GARA DI BACHECA 2025 2026 : QUESITO N°9

 

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SCADE : 14 aprile 2026

RISPOSTA QUESITO N°8: 19

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IL CAMPO ELETTRICO E LINEE DI FORZA

La forza elettrica e l’idea di campo

La forza elettrica, analogamente alla forza gravitazionale, è una forza che agisce a distanza. Questo solleva una domanda fondamentale: come può una carica risentire della presenza di un’altra carica posta lontano, senza alcun contatto diretto? L’interazione è istantanea oppure si propaga con una velocità finita?

Newton non propose un meccanismo per spiegare l’azione a distanza e considerò l’interazione come istantanea. Con Faraday nasce invece un’idea rivoluzionaria: una carica elettrica modifica lo spazio circostante, creando una regione in cui altre cariche risentono della sua presenza. Questa regione prende il nome di campo elettrico.

Il campo elettrico è una proprietà dello spazio generata da una carica. In ogni punto dello spazio si può associare un vettore campo elettrico che indica direzione, verso e intensità della forza che agirebbe su una carica positiva posta in quel punto.

Per definizione:

\[ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q} \]

dove \(\vec{F}\) è la forza elettrica esercitata sulla carica di prova \(q\). La carica di prova, detta carica spia, è scelta positiva e sufficientemente piccola da non alterare il campo generato dalle altre cariche.

Il campo generato da una carica puntiforme \(Q\) a distanza \(r\) è:

\[ E = k \frac{Q}{r^2} \]

applet Colorado Phet : campo elettrico

Il campo elettrico obbedisce al principio di sovrapposizione: il campo totale in un punto è la somma vettoriale dei campi prodotti da ciascuna carica.

Linee di forza e visualizzazione del campo

Per rappresentare il campo elettrico si usano le linee di forza:

• la tangente alla linea indica la direzione del campo;
• la freccia indica il verso;
• la densità delle linee è proporzionale all’intensità del campo.

Le linee escono dalle cariche positive ed entrano in quelle negative. Per una carica puntiforme sono radiali.

Sperimentalmente si possono osservare usando semi di lino in olio: in presenza del campo elettrico i semi si polarizzano e si orientano secondo le linee di forza.

Il campo di un dipolo elettrico si ottiene come somma vettoriale dei campi generati dalle due cariche opposte.

Configurazioni particolari di campo elettrico

Superficie piana uniformemente carica

Per una superficie piana con densità superficiale di carica \(\sigma\):

• le linee di forza sono perpendicolari alla superficie;
• sono equidistanti, quindi il campo è uniforme;
• il modulo del campo è:

\[ E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0} \]

Se la superficie è carica negativamente le linee su uscenti.

Ora consideriamo due superfici uniformemente cariche con uguale carica di segno opposto e una affacciata all'altra. Tale configura si chiama condensatore piano e si può ottenere con due lastre conduttrici . Caricando la prima, la seconda si carica per induzione di segno opposto.

PRIMI ESPERIMENTI DI ELETTROSTATICA

La forza elettrica è quella forza che agisce tra corpi elettrizzati cioè che possiedono la carica. Come possiamo elettrizzare un corpo? 

1)La prima esperienza è quella di strofinare una bacchetta di vetro con un panno di seta oppure una bacchetta di plastica con un panno di pelliccia. Avvicinando la bacchetta a pezzettini di carta questi vengono attirati. Diremo che la bacchetta è elettrizzata. Nello strofinare la bacchetta si strappano cariche dal panno alla bacchetta o viceversa. Al posto dei pezzetti di carta possiamo usare un pendolino elettrostatico .

LA CARICA NON SI CREA MA SI TRASFERISCE

2) Per dimostrare sperimentalmente l’esistenza di due tipi di carica, che chiameremo positiva e negativa, e che cariche dello stesso tipo si respingono mentre cariche di tipo opposto si attraggono, possiamo procedere così: si strofina una bacchetta di plastica e la si pone su un supporto in modo che possa ruotare liberamente; successivamente si avvicinano prima una bacchetta di vetro strofinata e poi un’altra bacchetta di plastica strofinata. Si osserva una forza attrattiva nel primo caso e una forza repulsiva nel secondo.

