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Timestamp: 2019-02-20 18:33:31+00:00

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Scariche oscillanti parte 2
b) Oscillazioni elettriche
§172. - Ambrogio Fusinieri fino dal 1825, scriveva in una memoria sopra il trasporto di materia ponderabile nelle scariche elettriche, queste parole: (1) “ Se mai è sperabile di giungere a qualche cognizione circa la natura delle due forze elettriche, ciò si deve attendere principalmente da osservazioni relative alla scintilla, ove appunto quelle potenze si trovano in uno stato il più possibilmente isolato e di passaggio da un corpo ad un altro”.
(1) Giornale di Fisica-Chimica. Pavia 1825, pag. 450-451
Dopo le esperienze di Crook, di Hertz, del Röngten e del Righi, queste parole acquistano tutto il valore di una intuizione profetica. Come vedremo, infatti, nel fenomeno della scintilla elettrica hanno luogo delle azioni che a giusta ragione permettono di fare qualche fondata ipotesi sulla natura. dell'elettricità. Gli studi del Thomson, del Rutherford, ed infine la scoperta del radio, inducono ad una teoria generale del fenomeno, che involge il più alto problema della natura, quale è quello della costituzione della materia.
Lo studio. della scintilla può scindersi in due parti : la prima che riguarda la legge matematica secondo la quale si determina una scarica elettrica, e la seconda relativa agli effetti fisici, chimici, meccanici, prodotti durante il fenomeno. In seguito ai progressi conseguiti nell'analisi matematica delle correnti alternative, il primo studio potrebbe svolgersi da un punto di vista puramente teorico, giacchè si tratta di sviluppare ed integrare l'equazione che dà il valore dell'intensità di corrente, in funzione della resistenza, dell'autoinduzione, della capacità e della differenza di potenziale agente in un dato circuito.
Non potendo addentrarci in questo studio, puramente matematico, ci limiteremo ad indicare come da esso resulti la legge delle scariche elettriche. Ricordiamo brevemente che un qualunque circuito, nel quale agisca una certa forza elettro motrice, possiede sempre valori determinati della resistenza metallica (r), dell'autoinduzione(L), della capacità elettrostatica (C). L'autoinduzione ha per effetto di far ritardare la fase della corrente sulla differenza di potenziale agente; la capacità invece determina un anticipo. (§ 16o) Queste due grandezze possono quindi equilibrarsi nell'effetto finale, in modo cioè che la corrente si determini senza spostamento di fase. Vi è un caso poi nel quale la resistenza metallica è piccola, mentre sono grandi l'autoinduzione e la capacità ; se fra queste tre quantità è soddisfatta l'ineguaglianza:
il circuito ha un periodo di oscillazione proprio che è dato dalla relazione:
In altre parole: quando in un circuito che soddisfa alle sopra accennate condizioni, si lancia una quantità elettrica, questa si mette ad oscillare fra la capacità e l'autoinduzione, dando luogo ad una vera e propria corrente alternativa, anche se in origine la quantità elettrica è stata comunicata a detto circuito sotto forma di corrente continua: il periodo di queste oscillazioni, ossia la frequenza della corrente alternativa che si forma, è determinato dalle condizioni del circuito, cioè dalla seconda relazione scritta sopra. Questa proprietà di alcuni circuiti, spiega dei fenomeni che apparirebbero altrimenti inesplicabili.
Per esempio, può darsi che in una conduttura a corrente alternativa, formata da un cavo armato, cioè possedente una capacità, si abbia il periodo proprio del circuito uguale alla frequenza della corrente alternativa che serve alla trasmissione In questo caso le oscillazioni fra la capacità e l'autoinduzione avvengono con ampiezza sempre crescente, ed il valore della differenza di potenziale che agisce in queste oscillazioni, può aumentare tanto da divenire pericoloso e compromettere qualunque buon isolamento.
Questo fenomeno fu riscontrato la prima volta a Londra, in una conduttura sotterranea a corrente alternativa, constatando che, alla distanza di qualche chilometro dalla Centrale, si aveva una differenza di potenziale più alta di quella misurata vicino alla dinamo Il fatto venne allora diligentemente studiato da Lord Kelvin. il quale ne dette tutta la teoria matematica spiegando come il cavo funzionasse come un vero e proprio condensatore elettrostatico. Da quel momento il concetto della distribuzione della corrente nei circuiti potè definirsi con la più grande precisione. Si riconobbe subito che la legge scoperta poteva applicarsi alle scariche dei condensatori, i quali in certe condizioni, dovevano dare delle scariche oscillanti; con una serie di accurate esperienze, si giunse a verificare sperimentalmente che in certi casi la scintilla di scarica di una bottiglia di Leyda, che apparisce all'occhio come un fatto istantaneo, è costituita in realtà da scintille elementari che si succedono con altissima frequenza. Questo fatto acquistò un'immensa importanza, in seguito alle geniali esperienze di Hertz.
Già il Maxwell (verso il 1870) aveva enunciata la sua teoria elettro magnetica della luce. Nel suo trattato di elettricità e magnetismo, il celebre fisico inglese si esprime in questi termini a tale riguardo:
“In diversi punti di questo trattato si è tentato di spiegare i fenomeni elettro magnetici supponendo un'azione meccanica che si trasmette da un corpo ad un altro con l'intermediario di un mezzo ambiente il quale riempirebbe tutto lo spazio fra i corpi. Anche nella teoria ondulatoria della luce si suppone l'esistenza di un mezzo. Noi vogliamo ora dimostrare che il mezzo elettromagnetico ha proprietà identiche a quelle del mezzo nel quale si propaga la luce.
