repulsioni elettrostatiche secondo il paradigma gravitazionale newtoniano. Produce nel 1784 una legge che avrà grande successo, anche per la possibilità che così si apriva di applicare all ' elettrostatica le tecniche matematiche della teoria del potenziale sviluppate per la meccanica celeste, ma che non viene mai accettata da Volta. Volta invece prosegue per la propria strada, anch'essa estremamente fertile e di successo, legata come ricordato al prodotto di grandezze estensive ed intensive. Dato il predominio della fisica francese, che aumenta con gli sviluppi della scuola laplaciana e della fondazione dell'Ecole Politecnique, il Volta teorico viene comunque considerato eretico.

Coulomb e Volta Legge derivante dalla gravitazione newtoniana: azioni a distanza nello spazio vuoto Parte di questo approccio è la famosa legge di Coulomb che deriva dalla gravitazione newtoniana, ed ipotizza azioni a distanza nello spazio vuoto. Differente, seppur contemporaneo, l’approccio di un altro grande dell’elettricità, Alessandro Volta, che propone un modello interpretativo e degli strumenti di misura legati a delle azioni “ in-tensive ” di probabile derivazione leibniziana. Interessante il parallelo tra la legge di Volta sulle tensioni e quella di Boyle sulle pressioni. Azioni “ in-tensive ” di probabile derivazione leibniziana

Teoria matematica (del potenziale)

Oersted, Biot e Savart, Ampère

Azione per contatto : calore e teoria ondulatoria della luce Fourier: si applicano alla termologia le equazioni differenziali alle derivate parziali, il calore non si trasmette a distanza, ma le temperature variano con continuità nello spazio Fresnel: si sviluppa la teoria ondulatoria della luce, lo spazio si riempie di un’etere luminifero, elastico, come supporto delle onde luminose Dapprima con Fourier si applicano alla termologia le equazioni differenziali alle derivate parziali, il calore non si trasmette a distanza, ma le temperature variano con continuità nello spazio, poi con Fresnel si sviluppa la teoria ondulatoria della luce : lo spazio si riempie di un’etere luminifero, elastico, come supporto delle onde luminose.

Ohm

Azione per contatto : linee di forza e « stato elettrotonico » Oersted e Faraday reintroducono in elettricità l’idea dell’unione delle forze della natura e dello spazio come sede di azioni per contatto : nascono le linee di forza e lo “ stato elettrotonico ”.

Azione a distanza nel vuoto, sia gravitazionale sia elettrica Il modello Coulombiano si afferma, grazie alla applicazione della teoria matematica del potenziale, sviluppata per la gravitazione, all’elettricità. Ma di fronte allo sviluppo di una azione a distanza nel vuoto sia gravitazionale che elettrica, che avviene principalmente nell’area tedesca (Weber, Clausius), si fa strada un altro approccio che invece punta su uno spazio pieno di etere. Weber Clausius

Maxwell Maxwell riprende le idee di Faraday, modificandole, rinuncia al principio di relatività e riempie lo spazio di un etere luminifero, di incerte connotazioni materiali. L’energia potenziale (nello spazio vuoto) viene scartata, a favore di un flusso continuo lungo una traiettoria, una sorta di equazione di continuità che sarà poi formalizzata nel teorema di Poynting.

Le equazioni di Maxwell

Maxwell: 1873 Treatise E’ qui, nell’ultima pagina del famoso Trattato del 1873, che Maxwell cita Torricelli ed in qualche modo il nostro cerchio si chiude : l’ “ horror vacui ” ha prodotto altre meraviglie.

C.Neumann, V.Lorenz e l’azione a distanza ritardata

Poynting, Planck e l’energia locale

Hertz: 1892 Hertz, che si opponeva all’energia potenziale e credeva in un etere trasportato dai corpi in moto, mostra che i fenomeni elettromagnetici si propagano in maniera ondulatoria e con un ritardo temporale (ciò più tardi divenne “ la scoperta delle onde elettromagnetiche ”).

La misura della massa dell’elettrone Secondo J.J.Thomson: a)la deflessione di un fascio di elettroni nel campo elettrico permette di misurare il rapporto mv2/e; b) la deflessione in un campo magnetico permette di misurare mv/e; c) la velocità di caduta delle goccioline che si formano sotto l’azione di radiazioni ionizzanti permette di misurare e. Dai primi due risultati si ricava e/m. Da questo e dal terzo, si ricava m

E.Rutherford e J.J.Thomson

Max von Laue e Wilhelm Roengten 1907 1895

Lorentz: la Teoria degli Elettroni Ma toccò a Lorentz, scienziato olandese di grandi capacità, reintrodurre il vuoto e separarare la materia dall’etere: i campi maxwelliani non sono onde d’etere ma onde d’energia che si propagano per contatto nello spazio vuoto. L’etere perde le caratteristiche materiali e rimane come riferimento privilegiato. E + P = D

Libri di testo e memorie originali Planck Sommerfeld Pauli Landau Feynman

Advanced Textbooks: a bonus