Elettromagnetismo: tra innovazioni ed elettrosmog

Giacomo Baggio V BB

Liceo scientifico “N. Tron” a.s. 2007/08

Elettromagnetismo

Tra innovazioni tecnologiche ed elettrosmog:

Il duplice aspetto del progresso

Presentazione

L’elettromagnetismo è un fenomeno che, sebbene sia alla base di un continuo progresso scientifico e tecnologico volto a migliorare la vita contemporanea, viene spesso messo in discussione per i suoi possibili effetti nocivi sulla salute umana e ambientale.

In questo lavoro mi sono proposto di analizzare il duplice aspetto di tale fenomeno.

Ho considerato inizialmente l’elettromagnetismo nel suo evolversi storico, dalle prime intuizioni del mondo antico, fino alle recenti scoperte della fisica quantistica. Ho rivolto particolare attenzione agli sviluppi scientifici e alle innovazioni tecniche avvenute nella seconda metà del XIX secolo, periodo che, per il decisivo progresso nei campi della meccanica, della chimica e dell’elettricità, ha preso il nome di Seconda Rivoluzione Industriale.

Sono poi passato a considerare questo fenomeno relativamente al nostro pianeta: il campo magnetico terrestre. Mi sono soffermato sulle caratteristiche di questo campo, sulle teorie relative alla sua origine e, infine, sulle ricerche paleomagnetiche che hanno evidenziato la presenza di inversioni e anomalie nel campo.

Nella parte riguardante la Fisica ho esaminato le leggi che regolano l’elettrostatica e il magnetismo, per poi considerare le interazioni tra i fenomeni di natura elettrica e magnetica: tutto ciò appartiene a quella branca della Fisica, l’Elettromagnetismo, il cui comportamento classico è descritto dalle equazioni di Maxwell.

Infine, nell’approfondimento, ho considerato l’ipotizzata pericolosità dei campi elettromagnetici non ionizzanti, con particolare attenzione alla controversa questione sulla presunta nocività delle radiazioni prodotte dai telefoni cellulari.

Elettromagnetismo

Schema generale SCIENZE DELLA

Fisica

Storia Terra

… Presente nella

II Rivoluzione … Descritto da leggi Terra

Industriale

Sviluppi scientifici e

Innovazioni tecniche fenomeno fisico di natura

Dalle prime intuizioni

Dell’antichità alle più recenti elettrica magnetica

E

Innovazioni tecnologiche

Elettromagnetismo

Campi elettromagnetici non ionizzanti:

Innocui o pericolosi?

Approfondimento

Schema riassuntivo

Introduzione e cenni storici

Le prime intuizioni dell’antichità

• XIX secolo: dalla pila di Volta alle equazioni di Maxwell
• Elettromagnetismo oggi: dalla fisica quantistica alle più recenti innovazioni tecnologiche

Storia: la Seconda rivoluzione industriale

Sviluppi scientifici e innovazioni tecniche nel campo dell’elettricità, della meccanica e della chimica

• Binomio tecnologia-attività produttive: la catena di montaggio

Scienze della Terra: il magnetismo terrestre

Introduzione

• Poli magnetici
• Caratteristiche del campo
• Teorie sulla presenza del campo
• Paleomagnetismo
• Inversioni del campo magnetico terrestre

Fisica: l’elettromagnetismo

Introduzione

• Elettrostatica: forza di Coulomb e campo elettrico
• Magnetismo: forza di Lorentz e campo magnetico
• Elettromagnetismo: equazioni di Maxwell e campo elettromagnetico

Approfondimento

Campi elettromagnetici non ionizzanti: innocui o pericolosi?

• Inquinamento elettromagnetico e telefoni cellulari: una questione aperta
• Cenni

Storici

Introduzione

L'elettromagnetismo è alla base di molte delle principali applicazioni che rendono possibile la vita di tutti i giorni. Infatti, grazie all'elettromagnetismo, possiamo ottenere energia elettrica, far viaggiare informazioni, comunicare con tutto il mondo.

Energia elettrica turbina elettrica,

Per produrre bisogna sempre utilizzare una che non è altro che una matassa di filo conduttore inserito all'interno di un grande magnete.

Quindi si utilizzano le varie fonti energetiche per creare il movimento della turbina elettrica.

Variazione del campo elettromagnetico,

Proprio la indotta dal movimento del conduttore all'interno del magnete, produce la corrente elettrica, elemento di base per la nostra civiltà.

Cenni storici

I magneti ai primordi della cultura scientifica vennero considerati "pietre viventi".

Riguardo l’elettricità, nell’antichità si sapeva poco più del fatto che l'ambra e 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, Magnete

narra che il nome deriva dal pastore Cretese di nome "Magnes" il quale, adoperando il suo bastone con la punta di ferro, scoprì 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.

