Fisica elettricità storia

STORIA DELL’ELETTRICITA’
Introduzione
La storia dello studio dell’elettricità è stata alquanto travagliata. Infatti, studiare i fenomeni elettrici è molto difficile poiché la materia, anche se composta da particelle cariche (protoni ed elettroni),  globalmente appare praticamente neutra.  I più appariscenti fenomeni elettrici, il fulmine e la scintilla, sono molto elusivi e di difficile studio: altri fenomeni meno appariscenti ma più persistenti e controllabili, come l’attrazione elettrica fra un panno sfregato e della polvere, non solo appaiono di interesse marginale (a chi può interessare una teoria che spieghi come mai la polvere talvolta rimanga attaccata ad un panno? Forse ad una massaia che spolvera?) ma sono comunque difficili da analizzare scientificamente. Perciò, anche se l’attrazione elettrostatica è nota fin dall’antichità, per molto tempo essa rimase un qualcosa di misterioso.
TEORIE ANTICHE
Secondo quanto riferisce Aristotele, già ai tempi di Talete (VI sec. a.c.) era nota la singolare proprietà dell'ambra gialla, che strofinata, anche con la sola mano asciutta, è in grado di attrarre a sé pagliuzze, foglie secche e altri leggeri corpuscoli. A primitive interpretazioni del fenomeno di tipo animistico, si susseguirono spiegazioni su basi meccaniche, coinvolgenti effluvi materiali, o non, che escono e/o entrano nei corpi elettrizzati. Stando a quanto riferisce un fisico del 1500, William Gilbert, Plutarco nelle Questioni Platoniche sostiene che nell'ambra vi sia un non so che di fiammeo, che ha la natura dello spirito e che quando, mediante la frizione della superficie, vengono aperte le via di uscita, esce fuori ed attira i corpi.
A livello atomistico così si esprimeva Lucrezio (I sec. a.c.) nel De rerum Natura, riferendosi all'attrazione magnetica.
Devon in pria
emanar da tal pietra atomi molti
o una corrente, se pur vuoi, che scacci
tutta coi colpi suoi l'aria ch'è posta
fra la pietra ed il ferro. Ove poi questo
spazio vacuo si fa, d'un subito in un gruppo
giù cadono scorrendo entro quel vano
i principi del ferro, onde succede che tenga dietro ad essi anche l'anello
e là così con tutto il corpo vada

Tale attrazione rimase una proprietà della sola ambra, almeno fino alla fine del XVII sec. quando William Gilbert (1540-1603) nella sua opera principale, il De Magnete(1600), osservò che circa una ventina di altri corpi oltre l'ambra sono in grado di attrarre a sé leggeri corpuscoli: tra questi, lo zolfo, il vetro, la gommalacca, le resine solide e molte pietre dure. Gilbert ritiene che l'attrazione sia dovuta ad un fluido materiale emanato dai corpi elettrizzati:

 

Concludendo i corpuscoli sono trasportati sui corpi stessi degli elettrici; le energie provengono dagli effluvi che sono propri e peculiari dei corpi elettrici, diversi dall'aria comune [...], eccitati dal movimento e dall'attrito che genera calore e sono simili a raggi materiali che attraggono e sollevano le pagliuzze, [...], finché non si estinguono e allora appena i corpuscoli siano di nuovo liberi, subito attirati dalla terra stessa cadono giù
Cioè per Gilbert le particelle del fluido elettrico che emana dal corpo elettrizzato, si aggrappano ai corpi che incontrano, li stringono e li trasportano, finché hanno energia, alla fonte da cui sono emessi.

