Questo strumento è un galvanometro astatico per la misura di deboli intensità di corrente continua. È del tipo ad ago magnetico mobile, ossia la misura si basa sulla deviazione angolare di un ago calamitato in un campo magnetico prodotto da una bobina percorsa dalla corrente da misurare. L’intensità di corrente è espressa in gradi di deviazione dell’ago, il cui verso di rotazione fornisce anche l’indicazione del verso di scorrimento della corrente nel conduttore. È costituito da una base in ottone girevole sostenuta da tre piedini a vite calante, sulla quale è appoggiata una bobina composta da due serie indipendenti di avvolgimenti di filo conduttore, rivestito di seta come isolante, i cui estremi sono collegati a quattro serrafili in ottone. Il numero di avvolgimenti nelle due serie non è lo stesso, pertanto, probabilmente, erano usate tanto separatamente quanto insieme secondo necessità. Per rendere la misura indipendente dal campo magnetico terrestre, lo strumento monta il sistema astatico del fisico italiano Leopoldo Nobili (1784,1835), ossia una coppia di aghi magnetici, rigidamente collegati fra loro, sospesa tramite un filo (presumibilmente in origine di seta) ad un sostegno regolabile di ottone. Gli aghi sono posizionati con i poli invertiti ed in modo da essere uno esterno alla bobina ed uno interno ad essa. Uno specchietto, solidale con gli aghi, rende possibile la lettura delle misure con il metodo Poggendorff (1796,1877). Tutto l’apparato di misura è protetto da una campana di vetro, originale, a forma di parallelepipedo. Lo strumento porta incisa sull’ottone la scritta: Atelier Ruhmkorff J. Carpentier Ing. Const. Paris 1750. Questo tipo di galvanometro presenta accorgimenti, frutto degli studi di molti scienziati, che lo rendono particolarmente sensibile e versatile, per questo fu molto popolare e rimase sul mercato per decenni, fino ad oltre il 1900.
E’ noto, dall’esperienza condotta attorno al 1820 dal fisico e chimico danese Hans Christian Ørsted (1777,1851), che l’ago di una bussola tende a disporsi perpendicolarmente ad un filo conduttore percorso da corrente sia quando il conduttore è sopra l’ago sia quando è sotto. In realtà, il risultato era già stato osservato dall’italiano Gian Domenico Romagnosi nel 1802 [1], ma non fu creduto dalla comunità scientifica di allora. Poco tempo dopo l’esperienza di Ørsted, nel 1820, un altro fisico e chimico, questa volta tedesco, Johann Salomo Christoph Schweigger (1779,1857), sviluppa un dispositivo costituito da un filo conduttore avvolto più volte attorno un telaio in modo che il filo percorso da corrente passi più volte sopra e sotto un ago magnetico, appoggiato sopra la punta di un perno, moltiplicandone così l’effetto (vedi la descrizione del galvanometro moltiplicatore n. 1277 del catalogo 2018, e la descrizione del galvanometro moltiplicatore a quattro fili incrocicchiati n.447 del catalogo 2018). Il dispositivo di Schweigger rappresenta un precursore dell’uso di una bobina percorsa da corrente per rivelare correnti elettriche molto deboli. Dagli scritti dell’abate e fisico italiano Francesco Zantedeschi (1797,1873) si apprende che i principali fisici in Europa “rivolsero la loro attenzione a questo prezioso strumento e in varia misura lo modificarono” [1].
Il fisico scozzese William Ritchie (ca. 1790,1837), invece di equilibrare un ago magnetico sopra la punta di un perno, lo appende ad un sottile filo di seta, rendendo così il moltiplicatore uno strumento a torsione, ossia uno strumento in cui l’ago magnetico ruota sotto l’azione di una coppia di forze e raggiunge la posizione di equilibrio quando il momento meccanico della coppia è bilanciato dalla reazione del filo sottoposto a torsione.
