Breve Storia del Magnetismo e dell'Elettricità
Integrata da riferimenti bibliografici “online”
di Paolo Manzelli
LRE@blu.chim1.unifi.it
Nota: l’articolo e delineato allo scopo di fornire una traccia storico-scientifica di base, per realizzare ipertesti di editoria elettronica scolastica.
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I magneti ai primordi della cultura scientifica vennero considerati “pietre viventi”. Dell’elettricità (dal greco antico “elektron=ambra”) nella antichità si sapeva poco più del fatto che l’ambra ed anche i vetri se strofinati con un panno di lana producevano scariche elettriche.
Plinio il Vecchio (23-79 D.C.) nel Libro di Storia Naturale, narra che il nome Magnete proviene dal pastore Cretese di nome “Magnes “ il quale adoperando un il suo bastone con la punta di ferro, scopri la proprietà di attrazione e repulsione di alcune pietre che furono chiamate magnetiche. Tali pietre oggi sappiamo contengono la magnetite, un magnete naturale composto di ossidi di ferro (FeO-Fe2O3 - magnetite).
Si ha notizia che anche le antiche culture alchemiche della Cina e dell’India conoscevano le proprietà magnetiche prima della cultura filosofico-scientifica della Magna Grecia, ed inoltre che erano anche conosciute le proprietà di “induzione magnetica”, che si ottengono per contatto di un magnete naturale con un pezzo di ferro; in quanto quest’ultimo temporaneamente assume le proprietà magnetiche. Archimede (287-212 A.C.) cercò di utilizzare le proprietà di induzione magnetica, magnetizzando le spade dei soldati della sua città (Siracusa) per disarmare più facilmente i nemici.
L’interpretazione del magnetimo per millenni è rimasta intrisa di riferimenti cognitivi di indole “antropomorfica- vitalistica”. Nell’ antica Cina già da circa 4500 anni fa' il fenomeno del magnetismo, venne correlato al dinamismo universale delle forze vitali descritte dal simbolismo della dicotomia YIN//YANG (maschile/femminile), ed in sostanza tale spiegazione delle proprietà di attrazione/repulsione tra le polarità magnetiche, fu considerata un anello interpretativo tra le relazioni evolutive tra materia inanimata e materia animata.
La virtù di attrarre o respingere di un magnete permanente, in presenza di altre sostanze, ebbe nell’ antichità spiegazioni di riferimento animistico fino all’insorgere della scienza moderna.
Spiegare infatti significa correlare un evento in un quadro di preconcezioni generali storicamente affermate.
Pertanto la natura della attrazione magnetica, in mancanza di una spiegazione scientifica, dette luogo a molte superstizioni utilizzate spesso in campo medico, per interpretare proprietà di contaminazione di effluvi funesti e nell’ attribuzione di attrazioni fatali nell’ambito della preveggenza del destino dell’ uomo.
Durante il Medio Evo la “sacra inquisizione”, condannò ogni riferimento a forze misteriose e magiche di indole magnetica nella spiegazione delle leggi che agiscono sulla struttura dell’ universo.
Ciononostante agli inizi del rinascimento un frate italiano Petrus Peregrinus scrisse (1269) una Epistola sulle proprietà dei dipoli magnetici ricercando la possibilità di attuare il “moto perpetuo” facendo uso di forze magnetiche, egli , per i suoi studi sul magnetismo, realizzò un modello sferico di magnetite denominato “terrella”.
Cecco d’Ascoli, docente all’ Università di Bologna , fu bruciato vivo, come eretico a Firenze il 16 Sett. del 1327, perché ricercava un determinismo della interpretazione degli eventi, facendo riferimento a forze invisibili di indole magnetica; egli ad esempio attribuì alla forza magnetica della Luna la oscillazione delle maree, sbagliando perché la luna non possiede un forte campo magnetico, ma indicando giustamente nella Luna la sua capacità di attrazione delle masse di acqua del mare, che da origine al fenomeno delle maree.
