... premetto che non ho una preparazione specifica, ma solo un'esperienza
amatoriale nella costruzione di alternatori a magneti permanenti. Questo
passatempo mi ha incuriosito sull'induzione, e girando qua e là ho
trovato questo suo interessantissimo:
http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=887:156-perche-una-carica-in-movimento-genera-un-campo-magnetico-e-perche-una-corrente-variabile-genera-un-campo-elettromagnetico&catid=142&Itemid=347
ma mi restano perplessità e dubbi che ho inserito nel testo
precedendoli con ***.
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... Tuttavia non abbiamo ancora risposto completamente alla domanda ma abbiamo solo illustrato a grandi linee gli esperimenti che hanno condotto alla comprensione attuale; dobbiamo però ancora aggiungere un ulteriore ingrediente. Quando una particella carica si muove con una velocità v in una regione di spazio dove è presente un campo magnetico B, essa subisce una forza che è proporzionale alla velocità v, al campo B ed al seno dell’angolo compreso tra la direzione della velocità e quella del campo magnetico; questa forza si chiama forza di Lorentz . Quando la particella è ferma essa non subisce nessuna forza, quindi la forza di Lorentz dipende dal sistema di riferimento nel quale osserviamo il fenomeno.
**** Però questa mi sembra una affermazione in contrasto con ciò che
leggo dopo: "quello che accade in natura non può dipendere dalla
scelta del sistema di riferimento"
Poco fa abbiamo detto che il campo magnetico è generato da una corrente elettrica, cioè la sua intensità è proporzionale al valore della corrente elettrica, ed in qualche misura quindi alla velocità delle cariche in movimento, pertanto sembrerebbe che cambiando il sistema di riferimento debba cambiare anche l’intensità del campo B. Per aggiungere ulteriore confusione a questo quadro, ricordiamo che abbiamo detto che le equazioni di Maxwell predicono l’esistenza di onde elettromagnetiche che hanno una velocità pari a quella della luce, ma rispetto a quale sistema di riferimento? E’ proprio per rispondere a questo interrogativo che Einstein nel 1905 ha pubblicato la sua teoria della relatività ristretta, il cui articolo originale si intitolava: “sull’elettrodinamica dei corpi carichi in movimento”.
*** Già, sembra un bel pasticcio
Torniamo alla forza di Lorentz, cerchiamo di capire cosa succede con un esempio: immaginiamo un elettrone che si muova con velocità v costante lungo una direzione parallela a quello di un filo rettilineo molto lungo (al limite infinito) percorso da una corrente I continua. La velocità v e la corrente hanno I hanno versi opposti. La corrente I genera un campo magnetico e sull’elettrone agirà una forza di Lorentz che lo attrae verso il filo.
*** OK
Scegliamo ora un sistema di riferimento inerziale in cui l’elettrone appaia fermo (è sufficiente scegliere un sistema di riferimento che abbia la stessa velocità v dell’elettrone), di conseguenza in questo sistema di riferimento non c’è forza di Lorentz e l’elettrone non devia verso il filo; è corretta questa affermazione? Ovviamente no, se in un sistema di riferimento l’elettrone si muove verso il filo, allora in qualsiasi altro sistema di riferimento deve avvenire la stessa cosa, perché quello che accade in natura non può dipendere dalla scelta del sistema di riferimento.Questo vuol dire che nel sistema di riferimento in cui l’elettrone è fermo deve essere presente un campo elettrico perpendicolare al filo che attragga l’elettrone verso il filo stesso;
*** E' un sospetto più che lecito, ma sempre considerando che "quello
che accade in natura non può dipendere dalla scelta del sistema di
riferimento" non mi parrebbe lecito ipotizzare un *campo elettrico*
che dipenda dal sistema di riferimento. Inoltre, questo campo elettrico
è mai stato osservato direttamente? Cioè posso mettere in moto dei
magneti e misurare il campo elettrico da essi generato con qualcosa
che non utilizzi una corrente elettrica indotta, né moto di elettroni?