3)ELETTROSCOPIO:  Un altro modo per verificare che un corpo è elettrizzato consiste nell’utilizzare un elettroscopio. Avvicinando una bacchetta carica al pomello dell’elettroscopio, le due foglioline metalliche si allontanano tra loro, indicando la presenza di carica.

Componenti principali dell'elettroscopio:
Pomello metallico: la parte superiore, che si tocca o si avvicina al corpo carico.
Asta metallica: collega il pomello alle foglioline.
Foglioline metalliche: sottili lamelle (spesso d’oro o alluminio) che possono aprirsi o chiudersi.
Contenitore isolante: protegge dalle correnti d’aria e riduce le dispersioni.
Cosa succede quando avvicini un corpo carico? Quando una bacchetta carica, supponiamo positivamente, viene avvicinata al pomello, le cariche positive nel metallo dell’elettroscopio si ridistribuiscono (fenomeno di induzione elettrostatica) allontanandosi il più possibile dalla bacchetta. 
E quindi  cariche dello stesso segno si accumulano sulle foglioline, che quindi:
si caricano entrambe con lo stesso tipo di carica, si respingono, e si allontanano visibilmente.
L’apertura delle foglioline indica che nell’elettroscopio è presente carica, quindi il corpo avvicinato è elettrizzato.

4)L'ELETTROFORO DI VOLTA: L’elettroforo di Volta è un semplice dispositivo che permette di ottenere ripetutamente cariche elettriche senza dover strofinare ogni volta i materiali.

Com’è fatto l'elettroforo:
Piastra di resina (o ebanite): si carica per strofinio. Disco metallico con manico isolante.
Come funziona?
Si strofina la piastra di resina, che si carica (di solito negativamente). Si appoggia il disco metallico sulla piastra: le cariche nel disco si ridistribuiscono per induzione, ma il disco nel complesso resta neutro. Si tocca il disco con un dito: le cariche dello stesso segno della piastra vengono respinte e scaricate a terra. Sul disco rimane la carica di un solo segno.
Si solleva il disco: ora è carico (di segno opposto alla piastra) e può dare una scintilla o caricare altri oggetti.

4)Il comportamento dei corpi rispetto alla carica elettrica è diverso. In alcuni materiali, come la plastica, la carica rimane localizzata nel punto in cui si è generata: ad esempio, strofinando una bacchetta di plastica, la carica resta nella zona di strofinio. Questi materiali vengono chiamati isolanti.
In altri materiali, invece, la carica può muoversi liberamente, come accade nei metalli: li definiamo conduttori. La carica che si sposta è sempre quella negativa, perché i portatori di carica sono gli elettroni.
Un corpo risulta carico positivamente se è in difetto di elettroni, mentre è carico negativamente se possiede un eccesso di elettroni.

Un possibile esperimento per osservare il diverso comportamento dei conduttori e degli isolanti è il seguente: Si carica per contatto l'elettroscopio. Si pone a contatto una sfera conduttrice scarica. Si osserva l'elettroscopio scaricarsi parzialmente. Ripetendo nuovamente con la sfera conduttrice scarica di continua a scaricare di una porzione uguale a quella precedente. E' come svuotare un recipiente di acqua con un bicchiere vuoto.

5)Un corpo si può elettrizzare nei seguenti modi: a) per strofinio b) per contatto c) per induzione. a)Per strofinio le cariche passano dal panno alla bacchetta. b)Per verificare l'elettrizzazione per contatto carichiamo un pomello con l'elettroforo di Volta e con questo tocchiamo un secondo pomello inizialmente scarico. Per controllare che è carico lo si può avvicinare all'elettroscopio. Oppure possiamo toccare direttamente il pomello dell'elettroscopio e osservare come le foglioline segnalano che questo è rimasto carico. Per scaricare è sufficiente toccare con un dito. Le cariche si disperdono attraverso il nostro corpo. c) Quando si avvicina un corpo carico a un conduttore, le cariche presenti nel conduttore si ridistribuiscono: quelle dello stesso segno del corpo esterno tendono ad allontanarsi il più possibile, mentre quelle di segno opposto si avvicinano. Si crea così una separazione di carica che rende il conduttore temporaneamente elettrizzato per induzione. Questa situazione scompare non appena il corpo carico viene allontanato. Per caricare in modo permanente un conduttore A tramite induzione, si procede così:

