L’elettricità

1. L’elettricità Lezione del corso di Storia della Tecnologia 26/05/2005 Filippo Nieddu

2. L’elettricità • Studiare l'elettricità significa prendere in esame tutti i fenomeni fisici nei quali sono presenti cariche elettriche, sia in moto che in quiete. • Possiamo suddividere lo studio dell'elettricità in tre grandi categorie: • elettricità atmosferica, che studia i fenomeni collegati al campo elettrico esistente nell'atmosfera • elettricità animale, che studia le manifestazioni elettriche relative all'attività dei tessuti viventi. • elettrologia, che studia i fenomeni elettrici e magnetici e comprende anche lo studio della struttura della materia.

3. L’elettrologia • Fanno parte dell'elettrologia: • elettrostatica, che studia i fenomeni relativi a cariche elettriche in quiete in determinati punti dello spazio e le azioni che queste esercitano. • elettrodinamica classica, che studia il moto dei corpi materiali elettricamente carichi, che ora è completata dalla: • elettrodinamica quantistica, che interpreta su basi quantistiche i fenomeni elettromagnetici dell'infinitamente piccolo connessi al moto di elettroni e protoni. • elettrodinamica relativista classica, che studia le interazioni fra particelle cariche e campi elettrici e magnetici, quando la velocità delle particelle si avvicina a quella delle onde elettromagnetiche e della luce. • elettromagnetismo (interazioni fra i campi elettrici e magnetici); • elettrotecnica (applicazioni dei fenomeni elettrici e magnetici); • elettronica (moto degli elettroni, utilizzazione e produzione).

4. Altre ramificazioni “elettriche” • Esistono poi altre tre ramificazioni che provengono da altre scienze: • elettrochimica, che proviene dalla chimica e studia le interazioni fra energia elettrica e chimica. • elettroacustica, che proviene dall'acustica e studia la trasformazione dell'energia elettrica in segnali acustici e viceversa. • elettrofisiologia, che proviene dalla fisiologia e studia i rapporti fra elettricità ed organismi viventi. • Applicazioni tecniche dell'elettricità alla medicina hanno fatto nascere altre branche come: • Elettrocardiografia, che registra ed interpreta l'attività elettrica del cuore. • Elettroencefalografia, che registra ed interpreta l'attività elettrica del cervello.

5. I primi studi / 1 • I primi studi dei fenomeni risalgono forse a Talete di Mileto. Il filosofo greco studiò le proprietà elettriche dell’ambra, la resina fossile che se viene sfregata attrae altri pezzetti di materia: il suo nome greco era electron, e da questo termine deriva la parola “elettricità”. • In Medio Oriente sono stati recuperati vasetti babilonesi di terracotta che contenevano forse le prime rudimentali pile, usate per far depositare strati di metallo sugli oggetti. Talete di Mileto

6. I primi studi / 2 • Lo scrittore latino Plinio il Vecchio nella sua “Naturalis Historia” (“Storia Naturale”), descrisse anch’egli le proprietà dell’ambra: Anche Lucio Anneo Seneca si occupò di fenomeni elettrici, distinguendo tre diversi tipi di fulmini. • Il Venerabile Beda, monaco inglese dell’VIII secolo, descrisse proprietà analoghe a quelle dell’ambra in un tipo particolare di carbone compatto: il giaietto. Plinio il Vecchio Il venerabile Beda

7. I primi approcci “scientifici” • Le osservazioni del fenomeno erano riprese dalla fine del XVI secolo: William Gilbert (1540-1603), iniziatore degli studi sul magnetismo osservò le medesime proprietà dell’ambra anche in altri materiali, quali molte pietre dure, il vetro e lo zolfo e nel 1629 Nicola Cabeo descrisse il fenomeno della repulsione elettrica. • Una spiegazione di quanto veniva osservato, in un primo momento venne cercata in “effluvi” o “fluidi” emanati. Galileo Galilei pensava vi fosse coinvolto il movimento dell’aria per il riscaldamento dovuto allo strofinamento. Robert Boyle osservò tuttavia nel 1676 che i fenomeni elettrici sembravano verificarsi anche nel vuoto. Otto von Guericke costruì nel 1660 una macchina elettrostatica, migliorata da Francis Hauksbee nel 1706.

