Elettricità

Elettroscopio condensatore

L'elettroscopio condensatore è un elettroscopio a pagliuzze reso più sensibile dall’aggiunta di due dischi che formano un condensatore.

L’asta di ottone che porta le pagliuzze sostiene un disco, pure di ottone, ricoperto sulla faccia superiore da uno strato di vernice isolante. Un secondo disco d’ottone, fornito di un manico isolante, viene appoggiato sul primo, dal quale risulta isolato per mezzo della vernice.

L’elettrizzazione dello strumento avviene dapprima ponendo un corpo elettrizzato a contatto con il disco superiore A e toccando con un dito bagnato il disco inferiore B. Se il corpo è elettrizzato positivamente (ossia è in eccesso di fluido), anche A si elettrizza positivamente. Attraverso lo strato isolante, il fluido presente in A respinge quello presente in B. Pertanto il disco inferiore B si elettrizzerà negativamente nella faccia a contatto con la resina e positivamente nella parte inferiore. Rimossi quindi il dito e il corpo elettrizzato, le due facce a contatto con la vernice isolante dei dischi dell’elettroscopio restano elettrizzate di segno opposto e le pagliuzze dell’elettroscopio restano immobili perché l’eccesso di elettricità in A impedisce che la carenza in B sia compensata dal fluido presente nelle pagliuzze. Se però il disco A viene allontanato, cessa questo vincolo. L'elettricità si ridistribuisce nell’elettroscopio e le pagliuzze divergono.

Con questo strumento Volta rilevava le deboli elettrizzazioni opposte che si manifestano su due metalli di diversa natura quando vengono posti a contatto fra loro; tale scoperta rappresenta il punto di partenza delle ricerche che porteranno all’invenzione della pila.

Bottiglia di Leyda

La bottiglia di Leyda, cosiddetta dalla città in cui fu inventata, costituisce un recipiente per l'elettricità: dopo essere stata caricata, è infatti in grado di conservare per lungo tempo grandi quantità di fluido elettrico. Essa è costituita da una bottiglia di vetro piena di foglie metalliche, che costituiscono l'armatura interna. La parete esterna e il fondo sono ricoperti da una foglia di stagno, che costituisce l'armatura esterna; per assicurare l'isolamento tra le due armature tale foglia di stagno deve lasciare scoperto il vetro fino a una certa distanza dall'apertura. Quest'ultima è chiusa da un turacciolo di sughero attraversato da un'astina di ottone che termina all'esterno con un pomo, pure d'ottone; all'interno della bottiglia questa astina è a contatto con le foglie metalliche.

Per caricare la bottiglia, la si tiene in mano, collegando così l'armatura esterna con il suolo, e si mette a contatto il pomo, ossia l'armatura interna, con una macchina elettrostatica. Se per mezzo di un arco metallico si mette in comunicazione il pomo con la parte esterna della bottiglia così caricata, si osserva una viva scintilla.

Per scaricare la bottiglia più lentamente, la si pone su un piano isolante e si tocca alternativamente con la mano, o con un'asta metallica, il pomo e l'armatura esterna, traendo ad ogni contatto una piccola scintilla.

Il funzionamento della bottiglia si basa sul fatto che, quando si elettrizza l'armatura interna, per induzione si elettrizza in modo opposto anche l'armatura esterna: il fluido elettrico in eccesso su uno dei due conduttori e quello in difetto sull'altro non si possono equilibrare perché separati dallo strato isolante; questo, mentre li separa li vincola anche a stare a contatto con le sue due superfici, permettendo così di non disperdere l'elettricità.

La batteria di bottiglie di Leyda

Collegando insieme più bottiglie di Leyda si ottiene un dispositivo capace di accumulare una grande quantità di carica, per cui, quando si toccano le due estremità, si verifica una scarica molto forte.

La batteria è costituita da n bottiglie collegate: le pareti esterne costituiscono un unico conduttore perché sono tutte appoggiate sulla base metallica che le connette tra loro; i pomelli sono connessi gli uni agli altri attraverso le lamine metalliche.

L'insieme costituisce un collegamento in parallelo di condensatori per cui la capacità totale è la somma delle singole capacità e quindi n volte la capacità della singola bottiglia.

Quando la batteria è collegata alla macchina elettrostatica, ogni bottiglia acquista la stessa carica Q sull'armatura collegata e per induzione la carica opposta - Q sull'altra armatura.

Togliendo il generatore nel dispositivo è disponibile una carica pari a nQ.

