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martedì, 20 Ottobre, 2020

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Apparecchio Ruhmkorff: dalla legge di Faraday ai romanzi di Jules Verne

Dalla narrativa dei romanzi di J. Verne alla legge di Faraday, la storia del rocchetto di Ruhmkorff e di buona parte delle teorie sull'elettromagnetismo moderne

Tutto ciò che serve per il viaggio al centro della Terra

Dal capitolo 11 del romanzo “Viaggio al centro della Terra”, di J.Verne – fino alla rottura degli stessi – gli apparecchi Ruhmkorff sono imprescindibili compagni di viaggio per i tre esploratori diretti nelle viscere della Terra.

…Due apparecchi Ruhmkorff, i quali, per mezzo d’una corrente elettrica, davano una luce molto portatile, sicura e poco ingombrante. L’apparecchio di Ruhmkorff consiste in una pila di Bunsen, messa in attività per mezzo del bicromato di potassio, che non dà alcun odore; una bobina d’induzione mette l’elettricità prodotta dalla pila in comunicazione con una lanterna disposta in un modo particolare, in cui si trova una serpentina di vetro nella quale è stato fatto il vuoto ed è rimasto solo un residuo di acido carbonico o di azoto. Quando l’apparecchio funziona, quel gas diventa luminoso producendo una luce biancastra e continua. La pila e la bobina sono collocate in una sacchetto di cuoio che il viaggiatore porta a bandoliera. La lanterna, collocata esteriormente, illumina abbastanza nella più profonda oscurità, permette di avventurarsi, senza temere alcuna esplosione, fra i gas più infiammabili, e non si spegne neppure nei più profondi corsi d’acqua…

Jules Verne, “Viaggio al centro della Terra”

Così il celebre scrittore francese descriveva l’apparecchio Ruhmkorff nei suoi romanzi scientifico-avventurosi, 1864-1865. Gli apparecchi Ruhmkorff, saranno per i tre protagonisti le uniche fonti di luce da quando decideranno di calarsi nella bocca del vulcano Sneffels, in Islanda. Gli apparecchi compariranno anche un anno più tardi, nel romanzo “Dalla Terra alla Luna”, assieme ad altri strumenti oggi desueti e/o pericolosi, ma all’epoca imprescindibili per avventure di questo tipo.

Il vulcano islandese Thrihnukagigur
Il vulcano islandese Thrihnukagigur, inattivo da 4 mila anni. In Islanda è possibile essere guidati nelle sue viscere e avere un assaggio delle avventure dei libri di Verne

Piccoli strumenti, grandi imprese

A causa di vecchi e dubbi appunti di uno sconosciuto scienziato, i tre partiranno alla volta del centro del globo, e la loro vita sarà inesorabilmente in mano agli apparecchi di Ruhmkorff e ad altri piccoli strumenti come cronometro, barometro, termometro etc. Un pull di oggetti che all’epoca costituiva l’unico mezzo trasportabile fuori da un laboratorio e utile a trarre conclusioni scientifiche, ipotizzare principi e orientarsi in ambienti ostili.

Se pensiamo ad esempio alle esplorazioni oltreoceano, o a quelle sotterranee, oltre a carte approssimative, non vi erano chissà quali mezzi cui appoggiarsi, soprattutto in caso di necessità. La bobina a induzione, alias rocchetto di Ruhmkorff, è alla base dell’apparecchio citato da Verne. All’epoca, il rocchetto era considerato un oggetto rivoluzionario, e ha contribuito grandemente allo sviluppo di molti altri strumenti basati su Legge di Faraday et similar.

Credits: “Viaggio al centro della Terra” riadattamento nella versione a fumetti da Curd Ridel, Frédéric Garcia e Jacky Robert, Mondadori Comics
Apparecchio Ruhmkorff
Credits: “Viaggio al centro della Terra” riadattamento nella versione a fumetti da Curd Ridel, Frédéric Garcia e Jacky Robert, Mondadori Comics

Heinrich D. Ruhmkorff, il tecnico premiato da Napoleone

H. D. Ruhmkorff è stato un elettromeccanico tedesco dalla carriera piuttosto curiosa. Non essendo benestante, dopo le scuole elementari dovette cercarsi un impiego. Lavorò presso varie officine tecniche, e si interessò prontamente ai lavori di grandi scienziati come Davy, Faraday, Herschel e Brewster. Raggiunta l’età adulta ed una notevole esperienza, si mise in proprio, e a Parigi, si dedicò alla costruzione di strumenti utili nel campo della fisica sperimentale. Talento e impegno gli valsero clienti come i grandi professori e i ricercatori della Sorbona.