Si avvicina un corpo carico B al conduttore A. Le cariche in A si ridistribuiscono: quelle dello stesso segno di B vengono respinte e si accumulano nella parte più lontana.
Si collega A a Terra (messa a massa) mentre B è ancora vicino. Le cariche dello stesso segno di B, respinte verso il punto di contatto, si disperdono nel terreno.
Si interrompe il collegamento a Terra mantenendo ancora vicino il corpo B. A questo punto nel conduttore rimangono solo cariche di segno opposto rispetto a quelle di B.
Si allontana il corpo carico B. Ora il conduttore A rimane carico in modo permanente, con carica di segno opposto a quella del corpo B.

6)Quando carichiamo un conduttore isolato, ad esempio per contatto, la carica trasferita si distribuisce sempre sulla superficie esterna. In un conduttore, infatti, le cariche sono libere di muoversi e tendono ad allontanarsi il più possibile le une dalle altre, disponendosi quindi sulla superficie. All’interno del conduttore non rimane carica, perché il campo elettrico interno deve essere nullo.

Per verificarlo sperimentalmente si utilizzano dei gusci emisferici conduttori che ricoprono una sfera precedentemente caricata. Quando i gusci vengono applicati, la carica presente sulla sfera si ridistribuisce e passa completamente sulla copertura. Al termine dell’esperimento i gusci risultano carichi, mentre la sfera conduttrice interna risulta scarica.

7)Esperimento del pozzetto di Faraday: Serve per dimostrare l'induzione completa cioè quando la carica indotta è uguale alla carica inducente. Si cala una sferetta conduttrice carica nel pozzetto collegato con l'elettroscopio e si osserva la presenza di carica data dalle foglioline che divergono. In questa fase non si deve toccare il pozzetto con la sferetta carica. Successivamente di inserisce fino a toccare il fondo. In questo modo si allontana la carica presente per induzione sulla superficie interna al pozzetto e l'elettroscopio+ pozzetto rimane carico con carica di segno opposto alla sferetta.

8)Potere delle punte

 Dove la superficie è molto curva, le cariche si “ammassano”

Su un conduttore le cariche libere cercano sempre di stare il più lontano possibile le une dalle altre.  

Se la superficie è piatta, hanno molto spazio per distribuirsi.  

Se invece c’è una punta, la superficie disponibile è piccola e molto curva: è come un angolo stretto. In un angolo stretto:

- le cariche hanno meno spazio per separarsi;  

- finiscono per concentrarsi molto di più;  

- la loro "densità locale" aumenta.

È come mettere molte persone che vogliono scappare in un corridoio stretto: si comprimono e la pressione cresce.

La forte concentrazione crea una “spinta” verso l’esterno . Quando tante cariche dello stesso segno sono costrette in poco spazio, la loro repulsione reciproca diventa molto intensa.  

Questa repulsione produce una "spinta verso l’esterno", cioè una tendenza delle cariche a uscire dalla punta.

Più la punta è affilata, più la concentrazione è grande, più la spinta aumenta.

Quando la spinta supera la resistenza dell’aria

L’aria normalmente blocca il passaggio delle cariche: è un isolante.  

Ma se la spinta delle cariche concentrate sulla punta diventa abbastanza forte, l’aria non riesce più a resistere.

Succede allora che:

- alcune molecole d’aria vengono “spezzate”;  

- si formano ioni ed elettroni liberi;  

- l’aria smette di essere isolante e diventa un "mezzo che può trasportare carica".