Riempire lo spazio d'un nuovo mezzo tutte le volte che si debba spiegare un nuovo fenomeno, sarebbe un processo poco filosofico, invece, se attraverso lo studio di due rami differenti di scienza siamo arrivati a formulare l'ipotesi di un mezzo, e se le proprietà che ad esso bisogna attribuire, per render conto dei fenomeni elettro magnetici, si trovano della stessa natura di quelle che noi dobbiamo attribuire all'etere luminoso per spiegare i fenomeni della luce, le nostre ragioni di credere all'esistenza fisica di un simile mezzo, riceveranno una seria conferma.
Ora, le proprietà dei corpi sono suscettibili di misure quantitative. Possiamo cioè ottenere il valore numerico di certe proprietà del mezzo, per esempio il valore della velocità con la quale si propaga una perturbazione, velocità che possiamo calcolare con esperienze elettro magnetiche e che possiamo osservare direttamente nel caso della luce. Se si trova che la velocità di propagazione delle perturbazioni elettro magnetiche è la stessa della velocità della luce, e non soltanto nell'aria ma in tutti gli altri trasparenti avremo delle forti ragioni per credere che la luce sia un fenomeno elettro magnetico e, con la combinazione di prove ottiche e magnetiche, ci potremo convincere della realtà di questo mezzo, così assolutamente come, nei casi delle altre specie di materia, ci convinciamo per le combinate testimonianze dei sensi.”
§173. - In queste parole il problema è posto in termini chiari e precisi, mentre sono indicate le prove che confermeranno il principio. La gloria di tale conferma era riservata ad Enrico Hèrtz che a soli 36 anni si spense dopo aver acquistato coi suoi lavori di fisica una fama mondiale. Era nato ad Amburgo nel 1857 ; nell'85 era già professore ordinario di fisica al politecnico di Karlsruhe e nel 1889 veniva chiamato a succedere al grande Clausius all'Università di Bonn. Fra il 1887 e 1890 compì quelle esperienze che dovevano provare la verità delle previsioni enunciate dal Maxwell.
La scarica oscillante ottenuta da un condensatore costituisce il più semplice artifizio per eccitare nell'etere una frequente successione di onde elettro magnetiche. Infatti, come abbiamo veduto al § 148, l'ambiente che circonda una corrente alternativa diviene sede di un campo magnetico alternato, il quale è capace di produrre una corrente indotta in un circuito che sia convenientemente investito da detto campo ; se la frequenza è altissima, come nel caso di scariche oscillatorie, parimente elevato è il valore della variazione elettro magnetica, quindi prendono il sopravvento tutti quei fenomeni che appariscono secondari nel caso delle correnti alternative propriamente dette, e che dipendono principalmente dalla frequenza.
Ammettendo però che la trasmissione delle onde elettro magnetiche nell'etere, avvenga colla velocità della luce, cioè a 3oo.ooo km al secondo, resulta che una vibrazione di un centesimo di secondo, corrisponderebbe ad un' onda della lunghezza di 3ooo chilometri. Per esperimentare, in condizioni pratiche, occorrerebbe, cioè creare delle oscillazioni elettromagnetiche ossia delle scariche oscillanti, aventi il periodo di appena qualche milionesimo di secondo. Enrico Hertz riuscì ad ottenere tale intento col suo oscillatore, capace di produrre un onda di 7 metri equivalente ad un periodo di un centomilionesimo di secondo.
L'apparecchio è costituito da un grosso rocchetto Ruhmkorff i cui reofori del secondario sono in comunicazione con due sferette metalliche (fig. 281) l'una vicina all'altra e comunicanti rispettivamente con due sfere più grandi A e B. La scintilla che si produce in C, quando il rocchetto funziona, è una scarica oscillante ad altissima frequenza, scarica che si ripete ad ogni impulsione elettrica determinata dall'interruttore dell'apparecchio di induzione. Trattando degli oscillatori è opportuno fare subito una distinzione importante riguardo al loro modo di funzionare.
Fig. 281. ‑ Disposizioni per ottenere le oscillazioni elettromagnetiche.
Supponiamo, per esempio, che si uniscano, per mezzo di un arco metallico, le due armature di una bottiglia di Leyda in modo da provocare la scarica: nella maggior parte dei casi questa scarica sarà oscillante; però il carattere di tale oscillazione è differente da quello che distingue le scariche dell'oscillatore Hertziano; in questo cioè, lo smorzamento è rapido, mentre nel caso della bottiglia di Leyda scaricata con un arco chiuso, lo smorzamento è lento, ed ogni scarica resulta perciò di parecchie oscillazioni. La differenza consiste evidentemente nella diversa maniera colla quale l'ambiente etereo partecipa al fenomeno. Nell'oscillatore di Hertz, la parte metallica che forma le due capacità, (cioè le due sfere A e B colle loro appendici) costituisce un conduttore aperto, fig. 282, mentre nel caso della bottiglia di Leyda, il sistema forma un circuito chiuso. Gli oscillatori del primo tipo si dicono perciò aperti ed i secondi chiusi
Fig. 282. ‑ Oscillatore di Hertz
Ciò premesso, vediamo quali effetti si possono ottenere da un oscillatore aperto a smorzamento rapido. Possiamo ridurre lo studio alla forma più elementare riferendoci alle nozioni già enunciate sulle correnti alternative.
