Maxwell con quattro equazioni mette in ordine i fenomeni elettrici e magnetici

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Trento, 8 dicembre 2020. – di Luigi Cozzolino

James Clerk Maxwell, nasce ad Edimburgo nel 1831 è un genio poco conosciuto perché il suo lavoro e la sua ricerca hanno avuto una natura fortemente matematica.

Maxwell aveva un carattere schivo e ritroso, inoltre mori anche molto giovane. Allora, fu anche fatto oggetto di " bullismo" oggi diremmo; perché preso di mira dai i suoi compagni frequentatori della Edinburgh Academy perché lo consideravano un bifolco.

Maxwell è ritenuto un fisico teorico ma aveva anche una innata predisposizione alla sperimentazione, era molto affascinato dalla luce polarizzata , dalla percezione dei colori, da queste varie ricerche sperimentali Maxwell ricavò il "triangolo dei colori" alla base della odierna produzione dei colori sui moderni apparecchi televisivi e sui vari schermi dei pc, tablet, ecc.ecc...

Ciò che lo rese famoso furono i suoi rapporti con Thomson e Faraday che lo convinsero ad approfondire le formule per lo studio dei fenomeni elettromagnetici e che gli consentiranno di raggiungere la piena coerenza delle quattro equazioni riguardanti i campi elettrici e magnetici.

L' elettromagnetismo e' oggi così presente nella nostra vita che non c'è ne accorgiamo perché distratti da mille altre cose, ma dobbiamo dire che senza l'elettromagnetismo non potremmo beneficiare di quasi nulla, in quanto tutti i fenomeni che rendono possibile il nostro modo di vivere, e di conseguenza, il nostro benessere è basato proprio su questa forza quasi miracolosa. Infatti, noi umani, forse, potremmo fare a meno della forza di gravità ma, non possiamo rinunciare al magnetismo.

Pensiamo ai motori elettrici, alla radio, ai telefonini, ai computer, Tac, Risonanza Magnetica, ecc. ecc., fautori di questo strabiliante successo sono quattro, illustri personaggi, e cioè Coulomb, Faraday, Hertz, Einstein , che con le loro ricerche e il loro impegno hanno consentito la formulazione di leggi indispensabili al fenomeno elettromagnetico e cioè:

Prima legge o Teorema di Gauss per l'elettrostatica;

Seconda legge o Teorema di Gauss per il magnetismo,

Terza legge o Teorema di Ampere - Maxwell,

Quarta legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday, Neumann, Lenz.

Coulomb nel 1785, grazie ad esperimenti quantitativi, con la bilancia di torsione, approdò alla legge della forza elettrica chiamata anche forza elettrostatica la quale ha una forma del tutto simile a quella della forza di gravità.

Coulomb stabili che due corpi di carica elettrica q1 e q2 posti a distanza esercitano vicendevolmente una forza agente lungo la congiungente i due corpi direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato delle distanze.

Ci chiediamo subito come mai leggi scoperte da altri vengono poi attribuite a Maxwell?

Maxwell nel Trattato sull'elettricità e il magnetismo (pubblicato nel 1873) ci fornisce un compendio definitivo sulla conoscenza dei fenomeni elettrici e magnetici, cariche elettriche, correnti e magneti. Le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo furono chiamate equazioni solo dopo sei anni dalla morte dello scienziato.

Maxwell fu il primo a rendersi conto che quelle quattro equazioni formano un sistema coerente ed unico dal quale potevano essere dedotte tutte le altre leggi dell'elettromagnetismo, inoltre egli introdusse nella terza legge il termine della corrente di spostamento aggiustando, per cosi dire, la legge o teorema di Ampere che altrimenti cadeva in contraddizione, inoltre Maxwell aveva anche previsto la propagazione concatenata di campi elettrici e magnetici variabili nel tempo cosa che porterà poi alla scoperta ed utilizzazione delle onde elettromagnetiche e quindi alla radio, televisione, internet ecc.ecc...e alla conoscenza esatta della natura della luce.

Coulomb, scopre le cariche elettriche, ma Oersted, con un esperimento fondamentale, si accorge che la corrente che transita in un filo riesce ad influenzare il movimento dell'ago di una bussola posto nelle vicinanze dello stesso filo, questo esperimento ci insegna che per creare un campo magnetico abbiamo la necessità di far muovere delle cariche elettriche in un filo.

Ampere fece per il magnetismo ciò che Coulomb aveva fatto per l'elettricità: Coulomb spiegò in che modo le cariche producono effetti elettrici, e dimostrò come calcolare questi effetti data una certa distribuzione di cariche; Ampere spiegò in che modo una distribuzione di correnti elettriche produce effetti magnetici, e formulò l'equazione matematica che descrive gli effetti magnetici prodotti dalle correnti elettriche.

