La ricerca fondamentale di M. Faraday e altri scienziati nel campo dell’elettromagnetismo, nonché le idee di Faraday sulla relazione tra campi elettrici e magnetici e il suo modello del campo elettromagnetico furono il collegamento necessario nello sviluppo della scienza, sulla base del quale fu completato lo sviluppo teorico dell’elettrodinamica classica, fu creata la teoria del campo elettromagnetico e fu formulata la teoria elettromagnetica della luce.
Come è iniziato tutto
Il fisico inglese James Maxwell (1831–1879) continuò la ricerca fondamentale di Faraday. Nel 1861-1862 furono pubblicati numerosi articoli di Maxwell, in cui proponeva una nuova teoria, evidenziando il ruolo del mezzo, e si poneva l’obiettivo di trovare un modello meccanico che rivelasse il comportamento di questo mezzo nelle interazioni magnetiche.
Con l’aiuto del modello che ha costruito, arriva alle sue famose equazioni. Il sistema di equazioni di Maxwell ha generalizzato le idee di Faraday e ha rivelato la relazione tra campi elettrici e magnetici. Una conclusione estremamente importante segue dalle equazioni di Maxwell, previste da Faraday: un campo elettromagnetico alternato si propaga con una velocità finita, che è uguale alla velocità della luce nel vuoto.
Quindi, questo testimoniava l’esistenza delle onde elettromagnetiche con tutte le conseguenze scientifiche e tecniche di questa scoperta.
Nel 1873 fu pubblicata la famosa opera di J. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism. Riassumendo la sua ricerca nel campo del campo elettromagnetico, l’autore ha mostrato che la luce non è altro che onde elettromagnetiche, ha notato la stretta relazione tra le proprietà ottiche ed elettromagnetiche del mezzo, ha introdotto per la prima volta il concetto di corrente di spostamento, che si verifica nel dielettrico tra le piastre del condensatore e forma un campo magnetico.
La teoria di Maxwell, che completò lo sviluppo dell’elettrodinamica classica, creò le basi scientifiche del campo elettromagnetico e scoprì la natura elettromagnetica della luce, all’inizio fu accolta con incredulità dai fisici. Il fatto è che i principali riferimenti e conclusioni della teoria non sono stati sufficientemente confermati sperimentalmente. L’ultimo quarto del 19° secolo si è svolto essenzialmente sotto lo slogan della verifica sperimentale e teorica della teoria di Maxwell.
Dimostrazione della teoria di Maxwell
Uno dei primi problemi emersi dalla teoria di Maxwell è stato che se esiste una connessione inscindibile tra i fenomeni elettrici e magnetici, allora deve esserci la stessa connessione tra i sistemi di unità elettrostatici ed elettromagnetici, cioè la costante elettrodinamica (il rapporto tra unità elettrostatiche ed elettromagnetiche) deve essere uguale alla velocità della luce nel vuoto. Questa ipotesi ha richiesto una verifica sperimentale.
Importanti risultati di ricerche precedenti sulla determinazione della costante nelle equazioni di Maxwell appartengono allo scienziato russo A. G. Stoletov (1839–1896), che sviluppò un metodo abbastanza accurato per determinare il rapporto di queste unità e per la prima volta stabilì che è uguale a la velocità della luce.
Questa fu forse una delle prime prove della validità della teoria di Maxwell.
Di grande importanza per risolvere il problema del movimento e della distribuzione dell’energia furono le opere dello scienziato russo N.A. Umov (1846-1915), in cui fece un passo importante verso l’approfondimento della teoria dei campi, introducendo il concetto di movimento e flusso di energia.
Basandosi sulla legge di conservazione dell’energia, derivò un’equazione per il movimento dell’energia in un mezzo e introdusse il vettore della densità del flusso di energia, il vettore Umov.
Un caso separato del vettore Umov per un campo elettromagnetico fu considerato dieci anni dopo dal fisico inglese John-Henry Poynting (1852–1914), che nel 1884 derivò un’espressione per la densità del flusso di energia trasportata da un campo elettromagnetico.