Quando una carica elettrica oscilla fra le due sfere, si ha nel, conduttore una corrente alternata che genera un campo alternato in direzione perpendicolare alla corrente. Ora, accade qui un fatto singolare: essendo aperto l'oscillatore, la corrente, che segue il cammino dalla sfera A alla B e dalla B alla A, è rettilinea, quindi il campo si estende da tutte le parti di detta linea, involgendola cioè tutta, senza incontrare il conduttore di ritorno, perchè questo manca, a differenza di quanto accade nei comuni circuiti a corrente alternativa e negli oscillatori chiusi. La massa eterea che partecipa perciò alla vibrazione elettromagnetica, può essere, in un oscillatore aperto, indefinita, e l'onda magnetica alternativa, che ha una velocità finita, si trasmette nello spazio, senza impedimenti, in tutte le direzioni. Basterà quindi, saggiare, con un risuonatore simile all'oscillatore, questo spazio in punti vari per riconoscere quali sono i luoghi nei quali l'onda elettro magnetica ha i suoi massimi ed i suoi minimi, verificando le intensità delle correnti indotte che si producono nel risuonatore.
Il risuonatore, non è altro che un circuito spezzato, il quale può assumere la forma della fig. 283 o quella della fig. 282; esso viene attraversato da una corrente indotta ogni volta si trovi ad essere influenzato da una vibrazione elettro magnetica. Il sistema può esser quindi assimilato ad un trasformatore : il primario è l'oscillatore; il campo è l'etere circostante: l'oscillatore funziona da secondario; ma la differenza sostanziale sta in questo : che la frequenza è altissima, che i due circuiti sono aperti e che, perciò, la massa magnetica, (l'etere) può assumere dimensioni grandissime.
Fig. 283 Risuonatore per rivelare le onde elettro-magnetiche
Con oscillatori chiusi la similitudine coi trasformatori comuni è più perfetta. Così per esempio, nel sistema ideato dal Lodge, due bottiglie di Leyda sono disposte come sulla fig. 284, nella quale l'oscillatore, (primario) è rappresentato dalla bottiglia A e dal circuito esterno B C E D, mentre il risuonatore, (secondario) è un'altra bottiglia A, che ha un circuito esterno simile a quello della prima B’ C’ D’ : l'effetto della induzione, quando avviene una scarica fra le sferette E del primario, si rivela con una scintilla in X, che scocca fra una strisciolina di stagnola, disposta opportunamente sull'orlo del vaso di vetro in modo da comunicare con l'armatura interna, e giungere, al di fuori, in vicinanza di quella esterna. Il fenomeno accade anche quando le due bottiglie sono collocate a qualche metro di distanza fra loro.
In questo caso però l'onda elettro magnetica non è smorzata, ossia la vibrazione eterea ha una lunga durata, perciò, se il periodo proprio di oscillazione del risuonatore, o secondario, non è uguale a quello dell'oscillatore, l'effetto non si ottiene. E' necessario quindi rendere i due circuiti sintonici aventi cioè lo stesso periodo di oscillazione. A questo scopo, sul circuito della seconda bottiglia è disposta una parte mobile m - n fra i due rami a - b e c - d del circuito stesso, in maniera da poter regolare la resistenza fino a ridurre il periodo perfettamente uguale a quello del circuito d'eccitazione.
Fig. 284 – Oscillatore e risuonatore chiuso, sistema Lodge
Nel caso dell'oscillatore aperto, essendo le ondulazioni rapidamente smorzate, le onde di emissione sono in piccolo numero ed invadono un più grande spazio, quindi il risuonatore può rilevarne l'esistenza con maggior facilità. Infatti, se nella disposizione di Hertz si trasporta il risuonatore dinnanzi alla scintilla, a qualche metro di distanza, si rileva in quasi tutti i casi, una piccola scintillina che si produce al punto di rottura del risuonatore.
Con la disposizione della figura 285 si rendono manifesti i fenomeni a più grande distanza e con maggior facilità. Alle due sfere si sostituiscono due lastre di ottone A A' e si collega, dietro ad una di queste, una terza lastra P alla quale va unito un lungo filo b a c che si dispone orizzontalmente e in direzione perpendicolare alla direzione della scintilla. Se per mezzo di un risuonatore O, si studia lo spazio sottostante al filo, si riscontra che le posizioni corrispondenti al massimo splendore della scintilla nel risuonatore, si succedono, lungo la direzione del filo, a distanze uguali : questa uguaglianza dimostra che nel sistema si producono delle onde stazionarie aventi una certa lunghezza, la quale è uguale, al doppio della distanza fra i due massimi riscontrati col risuonatore. Conoscendo allora il periodo della oscillazione, ossia la frequenza, resta determinata la velocità di propagazione che è:
Velocità = lunghezza dell'onda / durata di un'oscillazione
Con esperienze simili Hertz potè constatare che realmente la velocità di propagazione delle onde elettro magnetiche è uguale. alla velocità della luce, cioè a 3oo.ooo km. al secondo.
Fig. 285 ‑ Esperienza per rivelare la lunghezza di onda.
Fatto questo primo passo, non restava che continuare lo studio su più larghe basi per dimostrare che le vibrazioni elettro magnetiche godono proprietà simili a quelle delle vibrazioni luminose. L'Hertz messosi su questa via, riuscì a combinare interessanti esperimenti che confermarono tutte le previsioni. Il Prof. Righi di Bologna, continuando i lavori del celebre fisico, seppe sistemare tutte le esperienze con metodo rigoroso per dimostrare che le interferenze, le riflessioni, le rifrazioni che si verificano coi raggi di luce, possono ripetersi con le vibrazioni elettro magnetiche.
