FOUCAULT : rotazione terrestre,correnti indotte,velocità della luce.

Léon Foucault nasce a Parigi nel 1819. Spirito multiforme interessato a vari aspetti legati al mondo della fisica, si appassiona di dagherrotipia, di illuminazione (studia l'arco elettrico) e di ottica (fenomeno dell'interferenza). In seguito, attraverso il metodo dello specchio rotante, riesce a determinare con buona approssimazione la velocità della luce nell'aria e nell'acqua, dimostrando che la velocità della luce varia in ragione inversa all'indice di rifrazione del mezzo in cui si propaga. In questo modo egli dà un'ulteriore smentita della teoria corpuscolare della luce, allora notevolmente criticata da più parti. Con le ricerche sull'elettromagnetismo individua le correnti, in seguito dette “di Foucault”, che si generano nelle masse metalliche per induzione da campi magnetici variabili. Egli è anche un abile costruttore di apparecchiature scientifiche e mette a punto un giroscopio, un nuovo tipo di telescopio e un prisma polarizzatore. Una delle esperienze più note messa in atto da Foucault, e più volte ripetuta in seguito, è quella che dimostra sperimentalmente la rotazione della terra. Nel 1851, sotto la cupola del Pantheon di Parigi, fa oscillare un pendolo che va lievemente a sfregare su uno strato di sabbia, mostrando come l'asse di oscillazione del pendolo ruoti, nell'arco delle ventiquattro ore, a causa della rotazione terrestre. Foucault muore a Parigi nel 1868.




Il pendolo e la rotazione terrestre.

 

Foucault fornisce una prova del moto di rotazione terrestre. Essa consiste nell'osservare lo spostamento del piano di oscillazine di un pendolo rispetto agli oggetti terrestri. L'esperimento messo in atto da Foucault è il seguente: egli appese al soffitto del Panthéon un pendolo formato da un filo lungo a cui era lagata una sfera che terminava con una punta che sfiorava un disco posto sul pavimento,cosparso di sabbia. Con il pendolo in movimento si osservò che il piano delle oscillazioni pendolari giarava poco a poco in senso orario,per chi guardasse il pendolo dall'alto. Poiché le leggi della fisica mostrano che il piano di oscillazione di un pendolo che possa oscillare liberamente in realtà rimane fisso nello spazio,fu facile dedurre che l'apparente rotazione di detto piano era dovuta al movimento del pavimento,o meglio al movimento della Terra che si muove in senso antiorario. Se il pendolo costruito da Foucault fosse messo ai poli,l'asse di sospensione verrebbe a trovardi in corrispondenza dell'asse terrestre e il piano di oscillazione compierebbe un giro di 360° in un giorno; all'Equatore invece non si sposterebbe affatto perché la Terra non compie nessuna rotazione intorno all'asse equatoriale

Correnti di Foucault (indotte).


