E' considerato il fondatore dell'elettrologia.
A conclusione di una lunga serie di esperienze sulle tensioni originate dal contatto tra
due metalli, e di una famosa disputa con il fisiologo bolognese Galvani in merito
all'esistenza dell'elettricità animale, Volta realizzò nel 1799 la pila a colonna, il
primo dispositivo elettrochimico capace di generare una corrente continua.
La realizzazione della pila diede avvio ad un secolo di ricerche fondamentali sui fenomeni
elettrici e magnetici.
Prima di dedicarsi alle ricerche che lo condussero alla realizzazione della pila, si
dedicò allo studio delle leggi che governano la dilatazione termica dei gas e realizzò
una particolare pistola che sfruttava la violenta espansione di una miscela gassosa di
idrogeno ed ossigeno, innescata dalla scintilla elettrica.
Gli si deve inoltre l'invenzione dell'elettroforo a disco, una speciale macchina
elettrostatica ad induzione che gli consentiva di accumulare rapidamente considerevoli
quantità di elettricità statica.
E' considerato il più grande sperimentatore nel campo dei fenomeni elettrici e
magnetici.
Nel 1831 ebbe l'idea di effettuare un esperimento inverso rispetto a quello di Oersted,che
nel 1820 scoprì il campo magnetico generato dalla corrente elettrica, osservando la
deviazione che subisce un ago magnetico, inizialmente in equilibrio nel campo magnetico
terrestre, ogni qual volta venga fatta passare la corrente elettrica in un filo posto in
prossimità di esso.
Faraday scoprì che se ad un circuito elettrico chiuso si avvicina un magnete, durante
l'avvicinamento del magnete si genera nel circuito una corrente
indotta temporanea (principio dell'induzione elettromagnetica), e che anche durante
l'allontanamento del magnete, si genera una corrente indotta temporanea,con verso opposto
rispetto alla precedente.
La legge di Faraday, che vale per qualsiasi variazione temporale del flusso magnetico
concatenato ad un circuito elettrico, è rappresentata matematicamente dalla formula di
Neumann-Lenz, e sta alla base del funzionamento dei generatori elettrici e dei
trasformatori.
Altri importanti contributi di Faraday riguardano lo schermo elettrostatico (gabbia di
Faraday), le leggi dell'elettrolisi (scissione di un composto chimico in soluzione o allo
stato fuso, per effetto della corrente elettrica) , il concetto di campo con la relativa
rappresentazione grafica (criterio di Faraday), basata sull'addensarsi e sul diradarsi
delle linee di forza, ed il potere rotatorio del campo magnetico nei riguardi del piano di
polarizzazione di un fascio luminoso che si propaghi in un qualsiasi mezzo otticamente
inattivo, cioè incapace,in assenza del campo magnetico,di far ruotare il piano di polarizzazione di un raggio luminoso.
Le sue ricerche sulle forze agenti tra circuiti elettrici e magneti lo condussero ad
enunciare il teorema di equivalenza tra un ago magnetico ed una spira percorsa dalla
corrente elettrica.
La sua profonda intuizione scientifica lo spinse ad estendere a livello microscopico la
validità del suo teorema, facendo l'ipotesi che il campo magnetico generato da un magnete
permanente fosse dovuto ad un grandissimo numero di correnti elettriche elementari,
equivalenti ad altrettanti aghi magnetici microscopici.
La sua ipotesi fu confermata brillantemente, a circa un secolo di distanza, dopo la scoperta
dello spin e dell'associato momento magnetico dell'elettrone, del protone e del neutrone e
di tante altre particelle elementari, nell'ambito della meccanica quantistica.
Ampere fu inoltre il fondatore dell'elettrodinamica classica, per avere enunciato le leggi
che descrivono le forze elettrodinamiche, attrattive o repulsive, che si esercitano tra
due circuiti elettrici.
Abilissimo sperimentatore, è considerato uno dei fondatori dell'elettrotecnica,
per avere scoperto la legge che stabilisce la proporzionalità diretta tra l'intensità
della corrente elettrica in un conduttore e la differenza di potenziale (tensione)
esistente ai suoi estremi.