§174 - Erano a questo punto gli studi, quando Guglielmo Marconi ebbe la geniale idea di adoperare la proprietà delle onde elettro magnetiche per la trasmissione di segnali. Riandando a quel periodo di tempo, è da ricordare che fu data la notizia della scoperta senza tuttavia comunicarne i particolari. Pur essendo conosciute le disposizioni adoperate dall'Hertz, e quelle più perfette studiate dal Righi, non riusciva chiaro come si fosse potuto vincere la difficoltà formidabile di superare le grandi distanze. Tale ignoranza perdurò fino a che la scoperta non entrò nel dominio pubblico, né alcuno seppe anticipare qualche spiegazione plausibile che potesse dar ragione del fatto ; perciò, quando fu noto il mezzo semplice col quale è risoluto il grande problema, tutti dovettero convincersi di essere innanzi ad una di quelle menti che risolvono i più ardui problemi con l'intuizione del genio. Gli studi ulteriori del Marconi, gli apparecchi meravigliosi che egli seppe escogitare per render perfetto il suo sistema, dimostrarono poi che il giudizio non era errato.
Aggiungete al sistema adoperato dall' Hertz per le esperienze, due aste conduttrici verticali, delle quali una in prossimità dell'oscillatore e in contatto con esso, l'altra presso il risuonatore e con questo in comunicazione, e la trasmissione si effettua a distanze assai più grandi di prima; aumentate l'energia in azione rendete più sensibile il risuonatore e la distanza può raggiungere dei chilometri. La soluzione non potrebbe essere più semplice né più importante tanto dal punto di vista pratico, quanto da quello teorico La questione del coherer è affatto secondaria, giacchè questo strumento può essere variato in mille modi e serve solo a rivelare la presenza elettromagnetica. Il coherer era formato nelle prime esperienze di Marconi, da un risuonatore racchiuso in un tubetto di vetro contenente della limatura o polvere metallica.
Quando tale strumento è influenzato da qualche onda elettro magnetica, che dia origine ad una lieve scarica elettrica, la sua resistenza diminuisce in modo tale da permettere il passaggio di corrente di una batteria locale di pile. La constatazione di questa proprietà delle polveri metalliche fu fatta per la prima volta dal Prof. Calzecchi; Branly, più tardi, fece esperienze simili.
Un coherer abbastanza sensibile può esser facilmente costruito adoperando un tubetto di vetro di circa 4 mm. di diametro interno, e due cilindretti di ottone, o meglio d'argento, saldati alle estremità di due asticciuole metalliche. I due cilindretti a e b, fig. 286, si infilano nel tubo di vetro dopo aver messo in detto tubo circa 0,20 grammi di polvere o limatura fina di argento, mischiata con limatura di nichel. Si avvicinano i due cilindretti fino al centro del tubo, in maniera da obbligare la limatura ad occupare tutto il breve spazio che intercede fra un cilindretto e l'altro, senza peraltro che detta limatura rimanga compressa o schiacciata. Si può esperimentare la proprietà del coherer nel modo seguente:
Fig. 286. ‑ Coherer.
Si disponga, come in fig. 287 un coherer, in comunicazione con una pila e con un galvanometro in modo che i tre apparecchi formino un solo circuito, ossia resultino montati in serie. Si osserverà che, in condizioni normali, la corrente della pila non passa, perchè ne è impedita dalla grande resistenza offerta dalla polvere metallica del coherer. Basterà però che in vicinanza di tali apparecchi si faccia scoccare una scintilla di una bottiglia di Leyda o di una macchina elettrica, per vedere istantaneamente la deviazione dell'ago del galvanometro. Più sicuro ed immancabile, è l'effetto se si accosta la bottiglia di Leyda ad una parte qualunque del circuito in modo che la scintilla si scarichi su di esso.
Fig. 287 – Circuito munito di coherer, per rivelare le onde elettromagnetiche
Il Lodge, spiega il fenomeno ammettendo che al passaggio di una scarica elettrica in mezzo alla limatura, le particelle di questa rimangono unite da microscopiche scintille che stabiliscono fra di esse dei contatti, rompendo gli strati di ossido esistenti; tale spiegazione è probabilmente esatta, tanto più che basta un urto sul coherer per far ritornare la resistenza di esso allo stato primitivo, e basta una nuova scarica per ridurre ancora una volta la resistenza elettrica ad un valore limitato.
Se al sistema della figura 287 si aggiunge, in un punto qualunque del circuito, un'asta conduttrice verticale, di qualche metro (che si può fare anche con una pertica a cui sia legato un filo) la sensibilità dell'apparecchio, a scintille che scoccano lontano da esso, aumenta assai. Se poi si facesse comunicare il sistema con la conduttura di un parafulmine, si vedrebbero segnalate dal galvanometro le più lontane burrasche con deviazioni che si ripetono ad ogni lampo o fulmine.
Per mettere però il coherer in condizione di funzionare successivamente ad ogni emissione di onde, bisogna che. esso, riceva un urto volta volta che la sua resistenza si è modificata. Per ottenere un tale scopo, automaticamente, si dispongono le cose come è indicato nella fig. 289; si inserisce cioè nel circuito un'elettrocalamita R1 che comanda un'ancora oscillante in tutto simile a quella delle comuni suonerie; quando per effetto di un'onda, la corrente passa, l'ancora è attratta, e il martellino, che ad essa è attaccato, va ad urtare replicatamente il coherer, finchè la sua resistenza non sia ricondotta al valore primitivo Ciò premesso, non rimane alcuna difficoltà per intendere il funzionamento della telegrafia senza fili, sistema Marconi.
Le fig. 288 e 289 indicano schematicamente la disposizione dei circuiti e delle varie parti.