Ancora per molti anni il magnetismo fu considerato un curioso fenomeno naturale: Galileo Galilei (1564-1642) ottenne le magnetiti dalle miniere ferrose dell’ Elba, e studiò le “calamite” (magneti coniati forma di U con i poli nord e sud separati), principalmente per studi tecnici della loro potenza nel sollevare pesi di ferro.
Fu soltanto nel 1600, che il medico inglese William Gilbert (1544-1603), considerato il padre del magnetismo, scrisse il Libro intitolato “De Magnete” in cui per primo intuì la correlazione tra forze magnetiche e forze elettriche, esprimendo l’ insieme come elettromagnetismo. W. Gilbert costruì anch’egli una sfera di magnetite “terrella”, come già aveva fatto Petrus Peregrinus, ad immagine del Globo Terrestre, e delineò, facendo riferimento a tale modello, le linee di forza del campo magnetico terrestre, dando così la possibilità di sappiamo era in uso almeno dal tredicesimo secolo D.C, ed ai tempi di Gilbert era ormai in utilizzata da vari anni da molti naviganti arabi ed anche europei per riconoscere la direzione del polo nord anche quando il cielo era coperto dalle nubi.
Oggi similmente a quanto descritto da Gilbert si ritiene che il centro della terra sia composto di materiali ferrosi (ed anche di cobalto e di nichel) allo stato fuso; questi liquidi risentono della rotazione terrestre generando delle correnti elettromagnetiche, che formano un asse dipolare tra il Polo Nord ed il Polo Sud; pertanto la bussola (denominata anche “ compasso magnetico), orienta per rotazione la punta dell’ago magnetizzato verso il polo magnetico terrestre dove si trova più prossima.
Un seguace di W. Gilbert fu l’ americano Benjamin Franklin (1706-1790), sviluppò la teoria del “fluido elettrico” e, per dimostrare che anche i fulmini erano generati da correnti elettriche che scoccano tra cariche positive e negative originatesi per attrito tra l’atmosfera e la terra o tra diversi strati di nubi, inventò il “parafulmini”, dimostrando che le correnti elettriche più spaventose, un tempo immaginate in mano al potere del dio Giove dell’ olimpo, potevano essere convogliate e direzionate a piacimento dalle conoscenze dell’ uomo..
Ma anche tali esperimenti sembravano ai più ancora magici; infatti ancora persisteva una logica vitalistica nella scienza. Tale concettualità di base si esaurì definitivamente nella scienza, in seguito alla disputa tra Galvani professore di medicina alla Università di Bologna e Volta professore di fisica e chimica alla Università di Pavia.
Il medico bolognese Luigi Galvani (1737-1798) sperimentò l’azione della corrente elettrica su una zampa di rana ed osservò che essa si contraeva al passaggio delle corrente; pertanto suppose che la contrazione fosse imputabile al magnetismo animale.
Di parere contrario a tale spiegazione fu il fisico di Como, Alessandro Volta (1745-1827), il quale sostenne che le contrazioni erano causate da una differenza di potenziale elettrico estrinseca al corpo animale, originata dai contatti tra metalli diversi dei fili metallici con cui Galvani collegava la zampa della rana per tenerla distesa.
Convinto di ciò, Volta costruì la “Pila bimetallica”, che descrisse in una memoria epistolare datata 20 marzo del 1800.
La scoperta della “Pila” è da considerarsi una pietra miliare dello sviluppo della scienza, in quanto dette nuove possibilità di interpretazione e di successiva utilizzazione industriale della elettricità. In suo onore la misura dell’ unità di potenziale elettrico venne denominata “Volt”; il voltaggio indica la forza necessaria per produrre una corrente elettrica in un mezzo che a temperatura ambiente ha una definita resistenza al passaggio della corrente.