Enunciò contemporaneamente la legge che consente di calcolare per un dato conduttore la
costante di proporzionalità tra tensione e corrente, che prende il nome di resistenza
elettrica, e che dipende dalla resistenza specifica del metallo, dalla lunghezza e dalla
sezione del conduttore.
E' considerato uno dei fondatori dell'elettrotecnica, per avere scoperto le leggi dei
circuiti elettrici.
Altri suoi contributi fondamentali riguardano l'ottica, per avere inventato ,assieme a
Bunsen, lo spettroscopio, che serve ad analizzare le componenti cromatiche di una
radiazione luminosa, e la termodinamica, nell'ambito della quale enunciò il principio
fondamentale secondo il quale l'energia radiante specifica (per unità di superficie),
emessa da un corpo mantenuto ad una data temperatura, è tanto maggiore quanto maggiore
risulta l'energia radiante specifica assorbita dal corpo, a parità di temperatura.
La sua genialità lo portò ad occuparsi di diverse branche della fisica.
Effettuando una rigorosa analisi fisico-matematica dei fenomeni elettrici e magnetici
scoperti da Oersted, Faraday, Ampere ed Ohm, sviluppò dal 1864 al 1873 la
teoria dell'elettromagnetismo, esposta nel trattato "Elettricità e magnetismo",
fornendo attraverso le sue celebri equazioni la teoria unificata dei fenomeni elettrici e
magnetici e giungendo a prevedere, esclusivamente su basi teoriche, che la luce è
costituita da onde elettromagnetiche, per le quali valgono le stesse leggi di riflessione,
rifrazione, interferenza, diffrazione e polarizzazione stabilite per le onde luminose, il
che fu brillantemente dimostrato sperimentalmente, verso la fine del XIX secolo, da
Heinrich Hertz.
Fondò inoltre la meccanica statistica, che gli servì per sviluppare, sulla base della
sua formula di distribuzione delle velocità molecolari, la teoria cinetica dei gas, che
è fondamentale per lo studio statistico dei sistemi termodinamici.
E' considerato uno dei fondatori della termodinamica, nel cui ambito introdusse la
scala assoluta delle temperature (scala Kelvin) .
Nel campo dell'elettromagnetismo studiò le correnti oscillatorie che hanno origine in un
circuito resistivo-induttivo-capacitivo, e fornì la formula della relativa frequenza di
risonanza.
Sviluppò inoltre la teoria della propagazione dei segnali elettrici nelle linee di
trasmissione, ricavando le cosiddette "equazioni dei telegrafisti", fondamentali
per la progettazione delle linee telegrafiche e telefoniche.
Fisico sperimentale di eccezionale valore, nel 1887, attraverso una serie di celebri esperienze sulle onde elettromagnetiche, dimostrò brillantemente che queste si propagano con la velocità della luce, obbedendo alle stesse leggi delle onde luminose.
A seguito delle esperienze di Hertz fu definitivamente dimostrata la natura
elettromagnetica dei fenomeni luminosi, come aveva previsto Maxwell nel 1873, basandosi
esclusivamente su considerazioni fisico-matematiche.
Nel 1887 scoprì l'effetto fotoelettrico, che consiste nell'emissione di cariche elettriche
negative (elettroni) da parte di una superficie metallica illuminata.
Nel 1895, effettuando esperienze sui raggi catodici, giunse alla scoperta dei raggi X,
detti anche raggi Roentgen, che sono costituiti da onde elettromagnetiche con frequenza
elevatissima e lunghezza d'onda compresa tra qualche miliardesimo di centimetro e qualche
centomilionesimo di centimetro, emesse durante l'urto di elettroni accelerati da elevate
differenze di potenziale (da parecchie decine ad alcune centinaia di KV), contro gli atomi
che costituiscono la materia, che vengono in tal modo eccitati verso livelli energetici
superiori, per poi emettere l'energia acquisita, sotto forma di raggi X ( fotoni X) con
lunghezza d'onda caratteristica dell'atomo bombardato (raggi X con spettro a linee).