Correnti di Foucault o Correnti parassite Effetto elettromagnetico che si osserva in un corpo conduttore massiccio attraversato da un campo magnetico variabile. Il fenomeno consiste nell’insorgenza di correnti elettriche parassite, che circolano su circuiti chiusi all’interno del corpo conduttore, dissipando energia. Tali correnti sono alimentate dalla forza elettromotrice indotta che insorge per induzione elettromagnetica: secondo la legge di Faraday-Neumann, se il conduttore è investito da un campo magnetico il cui flusso attraverso la sua superficie varia nel tempo, si produce una forza elettromotrice indotta, pari appunto alla variazione di flusso nell’unità di tempo; il verso delle correnti parassite, così come prescrive la legge di Lenz, è tale da opporsi al campo magnetico che le ha generate. Poiché, come risulta dalla seconda legge di Ohm, la resistenza elettrica diminuisce all’aumentare della sezione del conduttore, in un corpo massiccio è relativamente piccola, ed è quindi piuttosto intensa la corrente che vi può circolare. Questo spiega il motivo per cui le correnti di Foucault, che nei comuni fili elettrici sono di intensità pressoché trascurabile, si rilevano soprattutto all’interno di conduttori di grosse dimensioni.
EFFETTI DELLE CORRENTI PARASSITE
La presenza di correnti parassite all’interno di un conduttore si può rivelare facilmente osservando che il corpo in questione a poco a poco si riscalda. Come è noto, infatti, l’attraversamento di un conduttore da parte di una corrente elettrica avviene con dispendio di energia, che viene dissipata sotto forma di calore – un fenomeno noto con il nome di effetto Joule.
IMPIEGHI PRATICI
Il fenomeno delle correnti parassite trova un impiego nei freni elettrodinamici, utilizzati soprattutto per mezzi pesanti come i treni. Il principio di funzionamento di questo tipo di freni sfrutta essenzialmente la legge di Lenz, vale a dire, il fatto che il campo magnetico generato dalle correnti di Foucault si opponga al campo magnetico che le ha generate. Durante la frenata, le ruote metalliche del treno vengono investite dal campo magnetico di un apposito elettromagnete, e quindi interessate dal fenomeno delle correnti parassite. Queste correnti generano a loro volta un campo magnetico opposto a quello che le ha prodotte, causando il rallentamento delle ruote, tanto più efficientemente quanto maggiore è la velocità di rotazione. Poiché l’efficienza della frenata diminuisce al diminuire della velocità, i freni elettrodinamici hanno la caratteristica di produrre un rallentamento non brusco, ma graduale. 

 

La determinazione della velocità della luce.
Lo specchio rotante.

Uno dei primi problemi quantitativi affrontati nello studio della natura della luce e della sua propagazione è la determinazione della sua velocità. Si riteneva giustamente che tale velocità, per quanto grande, non fosse infinita, anche se la finitezza non era percepibile nella maggior parte dei fenomeni naturali.
Il primo che tentò di dare una valutazione della velocità della luce fu Galileo Galilei.
Scriveva in un suo trattato:
" SIMPLICIO: Mostra l'esperienza quotidiana, l'espansione del lume esser istantanea; mentre che vedendo in gran lontananza sparar una artiglieria, lo splendor della fiamma senza interposizion di tempo si produce agli occhi nostri, ma non già il suono all'orecchie, se non dopo notabile intervallo di tempo.
SEGREDO: Ehi, Signor Simplicio, da codesta notissima esperienza non si raccoglie altro se non che il suono si conduce al nostro udito in tempo men breve di quello che si conduce il lume; ma non mi assicura se la venuta del lume sia perciò istantanea, più che temporanea, ma velocissima .... ''
L'esperimento che tentò Galileo fu quello di porre due persone l'una di fronte all'altra munite di due lumi. La prima persona scopre il proprio lume, la seconda esegue la medesima operazione non appena scorge il segnale. In tal modo la prima persona avrebbe dovuto avere la possibilità di misurare il tempo necessario alla luce per compiere il percorso di andata e ritorno. Ma tale velocità era veramente troppo grande per poter essere apprezzata su distanze terrestri, cosicchè l'esperimento, pur se ripetuto ponendo le persone a distanza di due o tre miglia, non diede alcun risultato.
In linea di principio la tecnica deve considerarsi corretta, ma c'è bisogno, per ottenere risultati apprezzabili, di osservare le cose su distanze estremamente grandi, dell'ordine di milioni di miglia!
Distanze di tale ordine di grandezza intervengono nelle osservazioni astronomiche, e fu proprio nell'ambito di studi astronomici che si ebbe la possibilità, molti anni dopo l'esperimento di Galileo e precisamente nel 1676, di ottenere una stima sufficientemente precisa della velocità della luce. Fu grazie al contributo del danese Romer (1644 - 1710), e dei suoi studi sulle eclissi dei satelliti di Giove. Come abbiamo già detto un'eclissi si osserva quando il satellite entra nel cono d'ombra del pianeta. Se il periodo di rivoluzione è costante allora le eclissi avvengono ad intervalli regolari. Ciononostante l'osservatore sulla terra sperimenta che tali intervalli variano durante l'anno e ciò è dovuto alla diversa distanza in cui viene a trovarsi la terra rispetto a Giove.
Iniziamo la prima osservazione dell'eclissi quando la posizione dei vari astri è come quella descritta in figura (4.1).