Nel 1629 Nicola Cabeo (1585-1650) osservava il fenomeno della repulsione elettrica, notando come le pagliuzze, attratte dal corpo elettrizzato, vengono successivamente da questo respinte, dopo averlo toccato.
Galileo (1564-1642) non si occupò direttamente di elettricità; tuttavia egli ebbe a scrivere per quando riguarda il fenomeno dell'attrazione:
L'ambra, il diamante, l'altre gioie e materie molto dense, riscaldate [per strofinio] attraggono i corpuscoli leggeri, e ciò perché attraggono l'aria nel raffreddarsi, e l'aria fa vento ai corpuscoli; e forse in simil guisa dalle regioni scaldate, nel raffreddarsi, si eccitano i venti nelle circonvicine province
René Descartes (1596-1650) attribuisce l'attrazione magnetica ed elettrica al moto di un tenuissimo primo elemento:
Onde avviene se il vetro si sfregherà abbastanza energicamente, si da riscaldarlo alcun poco, le particelle stesse, scacciate fuori da tal moto, si spandono nell'aria vicina, e imboccano i meati degli altri corpi vicini; ma poiché non vi trovano vie tanto facili, subito ritornano al vetro e trasportano seco i più piccoli corpi nei cui meati esse sono impigliate
L'idea di una partecipazione attiva dell'aria nel fenomeno dell'attrazione e repulsione elettrica sarà ancora presente in molti scienziati successivi, nonostante l'osservazione di Robert Boyle (1627-1691), intorno al 1676, che i fenomeni elettrici sembrano realizzarsi anche nel vuoto. Egli infatti aveva verificato che l’attrazione elettrostatica avveniva anche dentro una camera a vuoto, cioè un recipiente chiuso dal quale era stata estratta l’aria.

 

Un nuovo strumento: la macchina elettrostatica
Fino alla metà del 1600, il problema principale dello studio dei fenomeni elettrici era dovuto al fatto che l’unico modo per osservarli era quello di elettrizzare un corpo per strofinio: se lo strofinamento era fatto a mano, al massimo si poteva ottenere una debole attrazione che perdurava per un breve tempo.

L’invenzione che fece compiere un vero e proprio salto di qualità allo studio dei fenomeni elettrostatici fu la macchina elettrostatica a strofinio, concepita da Otto von Guericke (1602-1686) nel 1660. Grazie ad essa si riesce ad elettrizzare fortemente una grande quantità di sostanze per lungo tempo. Essa era costituita da una semplice sfera di zolfo, magnitudine ut caput infantis, che veniva fatta girare intorno ad un'asta di ferro passante per il suo centro ed elettrizzata dal semplice strofinio di una palma satis sicca  (figura a sinistra).

L’elettricità diventa spettacolo
Ed è proprio grazie alla macchina di von Guericke che nel 1700 avviene un curioso accidente il quale non ha nulla di scientifico ma che ebbe un’importanza decisiva nello studio dell’elettricità: i fenomeni elettrici prodotti da tale macchina furono usati per spettacoli e fiere! La novità, la spettacolarità e il forte sapore magico di tali fenomeni furono tali che essi balzarono all’attenzione del pubblico: la qual cosa spinse molti scienziati ad interessarsi ad essi.
Stephen Gray (1666?-1736), uno scienziato inglese, realizzò per la prima volta l'elettrizzazione di una persona, tenuta sospesa ed isolata dal suolo mediante fili di seta (vedi fig. 2). Tale esperienza divenne successivamente di moda e fece il giro di tutti i salotti aristocratici dell'epoca, rendendo l'elettricità di dominio pubblico. Dilettanti, praticoni e ciarlatani, ma anche alcuni fisici elettrizzanti, cominciarono a fare esperimenti sempre più appariscenti: il globo elettrizzato della macchina veniva scaricato attraverso catene di molti uomini e si cominciò a studiare se gli uomini si elettrizzavano più o meno facilmente delle donne, i giovani dei vecchi. Insomma tutta l'Europa-bene si elettrizzò e si stupì dinnanzi alle sempre nuove meraviglie.
Così scriveva nel 1746 l'abate Jean A. Nollet (1700-1770):

Allorché in fisica appare qualche novità la curiosità subito se ne impadronisce e si diverte ma si ritiene ben presto soddisfatta. Ad essa segue l'interesse e si esige che ciò che si è ammirato sia anche utile

 

E nello stesso anno il medico veneziano Eusebio Sguario (?-?)

