Oliver Heaviside, il vero padre dell’elettronica classica

maxwell_equazioni

La base teorica dell’elettronica classica come la si studia all’università è opera di un solo uomo poco conosciuto. Questo articolo vuole rendergli omaggio e farlo conoscere.

Chiunque abbia studiato matematica o ingegneria dovrebbe conoscere la funzione gradino anche meno nota come funzione di Heaviside mostrata in figura sotto.

Tale funzione venne usata per la prima volta da Heaviside per modellare la corrente in un circuito elettrico ed è ancora oggi largamente usata in elettronica ed automazione per lo studio e la modellazione dei sistemi lineari.

Prima di spiegare perchè vicino al titolo di questo articolo ci sono le equazioni di Maxwell vediamo in che contesto storico nasce Heaviside:

Oliver Heaviside (in figura sotto) nacque il 18 maggio del 1850 in Inghilterra.

Suo zio, Sir Charles Wheatstone, fu il co-inventore del telegrafo e partecipò attivamente allo sviluppo delle prime comunicazioni intercontinentali tramite cavi sottomarini. Sir Wheatstone prese molto a cuore la formazione del nipote che a 16 anni lascia la scuola per studiare autonomamente fisica e matematica. Heaviside lavora anche con lo zio nel settore delle telecomunicazioni (telegrafi) e nel 1873 legge il trattato sull’elettromagnetismo di recente publicazione ad opera di Maxwell, opera che cambierà la sua vita. Infatti Heaviside rimane molto colpito dalla portata dell’opera e decide di studiarla in modo approfondito. Passerà il resto della sua vita dedicandosi allo studio delle linee di trasmissione ed al calcolo vettoriale.

Elenchiamo brevemente, senza approfondire troppo, le principali invenzioni/scoperte di cui pochi sanno essere lui l’autore:

- effetto pelle per i conduttori: fenomeno fisico in base al quale la densità di corrente in un conduttore si riduce muovendosi verso il centro del conduttore. Fenomeno molto importante di cui tenere conto ogni qual volta si trasmette un segnale tramite conduttore metallico. All’epoca il problema era particolarmente rilevante poichè per le comunicazioni telegrafiche si usavano spesso cavi in rame non schermati e la qualità della trasmissione era pessima.

- l’equazione delle linee: anche nota come equazione dei telegrafisti, modello matematico per le linee di trasmissione, base per l’elettronica classica.

- il cavo coassiale: Heaviside ha inventato e brevettato il cavo coassiale, cioè il cavo comunemente usato per l’antenna della televisione mostrato in figura sotto. Non fu mai realizzato all’epoca e venne ripreso in considerazione solo decenni dopo.

- le equazioni di Maxwell-Heaviside: ha riformulato le 12 equazioni originariamente proposte da Maxwell nel suo trattato nelle 4 equazioni di Maxwell mostrate in figura sopra. Quindi le equazioni di Maxwell nella forma vettoriale e nella loro simmetrica eleganza furono riformulate da Heaviside, ma in pochi lo sanno. Rimane ovviamente il merito e l’immenso genio di Maxwell.

- il calcolo operazionale: metodo di soluzione delle equazioni differenziali lineari a coefficenti costati molto simile all’uso della trasformata di Laplace che si fa oggi in elettronica. Solo che non ne diede una dimostrazione matematica rigorosa ma solo una interpretazione logica.

- bobina telefonica: propose per primo l’uso di un induttore a bobbina per migliorare il funzionamente dei sistemi di comunicazione come il telefono. La sua idea non fu presa in considerazione per motivi politici ma fu ripresa molti anni dopo ed è oggi una prassi ( o almeno lo era nei telefoni fissi…).

- analisi complessa dei circuiti: è stato il primo ad usare i numeri complessi per lo studio dei circuiti elettronici in regime sinusoidale. Molte volte mi sono chiesto a chi mai fosse venuto in mente di tirare in ballo i numeri complessi per studiare fenomeni "reali", passatemi il gioco di parole… Del resto non è mica così ovvio che al variare della frequenza un circuito abbia una impedenza Z (estensione della resistenza) composta da una parte reale, la resistenza R ed una immaginaria, la reattanza X, come in figura sotto.

\mathbf{Z}= R + j X

Oggi la cosa è data per scontata, è un modus operandi standard in elettronica/elettrotecnica, ma all’epoca doveva apparire del tutto esatotico come metodo.

- Induttanza, reattanza, impedenza, etc… cioè buona parte dei nomi delle grandezze usate in elettrotecnica per lo studio dei circuiti in regime sinusoidale sono opera sua.

Si è anche occupato della propagazione delle onde elettromagnetiche nello spazio libero predicendo l’esistenza dei uno strato della ionosfera che oggi porta il suo nome (una delle poche scoperte che porta il suo nome…), cioè lo strato di  Kennelly-Heaviside.

 

Buona parte delle sue idee o delle sue invenzioni vennero comprese o dimostrate solo diversi anni dopo la sua morte. Heaviside è rimasto estraneo al mondo accademico che per lungo tempo lo ha osteggiato non riconoscendogli spesso il dovuto plauso.

Abbiamo visto una rapida carrellata dei risultati ottenuti da questo grande genio per fare chiarezza su alcuni punti spesso poco noti sulla paternità di alcune invenzioni e scoperte alla base della tecnologia odierna.

9 Comments

  1. Emanuele 9 agosto 2011
  2. Emanuele 9 agosto 2011
  3. Giancarlo Aielli 9 agosto 2011
  4. Luca Giuliodori lucagiuliodori 12 agosto 2011
  5. Emanuele 12 agosto 2011
  6. Berni 23 agosto 2011
  7. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 25 agosto 2011
  8. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 25 agosto 2011
  9. Emanuele 25 agosto 2011

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