L'errore che si commette nella descrizione dei circuiti elettrici, pensando al moto degli elettroni come causa dell'effetto "accensione" di una lampadina, assomiglia molto a ciò che è capitato per la legge di gravitazione di Newton. Proprio lo stesso Newton era sicuro che la sua descrizione dovesse essere migliorata drasticamente. Lui non riusciva ad accettare che vi fosse una forza senza alcun contatto tra un pianeta e il suo satellite e, in generale, tra due masse distanti. Eppure, attraverso la sua formulazione, si riesce ancora oggi a far viaggiare velivoli nello spazio e prevedere esattamente fenomeni futuri,

Aggiungiamo anche che il grande Galileo aveva già pensato e provato a misurare la velocità della luce, ma senza alcun risultato data la tecnologia dei suoi tempi.  Fu Roemer a darne una prova tangibile con i ritardi e gli anticipi dei transiti dei satelliti gioviani.

Dopo circa tre secoli, la Relatività Ristretta, prima, e quella Generale, dopo, dettero il colpo finale alla teoria di Newton, che, molto probabilmente, ne sarebbe stato contento... quella forza a distanza non lo faceva dormire e, in effetti, non esisteva!

Purtroppo, ancora oggi è difficile trovare l'insegnamento della Relatività nelle scuole, sebbene qualsiasi ragazzino dovrebbe sapere che il suo GPS non funzionerebbe senza di essa. Analogamente, i muoni non arriverebbero mai sulla Terra senza la teoria di Einstein. Finalmente, la tecnologia (quella veramente utile) ha avuto a che fare direttamente con la velocità della luce e con lo spazio-tempo deformabile e si è accorta della sua importanza fondamentale.

In conclusione, non c'è nessun male a utilizzare ancora la legge di Newton quando si ha a che fare con la realtà "comune" che ci circonda, ma è assolutamente obbligatorio sapere che non è altro che una approssimazione "di comodo" e che la realtà è ben diversa dalla sua descrizione. Non parliamo nemmeno di meccanica quantistica che ha dato un'ulteriore colpo alla descrizione della realtà del microcosmo, cambiando completamente gli attori principali dell'Universo e le loro azioni.

Qualcosa di simile è accaduto per i fenomeni elettrici e magnetici. C'era di nuovo bisogno di trasmettere una forza senza alcun contatto, ma, finalmente, Maxwell riuscì a spiegare l'intera faccenda introducendo il campo elettromagnetico (EM), vero portatore di energia a distanza. E' proprio il suo campo  ad avere il ruolo fondamentale e non la ormai sorpassata idea che siano delle strane particelle chiamate elettroni che trasportino l'energia capace di accendere una lampadina all'interno di un filo. Eppure non solo non lo si insegna ai ragazzi, ma spesso e volentieri nemmeno all'Università. Abbiamo proprio visto, la volta scorsa, come la meravigliosa IA sia molto confusa sulle risposte da dare. Se facciamo una domanda vaga e puramente sperimentale è facile che si limiti alla descrizione  concettualmente sbagliata degli elettroni che corrono. Se, invece, le facciamo capire che sappiamo chi sono Maxwell & Co., sale di livello e tenta di dirci la verità, anche se non senza qualche confusione.

Qualsiasi elettricista che non conosca Maxwell e il suo campo EM, è comunque in grado di sistemare un circuito elettrico, dato che esistono formule, basate su un concetto sbagliato, che operano comunque bene (un po' come la gravità Newtoniana), ma per sfruttare al meglio la visione generale di Maxwell ci vuole qualcuno che conosca la sua scoperta veramente a fondo, per non commettere errori madornali nella progettazione di sistemi ben più complessi. Purtroppo se da Einstein è passato un secolo, da Maxwell addirittura due e poco è cambiato nell'idea della gente comune.

Ecco come stanno le cose...

Prendiamo una semplice pila, una batteria, e connettiamo  due fili di ramea una lampadina. Si genera un movimento degli elettroni causato dalla differenza di potenziale tra i due fili. Questo movimento genera un campo magnetico attorno ai fili. La differenza di potenziale tra i due fili di rame crea anche  un campo elettrico che si estende non solo alla batteria, ma a tutto lo spazio attorno al circuito. L'unione di questi due campi porta a un campo elettromagnetico che trasporta veramente energia e che si propaga alla velocità della luce. Il moto degli elettroni che scorrono nel filo (corrente elettrica),  non solo è estremamente lento ma NON trasporta energia.

