Rispondere a questa domanda da un punto di vista teorico non è semplice poiché i libri di fisica non ci danno una risposta del tutto completa.
Sappiamo tuttavia che quando accendiamo l’interruttore le lampade si accendono quasi immediatamente tanto che l’opinione comune è quella di dire che la “corrente elettrica” viaggia alla velocità della luce.
La velocità della luce nel vuoto è pari a 299792458 m/s o più comunemente a 300 mila km al secondo (un miliardo e ottantamila km l’ora). e si indica con la lettera c minuscola (dal latino celeritas = velocità).
La lettera c fi introdotta nel 1894 da Paul Drude, il quale morì suicida nel 1906 ( lo stesso anno in cui si suicidò anche Ludwig Boltzmann).
Quando accendiamo la luce colleghiamo il filamento contenuto all’interno di una lampadina con una differenza di potenziale ( tensione) che fa sì che nel filamento passi una carica elettrica in modo simile a quello con cui la differenza di pressione esistente in un tubo per annaffiare fa passare l’acqua nel tubo. La rapidità con cui la carica elettrica scorre è chiamata intensità di corrente elettrica o più semplicemente corrente elettrica.
Nei fili conduttori la corrente è dovuta al moto degli elettroni che come sappiamo sono cariche elettriche negative; il moto degli elettroni in un filo conduttore è piuttosto complicato, infatti, se tra i capi del filo non c’è una tensione, gli elettroni si muovono in direzioni casuali con una velocità molto bassa.
Se si applica una certa tensione le cose cambiano: gli elettroni vengono soggetti a una forza che provoca un’accelerazione, tuttavia essi urtano contro le particelle costituenti il fili di rame e acquistano una velocità detta di deriva che tuttavia è ancora molto modesta ( 0,1 mm al secondo).
Per comprendere la conduzione occorre ricordare le equazioni che furono elaborate dallo scozzese James Clerk Maxwell nel 1873 che descrivono i fenomeni elettrici, magnetici e ottici (A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field).
Equazioni di Maxwell
1a Equazione
Descrive la relazione tra la carica elettrica e il campo elettrico, stabilendo che il flusso del campo elettrico è proporzionale alla carica elettrica netta.
2a Equazione
Il flusso del campo magnetico attraverso una superficie chiusa è sempre zero.
3a Equazione
Descrive come un campo magnetico variabile nel tempo genera un campo elettrico
4a Equazione
Descrive come una corrente elettrica variabile e un campo elettrico variabile nel tempo generano un campo magnetico
In sintesi, le equazioni di Maxwell forniscono un quadro completo e unificato dell’elettromagnetismo, mostrando come i campi elettrici e magnetici interagiscono tra loro e con le cariche elettriche.
Immaginiamo un cavo elettrico in cui scorre una corrente alternata (AC) Questa corrente variabile produce un campo magnetico variabile B0 e quest’ultimo produce un campo elettrico variabile E0 ; questo a sua volta produce un campo magnetico B1 che produce un campo elettrico variabile E1 e così via di seguito ( B2, E2, B3 E3 … )
Se eliminassi le sorgenti eliminerei anche i rispettivi campi, viceversa se invece eliminassi il filo percorso dalla corrente AC il fenomeno di cui sopra una volta innescato si alimenterebbe da solo producendo quello che viene chiamato campo elettromagnetico.
Quest’ultimo è oscillante ed è costituito da onde elettromagnetiche che viaggiano alla velocità della luce.
Heinrich Hertz nel 1887 confermò la presenza delle o.e. calcolandone la lunghezza d’onda, la frequenza e la velocità e trovò che era la stessa di quella della luce (300 mila km/s) che aveva calcolato teoricamente Maxwell quattordici anni prima.
Riepilogando:
Maxwell aveva trovato che il campo elettromagnetico aveva le seguenti caratteristiche:
- Si propagava anche nel vuoto a differenza delle onde elastiche come il suono che si propagavano solo in un mezzo materiale.
- Il campo elettrico (E) e quello magnetico (B) erano ortogonali tra loro e ortogonali alla direzione di propagazione
- I due campi erano in fase tra loro
- Il campo elettromagnetico era auto-consistente, infatti, l’onda radio generata dagli elettroni di un’antenna si propagava nello spazio anche se non era più alimentata da quegli elettroni che l’avevano generata.
- La velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto era pari a circa 3 x 108 m/s come risultava dal rapporto tra 1 e la radice quadrata del prodotto tra la costante dielettrica del vuoto e la permeabilità magnetica del vuoto. Questo vale in tutti i sistemi di riferimento come affermerà Einstein (Relatività ristretta 1905)
- Nella materia la velocità delle o.e. è minore di quella del vuoto ed è calcolabile dal rapporto tra la velocità della luce e la radice quadrata del prodotto della costante dielettrica relativa e la permeabilità magnetica relativa del materiale in questione. Nel rame, il materiale più utilizzato nella conduzione elettrica, tale velocità è circa il 95% di quella della luce nel vuoto.
- Il rapporto tra il campo elettrico E e quello magnetico B nel vuoto è E/ B = c (velocità della luce).
- Le onde elettromagnetiche sono prive di masse, ma portano energia e quantità di moto
Un allievo di Maxwell, John Henry Poynting nel 1883 sviluppò un vettore ( vettore di Poynting) che descriveva la direzione e l’intensità del flusso di energia dovuto a un’onda elettromagnetica nel vuoto mostrando che l’energia fluiva nella stessa direzione del campo elettromagnetico ( regola della Mano Destra).
Questo fatto sta a significare che l’energia elettrica è trasportata dai campi elettromagnetici e non dagli elettroni come spesso si suol dire.
In definitiva quando accendiamo la luce le o.e. trasportate dal campo elettromagnetico viaggiano a velocità pressoché prossima a quella della luce ( 95 % di c) tanto che a noi appare istantanea all’apertura dell’interruttore.
Nota 1
Il vettore di Poynting appare anche ne teorema riguardante la conservazione dell’energia per il campo elettromagnetico ( teorema di Poynting 1894). Si trova anche la relazione S = E x b x 1/μ0 dove μ0 è la permeabilità magnetica del vuoto
Nota 2:
Oliver Heaviside (1850-1925) riformulò le equazioni di Maxwell rendendole più compatibili con la meccanica quantistica
La foto in copertina è di stokpic da Pixabay
Molto interessante, grazie