Heinrich Hertz e la conferma sperimentale della teoria di Maxwell
Eppure, solo gli esperimenti eseguiti da Hertz nel 1886-1889 hanno confermato sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche e l’affermazione che la velocità delle onde elettromagnetiche è uguale in grandezza alla velocità della luce, ha dimostrato la completa identità delle proprietà dell’elettromagnetico e della luce onde, e quindi ha portato la base di ricerca alle teorie di Maxwell.
Essendo un sostenitore delle opinioni di M. Faraday e D. Maxwell, che rifiutavano l’azione a distanza, G. Hertz dal 1887, ripetendo gli esperimenti del suo maestro G. Helmholtz con bobine di induzione, basate sulle equazioni di Maxwell, sviluppò la teoria della un vibratore aperto che emette onde elettromagnetiche. Con l’aiuto di un “vibratore” e di un “ricevitore” ha mostrato che una scarica oscillante provoca onde, che sono una combinazione di due oscillazioni perpendicolari: elettrica e magnetica.
Hertz ha rivelato la riflessione, la rifrazione, l’interferenza e la polarizzazione di queste onde e ha dimostrato che tutti i fatti della ricerca sono pienamente spiegati dalla teoria di Maxwell. Indagando sul passaggio delle onde attraverso i fili, G. Hertz ha sviluppato un metodo classico per misurare la velocità delle onde in un conduttore rettilineo.
Nell’opera “Equazioni di base dell’elettrodinamica dei corpi a riposo”, pubblicata nel 1890, Hertz diede una chiara forma simmetrica all’equazione di Maxwell,
che mostra bene la completa reciprocità tra azioni elettriche e magnetiche.
Hertz è stato il primo ad applicare con successo il vettore Umov-Poynting per calcolare il flusso di energia irradiato da un dipolo nello spazio circostante e ha mostrato che la quantità di energia trasmessa dal vibratore sarà direttamente proporzionale al quadrato della lunghezza del dipolo ed inversamente proporzionale al cubo della lunghezza d’onda generata dal dipolo.
Questi furono i punti di partenza della teoria delle antenne e l’inizio dei fondamenti teorici della radioingegneria. La ricerca di Hertz ha scoperto l’esistenza di un campo elettromagnetico libero e la prima priorità per i fisici era la necessità di generare questo campo, rilevarlo e controllarlo. Innanzitutto è stato necessario creare nuovi tipi di generatori in modo da eccitare onde di lunghezze sempre più piccole. Lo stesso Hertz ha usato onde lunghe 66 cm.
L’italiano Augusto Ritchie (1850–1920) nel 1893 ricevette onde lunghe 10,6 cm e l’eccezionale scienziato russo P.M. Lebedev nel 1894 dimostrò esperimenti sull’ottenimento di onde elettromagnetiche con una lunghezza di 6 mm.
Telegrafia e radio
Quindi, nei primi anni ’90 del XIX secolo. è stata dimostrata la sintesi di elettromagnetismo e ottica, l’identità completa delle onde elettromagnetiche e luminose. Un nuovo problema sorge prima della scienza: l’uso delle onde elettromagnetiche per le esigenze della telegrafia. Per la prima volta, lo scienziato russo A.S. Popov (1859–1906) nel 1895
I meriti di Popov nell’invenzione della radio furono ufficialmente riconosciuti nel 1900 assegnandogli un diploma onorario e una medaglia d’oro al Congresso mondiale di elettrotecnica di Parigi. Va notato che l’ingegnere radiofonico italiano Guglielmo Marconi propose alla fine del 1896 in Inghilterra, dove si trasferì, i dispositivi da lui sviluppati per l’implementazione del telegrafo senza fili e nel 1897 ne ricevette un brevetto.
I meriti di G. Marconi dovrebbero includere i successi nell’attuazione pratica della radiotelegrafia, in particolare, nel 1901 fece la prima comunicazione radio con l’America attraverso l’Oceano Atlantico. Nel 1896–1899 Nikola Tesla (1854–1943), brillante scienziato e inventore serbo nel campo dell’ingegneria elettrica e radio, fu impegnato nello sviluppo di dispositivi per antenne.
Così si concluse la lotta per il riconoscimento della realtà dell’esistenza del campo elettromagnetico.