Legion d’onore e premio Volta

La realizzazione del rocchetto valse a Ruhmkorff la croce de l’Ordre national de la Légion d’honneur – corporazione volta a premiare il merito sociale o militare istituito da Napoleone Bonaparte – che costituiva al tempo la massima onoreficenza concessa dalla Repubblica francese. Ad oggi l’ordine è ancora in vigore, ed al vertice vi è il Presidente della Repubblica francese. Nel ’64, per la bobina a induzione, Ruhmkorff si aggiudicò anche il premio Volta di 50.000 franchi, istituito sempre da Napoleone III, che premiava le straordinarie scoperte scientifiche legate all’elettricità.

Rocchetto di Ruhmkorff, il generatore che ha fatto storia

Ruhmkorff costruì il suo rocchetto ad induzione nel 1851. In realtà si dice non sia stato il primo a brevettare la bobina a induzione, attribuita poi a N.Callan, 1836. Tuttavia la versione di Ruhmkorff, migliore delle precedenti, ha riscosso molto più successo di quella del filosofo irlandese. Il funzionamento di questo meraviglioso aggeggio si basa sulla legge di Faraday (1831) o dell’induzione elettromagnetica. Ricordiamola brevemente.

Legge di Faraday

Legge di Faraday, schematizzazione della magnetosfera terrestre. La terra è assimilabile a un grande dipolo magnetico non classico, ove le linee di forza del campo magnetico - Fasce di Van Allen - proteggono il pianeta da vento solare e raggi cosmici. 
Credits: argomentidifisica
Legge di Faraday, schematizzazione della magnetosfera terrestre. La terra è assimilabile a un grande dipolo magnetico non classico, ove le linee di forza del campo magnetico – Fasce di Van Allen – proteggono il pianeta da vento solare e raggi cosmici.
Credits: argomentidifisica

Consideriamo una superficie delimitata da un circuito elettrico. Poniamo anche che il flusso del campo magnetico che attraversa questa superficie sia variabile nel tempo. Secondo Faraday, nel suddetto circuito, si genera una grandezza corrispondente alla differenza di potenziale massima ai capi di un generatore sconnesso dal circuito. Questa grandezza indotta, detta f.e.m, forza elettromotrice, sarà pari all’opposto della variazione temporale del flusso.

…Non si conoscono altre località della fisica in cui la reale comprensione di un così semplice ed accurato principio generale richiede l’analisi di due fenomeni distinti.

Richard P. Feynman, The Feynman Lectures on Physics

Dunque il rocchetto sfrutta i periodi variabili e a basso potenziale, per trasformare la corrente continua, in corrente alternata ad alto potenziale. L’intensità del fenomeno dell’induzione è direttamente proporzionale all’area dei due circuiti coinvolti e alla permeabilità del mezzo in cui si collocano.

Funzionamento del rocchetto di Ruhmkorff

Esploso del rocchetto di Ruhmkorff
Esploso del rocchetto di Ruhmkorff

Il rocchetto di Ruhmkorff si compone di un nucleo ferromagnetico, attorno al quale sono avvolti un circuito primario ed uno secondario, ovvero due bobine, solenoide in rame. Il primario è alimentato da una batteria e include un interruttore con in serie un sistema a martelletto. Quest ultimo, al magnetizzarsi del nucleo secondo il passaggio di corrente, interrompe ogni volta il contatto. Ad ogni interruzione corrisponde una magnetizzazione del nucleo, con il martelletto che si riposiziona chiudendo il circuito. Così, nel circuito secondario, che ha molte più spire del primario ed è a filo sottile, circola corrente continua, alternativamente in un verso e nell’altro.