Comunque, l’interpretazione del magnetismo per millenni è rimasta intrisa di riferimenti cognitivi di indole "antropomorfica-vitalistica". 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. 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. Cecco d'Ascoli, docente all'Università di Bologna, fu bruciato vivo come eretico perché ricercava un determinismo nella interpretazione degli eventi facendo riferimento a forze invisibili di indole magnetica. Ancora per molti anni il magnetismo fu considerato un curioso fenomeno naturale: Galileo Galilei studiò le "calamite", principalmente per studiare la loro potenza nel sollevare pesi di ferro.

Il primo studio scientifico dei fenomeni elettrici e magnetici apparve solo nel 1600 d.C., quando

magnete”

furono pubblicate nel “De le ricerche del fisico britannico William Gilbert. Fissata la

elettricità magnetismo, elektron =

distinzione tra e questi chiamò elettrica (dal greco ambra) la forza che si esercita tra cariche. Un seguace di Gilbert fu l'americano Benjamin Franklin (1706-1790) che elaborò una teoria secondo la quale l'elettricità sarebbe un "fluido" presente in tutta la materia, ipotizzando così che i due stati di elettrizzazione di un corpo sarebbero dovuti all'eccesso o alla carenza di tale fluido. Persisteva ancora, però, una logica vitalistica nella scienza. Tale concettualità di base si esaurì definitivamente in seguito alla disputa tra Galvani, professore di medicina alla Università di Bologna, e Volta, professore di fisica e chimica all’Università di Pavia.

Galvani 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 Alessandro Volta il quale sostenne che le contrazioni erano causate da una differenza di potenziale elettrico estrinseca al corpo animale.

bimetallica".

Convinto di ciò, egli costruì la "pila 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 dell’elettricità.

Colui che dette un fondamento matematico alla elettrostatica fu l'ingegnere francese Charles-Augustin De Coulomb. Egli studiò le leggi dell'attrito elettrostatico e costruì 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. La pila di Volta e gli studi del fisico danese Hans Christian Ørsted 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 elettrochimica di due chimici inglesi, Humpry Davy e del suo giovane assistente autodidatta, Michael Faraday.

In particolare, Faraday provò che una corrente che scorre in una bobina può indurre una corrente in una seconda bobina posta in prossimità della prima, a causa di una variazione del flusso del campo magnetico. In seguito Antonio Pacinotti, (1841-1912) Professore di Fisica all'Università di Pisa, costruì la "dinamo", poi brevettata e perfezionata dal meccanico belga Zenobe Gramme. Si gettano quindi le basi per produrre energia

Con la scoperta dell'esistenza di una relazione fra elettricità e

elettrica utilizzando il movimento di un avvolgimento elettrico, all'interno di un campo magnetismo, il chimico e fisico

danese Hans Christian Ørsted

magnetico. pose le basi per lo sviluppo della teoria elettromagnetica. Nel 1825 lo scienziato riuscì anche a isolare per la prima volta

Nel XIX secolo le scoperte sull'elettricità ed il magnetismo e le loro applicazioni l'alluminio, sebbene in forma

impura.

industriali si susseguirono rapidamente. André Marie Ampère sperimentò che correnti parallele si attraggono l'una con l'altra, come se fossero magnetizzate.

Colui che riorganizzò sistematicamente il vasto insieme di conoscenze dei fenomeni

il Voltaggio

elettromagnetici fu il fisico tedesco Georg Simon Ohm (1789-1854). Egli concluse che

(V) è proporzionale all’Intensità di Corrente (I) per la resistenza del mezzo (R) (1^ Legge di Ohm, 1827). Da allora scoperte tecnologiche e scientifiche si susseguirono a ritmo incalzante.

ad induzione magnetica":

Nel 1835 Joseph Henry inventò il "relè dispositivo che, al passaggio della corrente elettrica in un avvolgimento, fa aprire o chiudere l'interruttore di un altro circuito; tale scoperta fu l’importante premessa necessaria per la costruzione dei motori elettrici e del telegrafo.

Il 24 maggio 1844 Samuel Morse inviò il primo messaggio telegrafico tra Washington e Baltimora in USA inoltrando in tempo reale gli impulsi elettrici nell'alfabeto Morse. Nel 1860 l'abate

Pantelegrafo,

piemontese Giovanni Caselli sperimentò il con il quale venivano trasmessi impulsi elettrici che 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 alzava e si abbassava, riusciva a riprodurre su carta l'immagine registrata ed inviata come impulsi elettrici da un sistema trasmittente a pendolo. Nel 1849 il fiorentino Antonio Meucci fece i primi esperimenti con telegrafo parlante; strumento che poi il Prof. Alexander Graham Bell perfezionò e brevettò con il nome attuale di "telefono”. Nel 1877 un altro grande inventore e impresario americano, Thomas Alva Edison, ideò e brevettò il fonografo a cilindro.

Nel 1878 T.A. Edison inventò la lampadina. Edison, assieme al suo assistente A James Clerk Maxwell, uno dei

Nikola Tesla, progettò anche le prime centrali elettriche a corrente continua. Tesla più grandi scienziati dell’Ottocento,

si deve la formulazione della teoria

entrò in conflitto con il suo datore di lavoro perché preferì progettare centrali del campo elettromagnetico.

