Gli esperimenti di Birkeland -Terella- e la loro importanza per la moderna sinergia di laboratorio e lo studio dei plasmi – 2° parte –

Origine e significato dell’ipotesi delle aurore & evoluzione di esperimenti ed idee

Quando Birkeland tornò in Norvegia durante l’estate del 1895 si interessò molto ai gas di scarico. Un campo di ricerca molto popolare in quel momento.

Birkeland ottenne una posizione presso l’università, a l’età di 28 anni, e nell’autunno del 1895 fondò un laboratorio per la ricerca sui gas di scarico.

Cominciò anche a preparare un corso dal titolo “Esperimenti sui gas di scarico” con inizio previsto nel mese di febbraio 1896. Nel Gennaio 1896 tutti i giornali del mondo riportarono la notizia circa la scoperta dei nuovi raggi X fatta da WC Rontgen in Germania. A Christiania Birkeland commentò questa notizia con articoli sui giornali. Meno di un mese dopo che Rontgen effettuò la sua dimostrazione pubblica, Birkeland realizzò una dimostrazione dei raggi X per un gruppo di ingegneri, fisici e medici.

Il 23 marzo, effettuò una performance pubblica, dove cercò di replicare artificialmente la luce del nord in un tubo a gas di scarico, rilasciando aria incandescente in strisce come l’Aurora, tramite influenza magnetica nei raggi catodici.

Nell’aprile 1896 pubblicò un articolo, dove  descriveva diversi esperimenti con gas i di scarico. La carta trattava, lenti magnetiche,  spettri magnetici. In alcuni suoi esperimenti è stato in grado di focalizzare i raggi catodici di magneti esterni, della dimensione di un punto di un ago sul lato interno della parete di vetro. In questo modo alcune scritte possono essere incise sul vetro. Birkeland era in grado di scrivere le sue iniziali, Kr. B. all’interno dei suoi setup.  I tubi di scarico utilizzati per questi esperimenti sono riportati nella figura n°2.

Figura 2: (a) La prima produzione di un aurora artificiale nel Marzo 1896. (b) Il set-up utilizzato da Birkeland per scrivere le sue iniziali sul vetro per mezzo di raggi catodici.

Questi risultati in sé sono molto importanti, ma le conseguenze di più ampia portata di questo lavoro sperimentale sono contenute nelle deduzioni tratte nell’ultimo paragrafo:

“.…diverse volte è stato descritto il fenomeno, che mostra che i raggi catodici sono attirati verso un polo magnetico. Questa osservazione è considerata di interesse nella connessione con la teoria dell’Aurora Boreale. Paulsen, il meteorologo danese, ritiene che l’Aurora Boreale è dovuta alla fosforescenza dell’aria dovuta ai raggi catodici nei più alti strati dell’atmosfera. La difficoltà maggiore in questa teoria è stata quella di spiegare perché questi fenomeni sono limitati ad una zona che circonda il polo magnetico della terra. Dopo quanto detto sopra, si può ritenere che i raggi sono attratti dal polo magnetico della terra, e che in qualche modo l’energia deriva dal sole. Quest’ultima ipotesi è almeno supportata dal fatto delle variazioni diurne delle luci del nord, ed ai cambiamenti ciclici che corrispondono, con un periodo di 11anni, alla massima attività solare.…”

L’ipotesi di cui sopra non era del tutto nuova, anche se era in concorrenza con una quantità di altre stravaganti idee colorate circa l’origine del aurora. A tal proposito nel 1878 H. Bequerel suggerì che le particelle fuoriuscite dalle macchie solari fossero guidate dal campo magnetico terrestre nella zona aurorale. Un’idea simile fu proposta anche da E. Goldstein. Ciò che distingueva l’ipotesi di Birkeland dalle altre è che questa venne realmente supportata da esperimenti controllati. Questo ha reso la sua idea più di una spiegazione a proposito di tale fenomeno. Si trattava di un’ipotesi formulata grazie all’immediata prova sperimentale, e questo, per i due decenni a seguire, lo ha guidato attraverso ciò che forse era il programma mondiale di osservazione sperimentale più esteso al mondo in questo campo. Nei primi anni successivi alla formulazione dell’ipotesi aurorale Birkeland ha condotto vari esperimenti di laboratorio sui raggi catodici e sul magnetismo. Ha avuto numerose pubblicazioni su questo argomento, ma stava anche studiando le macchie solari e i fenomeni cosmici.  Birkeland più tardi scrisse con orgoglio e con grande soddisfazione che JJ Thomson, nella sua carta classica sulla natura dei raggi catodici del 1897, aveva preso alcune delle sue scoperte di questo periodo come un punto di partenza per dimostrare che l’atomo non è la più piccola unità di materia. Birkeland, che divenne professore nel settembre del 1898, intraprese una campagna per ottenere un osservatorio per gli studi aurorali da realizzare sul monte Haldde, nei pressi di Alta nel nord della Norvegia. Il Governo norvegese ha finanziato la somma, e Birkeland e un assistente si trasferirono in una capanna di osservazione sulla cima della montagna durante l’inverno 1899-1900. I risultati di questa spedizione sono descritti nel libro “Expedition Norvegienne 1899-1900”. Questo libro, pubblicato nel 1901, ha anche un capitolo sugli esperimenti con i gas di scarico effettuati nel laboratorio di Christiania. Uno dei molti esperimenti descritti in questo libro è un set-up che mostrano fenomeni spettacolari a causa di azioni elettrostatiche. Birkeland era in grado di guidare gli scarichi visibili verso la parete di vetro mettendo il suo dito all’esterno. Una dinamica non diversa dalle moderne “palle di plasma” realizzate per decorazioni.

