ELETTROLOGIA

ELETTROLOGIA. - Sotto questa denominazione si intende lo sviluppo sistematico e, per quanto possibile, logico della scienza dell'elettricità, indipendentemente dalle sue grandi applicazioni che sono riservate all'elettrotecnica. La ripartizione è l'ordine di tale sviluppo lascia evidentemente un certo margine di arbitrarietà. Prima della scoperta delle correnti elettriche voltaie non si avevano da considerare che i fenomeni della produzione e distribuzione di elettricità in condizioni prevalentemente statiche, e dei campi che tali distribuzioni producevano. Ciò è ancora il compito dell'elettrostatica, che in generale si premette alla considerazione delle altre parti dell'e., cioè allo studio delle correnti elettriche e dei complessi fenomeni con cui esse vengono prodotte e che poi producono.

Non è privo di interesse ricordare che alla fine del sec. XIX e nei primi decenni del secolo attuale si verificò una certa tendenza a iniziare senza altro l'e. con lo studio delle correnti elettriche assunte come principale fenomeno fondamentale, considerando poi l'elettrostatica come un capitolo particolare di essa. Ma, forse anche in conseguenza di alcune vedute della fisica moderna nella quale è fondamentale la considerazione dell'atomo di pura elettricità, cioè dell'elettrone e del suo campo coulombiano, l'anzidetta tendenza non ebbe che qualche successo parziale, p. es., con il diffuso trattato di R. W. Pohl.

I. ELETTROSTATICA

Questo ramo dell'e. è essenzialmente basato (v. ELETTROSTATICA): 1) sul fatto confermato dall'esperienza dell'esistenza di due specie di elettricità e delle loro note proprietà di attrazione o di repulsione quantitativamente governate dalla legge di Coulomb; 2) sul fatto, pure confermato dall'esperienza, dell'esistenza di corpi isolanti e conduttori; 3) sull'ipotesi che nei corpi materiali siano in generale contenuti in eguali enormi quantità le due suddette specie di elettricità che, pur sussistendo distinte in essi, annullano mutuamente i loro effetti esterni in modo che i suddetti corpi risultino neutri agli osservatori esterni; 4) sull'ipotesi che nei corpi conduttori una almeno di queste due specie di elettricità si muova sotto l'influsso di qualsiasi campo elettrico per quanto tenue.

Immediata conseguenza dell'attrazione di cariche, comunque distribuite, di elettricità di specie differenti e della riposizione di analoghe cariche di elettricità di uguali specie è l'importantissimo fenomeno dell'elettroazione per influenza o per induzione, scoperto verso la metà del sec. XVIII. Consideriamo il caso più semplice. Un corpo conduttore qualsiasi, sostenuto da un filo o da un manico isolante, venga elettrizzato portando su di esso dell'elettricità. A cagione della repulsione che si esercita fra tutte le sue parti tutta codesta elettricità si porta alla superficie del corpo stesso. Accostando questo ad un altro conduttore analogamente isolato e allo stato neutro si constata che una parte della sua elettricità interna di specie contraria a quella del primo corpo che diremo induttore si porta sulla parte della sua superficie più prossima a questo, mentre sulla parte della sua superficie più lontana si accumula una eguale quantità di elettricità della specie di quella dell'induttore. Risulta evidente che se si elimina quest'ultima parte di elettricità (p. es., disperdendola a terza attraverso il nostro corpo toccando con un dito la

superficie ove essa si trova) si verrà in possesso di una quantità di elettricità di specie contraria a quella del corpo induttore, trasferibile, almeno in parte, a piacere su qualsiasi altro conduttore isolato; e ripetendo l'operazione, si potrà evidentemente accumulare su conduttori opportunamente disposti (su condensatori) anche notevoli quantità di tale elettricità.

Le macchine per la produzione dell'elettricità statica funzionano tutte in base a applicazioni più o meno automatiche del criterio ora esposto e di pochi altri accorgimenti secondari.

