Michael Faraday (1791-1867) è probabilmente più conosciuto per la sua scoperta dell’induzione elettromagnetica, il suo contributo all’ingegneria elettrica ed elettrochimica o a causa del fatto che è stato responsabile per l’introduzione del concetto di campo in fisica per descrivere l’interazione elettromagnetica. Ma forse non è così noto che ha anche dato contributi fondamentali alla teoria elettromagnetica della luce.,

Nel 1845, solo 170 anni fa, Faraday scoprì che un campo magnetico influenzava la luce polarizzata, un fenomeno noto come effetto magneto – ottico o effetto Faraday. Per essere precisi, ha scoperto che il piano di vibrazione di un fascio di luce polarizzata linearmente incidente su un pezzo di vetro ruotato quando un campo magnetico è stato applicato nella direzione di propagazione del fascio. Questa è stata una delle prime indicazioni che l’elettromagnetismo e la luce erano correlati., L’anno successivo, nel maggio 1846, Faraday pubblicò l’articolo Thoughts on Ray Vibrations, una pubblicazione profetica in cui ipotizzava che la luce potesse essere una vibrazione delle linee elettriche e magnetiche della forza.

di Faraday caso non è comune nella storia della fisica: anche se la sua formazione è stata molto di base, le leggi dell’elettricità e del magnetismo sono dovuti molto di più di Faraday sperimentale scoperte rispetto a qualsiasi altro scienziato., Scoprì l’induzione elettromagnetica, che portò all’invenzione della dinamo, il precursore del generatore elettrico. Spiegò l’elettrolisi in termini di forze elettriche e introdusse anche concetti come il campo e le linee di forza, che non solo erano fondamentali per comprendere le interazioni elettriche e magnetiche, ma costituirono anche la base di ulteriori progressi nella fisica.

Michael Faraday è nato nel sud di Londra da una famiglia umile. L’unica istruzione formale di base che ha ricevuto è stata la lettura, la scrittura e l’aritmetica da bambino., Ha lasciato la scuola quando aveva tredici anni e ha iniziato a lavorare in un negozio di legatoria. La sua passione per la scienza fu risvegliata dalla descrizione dell’elettricità che lesse in una copia dell’Encyclopædia Britannica che stava legando, dopo di che iniziò a sperimentare in un laboratorio improvvisato. Faraday fu assunto nel 1813 come assistente di laboratorio di Humphry Davy alla Royal Institution di Londra, dove fu eletto membro nel 1824 e dove lavorò fino alla sua morte nel 1867, prima come assistente di Davy, poi come suo collaboratore e infine, dopo la morte di Davy, come suo successore., Faraday fece una tale impressione su Davy che quando a quest’ultimo fu chiesto della sua più grande scoperta, Davy rispose: “La mia più grande scoperta fu Michael Faraday”. Nel 1833 divenne il primo professore fulleriano di chimica presso la Royal Institution. Faraday è anche riconosciuto come un grande divulgatore della scienza. Nel 1826 Faraday istituì i discorsi del venerdì sera presso l’Istituzione reale, che sono un canale di comunicazione tra scienziati e laici., L’anno successivo ha lanciato le Lezioni di Natale per i giovani-ora trasmesse ogni anno dalla televisione nazionale-, una serie il cui obiettivo è presentare la scienza al grande pubblico. Faraday stesso ha dato molte di queste conferenze. Entrambi continuano fino ad oggi.

Faraday fece la sua prima scoperta dell’elettromagnetismo nel 1821., Ripeté l’esperimento di Oersted posizionando un piccolo magnete attorno a un filo che trasportava corrente e verificò che la forza esercitata dalla corrente sul magnete era circolare. Come spiegò anni dopo, il filo era circondato da una serie infinita di linee concentriche circolari di forza, che chiamò il campo magnetico della corrente. Prese il lavoro di Oersted e Ampère sulle proprietà magnetiche delle correnti elettriche come punto di partenza e nel 1831 ottenne una corrente elettrica da un campo magnetico mutevole, un fenomeno noto come induzione elettromagnetica., Scoprì che quando una corrente elettrica veniva fatta passare attraverso una bobina, un’altra corrente molto breve veniva generata in una bobina vicina. Questa scoperta ha segnato una pietra miliare decisiva nel progresso non solo della scienza ma anche della società, ed è utilizzata oggi per generare elettricità su larga scala nelle centrali elettriche. Questo fenomeno rivela qualcosa di nuovo sui campi elettrici e magnetici., A differenza dei campi elettrostatici generati da cariche elettriche a riposo la cui circolazione lungo un percorso chiuso è zero (un campo conservativo), la circolazione dei campi elettrici creati dai campi magnetici è lungo un percorso chiuso diverso da zero. Questa circolazione, che corrisponde alla forza elettromotrice indotta, è uguale alla velocità di variazione del flusso magnetico che passa attraverso una superficie il cui confine è un anello di filo (legge di induzione di Faraday)., Faraday inventò il primo motore elettrico, il primo trasformatore elettrico, il primo generatore elettrico e la prima dinamo, così Faraday può essere chiamato, senza alcun dubbio, il padre dell’ingegneria elettrica.