Ha anche descritto esperimenti con un tubo di scarico sferico posto sulla sommità di un grande elettromagnete, e con l’anodo posto al centro del tubo. Con questa disposizione fu in grado di creare alcuni scarichi di incantevole bellezza. Egli concluse questo esperimento con la seguente frase:

“…. Le bande prodotte presentano quindi una tale analogia con le bande aurorali, che quando sono stato testimone di questo esperimento, senza ombra di dubbio, ho visto la prova che i due fenomeni sono fortemente correlati….”

Con questo esperimento l’attività di laboratorio di Birkeland termino. Dopo quattro anni di duro lavoro con i tubi classici a gas di scarico, studiando i raggi X, l’influenza sui raggi catodici da magneti e gli scarichi che ricordano l’Aurora Boreale, passò ad una nuova serie di esperimenti. Durante le scrupolose osservazioni in cima alla montagna ottenne nuove e grandi idee.

Nel mese di ottobre 1900, la rivista norvegese di ingegneria elettrica, “Elektroteknisk Tidsskrift“, pubblicò una nota intitolata “The Expedition Auroral“. Carta che conteneva una breve descrizione della seconda spedizione di Birkeland verso l’Artico. Birkeland era tornato a Christiania e aveva già fatto alcuni nuovi esperimenti con un “elettromagnete sferico“.

B. voleva provare alcuni particolari della sua teoria aurorale, sulla base delle recenti osservazioni fatte durante la spedizione. Nei due set-up di gas di scarico, ha prodotto risultati che gli hanno permesso di interpretare come gira la corrente intorno ad una sfera metallica verniciata con materiale fosforescente, con all’interno un elettromagnete. Le sfere in ogni caso simulano la Terra con il suo campo magnetico.

Le correnti sono state create con una scarica a catodo freddo tra elettrodi nel tubo, e sono viste nella Terrella come illuminazione della vernice fosforescente e come cunei di luce con i raggi incorporati nei gas rarefatto. Vedeva due anelli di luce stretti attorno ai poli della
sfera e questo è stato interpretato come una aurora in miniatura. Le osservazioni sull’artico contenute e combinate con queste esperienze di successo sono state per Birkeland un grande passo verso una verifica della sua ipotesi aurorale. Nel libro della spedizione, che è stato pubblicato la primavera successiva, c’è un capitolo che descrive in dettaglio questi esperimenti. Più tardi chiamò l’elettromagnete sferico Terrella (piccola Terra :smile:) con i piccoli magneti o calamite usati come modelli di Terra nel XVI secolo da William Gilbert (1540-1603), e descritti nel libro “De Magnete“. L’idea di utilizzare una sfera magnetizzabile in un gas di scarico ha aperto un nuovo grande campo di ricerca per Birkeland. Quasi tutti i suoi futuri esperimenti di fisica si concentreranno su questa Terra in miniatura. Negli anni 1900-1913 usò molte Terrella per scopi diversi, che variano per dimensioni e costruzione. Oltre a studiare l’aurora artificiale usò la Terrella per la simulazione dei fenomeni solari, le comete e gli anelli di Saturno. ( nelle prossime parti 😎 )

Figura 3: Questa simulazione di “anelli di luce equatoriale” sono state eseguite nel primo tubo di vetro da 12 litri, Terrella da 10 cm. L’intero setup è stato eccitato con  una macchina ad induzione da 6000 V e con una Terrella calamitata con corrente a 10 A. In questo esperimento, creò la scarica tra un catodo (sinistra) e un anodo separato (in alto a sinistra). Poiché non è stato creato uno schema circuitale, il potenziale della superficie della terrella non è noto.

Simone Becuzzi

Fine 2°parte

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