I raggi X a spettro continuo vengono invece emessi ogni qual volta un elettrone di alta
energia subisca un'accelerazione o una decelerazione, conformemente alle previsioni della
teoria elettromagnetica classica, che implica l'emissione di onde elettromagnetiche da
parte di un corpo carico che si muova di moto accelerato
(o decelerato).
Fu il primo fisico cui fu conferito nel 1901 il premio Nobel, appena istituito.
Nel 1896 , durante alcune ricerche sui materiali fosforescenti, tendenti a scoprire se
essi emettessero radiazioni simili ai raggi X, sperimentando con varie sostanze, scoprì
che i sali di uranio emettono radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica
e di scaricare un conduttore carico di elettricità, anche dopo avere attraversato una lastra di
alluminio.
Becquerel aveva scoperto per puro caso la radioattività naturale, che consiste
nell'
emissione da parte dei nuclei atomici di radiazioni ionizzanti di vario tipo: particelle a , cioè nuclei di elio con carica elettrica positiva pari
a 2 volte la carica dell'elettrone, particelle b (elettroni di
alta energia) e raggi g, di natura ondulatoria come i
raggi X, ma molto più penetranti di questi.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1903 assieme ai coniugi Curie.
Successivamente alla scoperta di Becquerel, studiando la radioattività dei minerali di
uranio,scoprirono che alcune varietà di pechblenda, pur contenendo una bassa percentuale
di uranio, emettevano una radioattività molto più intensa di quella dell'uranio, il che
fece loro supporre che contenessero un elemento dotato di una radioattività molto più
intensa.
Dopo lunghe e faticosissime ricerche, che richiesero l'impiego di circa 6 tonnellate di
pechblenda, riuscirono nel 1898 ad estrarre poco meno di un grammo del nuovo elemento,cui
diedero il nome di radio.
Alla scoperta del radio seguì subito dopo quella del polonio, molto più radioattivo del
radio.
Nel 1903 ricevettero il premio Nobel assieme a Becquerel.
E' il fondatore della fisica quantistica, per aver formulato il suo famoso postulato di
quantizzazione dell'energia, in base al quale riuscì a dare soluzione all'annoso problema
dello spettro dell'energia radiante emessa dal "corpo nero", che è un corpo
ideale capace di assorbire tutta l'energia radiante che riceve.
Diversi illustri fisici, quali Rayleigh, Jeans e Wien avevano tentato invano di fornire
una teoria che spiegasse le curve sperimentali dell'energia radiante emessa, a varie
temperature, da un corpo mantenuto a temperatura costante ed assimilabile con buona
approsimazione ad un corpo nero.
Le notevoli discrepanze tra teoria ed esperimenti furono brillantemente eliminate da
Planck nel 1901.
Planck postula che l'energia elettromagnetica venga assorbita esclusivamente in ragione di
multipli di una quantità elementare, il quanto ("pacchetto"), la cui energia E è direttamente proporzionale
alla frequenza f della radiazione , E = hf, dove h è una costante universale che porta il suo
nome.
Successivamente estese il suo postulato a tutte le forme di energia, determinando una
feconda rottura con la fisica classica, nell'ambito della quale non era stato possibile
spiegare i risultati sperimentali.
Ebbe così origine la teoria dei quanti, che diede a sua volta impulso, nei primi decenni
del XX secolo, alla creazione della meccanica quantistica e dell'elettrodinamica
quantistica, su cui si basano la teoria quantistica dei campi e le attuali teorie (teoria
elettrodebole e cromodinamica quantistica),cui fa riferimento il "modello
standard" del microcosmo.
Gli fu conferito il premio Nobel nel 1918.
Le sue geniali teorie, che rivoluzionarono la fisica nei primi anni del XX secolo,
forniscono le basi per la comprensione delle frontiere della fisica contemporanea.
Trasferitosi in Svizzera nel 1902, dopo essere stato assunto come esperto presso l'ufficio
brevetti di Berna, si dedicò con eccezionale spirito critico all'analisi delle principali
questioni scientifiche che avevano messo in crisi la fisica classica, dopo la mirabile
unificazione maxwelliana (1873) dei fenomeni elettrici e magnetici.