A quel punto le cariche trovano una via di fuga e nasce la "scarica".

9)Gabbia di Faraday

Una gabbia di Faraday può essere vista come un semplice **coperchio di rete metallica** che circonda un oggetto. Per verificarne l’effetto si usa un elettroscopio posto all’interno della gabbia e un conduttore carico tenuto all’esterno.

Quando il conduttore carico viene avvicinato alla gabbia o addirittura la tocca:

- le cariche presenti sulla rete metallica si ridistribuiscono;  

- questa ridistribuzione rimane confinata solo sulla superficie esterna della gabbia;  

- all’interno non compare alcuna carica.

L’elettroscopio, infatti, non mostra alcuna deviazione delle foglioline, mentre senza la gabbia reagirebbe immediatamente alla presenza del conduttore carico.

In questo modo l’interno della gabbia rimane completamente isolato dalle influenze elettriche esterne.

Per questo motivo si dice che una gabbia metallica "scherma" le azioni elettriche provenienti dall’esterno.

Essere dentro una gabbia di Faraday significa essere protetti da scariche o accumuli di carica esterni. Questo principio è alla base di:

- parafulmini, che convogliano le cariche verso terra evitando che entrino negli edifici;  

- scocche metalliche degli elettrodomestici, che impediscono che cariche o disturbi elettrici raggiungano le parti interne;  

- abitacolo delle automobili, che protegge i passeggeri durante un fulmine.

MOTO DEL PENDOLO

Consideriamo un pendolo di lunghezza l e massa m. Sia 𝜶 l'angolo in radianti che forma con la verticale.  Sia x la lunghezza dell'arco di oscillazione. Risulta 𝜶=x/l.

La forza di richiamo è data dalla componente perpendicolare del peso data da P⟂=mg∙sen𝜶 mentre la componente di P//=mgcos𝜶 parallela al filo è equilibrata dalla tensione della corda.

Applicando la II legge della dinamica F=ma si ottiene: -mg∙sen𝜶=m∙a

a= -g∙sen𝜶

Ricordiamo che un moto è armonico se e solo se l'accelerazione è direttamente proporzionale allo spostamento.

Se consideriamo piccole oscillazioni possiamo sostituire a sen𝜶 l'angolo 𝜶=x/l

Per piccole oscillazioni si ottiene:

a= -(g/l)∙x

Quindi per piccole oscillazioni il moto del pendolo è armonico perchè l'accelerazione è direttamente proporzionale a x. La costante di proporzionalità è -g/l.

Ricordando che in generale in un moto armonico la costante è data da 𝝎² allora possiamo ricavare il periodo del pendolo dato da:

I MIEI LIBRI DIVULGATIVI DI FISICA CHE CONSIGLIO

1) Sette brevi lezioni di fisica .

Autore: Carlo Rovelli

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2) Dal Bing Bang ai buchi neri. 

Autore: Stephen Hawking

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3)Le 5 equazioni che hanno cambiato il mondo. -

Autore: Michael Guillen

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4)L' uomo dal naso d'oro. Tycho Brahe e Giovanni Keplero: la strana coppia che rivoluzionò la scienza -  Manjit Kumar

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Racconta in forma di romanzo storico la nascita della scienza moderna e dell’astronomia, con protagonisti Galilei, Keplero e Tycho Brahe. Ho trovato particolarmente affascinante la figura di Tycho Brahe, con il suo castello‑osservatorio sull’isola danese di Uraniborg e il suo carattere diffidente, soprattutto nei confronti dei suoi collaboratori. Colpisce in particolare il rapporto teso con Keplero, determinato a ottenere i preziosi dati astronomici raccolti da Tycho, gli stessi che gli avrebbero poi permesso di formulare le sue celebri leggi sul moto dei pianeti.