Elettroforo

L'elettroforo perpetuo di Volta è uno strumento costituito da due elementi principali:

un disco di resina posto su un supporto isolante
un disco di ottone munito di un manico di vetro o di legno.

Volta utilizzava questo strumento per accumulare elettricità di cui poter disporre. Il procedimento prevedeva una serie di passaggi:

si riscaldano i due dischi per eliminare ogni traccia di umidità
si strofina il disco di resina con una pelle di gatto o con un panno di seta o di lana
si pone il disco di ottone sul disco di resina
lo sperimentatore tocca la faccia superiore del disco di ottone con un dito
sollevando il disco di ottone tenendolo per il manico isolante e avvicinandogli la mano, si produce una scintilla.

Dato che la resina potrebbe restare elettrizzata assai a lungo, l'esperimento può essere ripetuto molte volte, anche senza strofinarla di nuovo. Si può quindi dedurre che, con una sola operazione di elettrizzazione, è possibile ricavare dall'apparecchio una quantità di elettricità pressoché illimitata, da cui il nome di elettroforo perpetuo.

Secondo il pensiero di Volta, la carenza di "fluido" della resina (elettrizzazione negativa) determina una richiesta di fluido all'ottone. L'ottone risponde spostando il fluido verso la resina inducendo così una carenza di fluido nella faccia opposta; quando lo sperimentatore tocca la faccia superiore del disco di ottone con un dito, trasferisce a questi del fluido rimanendone carente ( si elettrizza negativamente). Il disco, invece, presenta un eccesso di fluido (quindi si elettrizza positivamente). A questo punto, se si solleva il disco di ottone tenendolo per il manico isolante e gli si avvicina la mano, il fluido in eccesso presente sul disco e quello in difetto che si trova sulla mano si riequilibrano producendo la scintilla che vediamo.

La scoperta dell'elettrone è successiva a Volta, quindi il funzionamento dell'elettroforo può essere attualmente spiegato secondo il principio dell'induzione elettrostatica. Quando il disco di resina viene strofinato vi è un trasferimento di carica negativa dal panno al disco, che rimane quindi carico negativamente; il disco di ottone, posto sopra la resina, si carica dello stesso segno della resina sulla parte superiore e di segno opposto nella parte inferiore a causa della repulsione elettrostatica fra cariche dello stesso segno. Quando lo sperimentatore tocca la parte superiore della piastra con un dito, essendo il corpo umano un buon conduttore, attira a sé le cariche su di essa presenti, il piatto metallico rimane carico di segno opposto e la carica presente su di esso può essere trasferita ad altri corpi.

La Pila

La pila di Volta è il primo generatore di corrente continua nella storia dell'umanità ed è grandissima la funzione di propulsione che questo apparecchio ha costituito per la fisica e la chimica dell'Ottocento.

Oggi non tutti i manuali di fisica pongono in evidenza l'importanza che Volta, ideatore della pila, ha avuto nella storia della scienza; tuttavia è evidente che nessuno degli esperimenti che nella prima metà dell'Ottocento hanno portato alla scoperta delle leggi dell'elettricità e del magnetismo sarebbe stato possibile senza questo piccolo apparecchio, in apparenza così semplice.

Nella lettera a Sir Joseph Banks, presidente della Royal Society di Londra, datata 20 marzo 1800, Volta descrive accuratamente la costruzione di un nuovo strumento da lui stesso inventato e denominato organo elettrico artificiale.

Procedimento per la costruzione della pila voltiana:

ci si procura qualche dozzina di piccole lastre rotonde o dischi di rame, di ottone, o di argento e un numero eguale di dischi di stagno o di zinco, della medesima forma e presso a poco della stessa grandezza,
ci si procura una grande quantità di dischi di un materiale spugnoso capace di assorbire acqua di grandezza inferiore agli altri dischi cosi che non sporgano
si dispone un qualsiasi piatto metallico per esempio di zinco
si appoggia sopra un disco inzuppato leggermente asciugato così che non sgoccioli
si dispone sopra un piatto metallico ad esempio di rame
si continua a disporre un piatto di zinco, uno inzuppato e uno di rame sempre nello stesso ordine creando una colonna capace di sostenersi senza crollare.

Abbiamo verificato che se la colonna arriva ad avere anche solo una decina di coppie di piatti metallici, utilizzando un milliamperometro, si rileva il passaggio di una corrente di circa 1-2 mA.