Ribadiamo, ancora, Il movimento degli elettroni non trasmette energia e non accende la lampadina. L'energia non viaggia dentro il metallo, ma nello spazio circostante. Il campo magnetico (figlio della corrente) e il campo elettrico  (figlio della tensione) si incrociano ad angolo retto e la "stretta di mano" tra due campi perpendicolari  individua la direzione dell'energia elettromagnetica .

Rigettiamo, quindi, l'idea che la corrente elettrica sia ciò che accende la lampadina. No, essa è soltanto il lentissimo moto degli elettroni nel filo. Essa è, però, anche la "guida" per il campo elettromagnetico esterno, quello veloce come la luce, che, senza guida, si disperderebbe nello spazio perdendo di intensità. Il filo, perciò, diventa solo un indicatore stradale, un canyon in cui scorre il fiume, non il fiume vero.

Analizziamo meglio cosa succede nel filo di rame.

Il filo di rame può essere rappresentato come un insieme enorme di atomi. Scegliamo il rame che, come l'argento e l'oro, ha un solo elettrone nella fascia più esterna. Questi elettroni sono sempre in continuo movimento dato che possono facilmente staccarsi dal nucleo e ritornare o cambiare sede. Il loro movimento è velocissimo, quasi come quello della luce, ma è del tutto casuale. In pratica, ognuno va per conto suo e non esiste una direzione preferenziale. Come, però, viene collegata la batteria con la lampadina (si chiude il circuito) la differenza di potenziale inizia a muovere gli elettroni anche in una certa direzione ben prestabilita, lungo il filo. Questo comando di movimento "ordinato" può ben poco con gli elettroni che stanno muovendosi in modo caotico. Tuttavia, immaginiamo che il movimento caotico sia come quello di un gruppo di viaggiatori in una stazione ferroviaria: ognuno segue il suo percorso che, in media, porta a un insieme di elettroni che rimangono sempre allo stesso punto. La differenza di potenziale riesce, però, a diventare una raffica di vento continua verso la direzione del filo, da batteria a lampadina. Gli elettroni viaggiatori hanno sempre il loro moto casuale, ma ognuno è costretto a "sentire" anche il vento che lo spinge di lato. In poche parole tutto il gruppo tenderà ad andare verso la direzione del vento, ma in modo estremamente lento: la loro corsa verso i treni é enormemente più rapida del vento.

In generale, un lento scorrimento di elettroni esiste nel filo, ma esso non è come un fiume. Non possiamo vedere un flusso globale di elettroni che scorre, ma solo un leggero spostamento guidato dal circuito e dalla sua differenza di potenziale. Come già accennato nell'articolo precedente, questo flusso si muove con una velocità media che è dell'ordine di 10^-4 - 10^-5 metri  al secondo (dipende dal diametro del filo e dall'intensità della corrente). Facendo i calcoli, per una intensità di 1 ampere, un diametro di 2 mm e se la batteria distasse 5 metri dalla lampadina, questo flusso impiegherebbe ben  17 ore circa. No, non è certo quello che capita.

E nemmeno possiamo pensare che il filo sia pieno di elettroni tutti pronti a muoversi nella direzione voluta, come quando si apre il rubinetto: non è certo la goccia d'acqua che parte dal serbatoio quella che esce dal rubinetto. Ogni goccia d'acqua spinge quella dopo e quindi si ha un'uscita quasi immediata. Gli elettroni non sono, però, palline pronte a essere spinte, ma si muovono dovunque e si urtano in modo casuale. In altre parole, la corrente che viaggia lungo il filo non tramette energia cinetica in una direzione precisa. Anzi, non tramette proprio energia.

E' il campo elettromagnetico che si crea tutt'attorno al filo che porta energia. I campi hanno energia anche se si muovono nel vuoto, dato che il vuoto è ricco di particelle o come preferiamo chiamarle. Nascono i fotoni che, come ben sappiamo non hanno massa, ma energia sì. Sono loro che, figli del campo elettromagnetico, trasportano "fisicamente" l'energia dalla batteria alla lampadina.

In realtà, un circuito elettrico avrebbe anche bisogno di essere interpretato come campo quantico probabilistico, ma, per il momento, ci basta la visione quasi fantasiosa ma geniale di Faraday e quella più rigorosa di Maxwell: il campo elettromagnetico viaggia alla velocità della luce ed è capace di portare energia, a seconda della sua frequenza. Il che vuol dire che la stessa situazione si deve applicare a tutte le lunghezze d'onda e non solo a quelle del visibile. La luce è solo un piccolo intervallo di frequenze, visibile con i nostri occhi, ma esistono altri intervalli come i raggi gamma, da un lato estremo, e le onde radio dall'altro.