Egli ipotizzò l’esistenza di onde

elettriche a corrente alternata. Pertanto dette le dimissioni dall’impresa di Edison e elettromagnetiche che trasportano

energia alla velocità della luce e

passò ad un'altra società elettrica, la Westinghouse, con cui costruì e mise in l’ipotesi fu confermata da Hertz

circa una ventina di anni dopo.

funzione (1891) la prima centrale idroelettrica, convogliando le acque delle cascate Le sue idee hanno rivoluzionato

l’interpretazione dei fenomeni

del Niagara per azionare motori elettrici. Un importante contributo allo studio luminosi, aprendo la strada

dell'elettricità fu l'opera del fisico-matematico britannico James Clerk Maxwell, il all’elaborazione di alcune delle

teorie fondamentali della fisica

quale sviluppò la teoria della luce come radiazione elettromagnetica e formulò le moderna, quali la teoria della

relatività e la teoria dei quanti.

leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, oggi note come equazioni di Maxwell.

La conferma della validità della sua teoria si ebbe con le ricerche del fisico tedesco Heinrich Hertz, che nel 1886 riuscì a produrre e a rivelare le onde elettromagnetiche presenti nell'atmosfera, e dell'ingegnere italiano Guglielmo Marconi, il quale nel 1896 sfruttò queste onde per realizzare il primo sistema pratico di comunicazione radio.

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, nel 1897, scoprì l'esistenza di una particella sub-atomica di carica negativa, che denominò "elettrone”. J.J. Thomson, misurò approssimativamente anche la carica e la massa dell'elettrone.

La scoperta, da parte di J.J. Thomson, dell'esistenza di particelle sub-atomiche (elettroni e nuclei), rappresentò una rivoluzione scientifica decisiva che fu premessa primaria di un profondo cambiamento del pensiero scientifico nel XX secolo. Sappiamo oggi infatti che l’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". Una volta giunti alla comprensione, per merito di J.J. 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.

La teoria elettronica, che è la base della moderna teoria dell'elettricità, fu enunciata nel 1892 dal fisico danese Hendrik Antoon Lorentz, mentre la prima misura accurata della carica dell'elettrone fu ottenuta nel 1909 dal fisico statunitense Robert Andrews Millikan. Nei primi anni del XX secolo i fisici scoprirono che la teoria ondulatoria di Maxwell non rendeva conto di tutte le proprietà della radiazione osservate. Nel 1900 il fisico tedesco Max Planck dimostrò che lo spettro del corpo nero poteva essere spiegato solo assumendo che i fenomeni di emissione e di assorbimento della radiazione elettromagnetica da parte della materia avvenissero non in modo continuo, ma discreto, attraverso lo scambio di quantità definite di energia, dette quanti. Nel 1905, l’ipotesi quantistica fu applicata anche da Albert Einstein per spiegare l’effetto fotoelettrico. Oggi la doppia natura, ondulatoria e corpuscolare, della radiazione elettromagnetica è universalmente riconosciuta: in base al fenomeno analizzato, emerge ora l’uno ora l’altro dei due aspetti. Il concetto simmetrico, secondo cui anche la materia può alternare un comportamento ondulatorio a uno corpuscolare, fu proposto nel 1925 dal fisico francese Louis de Broglie ed è uno dei capisaldi della teoria della meccanica quantistica.

Seconda

Rivoluzione

Industriale

Seconda rivoluzione industriale

La seconda rivoluzione industriale è il processo di sviluppo industriale e tecnologico iniziato nella seconda metà del XIX secolo. In questo periodo fecero la loro prima apparizione una serie di strumenti, di macchine, di oggetti di uso domestico che sarebbero poi diventati parte integrante della nostra vita quotidiana: la lampadina e l’ascensore elettrico, il motore a scoppio ed i pneumatici, il telefono e il grammofono, la macchina da scrivere e la bicicletta, il tram elettrico e l’automobile per

Una delle prime aree industriali degli Stati Uniti, a Waterbury, nel Connecticut. Negli ultimi decenni del XIX secolo gli stati nordorientali del paese videro la nascita di fonderie e grandi fabbriche manifatturiere.

ricordare solo i più importanti. La caratteristica principale di questa Lo sviluppo industriale rese necessaria la costruzione

seconda fase fu la sostituzione del carbone, come fonte energetica, con Lo sviluppo industriale rese necessaria la costruzione

l'elettricità e il petrolio. Alla base di questa nuova rivoluzione vi erano i di nuove strade, canali e ferrovie per il trasporto delle

materie prime e dei prodotti finiti.

progressi delle scienze chimiche e fisiche, i quali portarono all’affermazione di una nuova cultura positivista. Notevole importanza ebbero le scoperte relative allo studio delle onde elettromagnetiche da cui ebbero origine i primi esperimenti di telegrafia senza fili da parte di G. Marconi e quelle di Röntgen sui raggi X.