Per disporre di uno strumento più “squisito” (sensibile), altri fisici si pongono il problema di rendere la misura indipendente dal campo magnetico terrestre, che altrimenti avrebbe un’azione sull’ago calamitato. Per fare questo, Leopoldo Nobili applica al moltiplicatore il sistema astatico studiato da André-Marie Ampère (1775-1836). Nobili presenta per la prima volta il suo galvanometro astatico il 13 maggio 1825 all’Accademia di Scienze Lettere ed Arti di Modena [2] con le parole (tradotte dal francese) e la figura 1:
Figura 1
Lo strumento che ho l’onore di presentare all’Accademia differisce essenzialmente solo in un punto dal galvanometro o moltiplicatore di Schweigger; invece di un ago sospeso all’interno del telaio su cui è avvolto il filo il mio galvanometro ne ha due sn, sInI posizionati come mostrato in figura. Questi due aghi sono uguali, paralleli, magnetizzati in direzione opposta l’uno dall’altro e uniti da una cannuccia in ppI che li attraversa nel loro centro. La distanza che deve separarli e la lunghezza del filo di sospensione della cannuccia può essere regolata in modo che possano ruotare liberamente, uno all’interno del telaio, come nel galvanometro ordinario, l’altro immediatamente sopra.
Propone il nome del suo strumento:
Lo strumento così modificato potrebbe prendere il nome di Galvanometro a doppio ago.
Nel campo magnetico terrestre, che è lo stesso dentro e fuori la bobina, gli aghi uguali e magnetizzati allo stesso modo ma con polarità opposte tendono a ruotare con versi opposti, in altre parole la rotazione di ogni ago è ostacolata dall’altro ago. Gli aghi sono connessi, la coppia di forze applicata ad un ago tende a contrastare la coppia di forze dell’altro, annullando così l’azione del campo magnetico terrestre.
Con il sistema astatico è solidale uno specchietto, che rende possibile la lettura a riflessione dello strumento. Un metodo di lettura a riflessione, detto metodo inglese o oggettivo, consiste nell’illuminare lo specchietto S con un sottile fascio di luce; in assenza di corrente nella bobina si può ruotare la base in ottone dello strumento così che il raggio riflesso coincida con lo 0 di una scala graduata posta di fronte ad S. Se il galvanometro è percorso da corrente, il sistema astatico e lo specchietto ruotano di un angolo dipendente dalla intensità e verso della corrente fino a raggiungere una posizione di equilibrio. Come conseguenza il raggio di luce riflesso si sposta sulla scala e la nuova posizione fornisce la misura cercata. Un secondo metodo è detto metodo soggettivo o tedesco, elaborato da Johann Christian Poggendorff nel 1826 (migliorato successivamente da William Thomson, lord Kelvin), in cui la sorgente luminosa è sostituita da un cannocchiale con reticolo e l’immagine del fascio riflesso è sostituita da quella della scala graduata (vedi la descrizione del cannocchiale n.290 del catalogo 2018).
In entrambi i metodi, se inizialmente lo specchio è posizionato parallelamente ad una scala piana, quando viene ruotato di un angolo θ, la luce o l’immagine della scala riflessa verrà deviata di 2θ. Dalla osservazione della deviazione e dalla disposizione dell’apparato di misura si può, allora, stimare il valore della tangente: tg(2θ)=d/r e quindi di θ, dove d è la lettura sulla scala e r la distanza tra lo specchietto e la scala graduata. La lettura tramite specchietto amplifica angoli anche molto piccoli così da renderli più facilmente misurabili.