Qualcuno potrebbe dire: "Ma, per quale motivo, allora, si usa il filo di rame? Si potrebbe anche farne a meno...". Teoricamente sì, e anche praticamente. Le onde radio, il Wi- Fi, i cellulari e via dicendo non hanno bisogno di fili. Le condizioni necessarie per concentrare il campo EM in  direzione e verso mirati viene data da un'antenna. Ricordiamo che si era tentato di trasmettere l'EM via cavo, come per la lampadina, ma creava non pochi problemi di stabilità. E, in realtà, non era assolutamente necessario.

Cari amici, ogni tipo di informazione dal mondo che ci circonda lo dobbiamo solo e soltanto al campo elettromagnetico e al gioco continuo degli elettroni e dei fotoni, come la QED di Feynman ci ha insegnato. Ultimamente, a questo predominio, si sono aggiunte le onde gravitazionali,  Le loro informazioni, al momento, si limitano a lunghezze d'onda particolari, ma un nuovo futuro è nelle loro "mani". Sarebbe un vero sogno riuscire a capire perché un fenomeno così simile non sia anch'esso nelle mani di un campo gravitazionale che agisce tramite i gravitoni, ossia i "fotoni gravitazionali". E' uno dei grandi problemi insoluti, ma sono convinto che prima o poi (se l'uomo avrà ancora voglia di pensare) la meccanica quantistica riuscirà a unificare due teorie che sembrano attualmente incompatibili.

Torniamo al nostro semplice circuito e vediamo, nel modo più semplice possibile, cosa realmente succede. Fondamentale a questo riguardo è stato il contributo di Poynting, attraverso il suo vettore, che nato da un semplice prodotto vettoriale ha mostrato quali devono essere la direzione e il verso dell'energia trasportata dal campo elettromagnetico.

Gli elettroni, con il loro lento moto di deriva, qualcosa riescono a fare: indurre un campo magnetico che si avvolge attorno al filo di rame. Ma è fondamentale introdurre anche un campo elettrico, NON CREATO dagli elettroni in movimento, ma dalla differenza di potenziale che esiste tra i due rami del filo di rame (uno è positivo e l'altro negativo). Questo campo elettrico, insieme a quello magnetico dà vita proprio al campo EM.

La Fig. 1 ci mostra, attraverso le linee di campo,  come si presentano i due campi e come si combinino insieme.

La Fig. 3, che mi è costata non poca fatica e che spero dia una visione semplice e chiara del fenomeno (sul web viene spesso presentata in modo poco comprensibile), illustra ciò che capita su piani (gialli)  perpendicolari al filo di rame, indicato con la linea nera molto spessa.

Vi sono rappresentate alcune linee di campo sia elettrico (rosse) che magnetiche (blu) e, attraverso le tangenti alle linee di campo, si sono evidenziati i rispettivi vettori. Facendone il loro prodotto vettoriale (regola della mano destra) si vede come la direzione e il verso del campo EM, ossia del trasporto energetico ultra veloce, vada sempre parallelamente ai fili, dalla batteria verso la lampadina. Risulta anche ben chiaro come il filo sia necessario per guidare il campo in modo efficiente, senza inutili dispersioni, verso la lampadina. A sinistra e a destra della figura vediamo anche la situazione nella batteria e nella lampadina. Attraverso il vettore di Poynting vediamo come nella batteria l'energia si allontani da lei in ogni direzione, mentre nella lampadina l'energia entri verso la resistenza.

La Fig. 3 illustra invece la situazione nel piano giallo

mentre la Fig. 4 mostra la situazione nel piano rosa di Fig. 2.

Sono stato decisamente ripetitivo, ma è meglio abundare quam deficere...

L'energia viaggia in uno spazio vuoto... ma questo vuoto in realtà non è vuoto, quasi fosse una specie di "etere" in cui i campi e le loro vibrazioni si incontrano, si abbracciano e si disturbano con risultati straordinari. Talmente straordinari che il nostro cervello, anch'esso formato da vibrazioni, riesce a renderli tangibili, creando l'illusione della materia. Ma di questo parleremo meglio in un altro articolo.