Tale strumento imitava gli effetti di una bottiglia di Leyda ma a differenza di questa non doveva essere caricata ogni volta che lo si voleva utilizzare in quanto permetteva al "fluido elettrico" di rimanere in circolo a lungo.

Bilancia elettrometrica

Fu uno strumento realizzato da Alessandro Volta per superare le limitazioni degli elettroscopi.

Questo strumento è costituito essenzialmente da una bilancia in cui uno dei piatti è sostituito da un piattello di ottone elettrizzato. Tale piattello è affacciato ad un secondo piattello non elettrizzato, fisso e isolato, o a un piano conduttore collegato al suolo (detto da Volta "piano deferente").

Il piattello elettrizzato desta nel piano deferente elettrizzazione di tipo opposto; perciò tra i due corpi si manifesta una forza di attrazione, che può venire misurata ponendo sull'altro piatto della bilancia pesi in quantità sufficiente a ristabilire la condizione di equilibrio.

In questo modo Volta trova la relazione che esiste tra la forza di attrazione, la quantità di elettricità presente sul piattello, il diametro del piattello stesso e la distanza fra piattello e piano deferente.

I risultati di Volta non si accordano del tutto con quelli di Coulomb, ottenuti con la bilancia di torsione, e anche per questo motivo lo strumento di Volta non troverà molto seguito. Solo molto più tardi, nel 1845, lo scienziato inglese William Thomson (1824-1907), poi Lord Kelvin, dimostreranno che i risultati di Coulomb erano validi soltanto per cariche puntiformi (e non per le configurazioni usate da Volta) e che i risultati di Volta sono dunque perfettamente compatibili con quelli di Coulomb.

Thomson realizzerà un elettrometro assoluto del tutto simile a quello di Volta e lo utilizzerà per misurare la forza elettromotrice di una batteria di pile.

La corona di tazze

Volta oltre a inventare la pila a colonna crea un'altra versione della pila con le stesse caratteristiche e funzioni: la corona di tazze.

Procedimento per costruire la corona di tazze:

Si dispone una serie di tazze o coppe di qualsiasi materiale eccetto il metallo
Si riempiono le tazze a metà con acqua salata
Si fanno comunicare tutte le tazze con degli archetti composti da una estremità di rame e l'altra di stagno o zinco

Come funziona :

Lo zinco agisce come anodo (elettrodo negativo), perdendo elettroni e rilasciando ioni zinco nella soluzione.
Il rame agisce come catodo (elettrodo positivo), attirando elettroni.
La soluzione elettrolitica consente il flusso di ioni, completando il circuito e permettendo la generazione di una corrente elettrica.

La macchina elettrostatica

Un disco di vetro viene posto in rotazione e strofinato da dei cuscinetti di velluto che sono mantenuti a contatto con il disco. Al corpo rotante sono affacciate delle punte metalliche che costituiscono l'estremità di una struttura conduttrice, la quale termina dall'altra parte con dei pomi. L'elettricità viene accumulata sui pomi metallici e da questi può essere trasferita per contatto sul corpo da elettrizzare. L'elettricità prodotta da queste macchine è in grado di procurare scosse (non pericolose) sul corpo umano.

Secondo l'interpretazione moderna, le macchine a strofinio funzionano per induzione elettrostatica. La struttura metallica, che termina con le punte e i pomi, accumula cariche dello stesso segno di quelle prodotte per strofinio sul corpo rotante. Sulle punte, per effetto dell'induzione, si accumulano cariche di segno opposto. Le punte, per le loro caratteristiche geometriche, favoriscono la dispersione di queste cariche nell'aria, mentre sulla struttura prevalgono le cariche accumulate sui pomi.

L'elettrometro

L'elettrometro di Volta è uno strumento inventato per misurare la differenza di potenziale elettrico (tensione) tra due corpi. È uno degli strumenti precursori delle moderne tecniche di misurazione elettrica, sebbene non fosse in grado di misurare direttamente la corrente elettrica, ma solo la tensione tra due punti.

L'elettrometro di Volta si basa su un dispositivo che include una scala graduata e una sfera isolante che si sposta lungo questa scala in risposta alla differenza di potenziale tra due corpi collegati al dispositivo.

In pratica, l'elettrometro di Volta funziona secondo il principio dell'induzione elettrostatica: la presenza di un corpo carico elettricamente vicino alla sfera provoca una repulsione tra le cariche, facendo muovere la sfera lungo la scala graduata. La distanza percorsa dalla sfera è proporzionale alla differenza di potenziale tra i corpi.

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