Campi magnetici variabili e correnti elettriche

Unificazione di elettricità e magnetismo

Gli esperimenti sull’elettricità e il magnetismo furono svolti al buio per lungo tempo, ed emersero solo aspetti parziali della fenomenologia. Il seguito alla scoperta del campo magnetico generato da un filo percorso da corrente elettrica, partirono una serie di esperimenti ed elaborazioni teoriche che fecero convergere le due classi di fenomeni, elettrici e magnetici, in un’unica descrizione, in cui l’interazione elettromagnetica rappresenta l’unificazione delle altre due.

Proprietà delle correnti alternate

Una stessa proprietà, che appare divisa solamente nel caso statico presenta due aspetti, come le facce di una moneta: Elettricità e magnetismo. Una carica elettrica che si muove mostra le sue proprietà magnetiche, così come un campo magnetico variabile riesce a indurre una corrente elettrica. Una corrente elettrica variabile nel tempo, genera un campo magnetico variabile nel tempo, il quale a sua volta induce un’altra corrente elettrica che si sovrappone alla prima per il fenomeno dell’autoinduzione. La corrente elettrica che arriva nelle nostre case viene generata in centrali dove l’energia cinetica di una turbina è trasformata in energia potenziale elettrica, grazie al movimento reciproco di un circuito e un magnete. La corrente elettrica prodotta è una corrente alternata, perché variabile nel tempo tra due valori opposti. Le correnti alternate cambiano istante per istante e quindi lo studio di esse può essere in generale complicato, ma ricorrendo ad una valore detto “efficace” si possono approssimare con correnti continue e i calcoli si semplificano notevolmente.

Esperimenti di Faraday

Nel 1831 Faraday costruì un apparato sperimentale formato da due bobine conduttrici avvolte intorno a un anello ferromagnetico.

Ad un generatore è collegata la bobina A, quando l’interruttore è chiuso circola corrente; la bobina B è collegata solamente al galvanometro, un sensibile strumento per la misura delle correnti elettriche. Faraday osservò che con l’interruttore chiuso se nel circuito A circolava corrente, l’indice del galvanometro del circuito B non si muoveva. Invece nel breve intervallo di tempo in cui l’interruttore veniva chiuso, o veniva aperto, l’ago dello strumento si muoveva bruscamente per poi tornare sul valore zero. Faraday interpretò il risultato delle sue osservazioni, dicendo che il campo magnetico generato dalla bobina A riusciva a generare senza contatto diretto, una corrente nella bobina B solamente durante le sue variazioni. Il campo magnetico generato dalla bobina A induce una corrente nella bobina B solamente durante le sue variazioni. Sono dunque le variazioni di un campo magnetico che generano una corrente elettrica indotta.

Effetti del campo magnetico variabile

E se non ci fosse l’anello ferromagnetico?

Il fenomeno avviene ugualmente? Sì

L’anello ferromagnetico ha solo la funzione di amplificare l’effetto, ed è verificabile inserendo un generatore capace di fornire una differenza di potenziale variabile nel circuito A detto circuito induttore. Modificando la differenza di potenziale e quindi l’intensità di corrente che circola nel circuito induttore, il campo magnetico da esso generato varia nel tempo e, di conseguenza, si rileva una corrente elettrica nel circuito indotto B. La variazione dell’intensità di campo magnetico non è il solo modo per generare correnti indotte. Anche le sole variazioni di direzione e verso, possono avere lo stesso effetto. Con un semplice esperimento si può mostrare e confermare quanto detto. Basta inserire un magnete a barra in una bobina collegata con un galvanometro. Man mano che il magnete viene inserito il suo campo magnetico, pur non cambiando in intensità, cambia in direzione e verso: le linee del campo si muovono insieme al magnete e vengono trascinate dentro e fuori la bobina. Nella bobina si misura, di conseguenza, una corrente indotta.

Contributo di Faraday alla scienza

Faraday lavorava in una legatoria per contribuire alle finanze familiari e non aveva avuto una formazione matematica solida. All’epoca per giunta, la matematica era in pieno sviluppo e si stava arricchendo di concetti e strumenti sempre più sofisticati. Si avvicinò alla scienza per pura curiosità. Egli dovette reinventare un modo di pensare nel quale non fosse necessario utilizzare strumenti matematici complicati ma che nello stesso tempo spiegasse in modo rigoroso i fenomeni osservati. Introdusse il concetto di campo come modificazione dello spazio, che lui visualizzava attraverso le linee di forza e con esse compiva i suoi ragionamenti.

In termini di linee di forza, dunque, elaborò i risultati degli esperimenti sull’induzione elettromagnetica, e concluse che:

Faraday si rese conto che veniva indotta una corrente elettrica solo quando il conduttore «tagliava» le linee di forza del campo magnetico.