Faraday abbandonò la teoria dei fluidi per spiegare l’elettricità e il magnetismo e introdusse i concetti di campo e linee di campo, allontanandosi dalla spiegazione meccanicistica dei fenomeni naturali come le azioni-a-distanza di Newton., L’introduzione di Faraday del concetto di campo in fisica è forse il suo contributo più importante ed è stato descritto da Einstein come il grande cambiamento in fisica perché ha fornito elettricità, magnetismo e ottica con un quadro comune di teorie fisiche. Tuttavia, le linee di forza di Faraday non furono accettate fino a diversi anni dopo, quando James Clerk Maxwell entrò in scena.,

Come notato all’inizio di questo articolo, un altro e forse meno noto effetto scoperto da Faraday era l’influenza di un campo magnetico sulla luce polarizzata, un fenomeno noto come effetto Faraday o effetto magneto-ottico. La mente curiosa di Faraday non si accontentava di scoprire semplicemente la relazione tra elettricità e magnetismo. Voleva anche determinare se i campi magnetici avessero un effetto sui fenomeni ottici. Credeva nell’unità di tutte le forze della natura, e in particolare della luce, dell’elettricità e del magnetismo., Il 13 settembre 1845 scoprì che il piano di polarizzazione della luce polarizzata linearmente viene ruotato quando questa luce viaggia attraverso un materiale a cui viene applicato un forte campo magnetico nella direzione di propagazione della luce., Faraday ha scritto nel paragrafo #7504 del suo Diario:

“Oggi ha lavorato con linee di forza magnetica, passando attraverso i diversi organismi (trasparente in direzioni diverse) e, allo stesso tempo, il passaggio di un polarizzata raggio di luce attraverso di loro (…) c’è stato un effetto prodotto sul polarizzate ray, e quindi la forza magnetica e la luce sono stati dimostrato di avere rispetto per gli altri”.,

Questa è stata certamente la prima chiara indicazione che la forza magnetica e la luce erano correlate tra loro e ha anche dimostrato che la luce è correlata all’elettricità e al magnetismo. In relazione a questo fenomeno Faraday ha anche scritto nello stesso paragrafo:

“Molto probabilmente questo fatto si rivelerà estremamente fertile e di grande valore nell’indagine di entrambe le condizioni di forza naturale”.

Non si sbagliava. Questo effetto è uno dei capisaldi della teoria elettromagnetica della luce.,

Nel Discorso del venerdì sera di un’Istituzione reale pronunciato nell’aprile 1846, Faraday ipotizzò che la luce potesse essere una qualche forma di disturbo che si propagava lungo le linee di campo. La verità è che in questo particolare venerdì è stato Charles Wheatstone che è stato programmato per tenere un discorso sul suo chronoscope. Tuttavia, all’ultimo minuto, Wheatstone ebbe un attacco di paura scenica e così Faraday pronunciò il discorso di Wheatstone., Dal momento che ha finito prima del tempo, ha riempito i minuti rimanenti rivelando i suoi pensieri sulla natura della luce. Il discorso di Faraday è stato pubblicato lo stesso anno nella rivista Filosofica con il titolo Pensieri su Ray-Vibrazioni. Faraday ha persino osato mettere in discussione l’esistenza dell’etere luminifero –un’eresia scientifica a quel tempo–, che doveva essere il mezzo per la propagazione della luce come così elegantemente Fresnel aveva descritto nella sua teoria delle onde della luce. Egli ha proposto che la luce potrebbe essere non il risultato di vibrazioni etere, ma vibrazioni delle linee fisiche di forza., Faraday ha cercato di tralasciare l’etere, ma ha mantenuto le vibrazioni. In tono quasi apologetico, Faraday termina il suo lavoro affermando:

“Penso che probabilmente ho commesso molti errori nelle pagine precedenti, perché anche a me stesso, le mie idee su questo punto appaiono solo come l’ombra di una speculazione”.