Dall'analisi dei tempi di rivoluzione si calcola che la seconda eclissi dovrebbe osservarsi esattamente dopo sei mesi. In effetti l'osservazione avviene con un ritardo di tempo . Ciò è dovuto alla nuova posizione della terra: (lo spostamento di Giove in 6 mesi è trascurabile).

Per poter osservare la seconda eclissi la luce dovrà percorrere un tratto più lungo per raggiungere la terra: la differenza di lunghezza dei due percorsi è , pari al diametro dell'orbita terrestre. Il ritardo di osservazione sarà pertanto: dove C è la velocità della luce.
Da ciò si ricava:

Romer misurando un ritardo pari a , noto il valore , ricavò per la luce una velocità pari a:

Successivi esperimenti più precisi gli consentirono di approssimare il valore a

Altri esperimenti di tipo astronomico furono condotti da Bradley studiando il fenomeno della Aberrazione Astronomica; i risultati da lui ottenuti non si discostarono molto da quelli di Romer.
I primi a tentare la misurazione della velocità della luce con metodi non astronomici furono Fizeau e Foucault. Essi riuscirono ad applicare praticamente l'idea teorica di Galileo di misurare il tempo impiegato dalla luce a percorrere un certo cammino nei due sensi.
Fizeau utilizzò uno strumento così composto: una sorgente luminosa, uno specchio ed una ruota dentata posta fra di essi (fig. (4.3)).

Il raggio di luce parte dalla sorgente e passando attraverso uno spazio vuoto della ruota dentata raggiunge lo specchio, viene riflesso e ritorna al punto di partenza. Il raggio di ritorno può essere intercettato da un "dente" della ruota se essa gira con sufficiente velocità angolare. è proprio la misura della velocità angolare necessaria ad intercettare il raggio riflesso che consente la misurazione della velocità della luce. Infatti se la luce riflessa viene intercettata, vuol dire che il tempo impiegato dalla luce per percorrere due volte (andata e ritorno) la distanza ruota-specchio è uguale al tempo impiegato dalla ruota a percorrere l'angolo , fra il centro di un faro e il centro di un dente.

Tale intervallo di tempo sarà dato, se è la velocità della ruota necessaria affinchè avvenga il fenomeno, da:

Questo fornisce:

dove l è la distanza ruota-specchio.
Il valore di C ottenuto in tal modo fu:

L'imprecisione per eccesso era dovuta al fatto che l'osservazione della "sparizione della luce", segno che il raggio viene intercettato, è una operazione che risente dei "riflessi" dell'osservatore per cui è soggetta ad errori.
L'esperienza fu migliorata da Foucault, il quale anzicchè una ruota dentata utilizzò uno specchio rotante.

Il raggio parte da S e viene riflesso dallo specchio rotante, raggiunge il secondo specchio e viene nuovamente riflesso dallo specchio rotante, che nel frattempo avrà compiuto una rotazione pari a un angolo (fig. (4.5)).

Dunque il raggio partito dal punto A sarà proiettato sul punto B.
La distanza fra A e B consente di ottenere l'angolo e se è nota, si ottiene il valore di , che è il tempo impiegato dalla luce per percorrere la distanza fra i due specchi per due volte.
Con questo metodo Foucault ottenne un valore per C pari a:

Altre esperienze condotte da Michelson agli inizi del secolo utilizzando gli stessi strumenti di Foucault, diedero un valore:

Il valore più preciso finora ottenuto per la velocità della luce risale al 1970, ed è:

Nel 1983, la velocità della luce è stata utilizzata per definire l'unità di lunghezza. Oggi infatti si chiama metro la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299792458 secondi. Dunque la velocità della luce è posta per definizione pari a