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Lo spazio in cui un oggetto risente di una grandezza fisica

L'esistenza in un punto di una massa, di una carica o di un magnete modifica le caratteristiche dello spazio attorno, influenzando di conseguenza il comportamento di ciò che si trova nelle vicinanze. La Terra genera intorno a sé un campo gravitazionale; una carica elettrica crea un campo elettrico e una calamita uno magnetico. Questi sono tre esempi di campi di forze generati rispettivamente dalla presenza di una massa, di una carica elettrica e di un magnete. Grazie alla nozione di campo gli scienziati sono stati in grado di spiegare come i corpi possono interagire senza neppure sfiorarsi

Interazioni tra le masse

Nel 1687 il fisico e matematico inglese Isaac Newton pubblica I principi matematici della filosofia naturale in cui illustra la teoria della gravitazione universale.

Newton afferma che due corpi dotati di massa si attirano con una forza proporzionale al prodotto delle loro masse (più sono grandi, più si attirano) e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (più sono distanti e meno si attirano).

Questa legge è chiamata legge della gravitazione universale proprio perché funziona sempre. Serve per descrivere la forza di attrazione esistente tra la Terra e la Luna, così come la forza di attrazione tra noi e la Terra. È la stessa forza che fa cadere al suolo un oggetto se ci sfugge dalle mani.

La forza di attrazione si manifesta come un cambiamento di velocità. Un corpo inizialmente fermo, se viene lasciato cadere, aumenta la sua velocità di caduta verso il suolo. La Luna, invece, continua a girare intorno alla Terra e non va dritta per lo spazio, come farebbe se tra il pianeta e il suo satellite non esistesse la forza gravitazionale.

Interazioni a distanza

È possibile far acquistare a un pallone fermo una certa velocità dandogli un calcio. In termini più generali, è possibile far variare la velocità di un oggetto (come per esempio, un pallone) applicandogli una forza (calcio). Per trasmettere al pallone l'azione della forza, il piede deve toccarlo. Se questo non avviene il pallone rimane fermo.

Non è così, però, fra la Terra e la Luna: si muovono ubbidendo alla forza di attrazione descritta da Newton, ma non si toccano mai. La Terra e la Luna interagiscono? Sì, il loro movimento dipende dalle loro masse e dalla loro distanza, eppure (e per fortuna) è un'interazione a distanza.

La teoria dei campi ha permesso di spiegare le interazioni a distanza che si osservano in natura, cioè le interazioni tra oggetti che non si toccano direttamente. Come è possibile, però, che ciò avvenga? Come si può spostare un oggetto da lontano, senza toccarlo? È impossibile. Provare per credere! Non è una questione da poco, ma la gravitazione universale descrive bene quanto si osserva in natura e per molto tempo il problema è stato accantonato.

Interazioni a distanza tra le cariche elettriche

Circa due secoli dopo, il problema riemerge perché anche le cariche elettriche si comportano in modo simile: si attraggono o si respingono (e questa è la differenza rispetto alle masse), interagendo da lontano.

Il chimico e fisico inglese Michael Faraday fu uno dei primi, nella prima metà dell'Ottocento, a occuparsi di questi problemi e per studiare il comportamento delle cariche elettriche preferì aiutarsi con i disegni. Facciamo alcuni esempi.

Se vicino a una grande carica elettrica positiva viene collocata una piccola carica elettrica positiva, quest'ultima si allontana seguendo una linea dritta che parte dal centro della carica grande. Se invece la carica piccola è negativa essa si avvicina alla carica grande, sempre seguendo la stessa linea. È possibile disegnare solo la carica grande e le linee sulle quali le cariche piccole si muoveranno: si avvicineranno, se di segno opposto, oppure si allontaneranno, se di segno uguale alla carica maggiore.

Possiamo pensare che l'esistenza della carica grande trasformi in qualche modo lo spazio circostante, creando un campo elettrico che visualizziamo disegnando alcune linee che prendono il nome di linee di forza. Se una carica elettrica entra in questo campo, il suo comportamento ne sarà influenzato ed essa si muoverà lungo le linee di forza.