L'elettromagnetismo non è altro che una simbiosi tra la correnti elettriche in movimento e campi magnetici variabili che generano onde elettromagnetiche.

I fenomeni elettrici e magnetici prima, rigorosamente, studiati separatamente diventano, così, complementari perché si utilizzano cariche elettriche per creare campi elettrici e campi magnetici per creare campi elettrici.

Se prendiamo un magnete a forma di zoccolo di cavallo, in questo campo magnetico facciamo girare una spira di rame se colleghiamo questa spira di rame ad un amperometro noteremo che quando la spira gira all'interno del campo magnetico genera una corrente che viene rilevata dall'amperometro, in pratica è l'esperienza della dinamo che tutti conosciamo perché montata su ogni bicicletta che illumina la strada che percorriamo di sera.
A queste conclusioni arrivarono gli studi dii tre fisici, Neumann, Lenz ,Faraday.

Si arriva cosi alla conclusione che la generazione di campi elettrici e magnetici e' indissolubile, ma erroneamente, questi due fenomeni erano sempre ritenuti separati, quindi ad una variazione del campo magnetico si producono delle cariche elettriche, ed ad una variazione del campo elettrico si produce un campo magnetico.

Possiamo considerare il movimento dei campi magnetici ed elettrici ad un fluire di onde interdipendenti e sincronizzate ove al movimento di un campo elettrico corrisponde, in modo sincronizzato, il movimento dell'altro campo magnetico e tutte e due si muovono nello spazio , senza alcun limite di distanza.

Quindi, Maxwell prevede un fenomeno immaginario, cioè prevede la propagazione nello spazio anche vuoto di onde elettromagnetiche, fenomeno che venti anni dopo verrà confermato dagli esperimenti di Hertz con la materiale produzione di onde elettromagnetiche.

Inoltre, Maxwell è l'antesignano della fisica quantistica in quanto le onde elettromagnetiche hanno la stessa caratteristica della luce e viaggiano alla sua stessa velocità, le equazioni di Maxwell, che descrivono il comportamento dei fenomeni elettrici e magnetici, hanno permesso di determinare con precisione il valore della velocità di propagazione della luce, pari a 299792458 m/s.

Tali equazioni hanno consentito anche di dimostrare che il valore di questa velocità è indipendente dal sistema di riferimento che si sta considerando; tale valore, quindi, è lo stesso in qualunque sistema.

Di conseguenza, se un raggio di luce viene emesso da una navicella in movimento, la velocità di propagazione della luce non è influenzata dalla velocità della navicella, ma vale sempre là velocità della luce.

Volutamente non abbiamo approfondito le quattro equazioni perché non di facile intuizione e alla portata di tutti, ma possiamo dire che con queste formule, ingegneri, ricercatori, appassionati, fisici ecc.ecc. realizzano, in ogni campo di ricerca, tutti gli strumenti che oggi utilizziamo per il nostro vivere quotidiano come in prefato accennato.

Pensiamo alla tecnologia NFC (Near Field Comunication) quella che ci consente di effettuare pagamenti avvicinando la nostra tessera bancomat o Smart Phone all'apposito terminale della cassa senza digitare alcun codice, oppure alla tecnologia Bluetooth che ci consente di scambiare informazioni tra una stampante ed uno smartphone o pc senza l'uso di alcun collegamento in cavi elettrici.

La sostanziale differenza tra NFC e BLUETOOTH è che nel BLUETOOTH gli elementi che si scambiano informazioni sono alimentati mentre nell'NFC la tessera bancomat non ha alcuna alimentazione.

Tutto questo deriva sempre dalle applicazioni delle quattro equazioni di Maxwell, in pratica, tutte le comunicazioni wireless, dalla radio alla televisione, dai telefoni cellulari alle reti wi fi sono resi possibili dalla conoscenza delle leggi che governano l'elettromagnetismo, le concrete applicazioni di queste miracolose tecnologie si stanno sviluppando in tempi recentissimi a distanza di qualche secolo dalla formulazione delle formidabili ed insuperabili quattro equazioni di Maxwell.

Per concludere, non possiamo ricordare il pensiero di Einstein su quanto fatto da Maxwell:
„[...] prima di Maxwell si immaginava la realtà fisica (in quanto rappresentante i fenomeni della natura), come punti materiali le cui modifiche consistono soltanto in movimenti, regolati da equazioni differenziali parziali. Dopo Maxwell si è concepita la realtà fisica come rappresentata da campi continui, non meccanicamente spiegabili, regolati da equazioni differenziali parziali. Questo cambiamento nella concezione della realtà è il cambiamento più profondo e più fecondo che la fisica abbia subìto dopo Newton; [...]."

Maxwell con quattro equazioni mette in ordine i fenomeni elettrici e magnetici