Nella fig. 288, A è l'asta che porta il conduttore verticale, il quale comunica con una delle sfere R dell'oscillatore, mentre l'altra sferetta è generalmente unita colla terra T. Ad ogni emissione di corrente della pila P, operata mediante il tasto I, funziona l'oscillatore alimentato dal rocchetto di induzione. Si ottiene così una serie di onde elettromagnetiche che si irradiano dal conduttore dell'asta A, nello spazio circostante.
Fig. 288 ‑ stazione radiotelegrafica di trasmissione
Il ricevitore è rappresentato in schema sulla fig. 289. Una breve emissione di corrente dalla stazione che trasmette, riduce la resistenza del coherer ricevente, il quale, perciò, viene attraversato dalla corrente della pila P che fa funzionare il relais R chiudendo, di conseguenza, il contattto m. In seguito, a ciò, funziona l'apparecchio telegrafico I, segnando un punto sulla zona, ed il trembleur R1, urta il coherer riducendone la resistenza alle condizioni primitive; questi due circuiti sono derivati ai poli della batteria di pile P1.
Fig. 289 Stazione radioltelegrafica ricevente
Un'altra onda può determinare, poi, una successiva sensibilizzazione del coherer ed un altro punto sulla zona dell'apparato, per modo che una serie di frequenti emissioni di onde alla stazione di partenza, corrisponde ad una rapida e breve serie di punti al ricevitore; tale serie costituisce un punto dell'alfabeto Morse ; la linea, invece, viene indicata con una serie più lunga di punti.
Nei sistemi attuali più perfezionati sono impiegati rivelatori elettromagnetici, aste di trasmissione multiple ed apparecchi ausiliari più complessi. Il principio fondamentale però resta sempre lo stesso, e si riassume nella singolare proprietà del conduttore verticale dì trasmettere nell'etere, a grande distanza, la vibrazione elettro magnetica.
c) L'energia luminosa.
§175. ‑ Lo studio combinato della distribuzione di una corrente alternata in un circuito, e della scarica dei condensatori, aveva portato ad una conoscenza più esatta del complesso fenomeno elettrico, confermando le vedute del Maxwell e di Faraday circa la partecipazione del mezzo alla conducibilità elettrica e circa le somiglianze fra i fenomeni luminosi e quelli elettro magnetici. Il concetto dell'esistenza dell'etere, come tramite fra i corpi materiali per trasmettere le azioni a distanza, ne usciva fortificato e confermato da nuovi fatti sperimentali. A questo punto nuove scoperte completarono il quadro delle conoscenze sulla intima relazione fra luce, elettricità e magnetismo. Per rendersi ragione dell'importanza di tali scoperte, bisognerebbe riassumere tutta la successione di studi compiuta fino dall'epoca di Newton sui fenomeni luminosi: un tale riassunto però acquisterebbe un'estensione troppo grande, ci dovremo perciò limitare a qualche cenno sommario indispensabile per definire la terminologia.
Newton emise l'ipotesi che la luce consista nell'emissione di corpuscoli proiettati in linea retta e determinanti con la loro riflessione, le impressioni visive ; Huyghens invece formulò l'ipotesi delle ondulazioni, secondo la quale la luce consisterebbe in un moto vibratorio rapidissimo delle molecole ed atomi della sorgente luminosa, moto che si propaga nell'etere con la velocità di 3oo.ooo km. al secondo. Gli studi ulteriori di Young e di Fresnel portarono un contributo così efficace alla teoria delle ondulazioni che essa fu accettata da tutti i fisici.
Le sensazioni luminose si riducono così, come quelle dei suoni, a comunicazione di movimento. Secondo detta teoria l'oscillazione o vibrazione dell'etere si compirebbe trasversalmente al raggio di propagazione, in guisa simile cioè, alla sinuosa che si propaga in una corda tesa quando si scuote una delle sue estremità. La lunghezza di un'onda sarebbe quindi la distanza fra due rigonfiamenti successivi, come la lunghezza di un'onda marina è misurata dalla distanza fra le due creste che successivamente si formano l'una dietro l'altra.
Newton, che studiò pel primo lo spettro solare ottenuto con un prisma, attribuiva i colori delle diverse parti dello spettro alla varia grossezza dei corpuscoli luminosi; nella teoria delle ondulazioni, invece, l'azione del prisma si ridurrebbe ad una scomposizione delle vibrazioni elementari, aventi lunghezze d'onda differenti. Le vibrazioni più corte formano il violetto, e via via le più lunghe, tutte le altre gradazioni di colori fino al rosso. Le dimensioni di tali onde, calcolate in base alla velocità di propagazione della luce, variano da 396 milionesimi di millimetro per quelle violette, che sono le più brevi, a 760 milionesimi, per quelle rosse, più lunghe. Ciò equivale a dire che la luce violetta vibra colla frequenza di circa 800 trilioni di periodi al secondo e quella rossa con la frequenza di circa 400 trilioni.
Per fare subito un confronto con altre specie di vibrazioni, possiamo ricordare che le onde elettro magnetiche ottenute nelle esperienze di Hertz, hanno una lunghezza non inferiore a mezzo metro e perciò una frequenza non superiore a 6oo milioni di periodi al minuto secondo. La più lunga onda luminosa avrebbe cioè una frequenza quasi un milione di volte più grande della più corta onda elettromagnetica.
Se poi facciamo il paragone con le onde sonore. che si propagano nell'aria colla velocità di 333 metri per secondo, si trova che il suono più basso ha circa una trentina di vibrazioni al secondo e il più acuto circa 40000 ; oltre questi limiti il nostro orecchio non ode più alcun suono. Ciò non pertanto, appare che l'estensione di sensibilità dell'orecchio, nel rapporto della più corta alla più lunga vibrazione percepita, è maggiore di quella dell'occhio. L'orecchio ha una sensibilità che si estende oltre io ottave, mentre l'intervallo percepito dall'organo visivo va dal semplice al doppio: un ottava soltanto.