Colui che dette un fondamento matematico alla elettrostatica fu l’ingegnere
francese Charles-Augustin De Coulomb (1736-1806). Egli studiò le leggi dell’
attrito elettrostatico e costruì una bilancia elettrica (1785) ed una bilancia
magnetica (1789) di torsione, cioè dei dispositivi sperimentali che misurano la
torsione di un filo elastico
sottoposto alle forze elettrostatiche che si originano tra lamine caricate
positivamente e negativamente o tra opposte polarità magnetiche. In suo onore
la misura della quantità di corrente al secondo è stata denominata “Coulomb”.
La Pila di Volta e gli studi del fisico danese Hans Cristian Oersted (1777-1851) sulle interazioni tra correnti elettriche e magnetiche, ottenute misurando come una corrente elettrica influenzi la rotazione dell’ ago di una bussola, interessarono gli studi di elettochimica di due chimici inglesi, Humpry Davy (1778-1829) e del suo giovane assistente autodidatta, Michael Faraday (1791-1867; essi studiarono le applicazioni delle elettrolisi per separare i metalli puri dai loro composti disciolti in acqua o resi liquidi per fusione. In particolare Faraday dopo aver aver studiato le interazioni magnetiche di molte sostanze e scoperto che tutte quante sono più o meno sono attratte (sostanze Paramagnetiche e Ferromagnetiche) o respinte (sostanze Diamagnetiche) da un magnete permanente ( Sostanza Ferrimagnetica), formulò il concetto di “linee di forza di un campo elettromagnetico”, dando spiegazione dell’ azione propagata nello spazio da un magnete permanente, che determina l’ induzione di polarità opposte indotte a distanza in varie altre sostanze.
Faraday dimostrò inoltre (1831) che il movimento di un magnete entro un avvolgimento elettrico induceva per mutua induzione una variazione della corrente elettrica; scoperta che in seguito, nel 1865, dette l’idea ad Antonio Pacinotti, (1841-1912) Professore di Fisica all’Università di Pisa, della costruzione della “dinamo”, poi brevettata e perfezionata dal meccanico belga Zenobe Gramme (1826-1901).
Nel XIX secolo le scoperte sull’ elettricità ed il magnetismo e le loro applicazioni industriali si susseguirono rapidamente .
Il chimico-fisico-matematico , francese autodidatta, Andrè Marie Ampere (1775-1836) dopo appena una settimana dall’ aver ascoltato una conferenza di Oersted a Copenhagen , sperimentò che correnti parallele si attraggono l’ un l’ altra, come se fossero magnetizzate. Ampere formulò matematicamente le sue scoperte sulla elettrodinamica; in suo onore la unità di misura della corrente elettrica venne chiamata “Ampere”: per definizione 1 Ampere equivale alla corrente che è necessaria per depositare all’ elettrodo la quantità di 0,001118 grammi al secondo di argento , quando la corrente passa attraverso una soluzione elettrochimica di nitrato di argento.
Colui che riorganizzò sistematicamente il vasto insieme di conoscenze dei fenomeni elettro magnetici fu il fisico tedesco, insegnante di scuola secondaria, Georg Simon Ohm (1789-1854) che riassunse nella “legge di OHM” (1827) schematicamente indicata dalla relazione <V=RI>, la quale dice che il Voltaggio (V) è proporzionale alla Intensità di Corrente (I) per la esistenza del mezzo (R) . In suo onore la unità di “Resistenza elettrica” è stata chiamata “Ohm” e corrisponde alla costante di proporzionalità <R= V / I>, che si calcola quando un conduttore viene sottoposto alla differenza di potenziale di un Volt ed è attraversato dalla corrente di un Ampere.
Da allora scoperte tecnologiche e scientifiche si susseguirono a ritmo incalzante.
Nel 1835 l’ insegnante americano di scuola media, Joseph Henry , inventa il “Relè ad induzione magnetica” ; dispositivo che al passaggio della corrente elettrica in un avvolgimento, fa aprire o chiudere l’interruttore di un altro circuito; tale scoperta fu inizialmente utilizzata per costruire campanelli elettrici, ma in vero fu la importante premessa necessaria per la costruzione dei motori elettrici e del telegrafo.