Tuttavia, questa idea di Faraday fu accolta con notevole scetticismo e respinta da tutti fino a quando l’articolo di Maxwell intitolato A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field fu pubblicato nel 1865., In questo articolo, Maxwell non solo descrive la sua seminale teoria elettromagnetica della luce– una delle pietre miliari commemorate in questo Anno internazionale della luce 2015-ma attribuisce anche le idee che alla fine hanno costituito la base della sua teoria ai pensieri di Faraday sulle vibrazioni dei raggi., A pagina 466 del suo articolo, e con la modestia che ha sempre caratterizzato Maxwell, si riferisce al documento di Faraday del 1846 come segue:

“La concezione della propagazione dei disturbi magnetici trasversali ad esclusione di quelli normali è chiaramente esposta dal professor Faraday nei suoi “Pensieri sulle vibrazioni dei raggi”. La teoria elettromagnetica della luce, come da lui proposta, è la stessa nella sostanza di quella che ho iniziato a sviluppare in questo lavoro, tranne che nel 1846 non c’erano dati per calcolare la velocità di propagazione”.,

E a pagina 461 del suo articolo del 1865 Maxwell si riferisce anche all’effetto magneto-ottico, affermando:

“Faraday scoprì che quando un raggio polarizzato piano attraversa un mezzo diamagnetico trasparente nella direzione delle linee di forza magnetica prodotte dai magneti o dalle correnti nelle vicinanze, il piano di polarizzazione è causato dalla rotazione”.

In tutto Michael Faraday è citato sei volte e menzionato tre volte nel documento di Maxwell del 1865., Tuttavia, questo non è sorprendente considerando che una grande quantità di lavoro di Maxwell si basa sul lavoro di Faraday e Maxwell matematicamente modellato la maggior parte delle scoperte di Faraday sull’elettromagnetismo nella teoria che conosciamo oggi.

Le onde elettromagnetiche sulla cui esistenza Faraday speculò nel 1846 con i suoi pensieri sulle vibrazioni dei raggi, e che furono matematicamente predette da Maxwell nel 1865, furono infine prodotte in laboratorio da Hertz nel 1888. Il resto è storia., È chiaro che Maxwell ha aperto la porta alla fisica del ventesimo secolo, ma non è meno chiaro che Faraday ha dato a Maxwell alcune delle chiavi che ha usato.

Nel 1676 Newton inviò una lettera al suo rivale Hooke in cui scriveva: “Se ho visto oltre, è stando sulle spalle dei Giganti” (*). Duecentocinquanta anni dopo, durante una delle visite di Einstein a Cambridge, nel Regno Unito, qualcuno osservò: “Hai fatto grandi cose, ma stai sulle spalle di Newton”. Einstein rispose: “No, io sto sulle spalle di Maxwell”., Se qualcuno avesse detto lo stesso a Maxwell, probabilmente avrebbe detto che stava sulle spalle di Faraday.

(*) Sebbene questa frase sia interpretata da alcuni autori come un’osservazione sarcastica diretta all’aspetto gobbo di Hooke, oggigiorno la frase viene solitamente usata in modo positivo. Ora il commento di Newton è un’affermazione di come la scienza sia una serie di progressi incrementali la cui portata è costruita su quelli precedentemente raggiunti (vedi, ad esempio, il libro di Stephen Hawking intitolato On the Shoulders of Giants).,

Augusto Beléndez

Professore ordinario di Fisica Applicata all’Università di Alicante (Spagna) e membro della Società Reale Spagnola di Fisica

Bibliografia

• A. Díaz-Hellín, Faraday: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 2001).
• Ordóñez, V. Navarro e J. M. Sánchez Ron, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
• Forbes e B. Mahon, Faraday, Maxwell e il campo elettromagnetico: come due uomini hanno rivoluzionato la fisica (Prometheus Books. New York, 2014).,
• Zajonc, Catching the Light: The Entwined History of Light and Mind (Oxford University Press. New York, 1995)
• Hawking, On the Shoulders of Giants: The Great Works of Physics and Astronomy (Running Press. Philadelphia, 2002)
• Mansuripur, Classical Optics and its Applications (Cambridge University Press. Cambridge, 2002)