Leopoldo Nobili [3]
Nacque nel 1784 a Trassilico da una famiglia emiliana con origini reggiane. Trassilico, non lontano da Lucca, a quel tempo faceva parte dei domini estensi. Frequentò la Scuola militare del genio e dell’artiglieria di Modena, il cui ordinamento si ispirava all’École polytechnique di Parigi. Durante il periodo di studi (1799-1804) fu attratto dalla Rivoluzione francese prima e da Napoleone poi. Come ufficiale di artiglieria dell’esercito napoleonico, partecipò alla campagna di Russia al seguito di Eugenio di Beauharnais, meritando la legione d’onore. Nel 1814 si ritirò dalla vita militare per dedicarsi allo studio della fisica ed in particolare agli studi sull’elettricità. Nel 1825 concepì il galvanometro astatico, strumento fondamentale nella storia dell’elettromagnetismo che presentò per la prima volta il 13 maggio 1825 all’Accademia di Scienze, Lettere ed Arti di Modena. Già inquisito nel 1821 per cospirazione, partecipò ai moti rivoluzionari del 1831 a Reggio Emilia contro il governo estense di Francesco IV e per non essere incarcerato, dovette fuggire prima a Marsiglia poi a Parigi. Desideroso di rientrare in Italia, chiese l’aiuto del direttore del Regio museo di Firenze, Vincenzo Antinori, affinché appoggiasse la sua richiesta di asilo presso il granduca di Toscana, Leopoldo II. Nel 1832 si stabilì a Firenze e venne nominato professore di fisica presso il Regio Museo di Fisica e Storia Naturale, dove, in collaborazione con Antinori, realizzò importanti esperimenti sull’induzione elettromagnetica scoperta da Faraday (1791,1867). Si occupò di termoelettricità con Macedonio Melloni (1798,1854), di elettrofisiologia ed inventò un modo per produrre colorazioni diverse su lastre di metallo mediante sistemi elettrochimici: le metallocromie. Leopoldo Nobili ebbe grande fama in tutta Europa e oltre, così che, quando morì a Firenze nel 1835, fu sepolto tra i grandi nella basilica di Santa Croce. Per le sue ricerche viene considerato uno dei pionieri italiani nel campo dell’elettromagnetismo.
Johann Christian Poggendorff [4]
Johann Christian Poggendorff (1796,1877) è stato un fisico tedesco, nato ad Amburgo. Tenne, per chiara fama, lezioni di Storia della Fisica all’Università di Berlino. Si occupò di elettricità e magnetismo. Nel 1824 divenne editor della rivista Annalen der Physik und Chemie, una delle più vecchie riviste scientifiche di fisica pubblicata fin dal 1799. Tenne l’incarico per cinquantadue anni, fino al 1876. È noto per avere sviluppato il galvanometro a specchio e per il metodo Poggendorff, conosciuto anche come “metodo del cannocchiale, specchio e scala”, da lui elaborato nel 1826.
Hans Christian Ørsted [5]
Hans Christian Ørsted (1777,1851) è stato un chimico e fisico danese. Dopo la laurea in farmacia ed il dottorato in filosofia, vinse una borsa di studio che gli permise di viaggiare in Francia e in Germania. Tornato in patria nel 1806, Ørsted divenne professore straordinario di fisica presso la facoltà di filosofia dell’università di Copenaghen, dove iniziò ad occuparsi di correnti elettriche e acustica. Attorno al 1820 condusse l’esperimento che collega l’elettricità al magnetismo e che porta il suo nome. Oltre agli studi sull’elettromagnetismo, Ørsted compì studi sulla compressione dei gas e dei liquidi e sui materiali diamagnetici, scoprì la piperina e produsse per la prima volta l’alluminio. Nel 1824 fondò la Società per la Diffusione delle Scienze Naturali, ancora esistente ed attiva, che dal 1908 assegna la Medaglia Ørsted, un importante riconoscimento destinato a coloro che si distinguono nel campo della fisica.
Gian Domenico Romagnosi [6]
Gian Domenico Romagnosi nasce a Salsomaggiore Terme nel 1761 e muore a Milano nel 1835. E’ stato un giurista, filosofo ed economista italiano. Si laurea in Giurisprudenza all’Università di Parma, successivamente è pretore a Trento. Di simpatie rivoluzionarie, nel 1799 viene accusato di giacobinismo ed incarcerato in Austria. Cultore anche di scienze matematiche e fisiche, nel maggio 1802 scopre gli effetti magnetici dell’elettricità: pubblica i suoi risultati sui giornali di Trento e Rovereto e invia una relazione all’Accademia Francese delle Scienze ma la comunità scientifica la ignora. Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Ørsted fonda l’elettromagnetismo, conducendo un analogo esperimento e riconosce che “la conoscenza dei lavori di Romagnosi avrebbe anticipato la scoperta dell’elettromagnetismo di 18 anni”.