Il 24 maggio 1844 Samuel Morse (1791-1872), inviò il primo messaggio telegrafico tra Washington e Baltimora in USA inoltrando in tempo reale gli impulsi elettrici nell’ alfabeto Morse, che corrispondevano alla la frase biblica “Così ha permesso Dio”.
Nel 1860 l’ abate piemontese Giovanni Caselli (1815-1891) sperimentò il Pantelegrafo; un pantografo a pendolo, che si muoveva scorrendo su una vite senza fine, sopra una lastra di rame in cui scritti e immagini venivano dipinti con un inchiostro isolante cerato; la teletrasmissione veniva realizzata in quanto il pendolo era accoppiato con un “rele” e, per mezzo di un pennello di ferro strisciante sulla lastra di rame, si apriva e chiudeva il circuito elettrico rispettivamente quando veniva a contatto con il metallo e quando toccava l’ inchiostro isolante; cosi venivano trasmessi impulsi elettrici i quali riproducevano a distanza un fax simile del disegno o degli scritti, là dove un sistema ricevente analogo montato con un altro relè accoppiato ad una penna, che si alza e si abbassa, riusciva a riproduce su carta l’ immagine registrata ed inviata come impulsi elettrici dal sistema trasmittente a pendolo. Con tale precursore degli attuali fax l’abate Caselli trasmise il 22 Gennaio 1860 da Parigi a Lione una pagina dello spartito di musica di Gioacchino Rossini.
Nel 1849 il fiorentino Antonio Meucci (1808-1889), autodidatta, allora attrezzista al Teatro dell’ Avana a Cuba, fece i primi esperimenti con telelegrafo parlante; strumento che poi il prof. Alexander Graham Bell (1847-1922) perfezionò e brevettò (il 7 marzo 1876) con il nome attuale di “telefono”, presentandolo alla esposizione mondiale di Filadelfia (USA), ed in seguito commercializzandolo tramite la Bell Telephon System, da lui stesso fondata. Nel 1877.
Un altro grande inventore e impresario americano Thomas Alva Edison (1847-1931), inventò e brevettò il fonografo a cilindro. Egli cercava un sistema per memorizzare i messaggi telegrafici e scoprì che facendo girare velocemente un disco su cui erano stati incisi i punti e le linee dell’ alfabeto Morse, toccandoli con una punta metallica si udivano delle note, che potevano essere amplificate collegando la punta ad un diaframma magnetico. In tal modo incise e riprodusse per la prima volta come suono l’ inizio di una popolare filastrocca :”Mary had a litlle lamb”.
Nel 1879 T.A. Edison inventò la “lampadina”; comprendendone il valore
commerciale, fondò la Edison Electric Light Company, che nel giro di due anni
produceva più di 100 mila lampadine all’ anno. Edison assieme al suo
assistente Nikola Tesla (1856-1943 -fisico americano di origine croata), progettò
anche le prime centrali elettriche a corrente continua, che entrano in funzione,
una a Londra (gennaio 1882) e poi l’ altra a New York (settembre 1992).
Tesla entrò in conflitto con il suo datore di lavoro, perché preferì
progettare centrali elettriche a corrente alternata. Pertanto dette le
dimissioni dalla Impresa di Edison e passò ad un’ altra società elettrica la
Westinghouse, con cui i costruì e mise in funzione (1891) la prima centrale
idroelettrica, convogliando le acque delle cascate del Niagara per azionare
motori elettrici, simili a quelli che il fisico piemontese Galileo Ferraris
(1847-1897) aveva costruito, sulla base della sua invenzione del “campo
magnetico rotante”; invenzione quest’ultima, che fu presentata all'accademia
delle Scienze di Torino il 18 marzo 1888 e che G. Ferraris non volle brevettare
perché perseguiva l’ idea che la scienza fosse un bene universale.