Nel 1905 Einstein, sottoponendo a profonda analisi i concetti di spazio e di tempo e
tenendo conto dell'esito negativo delle numerose esperienze effettuate nel 1887 dai fisici
statunitensi Michelson e Morley, che dimostrarono l' inesistenza dell'etere, ipotetico
mezzo introdotto dai fisici per spiegare la propagazione delle onde elettromagnetiche, si
convinse che fosse necessario postulare l'indipendenza della velocità c della luce
(e di qualsiasi altra radiazione elettromagnetica) nel vuoto (c = 300000 k/s) dal moto
della sorgente e dal sistema di riferimento di chi osserva un fenomeno fisico,
e l'estensione del principio di relatività di Galileo, limitato inizialmente ai soli
fenomeni meccanici, a tutti i fenomeni fisici.
Per far questo, utilizzò delle formule di trasformazione che Lorentz aveva introdotto per
dimostrare l'invarianza delle equazioni di Maxwell rispetto a due osservatori in moto
rettilineo ed uniforme l'uno rispetto all'altro, e costruì la "teoria della
relatività ristretta (o speciale)", così denominata perchè con essa è possibile
trattare in modo nuovo tutti i fenomeni fisici che si svolgono in sistemi di riferimento
non soggetti a moti accelerati ed in assenza di campi gravitazionali, considerando il
tempo non più in senso assoluto, cioè indipendente dall' osservatore, ma legato allo
spazio attraverso le trasformazioni di Lorentz.
Nello stesso periodo (1905), studiando la teoria dei quanti , enunciata da Planck in
relazione al problema dell'energia radiante emessa dal corpo nero, pensò di utilizzarla
per spiegare le caratteristiche dell'effetto fotoelettrico, scoperto da Hertz e Hallwachs
nel 1887 , e consistente nell'emissione di elettroni da parte di una superficie metallica
illuminata.
La sua teoria, basata sull'ipotesi dei fotoni, quanti (pacchetti) di energia
elettromagnetica di entità proporzionale alla frequenza della radiazione luminosa,
consentì di spiegare completamente tutte le caratteristiche dell'emissione fotoelettrica,
altrimenti del tutto inspiegabili applicando le leggi della fisica classica.
Per la sua teoria, che ampliò la teoria di Planck, dando origine alla fisica quantistica,
gli fu conferito il premio Nobel nel 1921.
L'ipotesi dell'esistenza dei fotoni fu brillantemente confermata nel 1923 da Compton, che
riuscì ad identificare i fotoni X diffusi, con cambiamento di lunghezza
d'onda, dagli elettroni atomici.
Nello stesso periodo Einstein contribuì inoltre in modo decisivo alla spiegazione dei
continui ,caotici, movimenti delle particelle di una soluzione colloidale ( moti
browniani), dovuti all'agitazione termica.
Tra il 1905 ed il 1916 Einstein estese la teoria della relatività, elaborando la geniale
"teoria della relatività generale", che è in sostanza una nuova teoria della
gravitazione che spiega i moti dei corpi celesti su basi geometriche, facendo dipendere
dalla massa la curvatura dello spazio-tempo.
La teoria della relatività generale, pubblicata nel 1916, consente di spiegare effetti di
fondamentale importanza per l'astrofisica e la cosmologia, quali lo spostamento gravitazionale
verso il rosso (distinto da quello dovuto al moto, per l'effetto Doppler) delle righe spettrali della luce
emessa da una stella, la curvatura subita dai raggi
luminosi che si propagano in prossimità di una stella e l'esistenza dei buchi neri, corpi
celesti invisibili derivanti dalla contrazione di una stella nella fase finale della sua
evoluzione,e caratterizzati da concentrazioni di materia così grandi da impedire perfino
l'emissione dei fotoni.
Einstein dedicò il resto della sua vita alla ricerca di una teoria relativistica
comprendente i fenomeni gravitazionali e quelli elettromagnetici, impostando le
premesse per la ricerca di una teoria unitaria comprendente
tutte le forze fondamentali della natura (gravitazionale,
elettromagnetica,debole e forte).
La teoria unitaria delle forze fondamentali
costituisce tuttora l'obiettivo di una straordinaria e stimolante sfida per i fisici del XXI secolo.