5)Buchi bianchi 

Autore: Carlo Rovelli

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6) La  misura del tempo 

Daniel Kehlmann

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7) Il senso delle cose 

di Richard Feyman

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8) L'ordine del tempo 

di Carlo Rovelli

9) L'incredibile cena dei fisici quantistici

di Gabriella Greison

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10) La fisica dei supereroi 

James kakalios

***

11) Le mie invenzioni. L'autobiografia di un genio. Nikola Tesla

***

12)La particella mancante. Vita e mistero di Ettore Majorana, genio della fisica -

di João Magueijo 

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Racconta la vita di Ettore Majorana come un romanzo avvincente, capace di intrecciare il fulgore del suo genio, le asperità del suo carattere e l’enigma insondabile della sua scomparsa. Le pagine scorrono rapide, trascinando il lettore dentro la mente di uno dei fisici più misteriosi del Novecento, fino a un finale che lascia senza fiato e con il desiderio di ricominciare da capo.

13)Quantum  di Manjit Kumar

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Questo libro ricostruisce con rigore storico e scientifico la nascita e l’evoluzione della fisica quantistica. È estremamente interessante perché mostra come le idee siano maturate attraverso il confronto tra grandi scienziati e come siano state influenzate dal contesto socio‑politico dell’epoca, segnato dalle due guerre mondiali. Si comprende così non solo lo sviluppo della disciplina, ma anche l’intreccio profondo tra ricerca, personalità e storia.

HORROR VACUI : LA STORIA DEL VUOTO

1. Le domande fondamentali

• Cos’è il vuoto?

• Esiste il vuoto?

• Ha senso parlare di moto nel vuoto?

• L’aria pesa?

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2. I filosofi greci

• Democrito e gli atomisti: introdussero l’idea che la materia è fatta di atomi e che il vuoto è necessario per il loro movimento.

• Aristotele: negava l’esistenza del vuoto. Per lui:

  • Tutti i corpi hanno un “luogo naturale” verso cui tendono.

  • Il moto naturale e il moto violento sono distinti.

  • L’aria non ha peso.

  • L’universo è finito e i corpi celesti sono immutabili e composti dalla “quinta essenza”.

  • Nel vuoto, non essendoci “luogo”, non può esistere neanche il moto.

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3. Scolastica e Medioevo

• La filosofia aristotelica viene adattata alla fede cristiana.

• Nasce il principio dell’"horror vacui": la natura “odia” il vuoto e fa di tutto per evitarlo.

• L'idea del vuoto è ritenuta inaccettabile sul piano teologico e logico.

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4. Rinascimento e rottura con il passato

• Nuovo fermento culturale nel 1500: artigiani e tecnici (non solo filosofi) iniziano a studiare la natura.

• L’esperienza pratica contrasta molte teorie aristoteliche.

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5. 1600: nascita della scienza moderna

• Nasce il metodo sperimentale (osservazione, matematica, esperimento).

• Si pone il problema del limite di sollevamento dell’acqua con le pompe (circa 10 metri).

• Galileo Galilei propone che anche l’horror vacui ha un limite (“altezza limitatissima”).

• L’ipotesi resta controversa.

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6. Esperimento di Torricelli (1644)

• Torricelli dimostra che:

  • Il vuoto esiste (nella parte alta di un tubo pieno di mercurio capovolto).

  • L’aria ha un peso e la sua pressione sostiene la colonna di mercurio (760 mm).

• Questo esperimento segna la fine della teoria aristotelica del vuoto.

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7. Impatto dell’esperimento

• La scoperta del vuoto ha un impatto enorme sul piano filosofico e scientifico.

• Apre la strada al metodo scientifico, alla comprensione della pressione atmosferica e ai primi strumenti di misurazione dell’aria (barometri).

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1. La scienza diventa spettacolo

• Nel Giardino di Boboli a Firenze, durante feste di corte, vennero eseguiti esperimenti pubblici sul vuoto.

• La scienza comincia ad affascinare e coinvolgere anche per fini scenografici e spettacolari.

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2. L’Accademia del Cimento (1657)

• Fondata da Leopoldo de’ Medici a Firenze.

• Scopo: verificare sperimentalmente le leggi della natura e gli esperimenti noti.