Vi possono essere perciò delle ondulazioni luminose che l'occhio non vede, come vi sono vibrazioni sonore che l'orecchio non ode. Non sarebbe improbabile, per esempio, che l'aria fosse attraversata da un frastuono immenso di acutissimi suoni aventi un periodo di oscillazione superiore a 40.000 vibrazioni, mentre noi godremmo il più assoluto e perfetto silenzio. Così in una notte oscura, o in una profonda caverna, possono intersecarsi raggi simili a quelli della luce, senza che essi risveglino la sensazione visiva sulla nostra rètina. E' noto come per mezzo del prisma si ottiene la scomposizione della luce bianca: i sette colori elementari si dispongono nello spettro in ordine alla loro lunghezza di onda; alle due estremità dello spettro stanno il violetto e il rosso, in mezzo, dopo il violetto", succede l'indaco, il turchino, il verde, il giallo, l'arancione. I passaggi fra l'un colore e l'altro hanno una gradazione di tinta dolcissima; l'occhio vi si ferma con una sensazione gradevole come se afferrasse un'armonia, un accordo, una musica di colori. E' pure noto che tutta la scala dello spettro solare è striata da moltissime righe nere, trasversali, che si rivelano soltanto con un attento esame e con apposite lenti. Dette righe, scoperte da Fraunhofer, furono da lui stesso identificate colle lettere :
A, a, B C, D, E, b, F, G, H
Mediante il confronto degli spettri ottenuti con diverse sostanze portate all'incandescenza, fu possibile, in seguito, istituire quel sistema di analisi spettrale che permise di determinare la costituzione del sole e delle stelle.
Il concetto che informa il metodo di analisi suaccennato è facilmente comprensibile mediante la teoria delle ondulazioni. Astrazione fatta dalle diverse qualità di vibrazione o di oscillazione, possiamo considerarle tutte, siano esse inerenti alla materia sensibile o all'etere cosmico, sotto un medesimo punto di vista. Tutte seguono la legge fondamentale delle oscillazioni pendolari ; ogni sistema ha un modo proprio di vibrare, e dà, quando vibra, un moto, un suono, un colore, un'onda elettromagnetica caratteristica, avente cioè un periodo fisso, una lunghezza determinata.
Questa proprietà universale si riassume nella classica osservazione di Galileo sull' isocronismo delle piccole oscillazioni di un pendolo. Il periodo di tali oscillazioni si mantiene sempre uguale, e non dipende dalla massa ma dalla lunghezza del pendolo; tutti i sistemi elastici oscillano seguendo una legge simile.
Da tale principio si deducono delle conseguenze importanti che spiegano l'andamento generale della trasmissione dei movimenti e delle azioni a distanza. Se ad un sistema elastico qualunque X, disposto per la sua particolare costituzione ad oscillare con un frequenza di vibrazioni n, comunichiamo una serie di impulsi aventi appunto la frequenza n, il sistema X giungerà in poco tempo ad assumere una oscillazione amplissima anche se la serie di impulsi a lui comunicata è di piccola intensità. Se invece, questa serie non ha la frequenza n, propria al modo di vibrare del sistema X, ma una frequenza n1 comunque diversa, il moto di X risulterà irregolare, nè potrà mai assumere delle grandi ampiezze di oscillazione. Vi è un esempio chiarissimo per illustrare questo principio.
Supponiamo che un fanciullo voglia far suonare una pesante campana oscillante, aggrappandosi alle sue funi. Se farà degli sforzi o disordinati, o troppo frequenti o troppo lenti, non giungerà mai a mettere la massa in movimento, ma se applica la sua fatica in sforzi perfettamente accordati col periodo di oscillazione col quale la campana è disposta a muoversi, giungerà a comunicarle il movimento, prima quasi insensibilmente, poi con ampiezza sempre maggiore, perchè ogni successivo sforzo trasmesso alla fune, si comunica alla massa e si somma con tutti gli sforzi periodici precedenti. Così su un'altalena, si può giungere ad un'ampia oscillazione spostando il centro dì gravità del corpo, ritmicamente, con intervalli di tempo accordati e proporzionati alla lunghezza del trapezio.
Questo fatto è più una legge logica che meccanica, ed appartiene a quella serie di verità che hanno applicazione universale basta spingere l'osservazione verso qualunque manifestazione dell'essere per vederlo ripetere e confermare continuamente.
Le risonanze che si verificano in un circuito elettrico (§ 161), sono una manifestazione di tal fatto, come quelle che si ottengono fra due corde vibranti tese a qualche distanza fra loro, quando sono accordate sul medesimo tono.
Alcune anomalie apparenti che si verificano durante le grandi scosse sismiche, hanno la medesima origine; talvolta accanto ad un fabbricato quasi intatto, si hanno rovine complete di costruzioni che sarebbero stimate più solide, probabilmente perchè queste hanno assunto, per il loro periodo proprio di vibrazione, degli spostamenti assai più ampli e disastrosi.
Nei riguardi dei fenomeni luminosi, tale fatto si svolge egual­mente per le vibrazioni da cui detti fenomeni hanno origine. I di­versi atomi hanno attitudine a vibrare in un dato modo come fos­sero sottili corde tese o timbri, o membrane; così, all'urto di un fascio di luce bianca, che contiene tutta la gradazione di onde di varia frequenza, essi rispondono con quella vibrazione che è loro propria ossia con quel colore che è il loro tono.