Nello sviluppo della teoria dei campi elettrici l'elettrostatica introdusse ed elaborò la nozione importantissima di potenziale elettrico, coincidente con quella che Volta aveva generalmente intuita e detta tensione elettrica. Una carica elettrica in un campo elettrico è sempre sottoposta a una forza di una certa intensità, direzione e verso; quindi una carica elettrica muovendosi sotto l'azione di codesta forza può compiere un lavoro, mentre per costringersi a muoversi in senso opposto dovremmo compiere noi un lavoro analogo. In base a questa considerazione diremo che fra due punti \(P_1\) e \(P_2\) di un campo elettrico esiste la differenza di potenziale \(V_1 - V_2\) quando una carica elettrica unitaria positiva, muovendosi da \(P_1\) a \(P_2\), può compiere il lavoro \(V_1 - V_2\) oppure quando per muovere una equal carica da \(P_2\) a \(P_1\) occorre somministrare la stessa quantità di lavoro; oppure ancora quando muovendosi in equal maniera una carica unitaria negativa, si invertono le predette produzioni o somministrazioni di lavoro. Siccome l'esperienza ci assicura che quanto precede dipende solo dai punti estremi \(P_1\) e \(P_2\) ed è indipendente dal cammino seguito dalle cariche, possiamo considerare \(V_1 - V_2\) la differenza di energia potenziale fra i punti \(P_1\) e \(P_2\) del sistema costitutivo dalle cariche elettriche determinanti il campo, più la suddetta massa elettrica unitaria.

Da quanto precede risulta che il potenziale è una grandezza che non possiamo definire assolutamente, ma solo per differenza rispetto ad altra grandezza analoga, p. es., al potenziale \(V_0\) della terra. Aggiungiamo che, a semplice scopo di chiarimento approssimativo, si usa sovente dire che la nozione di potenziale elettrico sta a quella di elettricità come la nozione di temperatura sta a quella di calore.

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1. La corrente elettrica e le sue leggi

Se poniamo in comunicazione due conduttori isolati carichi di elettricità e a differente potenziale per mezzo di un sia pur sottilissimo filo metallico immediatamente si stabilisce in tutto il sistema un potenziale uniforme. È in tal caso logico supporre che nel filo sia avuto un flusso di elettricità positiva in un senso o eventualmente negativa nell'altro, o anche contemporaneamente i due flussi, cioè quello che si dice in breve una corrente elettrica; ma una corrente elettrica istantanea. Anche applicando ai due conduttori le macchine elettriche che li avevano preventivamente elettrizzati e portati ai rispettivi potenziali, non riesce più possibile riportarli ad essi e quindi mantenere permanentemente una apprezzabile corrente nel filo.

È ciò che invece fa con la massima facilità una pila valicata ponendo in giuoco differenze di potenziale incomparabilmente minori delle precedenti. Come è noto A. Volta, in seguito a lunghe discussioni intorno a un fenomeno di natura elettrica posto in evidenza da L. Galvani, che lo interpretava attraverso il potenziale proprietà elettriche della materia vivente, riuscì a costruire una cosiddetta catena, cioè una serie di corpi in successivi contatti, e formati in circuito chiuso, nella quale vi si facevano condizioni analoghe a quelle delle catene che automaticamente si venivano a costituire nelle esperienze di Galvani. Ma mentre le catene di Galvani contavano sempre, oltre che di alcuni elementi metallici, di un elemento, che si riteneva essenziale, costituito da materia vivente (la parte posteriore del corpo di una rama appena uccisa), le catene di Volta constavano oltre che degli ele

menti metallici, di un elettrolito (acqua acidulata) senza alcun ricorso a materia vivente. La catena chiusa, ramo elettrolito-zinco-rame, presentava l'impressionante caratteristica di possedere una permanente differenza di potenziale fra il rame e lo zinco, la quale conseguentemente implicava l'esistenza di una corrente elettrica colorante nella catena. Così la prima pila elettrica era scoperta (1799).

In breve tempo si idierono numerosi altri tipi di pile che permettono di disporre di correnti elettriche più intense di quelle che potevano fornire le primitive pile voltaiche, e così si impose il problema di misurare di suddiare nei loro effetti codeste correnti. Ma alle leggi più fondamentali delle correnti non si giunse finché nuove e sorprendenti scoperte di effetti di esse non permisero di perfezionare notevolmente i mezzi di ricerche. Nei tre primi decenni del sec. XIX si chiarirono i concetti di resistenza elettrica specifica e di resistenza elettrica di un dato conduttore, di forza elettromotrice, e si giunse così alle notissime leggi di Ohm e di Joule, fondamentali per le correnti, in qualsiasi forma si presentano.

