elettrodinàmica

Descrizione generale

sf. [sec. XX; elettro-+dinamica]. Parte dell'elettromagnetismo che studia le reciproche azioni tra circuiti percorsi da corrente o cariche elettriche in movimento e i campi magnetici generati (campi elettromagnetici). Secondo che ci si riferisca alla descrizione del campo elettromagnetico data dalle equazioni di Maxwell o a quella data dalla meccanica quantistica, si parla di elettrodinamica classica o di elettrodinamica quantistica. Se la trattazione è fatta in accordo con la teoria della relatività, come si rende necessario per cariche moventisi con velocità vicina a quella della luce, si parla di elettrodinamica relativistica.

Elettrodinamica classica

Nell'ambito dell'elettrodinamica classica, se si dispongono due circuiti elettrici percorsi da corrente in prossimità uno dell'altro, si osserva che tra essi si esercitano delle forze meccaniche, le quali vengono dette elettrodinamiche per la loro origine elettrica. Esse agiscono in un modo che dipende dalla posizione reciproca dei circuiti, dal verso e dall'intensità delle correnti che li percorrono. Ampère trovò una formula che permette di calcolare la forza che si manifesta tra i due circuiti e che nel caso particolare di due fili rettilinei paralleli, di dimensioni trasversali molto piccole rispetto alla loro distanza assume la forma: , in cui μ è la permeabilità magnetica assoluta del mezzo in cui si trovano i fili, i₁ e i₂ le intensità delle correnti che li percorrono, d la loro distanza. Con F si rappresenta, quindi, la forza che si esercita per unità di lunghezza dei due fili; ha direzione perpendicolare a essi ed è attrattiva se i versi delle correnti sono concordi, repulsiva in caso contrario. Se il mezzo è il vuoto: μ=4π∤10^-7 H/m, d=1 m, i₁= i₂=1A; si ottiene allora

Esaminando più in generale l'interazione tra cariche elettriche in moto e campo elettromagnetico e caratterizzando il campo elettromagnetico con i vettori E, intensità del campo elettrico, e B, induzione magnetica (collegati tra loro dalle leggi di Maxwell), l'azione F che esso esercita su una particella di carica q in moto con velocità v è espressa dalla fondamentale legge di Lorentz: F=q(E+ +v∧B) (qE forza elettrica, qv∧B forza magnetica). Da questa legge si può ricavare la legge di Ampère, tenendo conto che la corrente elettrica è un flusso di cariche. Il moto di una particella soggetta alla forza F di Lorentz segue le ordinarie leggi della meccanica: in particolare, per i teoremi della conservazione dell'energia e della quantità di moto del sistema isolato costituito dalla particella e dal campo elettromagnetico, si avrà che l'energia e la quantità di moto acquistate o perdute dalla particella debbono essere cedute o assorbite dal campo elettromagnetico. Nell'elettrodinamica classica si suppone che tali grandezze siano continue, per cui possono subire variazioni di qualsiasi entità, comunque anche piccole. Tale ipotesi è smentita da una serie di dati sperimentali (effetto fotoelettrico, emissione e assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche, ecc.), i quali mettono in evidenza i limiti dell'elettrodinamica classica: essa è valida per il mondo macroscopico, ma non può essere applicata senza modifiche a sistemi di dimensioni atomiche.

Elettrodinamica quantistica

Le contraddizioni con l'esperienza a cui porta l'elettrodinamica classica sono superate nell'elettrodinamica quantistica. Questa nuova teoria prese l'avvio dalla scoperta dell'effetto fotoelettrico, che mise in luce come il trasferimento di energia e di quantità di moto abbia carattere discontinuo, avvenga cioè per quanti indivisibili di energia e di quantità di moto (ipotesi di Planck), e rese necessaria una riformulazione in termini corpuscolari della descrizione ondulatoria classica del campo elettromagnetico. I suoi fondamenti furono stabiliti principalmente a opera di P. A. M. Dirac, W. Heisenberg, W. Pauli, E. Fermi tra il 1928 e il 1930, dopo che la meccanica quantistica aveva avuto la sua sistemazione definitiva. Dirac, nella sua teoria della radiazione (1927), diede una spiegazione del tutto soddisfacente dei fenomeni di assorbimento, emissione e diffusione della luce da parte di sistemi atomici. L'elettrodinamica quantistica, che richiede un apparato matematico estremamente complesso e che si fonda sulla quantizzazione del campo elettromagnetico, è riuscita a spiegare un gran numero di fenomeni di interazione tra campi magnetici e materia (effetto Compton, annichilimento di coppie particella-antiparticella, radiazione di frenamento, ecc.), ma lascia aperti alcuni problemi relativi ad alcuni suoi tipici procedimenti di calcolo. Con la meccanica quantistica costituisce la cosiddetta teoria dei quanti.

Bibliografia

Per la storia della scienza

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