Le esperienze che possono eseguirsi con lo spettroscopio confermano poi in modo mirabile tali vedute. Mettendo, per esempio, un poco di sale comune (cloruro di sodio) in una fiamma a spirito, si ha una luce gialla che al prisma dà, nel luogo della riga D dello spettro solare, una riga di un bel giallo brillante. Sovrapponendo allora a tale spettro, quello che si ottiene ponendo dietro alla fiamma una luce più viva, per esempio un raggio di luce solare, la riga gialla appare una stria nera. Tal fatto trova la sua spiegazione nell'assorbimento che viene operato dai vapori di sodio di tutte le onde luminose che vibrano con lo stesso periodo di detti vapori, in maniera cioè da appropriarsi la forza viva che esse posseggono. In confronto a tutto il resto dello spettro, che è determinato da una luce fortissima la riga del sodio rimane più oscura e apparisce nera, perchè il vapore di sodio contenuto nella fiamma ha un calore minore di quello della luce di emissione.
In base a tale principio è possibile dunque scoprire quali vapori incandescenti sono contenuti in una fiamma, giacché ogni corpo semplice dà una riga caratteristica, che si delinea in posizione fissa e determinata sullo spettro.
Le righe di Fraunhofer indicano quindi la presenza di vapori incandescenti nella fotosfera solare, e non resta difficile rilevare la qualità di tali elementi per mezzo di confronti sistematici, eseguiti come sopra si è detto. Fu così accertato che il sole si compone di quasi tutti gli elementi che costituiscono la crosta terrestre.
Ma la parte luminosa e visibile dello spettro solare non è la sola che interessa, al di là de due estremi, si prolungano delle radiazioni che non si apprezzano con l'organo della vista, ma che producono reazioni ben definite. Anzitutto, le onde di varia lunghezza, ossia tutti i colori, producono sensazione di calore, ma tale sensazione è più forte quanto più ci si avvicina al rosso, e continua anche oltre questa regione. Vi sono dunque dei raggi oscuri calorifici che hanno una lunghezza d'onda troppo estesa per essere visibili, ed una frequenza assai più lenta dei colori veri e propri. Dalla parte opposta dello spettro poi, cioè oltre il violetto, si estende una regione di onde pure invisibili perchè cortissime e molto frequenti, che hanno però un alto potere chimico sono cioè capaci di impressionare facilmente le lastre fotografiche.
Il padre Secchi, nella sua magistrale opera sul Sole, riporta questi dati del Miller e Mascart, sulla lunghezza e frequenza delle varie onde dello spettro :
Le radiazioni contrassegnate con (a) sono invisibili; costituiscono cioè dei raggi oscuri calorifici i primi, d'onda più lunga, chimici gli ultimi, aventi il periodo più frequente e l'onda breve. E’ importante notare subito, a proposito dei raggi ultra violetti a piccola lunghezza di onda, che essi godono la proprietà dì scaricare un corpo elettrizzato sul quale sieno proiettati. Vedremo quale importanza abbia per la teoria questo fatto, che conferma una volta di più l'intimo legame fra elettricità e luce.
§176. La scintilla elettrica nell'aria libera, alla pressione ordinaria si manifesta fra due conduttori situati a qualche distanza fra loro, quando la differenza di potenziale è molto elevata. A prima vista, il fenomeno appare un fatto fisico non tanto complesso, in quanto si spiega come un effetto di una scarica violenta che rende incandescenti i corpuscoli di materia che essa percorre, come una corrente riscalda un conduttore. L'esame più approfondito del fenomeno mette però in evidenza dei fatti nuovi, complessi e di somma importanza.
Abbiamo già spiegato che una. scarica elettrica pur avendo l'aspetto di un fatto istantaneo, può essere costituita in realtà da una successione di oscillazioni a periodo brevissimo quando, il circuito si trovi in condizioni particolari. Questo fatto dà luogo ad una resistenza apparente che fa assumere alle scariche delle proprietà singolari.
A questo riguardo sono interessantissime le esperienze del Tesla, che ha voluto produrre delle oscillazioni, ed altissimo potenziale. A questo scopo il Tesla adotta la disposizione indicata nella fig. 290.
Fig. 290 – Disposizione Tesla per ottenere l’alta frequenza
R è un rocchetto di induzione il quale carica i condensatori a e b producendo delle scariche oscillanti n.
La corrente oscillatoria che si produce nel circuito passa nel primario di un trasformatore T, il cui secondario S è formato di un filo sottilissimo e scrupolosamente isolato.
La tensione al secondario del trasformatore, risulta perciò molto elevata, ed ha una frequenza eguale a quella che viene prodotta nell'oscillatore n.
Gli effetti sono sorprendenti : nonostante l'elevatissima tensione si può chiudere il circuito secondario con le mani senza risentirne alcuna scossa: dai reofori partono effluvi luminosi azzurri di bellissimo effetto; un tubo a vuoto situato a qualche distanza dall'apparecchio, si illumina : un filo nudo in contatto con uno dei poli del secondario, ed isolato, getta effluvi di luce, ecc.