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3. Cartesio contro il vuoto

• Cartesio nega l’esistenza del vuoto: dove c’è estensione, c’è materia.

• Introduce il concetto di "materia sottile" per riempire gli spazi che sembrano vuoti.

• Si oppone all'azione a distanza: secondo lui, tutto avviene per contatto.

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4. Blaise Pascal (1623–1662)

• Ripete gli esperimenti di Torricelli nel 1646, usando anche acqua, vino e oli.

• Dimostra la pesantezza dell’aria e l’esistenza del vuoto.

• Subisce attacchi da parte di aristotelici, gesuiti e seguaci di Cartesio.

• Nel 1648 organizza l’esperimento sul Puy-de-Dôme, dimostrando che la pressione atmosferica diminuisce con l’altitudine (variazione di 8,25 cm nella colonna di mercurio).

• Accademia del Cimento (1657): fondata da Leopoldo de’ Medici per verificare sperimentalmente i princìpi della filosofia naturale.

• Cartesio negava l’esistenza del vuoto: per lui, dove c’è estensione c’è materia. Lo spazio apparentemente vuoto è in realtà riempito da una “materia sottile”. Rifiutava l’idea di azione a distanza.

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🌡️ Blaise Pascal (1623–1662)

• Ripeté e ampliò l’esperimento di Torricelli (1646), confermando l’esistenza del vuoto e il peso dell’aria.

• Usò vari liquidi (vino, acqua, oli) oltre al mercurio e realizzò esperimenti spettacolari in pubblico.

• Esperimento del Puy-de-Dôme (1648): confrontò l’altezza del mercurio a diverse altitudini, dimostrando la relazione tra pressione atmosferica e altitudine.

• Fu duramente attaccato dalla Chiesa, da aristotelici e da cartesiani, inclusi i contrasti con Cartesio, che lo derise.

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🧪 Otto von Guericke (1602–1686)

• Borgomastro di Magdeburgo, studioso di scienze naturali.

• Influenzato dagli esperimenti di Torricelli e dalle idee cartesiane.

• Inventò la prima pompa pneumatica (1650): usata per creare il vuoto, anche se inizialmente poco pratica.

• Introdusse per primo l’uso delle valvole nei dispositivi sperimentali per il vuoto.

• Otto von Guericke (1602–1686):

  • 1657: celebre esperimento degli emisferi di Magdeburgo – creazione del vuoto tra due emisferi di bronzo, che richiese 16 cavalli per essere separati, dimostrando la forza della pressione atmosferica.

  • Dimostrò che l'aria ha peso e può compiere lavoro meccanico (base teorica per le future macchine a vapore).

  • Costruì barometri e perfezionò le tecniche per creare il vuoto.

  • Sostenne che l’aria non fosse un elemento, ma un’esalazione dei corpi.

• Robert Boyle (1627–1691):

  • Costruì una pompa pneumatica con l’aiuto di Robert Hooke.

  • Dimostrò sperimentalmente che il suono non si propaga nel vuoto.

  • Studiò fenomeni come la bollitura dell’acqua a temperatura ambiente, il comportamento di animali nel vuoto e la conservazione dei cibi.

• Galileo Galilei:

  • Affermò che tutti i corpi cadono alla stessa velocità nel vuoto. Ciò venne confermato alla fine del Seicento grazie alle tecniche per creare il vuoto.

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⚗️ Sviluppi successivi

• XVII secolo: sogni fantascientifici come “navi volanti nell’oceano Torricelliano”.

• XVIII secolo: approfondimento delle leggi dei gas (es. legge di Boyle).

• XIX secolo: uso del vuoto per lo studio delle scariche elettriche nei gas → scoperta dell’elettrone.

• Teoria dell’etere: spazio visto come riempito da un mezzo invisibile (etere) per spiegare la propagazione della luce. Confutata con l’esperimento di Michelson e Morley (1881–1887).

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🧪 XX secolo e oltre

• 1900 in poi: con le macchine per l’alto vuoto si approfondisce la conoscenza della materia a livello microscopico.

BOMBA ATOMICA