ma per avvenire questo il filo deve risultare carico, mentre sappiamo che esso è neutro. Il filo percorso da corrente risulta essere neutro nel primo sistema di riferimento, dove il filo era fermo e l’elettrone si muoveva con velocità v; se osserviamo meglio ciò che accade notiamo che nel filo vi sono delle cariche positive ferme e degli elettroni in movimento che costituiscono la corrente elettrica. In questo sistema la densità di carica positiva e quella negativa sono uguali e quindi il filo risulta neutro e non genera nessun campo elettrico. Se ci mettiamo ora nel sistema di riferimento in cui l’elettrone è fermo, il filo risulta in movimento e quindi anche le cariche positive sono in moto e le cariche negative hanno una velocità diversa dalla precedente. Una delle previsioni della teoria della relatività ristretta dice che la densità di carica dipende dal sistema di riferimento (questo perché mentre la carica è un invariante relativistico, il volume non lo è perché esso si contrae all’aumentare della velocità), quindi la densità delle cariche positive e quella delle cariche negative non si compensano più nel filo in moto e questo risulterà carico positivamente generando un campo elettrico che attira l’elettrone verso il filo. Questo vuol dire che nel sistema di riferimento in moto è comparso un campo elettrico che non era presente nel primo sistema di riferimento, ed anche il campo magnetico B ha un valore diverso da quello che era presente nel sistema di riferimento in cui l’elettrone era in moto.
*** Quest'ultimo paragrafo mi pare assai intricato. Mi sto domandando
se potrebbe essere lecito ipotizzare che il campo elettrico non abbia
ragion d'essere, e, poiché il "sistema di riferimento" non deve avere
conseguenze fisiche, tento un ragionamento dove tutto avverrebbe nello
stesso riferimento (rida pure liberamente senza riguardi nei miei
confronti) .
*** Suppongo di tenere un elettrone nella mia sinistra e di poter mettere
nella destra quanto serve per ottenere i più diversi tipi di B. Suppongo
che le mie braccia siano in grado di avvertirmi di eventuali forze. Le
informazioni nascono nel "sistema di riferimento" dove vengono utilizzate:
mani, braccia, nervi e zucca, sono un tutt'uno.
*** a) Se nella destra ho qualcosa che genera un B che si mantiene
costante in una certa direzione e se muovo la sinistra seguendo quella
direzione, la sinistra dovrà opporsi ad una forza costante di una certa
intensità e direzione.
*** b) Se nella destra non ho un B che ha la precedente caratteristica
(o se la sinistra non rispetta quella certa direzione) la sinistra dovrà
opporsi ad una forza che dipende "anche" dalla variazione del campo
attraversato dall'elettrone. Cioè l'elettrone deve faticare *due* volte:
sia per *attraversare* il campo, sia per sopportarne la *variazione*
*** c) Se tengo ferma la sinistra ma muovo la destra in modo simmetrico
ai casi precedenti, otterrò gli stessi risultati precedenti.
*** d) Se tengo ferme entrambe le mani, ma nella destra il B è di per sé
variabile (ad es. bobina percorsa da corrente alternata) la sinistra
dovrà opporsi ad una forza che dipende dalla variazione del campo.
*** Che cosa mi impedisce di immaginare le cose a questo modo?
In conclusione possiamo dire che sia il campo magnetico che il campo elettrico sono due diverse manifestazioni del campo elettromagnetico, che viene descritto dando sei grandezze (le tre componenti del campo elettrico più le tre componenti del campo magnetico), che possono trasformarsi le une nelle altre cambiando il sistema di riferimento nel quale si osserva il fenomeno (così come succede alle componenti di un vettore quando si ruota il sistema di riferimento). Il campo elettromagnetico è generato dalla cariche elettriche, le quali quando si muovono di moto accelerato, come in un’antenna, emettono delle onde elettromagnetiche. Se invece esse sono ferme, o si muovono di moto rettilineo uniforme, esse generano nello spazio un campo elettromagnetico statico, che può apparire come un campo elettrico o come un campo magnetico o come una sovrapposizione di entrambi, a secondo del sistema di riferimento che scegliamo per osservare il fenomeno.
*** Mi sembra molto complicato, pare tutto dipendere da un "campo elettrico"
forse non osservabile (rispetto a magneti in movimento) e in contraddizione
col principio "quello che accade in natura non può dipendere dalla scelta
del sistema di riferimento"
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*** Le sarò grato se mi farà capire se il mio ragionamento è in se sbagliato
o se ci sono osservazioni o altri fatti che vi si oppongono.