Rocchetto di Ruhmkorff
Schema del rocchetto di Ruhmkorff. Con RK si intende il commutatore, con C il condensatore, con PP il circuito primario, con SS il secondario e con F e V la chiusura e l’apertura del sistema.
Credits: Museo della Fisica – Università di Torino

Riassumendo…

Abbiamo che il circuito primario, percorso da una corrente generatrice del campo magnetico, funge da induttore e accumula energia nel campo magnetico associato. Il secondario, secondo la legge di Faraday, è attraversato da un violento impulso ad alta tensione, generato interrompendo la corrente, grazie al brusco calo del campo magnetico generato.

Rocchetto di Ruhmkorff
Rocchetto di Ruhmkorff

Semplificando…

Ad un nucleo di fili di ferro è avvolto il solenoide primario, collegato a un interruttore in grado di interrompere il flusso di corrente. Il secondario invece, di norma è avviluppato in bobine sopra al primario, ha un numero di spire molto maggiore, e costituisce il circuito dove la tensione è indotta. Questa tensione è conseguente alla rapida variazione del flusso magnetico a livello del nucleo.

Dal rocchetto alla lampada di Ruhmkorff

La lampada citata da Verne è dunque un applicazione del rocchetto visto sopra. È stata progettata da Camille Benoît e da Alphonse Dumas. Questo strumento, nato per il lavoro in miniera, costituiva la forma primitiva della nostra torcia portatile. Sostanzialmente si componeva di un tubo di Geissler, eccitato dalla bobina di di Ruhmkorff, collegata a sua volta ad una batteria. Il tubo di Geissler è semplicemente un tubo di vetro contenente gas rarefatti, sigillato ed evacuato, che porta un elettrodo per ciascuna estremità.

Scarica a bagliore di gas
Scarica a bagliore di gas
Credits: Esperimentanda

Se tramite i due elettrodi facciamo scorrere elettricità internamente al tubo, questa ionizza il gas in esso contenuto. Da quí, secondo i fenomeni della scarica a bagliori di gas e della fluorescenza, si genera luce. La seconda versione, utilizzava l’azoto, mentre la prima anidride carbonica. A causa della decomposizione di quest’ultima, si optò per l’N, che produceva una luce rossa invece che bianca. Oltre a questo si iniziò ad impiegare un vetro ai sali di uranio, verde fluorescente.

Lampada di Ruhmkorff
Lampada di Ruhmkorff secondo le illustrazioni di J. Verne

Di nuovo abbiamo dimostrato come la scienza e le sue teorie ci abbiano accompagnati fin dagli albori della civiltà, e come molte delle applicazioni che oggi utilizziamo quotidianamente e senza rifletterci, siano il – non semplice – frutto di lungimiranti studi scientifici.

CUE FACT CHECKING

CueEngineering.it si impegna contro la divulgazione di fake news, perciò l’attendibilità delle informazioni riportate su sciencecue.it viene preventivamente verificata tramite ricerca di altre fonti.

  1. Phys.uniroma1, “Rocchetto di Ruhmkorff a scintilla intensiva” di E. Balzarini, Premiato Stabilimento di apparecchi elettromedicochirurgici, Milano
  2. Fondazione Scienza e Tecnica Firenze, “Rocchetto di Ruhmkorff”
  3. “Viaggio al centro della Terra”, Jules Verne
  4. Dipartimento di Chimica “G. Ciamician”, Raccolta Museale – “Rocchetto a induzione di Ruhmkorff”
  5. “Nozioni di elettrotecnica”, Ing. A. De-Maria, 1908

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2 COMMENTI

  1. Bellissimo articolo! Mi piace come siete partiti da un argomento letterario “sci-fi” per poi passare a parlare di fisica (sperimentale, quasi mai affrontata in molti altri siti). Continuate così!

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Naomi Guadagninihttps://sciencecue.it
Nata e cresciuta a Bologna, studentessa di Ingegneria Chimica e Biochimica. Appassionata di chimica, medicina applicata, biomeccanica, e ingegneria dei materiali. I miei studi si concentrano sull'applicazione e la fusione di queste materie, per lo sviluppo di nuove tecnologie in diversi settori, principalmente nell'automotive.