In vero ormai le invenzioni tecnologiche sospinte dalla crescita economica della industrializzazione della produzione, sembrano sopravanzare gli sviluppi della scienza pura; al contrario scienza e tecnologia ed economia nell’ epoca moderna divengono sempre più un sistema integrato, dove l’ avanzamento di un fronte coinvolge lo sviluppo dell’ altro e viceversa.
Una pietra miliare dei fondamenti cognitivi dell’ elettrodinamica è da attribuirsi al fisico tedesco Rudolf Henrish Hertz (1857-1894), che il 13 novembre 1886, dimostrò che era possibile trasmettere onde elettromagneriche a distanza accordando per risonanza le frequenze delle onde elettromagnetiche emesse generatori. Egli sperimentò più volte questa possibilità con un oscillatore armonico di sua invenzione a distanze di laboratorio (tra uno e due metri) e tale scoperta è stata il fondamento della telegrafia senza fili e della radio inventate in seguito da Guglielmo Marconi.
L’elettricità fino ad allora, era considerata come fluido di onde elettromagnetiche, ma ancora non si conosceva il fondamento materiale che le generava, fino a che Joseph John Thomson (1856-1940) fisico inglese della Università di Cambridge, nel 1897, scoprì l’ esistenza di una particella sub-atomica di carica negativa, che egli, ricordando il nome dato all’ ambra dagli antichi greci, denominò “elettrone”.
Inizalmente non fu facile credere che l’ atomo che significa “indivisibile” (dal Greco “a” che indica negazione e temno = tagliare), fosse ulteriormente scindibile in altre componenti. J.J. Thomson, misuro anche la carica e la massa dell’ elettrone; quest’ ultima risultò circa 1800 volte minore di quella del nucleo positivo dell’Atomo di Idrogeno.
La scoperta di J.J. Thomson della esistenza di particlle sub-atomiche (elettroni e nuclei), rappresentò una rivoluzione scientifica decisiva che fu premessa primaria di un profondo cambiamento del pensiero scientifico nel XX secolo; J.J.Thompson ottenne il premio Nobel per la Fisica nel 1906.
Sappiamo oggi infatti che la elettricità statica è causata da correnti superficiali di elettroni su materiali isolanti, mentre quella dinamica è generata da insiemi di elettroni che scorrono nelle bande di conduzione dei metalli. Infine le varie tipologie con cui si presentano i fenomeni magnetici, sono imputabili al fatto che gli elettroni come altre particelle si comportano, ruotando su se stesse, come dei piccoli magneti, con un asse di polarizzazione denominato “spin” (che in inglese significa rotazione). I vari spin degli elettroni possono creare dei campi (o domini) di magnetizzazione permanente naturale, come nella magnetite (ferrimagnetismo), ovvero magnetizzarsi in presenza di un campo magnetico inducente, come nel ferromagnetismo (es: Ferro, Nichel, Cobalto) o originare campi indotti deboli e fluttuanti come nel caso delle sostanze paramagnetiche quelle cioè che (come varie sostanze allo stato gassoso), vengono attratte debolmente da un magnete permanente, oppure generare repulsione alla magnetizzazione, (Diamagnetismo) nel caso in cui le sostanze (come l’Alluminio) abbiano gli spin accoppiati a due e due, che pertanto si oppongono alla orientazione indotta dalla magnetizzazione poiché l’uno impedisce all’altro accoppiato di allinearsi nella direzione del campo magnetico indotto.
Una volta giunti alla comprensione, per merito di JJ.Thomson e di un buon numero di altri scienziati, che gli atomi sono composti da corpuscoli sub-atomici , si capì anche che tutti i corpuscoli nel loro movimento di rotazione e vibrazione e traslazione emettono onde elettromagnetiche nello spazio; quest’ ultime possono essere generate appositamente ed anche convogliate da sistemi di ricezione e trasformate in frequenze udibili e visibili da opportuni congegni di trasformazione della energia associata alle vibrazioni delle onde elettromagnetiche.