Johann Salomo Christoph Schweigger [7]
Johann Salomo Christoph Schweigger (1779, 1857), chimico e fisico tedesco, studiò prima filosofia, poi decise di dedicarsi alle scienze naturali. Insegnò in varie località della Baviera, poi nel 1817 diventò professore ordinario di chimica e fisica a Erlangen, sempre in Baviera e infine nel 1819 si trasferì all’Università di Halle, dove rimase fino alla morte. Si occupò di chimica, elettricità e magnetismo. Nel 1820, sviluppò il suo galvanometro moltiplicatore. Fondò il Journal für Chemie und Physik, e ne fu direttore dal 1811 al 1828. Questa pubblicazione rivaleggiò con gli Annalen der Physik und Chemie di Johann Christian Poggendorff.
William Ritchie [8]
Fisico scozzese (1790 ca,1837). Fu professore di fisica e astronomia all’università di Londra (1832) e alla Royal Institution, e membro della Royal Society. Compì ricerche sull’induzione elettromagnetica e sul magnetismo generato da calamite ed elettromagneti. Si dedicò anche a studî di acustica e ottica.
Jules Carpentier [9]
Jules Carpentier nacque a Parigi nel 1851 e morì in un incidente stradale a Joigny nel 1921. È stato un ingegnere e inventore francese. Alla morte del proprietario, Heinrich Daniel Ruhmkorff morto nel 1877, acquista le ex officine Ruhmkorff e in pochi anni, le trasforma in un’azienda specializzata nello studio e nella produzione di strumenti di misura elettrici destinati ad essere utilizzati in esperimenti scientifici ed usi industriali. Dalle officine Carpentier escono galvanometri, amperometri, voltmetri e dispositivi per misure elettriche e magnetiche. Dal 1890 si appassiona alla fotografia e inizia a costruire macchine fotografiche. Progetta anche i primi periscopi sottomarini. Poi entra nel campo della cinematografia, deposita il brevetto del “cinematographe”: un proiettore e sviluppatore cinematografico e costruisce apparecchi cinematografici per i fratelli Lumières. Jules Carpentier si appassiona infine alle automobili, passione che gli è fatale poiché muore in un incidente nel 1921.
Bibliografia
[1] F. Zantedeschi, Trattato del Magnetismo e dell’elettricità, 2, (1846), Biblioteca scelta di opere italiane, Tipografia di Gio. Silvestri, Milano. http://books.google.it, Provenienza dell’originale: Università di Berna, digitalizzato:12 nov 2020
[2] L. Nobili, SUR UN NOUVEAU GALVANOMÈTRE présenté à l’Académie des Sciences, Lettres et Arts, de Modène, par C. L. NOBILI. Article communiqué par l’auteur aux Rédacteurs de ce Recueil, Biblioteque Universelle des Sciences, Belles-Lettres, et Arts, faisant suite A la Biblioteque Britannique, 29, terzo anno Sciences et Arts, Geneve, Imprimerie de la Biblioteque Universelle, Paris Chez Bossange, Père , (1825), 119. http://books.google.it. Provenienza dell’originale:Biblioteca pubblica di Lione, digitalizzato:5 mag 2011
[3] Treccani Enciclopedia, Leopoldo Nobili, Dizionario Biografico degli Italiani – Volume 78 (2013)
[4] Johann Christian Poggendorff, https://it.wikipedia.org/wiki/Johann_Christian_Poggendorff
[5] Hans Christian Ørsted, https://it.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_ Ørsted
[6] Gian Domenico Romagnosi, https://it.wikipedia.org/wiki/Gian_Domenico_Romagnosi
[7] Johann Schweigger, https://it.wikipedia.org/wiki/Johann_Schweigger
[8] Treccani Enciclopedia, Ritchie William, https://www.treccani.it/enciclopedia/william-ritchie/
[9] Jules Carpentier, https://en.wikipedia.org/wiki/Jules_Carpentier
Autore: Prof.ssa Sandra Morelli, Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche