La scoperta di Faraday dell’induzione elettrica

Faraday, il più grande sperimentatore di elettricità e magnetismo del XIX secolo e uno dei più grandi fisici sperimentali di tutti i tempi, lavorò senza sosta per 10 anni cercando di dimostrare che un magnete poteva indurre elettricità. Nel 1831 finalmente ci riuscì usando due bobine di filo avvolte intorno ai lati opposti di un anello di ferro dolce (Figura 7). La prima bobina era collegata ad una batteria; quando una corrente passava attraverso la bobina, l’anello di ferro si magnetizzava. Un filo dalla seconda bobina era esteso ad un ago di bussola ad un metro di distanza, abbastanza lontano in modo che non fosse influenzato direttamente da qualsiasi corrente nel primo circuito. Quando il primo circuito fu acceso, Faraday osservò una momentanea deflessione dell’ago della bussola e il suo immediato ritorno alla posizione originale. Quando la corrente primaria fu spenta, si verificò una simile deflessione dell’ago della bussola, ma nella direzione opposta. Basandosi su questa osservazione in altri esperimenti, Faraday dimostrò che i cambiamenti nel campo magnetico intorno alla prima bobina sono responsabili dell’induzione della corrente nella seconda bobina. Ha anche dimostrato che una corrente elettrica può essere indotta muovendo un magnete, accendendo e spegnendo un elettromagnete, e anche muovendo un filo elettrico nel campo magnetico terrestre. In pochi mesi, Faraday costruì il primo, anche se primitivo, generatore elettrico.

Henry aveva scoperto l’induzione elettrica abbastanza indipendentemente nel 1830, ma i suoi risultati non furono pubblicati fino a dopo aver ricevuto la notizia del lavoro di Faraday del 1831, né sviluppò la scoperta in modo completo come Faraday. Nel suo articolo del luglio 1832, Henry riportò e interpretò correttamente l’autoinduzione. Aveva prodotto grandi archi elettrici da un lungo conduttore elicoidale quando era scollegato da una batteria. Quando aveva aperto il circuito, la rapida diminuzione della corrente aveva causato una grande tensione tra il terminale della batteria e il filo. Quando il cavo del filo fu staccato dalla batteria, la corrente continuò a scorrere per un breve periodo sotto forma di un arco luminoso tra il terminale della batteria e il filo.

Il pensiero di Faraday era permeato dal concetto di linee di forza elettriche e magnetiche. Visualizzò che magneti, cariche elettriche e correnti elettriche producono linee di forza. Quando metteva un cartoncino sottile coperto di limatura di ferro su un magnete, poteva vedere la limatura formare catene da un’estremità del magnete all’altra. Credeva che queste linee mostrassero le direzioni delle forze e che la corrente elettrica avrebbe avuto le stesse linee di forza. La tensione che costruiscono spiega l’attrazione e la repulsione dei magneti e delle cariche elettriche. Faraday aveva visualizzato le curve magnetiche già nel 1831 mentre lavorava ai suoi esperimenti di induzione; scrisse nei suoi appunti: “Per curve magnetiche intendo linee di forze magnetiche che sarebbero rappresentate dalla limatura di ferro”. Faraday si oppose all’idea prevalente che l’induzione avvenisse “a distanza”; invece, sostenne che l’induzione avviene lungo linee curve di forza a causa dell’azione di particelle contigue. Più tardi spiegò che l’elettricità e il magnetismo si trasmettono attraverso un mezzo che è sede di “campi” elettrici o magnetici, che rendono tutte le sostanze magnetiche in qualche misura.

Faraday non fu l’unico ricercatore a porre le basi per una sintesi tra elettricità, magnetismo e altre aree della fisica. Nel continente europeo, principalmente in Germania, gli scienziati stavano facendo collegamenti matematici tra elettricità, magnetismo e ottica. Il lavoro dei fisici Franz Ernst Neumann, Wilhelm Eduard Weber e H.F.E. Lenz appartiene a questo periodo. Allo stesso tempo, Helmholtz e i fisici inglesi William Thomson (poi Lord Kelvin) e James Prescott Joule stavano chiarendo la relazione tra l’elettricità e altre forme di energia. Joule studiò la relazione quantitativa tra correnti elettriche e calore durante gli anni 1840 e formulò la teoria degli effetti di riscaldamento che accompagnano il flusso di elettricità nei conduttori. Helmholtz, Thomson, Henry, Gustav Kirchhoff e Sir George Gabriel Stokes estesero anche la teoria della conduzione e della propagazione degli effetti elettrici nei conduttori. Nel 1856 Weber e il suo collega tedesco, Rudolf Kohlrausch, determinarono il rapporto delle unità elettriche e magnetiche e scoprirono che ha le stesse dimensioni della luce e che è quasi esattamente uguale alla sua velocità. Nel 1857 Kirchhoff utilizzò questa scoperta per dimostrare che i disturbi elettrici si propagano su un filo altamente conduttivo con la velocità della luce.