Ciò è quanto comprese Guglielmo Marconi (1874, Bologna - 1937, Roma), inventore italiano che ottenne il premio Nobel per la Fisica nel 1909, considerato universalmente il padre delle moderne comunicazioni. Egli fu un autodidatta, frequentò a Firenze un istituto tecnico privato, senza conseguire alcun diploma. Fu lettore appassionato di articoli di divulgazione scientifica e conobbe l’opera di Hertz, così che entusiasta di tali conoscenze ed intuizioni, volle sperimentare la trasmissione di segnali a distanza. Fece i primi esperimenti del “telegrafo senza fili”, già nel 1894, nelle adiacenze della villa paterna a Pontecchio vicino a Bologna, utilizzando un relè connesso ad un martelletto per rendere udibili le vibrazioni. Nel 1895 riuscì a inviare segnali alla distanza di un chilometro e mezzo. Non riuscendo a trovare chi sostenesse e brevettasse la sua invenzione in Italia, accettò il consiglio di sua madre che era Irlandese, di andare a Londra da alcuni parenti. In Inghilterra. Dopo aver dimostrato con successo di saper effettuare trasmissioni telegrafiche senza fili ad una distanza di 15 chilometri, riuscì a brevettare la sua invenzione in Inghilterra, chiedendo che dal pagamento delle Royalties fosse esclusa l’Italia. Nel 1990 fondò la Marconìs Wireless Company ed utilizzando onde lunghe collegò (1901) in un ponte radio attraverso l’ atlantico il porto di Poldhu in Inghilterra con St. John in Terranova . Dopo di ciò fu colmato di onori anche in Italia, gli fu conferita la laurea honoris causa ed in seguito gli fu attribuita la prima Presidenza del Consiglio Nazionale della Ricerche Italiano.
Concludendo questo traccia storico-scientifica, inizialmente descritta per la collaborazione del LRE della Università di Firenze al Progetto SeT (Scienza e Tecnologia; vedi: http://www.edscuola.com/archivio/cm270_99.shtml) della Scuola Media di San Casciano (Firenze), viene spontanea una riflessione.
Proprio oggi, mentre stiamo per augurarci una buona fine ed un buon principio dell’anno 2000, con i nostri GSM e con i computer in internet, o semplicemente a voce, sappiamo che avanzano le ricerche sullo sviluppo di materiali superconduttori di elettricità, gli studi sulla inversione del campo elettromagnetico per ottenere lievitazione magnetica, così come le indagini sul bio-magnetismo e la struttura del DNA , ecc.., comprendiamo pertanto che tali studi porteranno a nuove scoperte e nuove invenzioni, che dovremo essere in grado di comprendere, anche per controllarne come cittadini del mondo coscientemente il loro sviluppo.
Quindi è opportuno comprendere a fondo l’ importanza di essere studiosi motivati a conoscere per capire la natura ed apprendere la scienza; da ciò l’ esigenza di non limitasi ad un comportamento di quegli studenti che si dimostrano più consoni a ripetere passivamente la lezione, solo per superare gli esami o prendere un buon voto alle interrogazioni.
Infatti è importante conoscere il profilo della storia dell'elettricità e del magnetismo, non tanto per ripeterla nozionisticamente, ma per rielaborarla anche al fine di realizzare degli ipertesti da divulgare in rete, in quanto le conoscenze divengono utili solo se al contempo, terremo sempre ben presente che, pur essendo passato ormai un secolo dall’epoca in cui Marconi inventò la Radio, molto è ancora da comprendere e da sviluppare per la scienza e la tecnologia del prossimo millennio, quello che sarà creativamente costruito da quegli e quelle di voi che saranno preparati motivati ed appagati per essere i protagonisti del proprio futuro.
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