Questo ultima considerazione ci dice, ancora una volta, che il filo non è teoricamente necessario, dato che il campo EM si distribuisce tutt'attorno alla batteria e finisce alla lampadina da ogni direzione dello spazio. Tuttavia, il filo ha il ruolo di concentrare il campo  senza disperderlo e rendere troppo bassa l'energia che giunge alla lampadina.

A questo riguardo voglio presentarvi un esperimento mentale, diventato poi anche pratico, che può essere molto illuminante (in tutti i sensi). Immaginiamo (Fig. 5a) di avere un circuito elettrico in cui la batteria disti 300 000 km dalla lampadina. Quanto tempo ci vuole perché si accenda? Facile a dirsi: 1 secondo, giusto il tempo che il campo si espanda e raggiunga la lampadina. Un bel risultato!

Costruiamo, adesso, un circuito un po' differente (Fig. 5b).

La batteria e la lampadina sono vicinissime (1 m), ma il filo di rame parte dalla batteria e poi percorre  300 000 km da una parte e dall'altra per raggiungere la lampadina. Quando si accende quest'ultima? Beh... nuovamente dopo 1 secondo, giusto il tempo che il campo EM copra l'intero circuito. E, invece, sembra proprio che se batteria e lampadina sono estremamente vicine (ad esempio, un metro), il campo che si estende dalla batteria investe immediatamente la lampadina e riesce a darli l'energia necessaria a farla accendere. La luce compare, in realtà, dopo una piccola frazione di secondo (1/c), giusto il tempo necessario affinché l'energia del campo percorra la distanza batteria-lampadina. Questa situazione dimostra molto bene come il filo sia solo una guida per avere un flusso energetico più sostanzioso.  Molti hanno rifiutato l'approccio mentale, dicendo che non poteva essere sufficiente. Tuttavia, un esperimento fatto con distanze, ovviamente, meno enormi (centinaia di metri e non centinaia di migliaia di chilometri) hanno mostrato come in realtà la lampadina riesca veramente ad accendersi anche se con una luce quasi impercettibile, che è seguita dalla completa illuminazione una frazione di secondo più tardi. Insomma, è come se azione e reazione avvengano a velocità maggiori di quella della luce. In realtà tutto dipende dal fatto che il percorso è decisamente piccolissimo e ciò mostra anche che, in realtà, la presenza del filo è solo un aggiunta di comodo per avere un'efficienza perfetta. L'alternativa è quella che abbiamo già menzionato. Possiamo fare a meno del filo, ma dobbiamo usare qualcosa che faccia la parte di guida come succede al filo. Questo qualcosa sono le antenne sia trasmettente che ricevente.

Come promesso, non ho inserito nessuna formula, ma mi sono limitato a una descrizione dei concetti, utilizzando spesso ripetizioni per non perdere il... filo. Spero  sia stato sufficiente per comprendere bene quale sia l'errore fondamentale nella spiegazione banalizzata che si dà nelle scuole. Il che potrebbe anche essere accettabile se si facesse sapere che è una soluzione di comodo, capace, comunque, di dare risultati corretti (come la gravitazione di Newton), ma che, per una vera spiegazione, bisogna seguire  un strada diversa. Un'informazione importante per non progettare sistemi - magari-  inutilizzabili,

Ancora una volta tutto si riduce al concetto di campo, sia che sia classico che quantistico. Ma alla domanda: "Cos'é un campo ?" La risposta può essere una sola: il campo eé, esiste. Punto e basta. Esso è l'essenza fondamentale dell'intero Universo. Una volta si diceva la stessa cosa per l'atomo, poi si è detto per il quark e per le particelle non divisibili, come il fotone, l'elettrone e via dicendo. Oggi sappiamo che la materia non esiste e dobbiamo cambiare nome alle vecchie particelle. Esse sono vibrazioni e oscillazioni dei campi e le loro interazioni creano tutto ciò che viene presentata come realtà per il nostro cervello. Ma la materia non esiste, esistono solo i campi, le loro interazioni. Il vuoto non è vuoto, ma è pieno di campi in continuo movimento, capaci di mostrarsi ai nostri limitati sensi come materia. Il vuoto non è vuoto, ma è un brulicare di vibrazioni appartenenti a campi diversi che si abbracciano e si lasciano in un continuo divenire. Questa è la realtà di oggi... Ma, essendo una realtà PENSATA dal nostro cervello potrebbe anche lei essere una specie di illusione come la realtà solida che ci circonda e che consideriamo come reale. Domani... chissà...