Appena si conobbe che tanto era il potere che aveva l'elettricità sui corpi umani, che subito si cercò s'ella avrebbe mai potuto per buona volontà apportare qualche sollievo ai mancamenti della salute

Ai pochi medici coscienziosi, molti altri se ne aggiunsero, specie in Italia, con l'unico scopo di trarre facili guadagni; ben pochi malanni resistevano alla terapia elettrica. E nel 1785 Jean-René Sigaud de la Fonde (1740-1810) ammoniva severo:

Tutti i giornali italiani si riempivano di guarigioni miracolose che non avevano altro fondamento che l'entusiasmo, per non dire la malafede, di coloro che le facevano pubblicare

 

Scoperta degli  isolanti e dei conduttori
Ma anche la scienza vera continuava a fare meravigliose scoperte. Nel 1729 Stephen Gray (1666?-1736), osservando come la virtù elettrica (così era chiamata l’elettrizzazione in passato) eccitata in un corpo per strofinio, possa in alcuni casi comunicarsi anche ad altri corpi. La sua esperienza si basò sulla trasmissione dello stato di elettrizzazione attraverso un cavo metallico collegato ad una sfera elettrizzata e sollevato da terra tramite dei fili si seta. In base a questi esperimenti, Gray introdusse il concetto di sostanze isolanti (ad es. seta) e conduttrici (ad es. cavo metallico); nel 1730 realizzò per la prima volta l'elettrizzazione di una persona, tenuta sospesa ed isolata dal suolo mediante fili di seta (vedi fig. 2).

 

TEORIE MODERNE
Modello a due fluidi
Al seguito del novello interesse per l’elettricità, vennero sviluppate nuove teorie più adatte a descrivere i fenomeni elettrici di quanto lo fossero le nebulose teorie del passato. Nel 1733 Charles de Cisternay du Fay (1698-1739) avanzò l'ipotesi dell'esistenza di due, e solo due, stati elettrici distinti che si possono manifestare per strofinio nei corpi coibenti e chiamò tali elettricità, rispettivamente, vetrosa e resinosa dal nome delle sostanze nelle quali veniva più facilmente eccitata. La sua scoperta fu pubblicata in un volume della Philosophical Transactions of the Royal Society. Le esperienze riguardavano principalmente il fatto che una fogliolina d'oro respinta dal vetro viene attirata dalle materie resinose e quando viene respinta dalle materie resinose viene attratta dal vetro. Du Fay mostrò anche come corpi eccitati della stessa elettricità si respingono, mentre corpi a cui sono state conferite elettricità diverse si attraggono.

Queste osservazioni lo portarono a teorizzare il cosiddetto modello a due fluidi: l’elettricità è data da due diversi fluidi, uno tipico del vetro (carica vetrosa) e l’altro della resina (carica resinosa). I fluidi esercitano una forza sulla materia entrando o uscendo dai corpi materiali attraverso microscopici fori del tutto invisibili. Eccovi come l’abate Nollet descrive l’attrazione fra due fluidi di diverso tipo:

Quando si strofina un corpo elettrico si mette in movimento il fluido che è nel suo interno. Questo allora esce per piccoli fori abbastanza distanti tra loro, divergendo subito dopo l’uscita (materia effluente). La materia effluente, uscendo dal corpo richiama altra materia simile dai corpi vicini (materia affluente) che entra nel corpo attraverso fori distinti più numerosi di quelli dai quali esce la materia effluente.

Dovendo mantenersi costante la quantità di fluido elettrico presente nei corpi, la velocità della materia effluente è maggiore di quella affluente, la quale tuttavia è presente nello spazio circostante il corpo elettrizzato con un maggior numero di raggi, in modo che un corpuscolo ha più probabilità di essere attratto che respinto dai flussi della materia elettrica