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2. Magnetismo

La conoscenza dell'esistenza dei più evidenti fra i fenomeni che diciamo magnetici risale alla più lontana antichità; è anche certo che nell'Estremo Oriente furono in uso utilizzazioni di essi a scopo orientativo sul grande magnete costituito dalla nostra terra oltre dieci secoli a. C. I primi studi sistematici in Europa furono quelli di G. Gilbert (1600). Fino a quel tempo, ancora per oltre due secoli, il magnetismo venne interpretato con l'ipotesi dell'esistenza di due materie o fluidi magnetici che nei corpi magnetizzati si addensavano intorno ai cosiddetti poli; con una ipotesi cioè meccanica di materie agenti di distanza, la quale, specialmente dopo la scoperta di Coulomb della notissima sua analogia con quella valevole per le masse materiali e per quelle elettriche, parve essere quanto di meglio la fisica potesse desiderare.

Ma qui interessa in modo particolare ricordare che, almeno dopo Gilbert, sia pure in forma indeterminata, vennero ripetutamente previsti rapporti fra magnete e elettricità per interpretare qualche fenomeno verifichi qualche scherzo di macchine elettriche in qualche caduta di fulmini, tanto che l'Accademia di Bava era aveva fin dal 1779 (cioè ancor prima della scoperta delle legge di Coulomb) posto a concorso lo studio delle analogie tra le forze elettriche e le forze magnetiche. Ma le idee in proposito cominciarono a chiarirsi solo dopo la scoperta di H. C. Oersted che agli magnetici vengono deviati dalle correnti elettriche; scoperta che, precisata da Biot e Savart interpretata da Arago e soprattutto da A. M. Ampère, non solo determinò l'inizio del più vasto e utile capitolo dell'elettrico, ma sollevò i primi forse i più gravi dubbi circa la attendibilità delle ipotesi meccaniche nelle interpretazioni fisiche, proprio nel periodo che quelle ipotesi avevano raggiunto il più vasto consenso e proprio in un capitolo che pareva dover ad esse la sua esistenza. Ma è appunto dall'adozione di leggi incompatibili con l'ipotesi meccanica che ebbero origine i più interessanti sviluppi della fisica moderna.

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3. Elettromagnetismo

La forza deviatrice di ogni corrente elettrica sui poli di un ago magnetico scoperta da Oersted e da lui oscuramente interpretata come un conflitto fra tendenze elettriche e magnetiche, fu subito, ancora in senso di azioni a distanza, quantitativamente formulata da Biot e Savart e interpretata da Arago come dovuta a un campo magnetico avvolto intorno alla corrente; interpretazione che venne pure confermata per mezzo di una notissima e semplice esperienza. In base ad essa si costruirono svariati tipi di apparecchi (che furono in fondo i primi motori elettromagnetici) i quali dimostravano che ogni polo magnetico tende a rotare intorno il campo corrente rettilinea in un piano normale ad essa e in direzione e verso dipendenti dalla natura del polo e dal senso della corrente; come pure, conformemente al terzo principio della dinamica newtoniana, furono costruiti apparecchi in cui conduttori rettilinei percorsi da corrente tendevano a rotare intorno i poli magnetici.

Ma ciò che più impressionò fu il fatto che le forze agenti fra polo magnetico e correnti elettriche rettiline, contrariamente ogni previsione meccanistica, non erano dirette secondo la direzione polo-corrente, ma perpendicolarmente al piano passante per la corrente e il polo. Ciò non era comprensibile senza supporre un particolare intervento del mezzo interposto. E fu probabilmente per ovviare a questa difficoltà oltre quella più antica della interpretazione delle azioni a distanza che M. Faraday giunse alla concezione delle sue linee di forza nel mezzo, e poi all'ammissione di un intervento sempre più importante di esso nello svolgimento dei fenomeni elettrici magnetici.

Altro fatto sorprendente fu che nella espressione di Biot e Savart della forza con cui un polo viene sollecitato nell'anzidetta direzione in dipendenza dalla sua intensità, dall'intensità della corrente e dalla loro distanza, il fatto di proporzionalità, a priori introdotto, risulta per la necessaria omogeneità dell'equazione, delle dimensioni e quindi della natura di una velocità; e che impiegando una qualsiasi coerente sistema di unità di misura delle due grandezze ed eseguendo un'esperienza, quella velocità può venir determinata e risulta eguale alla velocità della luce espressa naturalmente con quello stesso sistema. Fu questo il primo accostamento, a quel tempo molto misterioso, di una grandezza ottica a grandezza elettrica e magnetiche.

