La gabbia di Faraday

Se in cielo vedete dei fulmini, saprete certamente che non è il caso di sostare sotto un albero. E senz'altro avrete sentito il consiglio secondo cui, in caso di temporale, l'interno di un'automobile è il luogo più sicuro dove rifugiarsi (magari dopo aver chiuso i finestrini).

Quello che forse non sapete è che questo consiglio nasce ben prima dell'invenzione dell'automobile. Per essere precisi, lo si deve ad uno degli scienziati più influenti della Storia, l'inglese Michael Faraday, che osservò e formalizzò il fenomeno nel 1836.

L'esperimento di Faraday è talmente affascinante nella sua semplicità che vale la pena descriverlo. Immaginate un contenitore cavo fatto di un materiale conduttore (se siete edonisti, un secchiello per champagne andrà benissimo). Assicuratevi che esso poggi su una superficie isolante: non vogliamo che cariche libere possano influenzare il nostro apparato sperimentale. Procuratevi una sfera conduttrice, caricatela di elettricità (ad esempio positivamente) e calatela con un filo di seta all'interno del secchiello; sospendetela dunque senza che essa ne tocchi il fondo. Ferma nella sua posizione, la sfera emette un campo elettrostatico all'interno del secchiello. La domanda di Faraday (e la nostra) è la seguente: quali sono le conseguenze sul secchiello?

In modo non dissimile da una calamita, il campo elettrico generato dalla carica positiva (ben sospesa all'interno della cavità) attirerà cariche opposte, quindi negative, sulla superficie interna del contenitore. Tali cariche negative hanno però un'ulteriore conseguenza: poiché il secchiello deve restare complessivamente neutro (il numero di cariche negative e positive deve essere lo stesso), che fine hanno fatto le cariche positive? La Natura ci dice che l'unico luogo possibile risiede sulla superficie esterna del secchiello.

Ecco dunque una proprietà fondamentale dei conduttori: le cariche libere si dispongono sempre sulla loro superficie (ad una profondità di uno o due strati atomici) in modo che il risultante campo elettrico nella sua "polpa" sia sempre nullo. Tale importante fatto, che Faraday poté formalizzare con una legge che porta il suo nome, ci dice due cose:

1. Se una carica elettrica si trova nella cavità di un conduttore, la stessa carica elettrica viene indotta sulla superficie del conduttore stesso. E' quindi sufficiente mettere il conduttore a terra per annullare gli effetti esterni della carica sospesa interna. E' il motivo per cui non veniamo irraggiati dal forno a microonde ogni volta che lo mettiamo in funzione.

2. Consideriamo le cose nell'altro verso: trovandoci ora all'interno di un contenitore metallico, detto non a caso gabbia di Faraday, con un fulmine che ci minaccia dall'esterno, lo spessore di materiale conduttore (ad esempio la lamiera di un'automobile) è sufficiente da schermare i fenomeni esterni.

E' insomma una legge fisica molto semplice, ma oggi sfruttata dai cavi elettrici, da interi edifici e alla base di tutte le apparecchiature elettroniche.

Com'è possibile sfuggire alla gravità terrestre?

Quello che segue è il primo post di una serie nel quale mi impongo di affrontare un argomento per un pubblico che sia il più ampio possibile. La condizione più difficile da rispettare sta tuttavia nella lunghezza: il pezzo non deve superare i tremila caratteri. Buona lettura!

L'esperienza ce lo insegna: cadere fa male. Se fosse possibile ce lo confermerebbe naturalmente Icaro che, al pari del "collega" Ulisse, venne punito per avere tentato di conoscere le leggi di un mondo che non appartiene agli uomini. Lo sanno bene altresì coloro che edificarono la torre di Babele, o i Titani che attentarono all'Olimpo per poi precipitare nel Tartaro. Nell'immaginario occidentale un simile rapporto a dir poco conflittuale tra Cielo e Terra rimase immutato per secoli.

Qualcosa cambiò quando in una famiglia di allevatori inglesi del XVII secolo nacque un uomo destinato a cambiare il mondo: il suo nome era Isaac Newton. Fisico, matematico, alchimista ed economista, lanciò nella storia della scienza una rivoluzione che è difficile sopravvalutare. Pochi lo sanno, ma a Newton si deve infatti la prima, e forse più importante Grande Unificazione delle leggi fisiche.

Il famoso episodio della mela che colpì in testa lo scienziato è con tutta probabilità leggendaria, sebbene sia storicamente confermato che Newton fu ispirato dalla caduta di un frutto nel suo giardino. Comunque andarono le cose, il suo genio seppe legare l'orbita della Luna all'esperienza quotidiana dell'attrazione terrestre. Fu così che nacque la Gravitazione Universale: una legge capace di descrivere una singola forza di attrazione, dipendente dal prodotto delle masse dei corpi coinvolti e dall'inverso del quadrato delle distanze, ed efficace nello spiegare buona parte dei fenomeni fisici noti all'epoca. Dal punto di vista filosofico, Newton non solo affermò che ciò che regola il moto dei corpi sia celesti sia terrestri è esprimibile tramite il linguaggio della matematica, ed è quindi accessibile alla mente dell'Uomo (sebbene in questo fosse stato preceduto dal Galilei nostrano), ma soprattutto che tali moti non sono che diverse manifestazioni di una stessa ed unica legge, capace di estendersi senza soluzione di continuità dai frutti di un umile cortile all'immensità del cosmo.

Sfuggire alla gravità terrestre non è che una mera applicazione dell'impianto teorico newtoniano. Ciò che serve conoscere è la velocità di fuga: un corpo che ne è in possesso è definitivamente libero dalla condanna di ricadere sulla superficie del pianeta che lo ospita, o di dover orbitare attorno ad esso. Si tratta quindi della minima velocità iniziale necessaria per andare da un punto qualunque di un potenziale gravitazionale verso l'infinito, con velocità residua nulla.

Oggi sappiamo che nel caso della Terra essa ammonta a circa 11 km/s, più di trenta volte la velocità del suono, e poco più delle 7 miglia all'ora previste dallo stesso Newton.

Tra l'invenzione della ruota e la pubblicazione dell'opera magna dello scienziato inglese (i Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) passarono circa sette millenni; ma tra quest'ultimo evento e il lancio del primo oggetto artificiale oltre il sistema solare, il Voyager 1, trascorsero meno di trecento anni. Tanto bastò agli uomini per salire sulle spalle di Newton, sconfiggere finalmente gli dèi ed affrancarsi dalla gravità. Un risultato niente male, per il figlio di due allevatori.