Sinceramente, da questo semplice scritto non mi è chiaro come Nollet ritenesse che i due fluidi – quello affluente e quello defluente – potessero spiegare tutti i fenomeni di attrazione e repulsione elettrostatica: ma la cosa importante è comprendere che fino a tutto il 1700 si riteneva che le forze fra gli oggetti potessero esistere solo se dovute ad un contatto materiale. Questo spiega l’ipotesi fatta da Nollet che lo spazio fosse pervaso da un fluido, anche se del tutto invisibile: e spiega anche come mai tutte le teorie precedenti ritenessero che la forza elettrostatica fosse dovuta alla spinta dell’aria o di un qualche gas.
Modello ad un fluido
Si deve a Franklin una nuova teoria, detta dell'unicità del fluido elettrico. Secondo Franklin, infatti, esiste un unico fluido elettrico distribuito in tutti i corpi; le particelle costituenti il fluido elettrico si respingono tra loro, mentre sono attratte dalle particelle della materia e a loro volta le attirano.
In ogni corpo allo stato naturale è presente tanta quantità di fluido elettrico, quanto esso ne può contenere grazie all'intensità della propria forza attrattiva, che differisce da sostanza a sostanza. Se un corpo contiene più fluido del normale esso è elettrizzato più(o positivamente: è questo il caso del vetro), se contiene meno fluido elettrico del normale è elettrizzato meno (o negativamente: è questo il caso della resina). Strofinando tra loro due corpi, parte del fluido elettrico passa da un corpo all'altro; uno si carica più e l'altro meno e i segni elettrici su entrambi i corpi hanno la stessa intensità. Il fluido elettrico che viene aggiunto ad un corpo (carico più) non si trova all'interno del corpo ma si distribuisce al di fuori di esso, seguendo i contorni della sua superficie e costituendo una sorta di atmosfera elettrica materiale che si espande tutto intorno al corpo.
La repulsione tra corpi carichi positivamente (eccesso di fluido) è dovuto alla impenetrabilità di tali atmosfere. L'attrazione tra corpi diversamente elettrizzati è dovuta all'attrazione della materia del corpo in difetto di fluido verso l'atmosfera elettrica che circonda quello in eccesso. Si tratta quindi in tutti i casi di una forza per contatto. La teoria dell'unicità del fluido elettrico fu in breve tempo accettata da quasi tutti i fisici elettrizzanti. Ecco cosa scrive Franklin al riguardo:
"1. The electrical matter consists of particles extremely subtile, since it can permeate common matter, even the densist metals, with such ease and freedom as not to receive any perceptible resistance.

"2. If any one should doubt whether the electrical matter passes through the substance of bodies, or only over and along their surfaces, a shock from an electrified large glass jar, taken through his own body, will probably convince him.

"3. Electrical matter differs from common matter in this, that the parts of the latter mutually attract, those of the former mutually repel each other. Hence the appearing divergency in the stream of electrified effluvia.

"4. But though the particles of electrical matter do repel each other, they are strongly attracted by all other matter.

"5. From these three things, the extreme subtility of the electrical matter, the mutual repulsion of its parts,and the strong attraction between them and other matter, arise this effect, that, when a quantity of electrical matter is applied to a mass of common matter, of any bigness or length, within our observation (which hath not already got its quantity) it is immediately and equally diffused through the whole.

"6. Thus common matter is a kind of spunge to the electrical fluid. And as a spunge would receive no wafer if the parts of water were not smaller than the pores of the spunge; and even then but slowly, if there were not a mutual attraction between those parts and the parts of the spunge; and would still imbibe it faster, if the mutual attraction among the parts of the water did not impede, some force being required to separate them; and fastest, if, instead of attraction, there were a mutual repulsion among those parts, which would act in conjunction with the attraction of the spunge. So is the case between the electrical and common matter.

"7. But in common matter there is (generally) as much of the electrical as it will contain within its substance. If more is added, it lies without upon the surface, and forms what we call an electrical atmosphere; and then the body is said to be electrified."

 

Si deve inoltre a Franklin la scoperta che i fulmini sono fenomeni elettrici e l’invenzione del parafulmine.

 

La legge di conservazione della carica elettrica
Nel 1750, nello stesso anno in cui nacque la teoria elettrica ad un solo fluido, Franklin fece un importante esperimento dove dimostrò che la carica elettrica totale doveva mantenersi sempre costante. Ecco cosa riportano gli appunti personali di Franklin:

1. A person standing on wax, and rubbing the tube, and another person on wax drawing the fire, they will both of them (provided they do not stand so as to touch one another) appear to be electrised, to a person standing on the floor; that is, he will receive a spark oil approaching each of them with his knuckle.

 

1. But if the persons on wax touch one another during the exciting of the tube, neither of them will appear to be electrised.

1. If they touch one another after exciting the tube, and drawing the fire as aforesaid, there will be a stronger  spark between them than was between either of them and the person on the floor.

 

1. After such strong spark, neither of them discover any electricity.

Grazie a questo esperimento poté  formulare il suo principio di conservazione della carica. Egli stesso scrisse:
Se la carica elettrica di un sistema subisce una variazione, deve esserci un altro sistema la cui carica subisce una variazione opposta, in modo che la variazione totale sia nulla e la carica totale si mantenga costante

In questo principio Franklin afferma che la carica elettrica non può essere né creata né distrutta, ma può solamente essere trasferita per attrito (cioè per sfregamento).

(Adattamento da testi ripresi dal sito dell’Università di Padova e dal sito www.valeriocurcio.com)