A breve complemento di questi fondamentali accenni va ricordato che Ampere intuì subito che azioni analoghe alle precedenti dovevano verificarsi anche fra circuiti operativi da correnti e scopri quindi i fenomeni elettromagnetici; che Faraday aiutandosi con le sue linee di forza intui l'analoga esistenza dei fenomeni di induzione elettromagnetica, per i quali, varando la corrente di un circuito a quindi la quantità delle linee di forza con esso connotante, dovevano aversi varie importanti risposte, si sono stati altri circuiti (induzioni mutue) e anche sullo stesso circuito inducente (autodivisione). Sono questi i fenomeni che in scala enorme sono oggi impiegati per la produzione di tutte le correnti continue e alternate, per tutte le loro trasformazioni e in tutti i motori elettrici; i fenomeni che in scala più modesta considero alla previsione teorica e alla produzione delle onde elettromagnetiche e alle loro sempre più numerose e sorprendenti applicazioni.

V. ONDE ELETTROMAGNETICHE

Conformandosi alle idee di Faraday circa la partecipazione allo svolgimento dei fenomeni elettromagnetici dei mezzi nei quali si trovano immersi i corpi materiali che fino allora erano stati la sola sede di essi, J. C. Maxwell si propose di costruire la generica espressione della legge elementare dello svolgimento di quei fenomeni in qualsiasi elemento spazio-acquanto da materia conduttrice o isolante, oppure anche vuoto, in qualsiasi elemento di tempo. Era questa la più ampia sintesi scientifica che fosse mai stata tentata. Maxwell, oltre che in qualche precedente pubblicazione, la espressione del 1870 nella prima edizione del suo celebre Trattato, Quantumque i procedimenti deduttivi seguiti non fossero sempre rigorosamente conseguenti, e che una la apparissero piuttosto sbalzi geniali che delle logiche deduzioni e quindi avessero sorpreso il pensiero scandalizzato qualche autore dell'estrema esattezza scientifica, la teoria di Maxwell in pochi anni si impose.

Non è possibile dire in breve come si passi dal sistema delle equazioni differenziali generiche alle soluzioni concrete di singoli problemi. Ma per convincersi immediatamente della straordinaria potenza della teoria Maxwelliana, riconoscerne un merito imperitivo, basterà ricordare il caso particolare di esse che condusse alla previsione delle onde elettromagnetiche e alla loro trasformazione della luce.

La condizione che le equazioni di Maxwell corrispondono ai fenomeni elettromagnetici, intesi nella loro integrità, implicava l'intervento in esse, oltre che delle grandezze che si volevano determinare, cioè della distribuzione e densità superficiale dell'elettricità sui conduttori, e delle intensità dei campi elettrici e magnetici. E ed H. come funzioni incognite, anche di coefficienti esprimenti alcune proprietà fondamentali, quali la con

duttività o dei conduttori, il potere dielettrico e la permeabilità magnetica, dei mezzi. Doveva inoltre evidentemente intervenire quel coefficiente che si è dedotto insinuarsi misteriosamente nell'espressione di Biot e Savart della legge elettromagnetica e risultare poi identificabile con la velocità della luce. Ora Maxwell considerando il caso particolare dell'assenza di conduttori, e quindi di distribuzioni di densità elettriche nulle, osservò che le perturbazioni delle intensità dei campi elettrici e magnetici ed H. che risultavano fra loro ovunque contenute, si propagavano trasversalmente (cioè perpendicolarmente al piano di quelle perturbazioni) con la velocità di cui si considerano cioè con la velocità della luce. Quindi egli pensò che la propagazione delle onde trasversali della luce, che fino allora si consideravano avvenisse in un certo eseguito ad hoc e necessariamente dotato di proprietà assai misteriose (v. ATENA) dovesse avvenire invece nell'etere assai più semplice che doveva porsi a base della sua teoria. Tutti sanno che le onde elettromagnetiche così preconizzate furono realizzate da H. Hertz diciotto anni dopo (1888) e quale parte abbiamo oggi nella nostra vita quotidiana; che la teoria elettromagnetica della luce sostituì con notevole vantaggio la precedente teoria di Fresnel e che nella nostra consueta fisica macroscopica essa è ancora di piena validità.

Bian.: R. W. Pohl, Elementi elettro-magnetici di elettrofisica moderna, trad. di C. Rossi, Milano 1928; E. Peruccia, Fisica elettrica e elettromagnetica, Torino 1946. Paolo Simone