La trasformazione dello spazio e il concetto di campo

Per capire come la presenza della carica o della massa trasforma lo spazio circostante, basti pensare a un materasso morbidissimo con al centro un pallone molto pesante (la carica grande). Nel materasso si crea un avvallamento (il campo) e se una pallina da ping-pong (la carica piccola) viene posata nell'avvallamento, questa scivolerà verso il pallone seguendo esattamente la linea dritta (linea di forza) che si può tracciare dalla pallina verso il centro del pallone. Ecco quindi che se la stanza fosse completamente buia e le palle fosforescenti le vedremmo interagire a distanza, in questo caso attraendosi. Anche la pallina da ping-pong, tuttavia, forma a sua volta un avvallamento, magari microscopico, e crea tutt'intorno il suo piccolissimo campo che influenza, anche se di poco, il pallone grande. Per questo Faraday per descrivere l'effetto di un campo generato dalle cariche grandi usava cariche minuscole, in modo che il campo elettrico creato da queste ultime fosse davvero trascurabile. La situazione è simile a quella che si crea tra la Terra e un corpo piccolo come una mela. Si attraggono a vicenda perché entrambe creano un campo gravitazionale, ma dato che la massa della mela è nettamente più piccola in confronto a quella della Terra, sarà la mela ad avvicinarsi alla Terra e non viceversa.

Campi variabili e onde

La deformazione del materasso, che per noi rappresenta lo spazio circostante, dovuta alla presenza del pallone, dipende solo dalla massa del pallone e dal tipo di materasso (se è più morbido o più duro). Una pallina messa sul materasso si sposterà seguendo le linee di forza con una variazione di velocità che dipende dalla distanza rispetto al pallone. Ma cosa accade se il campo non è più costante nel tempo? Se il pallone rimbalza su e giù, nel materasso si forma un avvallamento quando arriva il pallone e una 'gobba' quando le molle respingono il pallone verso l'alto. Si creano così delle onde (v. onde e oscillazioni)  che trasmettono il movimento anche alla pallina da ping-pong posta nelle vicinanze. Un campo variabile crea le onde. In particolare un'onda elettromagnetica è generata da un campo elettrico variabile che crea un campo magnetico variabile il quale, a sua volta, genera un campo elettrico variabile, e così via.

Esistono i campi e le linee di forza?

I disegni di Faraday non sono solo un espediente per capire meglio il problema, ma 'esistono' in natura. Mettendo della limatura di ferro intorno alla carica che genera il campo elettrico, questa si distribuisce, seguendo le linee di forza del campo.

Anche una calamita crea intorno a sé un campo, in questo caso magnetico. Una calamita possiede sempre un polo negativo e uno positivo, per questo le linee di forza del suo campo sono chiuse, come è mostrato nelle figure qui sotto, e non aperte, come quelle del campo elettrico o gravitazionale.

Campi non creati da forze

Per generare un campo non serve necessariamente una forza. Va bene anche un altro tipo di grandezza fisica: basta poter associare a ogni punto dello spazio il valore numerico che la rappresenta. Anche nell'ambiente in cui ci si trova si può definire un campo di questo tipo, per esempio il campo delle temperature. Possiamo infatti misurare la temperatura in ogni angolo della stanza, basta disporre di un termometro. Vedremo che vicino al pavimento la temperatura è inferiore rispetto al soffitto perché l'aria calda va verso l'alto; vicino alle finestre e alle porte, se siamo in pieno inverno, gli spifferi fanno abbassare la temperatura e così via. Allo stesso modo si può definire, oltre a un campo delle temperature, anche un campo delle pressioni. Questa nozione è fondamentale quando si devono elaborare le previsioni del tempo: un campo di alta pressione è associato a tempo stabile e cielo sereno, mentre un campo di bassa pressione lascia presagire un temporale in arrivo.