L'elettromagnetismo

La scoperta dell'induzione elettromagnetica e gli esperimenti di Faraday

L'elettromagnetismo, una delle quattro forze fondamentali dell'universo, descrive l'interazione tra elettricità e magnetismo. Nel XIX secolo, la scoperta che questi fenomeni sono correlati ha rivoluzionato la fisica. Hans Christian Oersted mostrò che una corrente elettrica può influenzare una bussola, evidenziando la relazione tra elettricità e magnetismo. Michael Faraday, proseguendo su questa linea di ricerca, condusse esperimenti chiave nel 1831 che portarono alla scoperta dell'induzione elettromagnetica. Faraday dimostrò che un campo magnetico in movimento può indurre una corrente elettrica in un circuito chiuso. Utilizzando due bobine avvolte attorno a un nucleo di ferro, osservò che una corrente elettrica veniva indotta in una bobina quando la corrente in un'altra bobina veniva avviata o interrotta, o quando un magnete veniva mosso vicino alla bobina. Questi esperimenti hanno gettato le basi per la tecnologia dei generatori elettrici e dei trasformatori.

Il principio del flusso magnetico e la legge di Faraday

Il concetto di flusso magnetico è fondamentale per comprendere l'induzione elettromagnetica. Il flusso è definito come il prodotto del campo magnetico per l'area attraverso cui il campo passa, tenendo conto dell'angolo tra il campo e la normale alla superficie. Faraday scoprì che una variazione nel tempo del flusso magnetico attraverso una superficie delimitata da un circuito induce una forza elettromotrice (f.e.m.) nel circuito stesso. Questa osservazione è formalizzata nella legge di Faraday, che afferma che la f.e.m. indotta è direttamente proporzionale alla variazione del flusso magnetico nel tempo. L'uso di un nucleo di ferro negli esperimenti di Faraday aumentava l'intensità del campo magnetico, amplificando l'effetto dell'induzione e dimostrando l'influenza del mezzo materiale nel processo.

L'esperimento di Thomson e la scoperta dell'elettrone

La scoperta dell'elettrone da parte di J.J. Thomson nel 1897 fu un altro passo fondamentale nella comprensione dell'elettromagnetismo e della struttura della materia. Thomson utilizzò un tubo a raggi catodici, in cui elettroni venivano emessi da un catodo e accelerati verso un anodo attraverso una differenza di potenziale. Sottoponendo il fascio di elettroni all'azione di campi elettrici e magnetici perpendicolari, Thomson osservò la loro deflessione e calcolò il rapporto tra la carica e la massa degli elettroni (e/m). Questo rapporto si rivelò essere lo stesso indipendentemente dal tipo di gas presente nel tubo o dal materiale del catodo, suggerendo che gli elettroni sono costituenti universali della materia.

La misura della velocità degli elettroni e l'importanza dei campi incrociati

Nell'esperimento di Thomson, la determinazione della velocità degli elettroni era essenziale per calcolare il loro rapporto carica-massa. Thomson stabilì che, in presenza di campi elettrici e magnetici perpendicolari, la forza di Lorentz esercitata dal campo magnetico poteva annullare la forza elettrica, lasciando gli elettroni senza deflessione. Da questa condizione di equilibrio, fu possibile dedurre la velocità degli elettroni in base all'intensità dei campi applicati. Questa misurazione, insieme all'analisi della traiettoria degli elettroni deflessi dal campo elettrico, permise a Thomson di determinare con precisione il valore di e/m.

Implicazioni dei risultati di Thomson e il modello atomico

La scoperta di Thomson ebbe profonde implicazioni per la fisica atomica. La determinazione della carica specifica degli elettroni e la loro presenza universale nella materia contribuirono alla formulazione dei primi modelli atomici. Inoltre, la combinazione del valore di e/m ottenuto da Thomson con la carica dell'elettrone misurata in seguito da Robert Millikan permise di calcolare la massa dell'elettrone. Queste scoperte hanno aperto nuove strade nella ricerca fisica, portando a una migliore comprensione della struttura atomica e subatomica e alla nascita della meccanica quantistica.