Si può inoltre provare l'importanza che assume la resistenza apparente nel caso di correnti ad alta frequenza; basta far passare la corrente in un grosso filo piegato ad U collocando poi in derivazione fra i suoi due rami una lampadina ad incandescenza (fig. 291). Se si trattasse di una corrente continua, od anche di una corrente alternata a bassa frequenza, si avrebbe il passaggio del flusso elettrico, quasi tutto nel grosso filo di rame piegato ad U, il quale ha una resistenza trascurabile in confronto di quella della lampada, quindi si scalderebbe, forse, il filo di rame, ma la lampada rimarrebbe spenta; nel caso della scarica oscillante ad altissima frequenza accade il contrario : quasi tutta la corrente percorre il circuito più resistente invece di attraversare il filo di rame, e ciò perché il campo magnetico che viene generato intorno a detto conduttore, induce in esso una forza elettro motrice sufficiente per ostacolare un ulteriore passaggio d'intensità ; il conduttore stesso acquista resistenza apparente elevatissima, ed il fenomeno segue perfettamente la legge che abbiamo presa in esame al § 153.
Fig.291 – Esperienza colle correnti ad alta frequenza
Da questa esperienza, e da altre simili che si potrebbero facilmente eseguire colle scariche oscillanti, si deducono alcune considerazioni utili per spiegare i fenomeni delle scariche atmosferiche. In alcuni casi dette scariche sono oscillanti, quindi incontrano resistenze apparenti grandissime per attraversare dei circuiti buoni conduttori, specialmente se detti circuiti hanno forma ripiegata o anche soltanto leggermente elicoidale ; avviene, in questi casi, che la scarica colpisce a preferenza i cattivi conduttori, talché anche il migliore dei parafulmini rimane senza efficacia.
Si è cercato di modificare tale stato di cose, inserendo dei condensatori nei conduttori di terra dei parafulmini, ma il problema non si presta ad una soluzione generale, perché il periodo di oscillazione delle varie scariche è variabilissimo e dovrebbero variare caso per caso le costanti della condotta per renderla atta a portare le diverse correnti oscillanti.
La proprietà dei circuiti a spirale è però bene utilizzata negli impianti elettrici, per proteggere le centrali dalle scariche che potrebbero esser guidate ad esse dalle linee esterne : a questo scopo vengono inserite sulla linea, prima del loro ingresso nei fabbricati, le così dette spirali di impedenza, costituite da un breve filo dì rame piegato ad elica, il quale, mentre non ostacola affatto il passaggio della corrente normale, rappresenta un impedimento insormontabile per le scariche atmosferiche di carattere oscillatorio. Prima di dette spirali è inserito uno speciale scaricatore a corna, attraverso il quale si trasmettono alla terra le eventuali scariche atmosferiche; la forma particolare di tali scaricatori favorisce l'estinzione dell'arco che tende a sollevarsi verso la parte più larga dello scaricatori ed a spegnersi per l'aumento di resistenza dovuto alla crescente distanza fra i due rami di esso.
Fig. 292-293 Disposizioni per ottenere delle scariche oscillanti ad elevata frequenza
Le fig. 292 e 293, rappresentano le disposizioni più semplici per ottenere delle scariche oscillanti a frequenza elevata, per mezzo di un rocchetto di induzione, sul circuito secondario del quale è combinata una capacità ed un filo avvolto a spirale che ha una grande autoinduzione.
§177‑ Nelle scariche normali che si ottengono colle macchine elettrostatiche o coi rocchetti di induzione, la scintilla nell'aria libera ha un aspetto brillante e si produce con uno scoppio caratteristico, che è molto intenso quando si muove nella scarica una grande quantità di elettricità. Nelle scariche atmosferiche fra nube e nube, o fra le nubi e la terra, tale scoppio è fortissimo e si ripercuote nei numerosi echi prodotti dalle nubi stesse, dando origine a quelle serie, talvolta lunghissime, di tuoni, che caratterizzano le grandi tempeste.
La lunghezza della scintilla nell'aria dipende dalla differenza di potenziale ; con 3000 volta si ottiene una scintillina di appena mezzo millimetro, ed occorrono circa 1oo.ooo volta per avere una scintilla di 10 centimetri.
Però, per i potenziali elevati, la distanza esplosiva, ossia quella distanza che nell'aria libera è la minima sufficiente per provocare la scarica sotto forma di scintilla, aumenta molto più del l'incremento del potenziale. Così, se per produrre una scintilla di 1 mm. occorrono circa 5.000 volta, per una di 100 mm. non importa disporre di una differenza di potenziale di 500.000 volta, ma bastano circa 1oo.ooo. Ciò fa ritenere che la differenza di potenziale agente nelle grandi scariche atmosferiche, le quali provocano delle scintille lunghissime, non sia elevata quanto risulterebbe da un rapporto semplice calcolato in base alle distanze esplosive che si verificano nelle esperienze di laboratorio. Questa questione è però complicata, dipendendo la distanza esplosiva, non solo dallo stato dell'atmosfera, ma anche dalla forma dei conduttori, e, come appresso vedremo, dalle influenze estranee che possono essere provocate da vibrazioni luminose ed elettro magnetiche,
Le fig. 294 e 295 rappresentano gli aspetti più comuni delle scintille che si ottengono colle comuni macchine elettrostatiche , quando la distanza esplosiva è grande, si ottengono delle ramificazioni oppure degli effluvi accompagnati da un forte soffio di aria.
Fig. 294-295 – Aspetto della scintilla elettrica nell’aria
Le scintille date dai rocchetti di Ruhmkorff sono in generale più forti ed assumono l'aspetto di fuochi luminosi scoppiettanti, e di grande lunghezza. (fig. 296). Ma un interesse particolare offrono le scariche nel vuoto o nei gas molto rarefatti, perciò ne indicheremo le caratteristiche principali nel capitolo seguente.
Fig. 296 – Scintilla ottenuta con un grande rocchetto di Ruhmkorff

References: §172

§173
 § 148

§174

§175

§176
 § 153

§177