8. Isolanti e conduttori • L’interesse per il fenomeno dell’elettricità si diffuse nei salotti settecenteschi e come immaginario e rivoluzionario metodo di cura. Nel contempo proseguivano gli studi scientifici: Stephen Gray nel 1729 studiò la conducibilità dei corpi, e i termini di “conduttore” e “isolante” furono introdotti da Jean Théophile Desaguiliers nel 1740. Charles de Cisternay du Fay individuò nel 1733 l’energia elettrica “vetrosa” e “resinosa” (ossia positiva e negativa) e Cristian Ludolff osservò nel 1743 le scintille elettriche e la loro proprietà di infiammare sostanze volatili. Esperimento eseguito da Stephen Gray

9. L’abate Nollet • Le macchine elettrostatiche e gli strumenti di misurazione venivano intanto continuamente perfezionati e si elaboravano teorie scientifiche che tentavano di spiegare il fenomeno. Jean-Antoine Nollet pensò fosse dovuto ad una “materia fluida in movimento”. Un esperimento dell’abate Nollet

10. Bottiglie e fluidi positivi e negativi • Ewald Jürgen von Kleist e poco dopo indipendentemente Pieter van Musschenbroek nel 1745 realizzarono casualmente, il primo condensatore, la bottiglia di Leida. William Watson l’anno dopo scoprì che l’elettricità si trasmetteva anche per lunghe distanze quasi istantaneamente. Il fenomeno delle bottiglie di Leida venne spiegato da Benjamin Franklin, che riprendendo un’idea di Watson elaborò la teoria dell’”Unicità del fluido elettrico” (1754), secondo la quale l’elettricità era costituita da un unico fluido elettrico, composto da particelle che si respingevano tra loro, mentre erano attratte dalle particelle di materia: se il fluido era in eccesso si aveva l’energia di tipo “vetroso” (positiva), se era in difetto si aveva energia di tipo “resinoso” (negativa).

11. Le prime applicazioni pratiche • La teoria venne accettata da diversi scienziati e Giambattista Beccaria che aveva osservato nel 1753 la forma diversa delle scintille di scarica dell’energia positiva (a forma di “fiocco”) o negativa (a forma di “stelletta”), la spiegò mediante la teoria di Franklin. A Franklin si dovette inoltre la scoperta del potere dispersivo delle punte e la conseguente invenzione del parafulmine (primo impianto parafulmine nel 1760, sulla base degli studi sui fulmini iniziati dal 1747). Un esperimento di Franklin con un aquilone

12. L’evoluzione dei paradigmi • In seguito, gli esperimenti di Robert Symmer (1759) e di Giovanni Francesco Cigna (1765) dimostrarono che due corpi, una volta scaricati dal contatto, riassumevano la precedente energia se venivano nuovamente allontanati. Nonostante la spiegazione che tentò di darne Beccaria, con il concetto di “elettricità vindice” (o rivendicazione da parte dei corpi dell’energia precedentemente posseduta), gli esperimenti sembrarono mettere in dubbio la teoria di Franklin.

13. Leggi matematiche • Nel frattempo Joseph Priestley ipotizzò nel 1766 che la forza di attrazione tra due corpi fosse inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza e scoprì che la carica elettrica si distribuiva in modo uniforme su una superficie sferica. Tra il 1785 e il 1791 Charles Augustin de Coulomb utilizzando una bilancia di torsione, uno strumento con cui misurare la forza del campo elettrico, riuscì a dimostrare sperimentalmente ed enunciare, indipendentemente da Priestley, la medesima legge, conosciuta quindi come legge di Coulomb. Joseph Priestley

14. Galvani e l’elettricità animale • Luigi Galvani osservò delle contrazioni muscolari nelle zampe di una rana a contatto con un conduttore metallico e ipotizzò la presenza di un’”elettricità animale” in due opere pubblicate nel 1791 e nel 1794. Luigi Galvani L’esperimento di Galvani

15. Alessandro Volta • Alessandro Volta, si occupò inizialmente dell’elettricità statica: entrato in corrispondenza con il Beccaria, si oppose alla sua spiegazione dell’elettricità vindice, ritenendo invece che il contatto dei corpi non annulla l’energia, ma solamente il suo segno positivo o negativo. Volta polemizzò inoltre con Galvani, ipotizzando che l’”elettricità animale” derivasse piuttosto dal contatto con due metalli diversi: sulla base di questa idea, nel 1799 Volta inventò la pila (generatore statico di energia elettrica), che inizialmente chiamò “apparato elettromotore”. Alessandro Volta

16. L’elettromagnetismo • Hans Christian Ørsted (o Oersted) osservò nel 1820 la relazione tra corrente elettrica e fenomeni magnetici, sviluppando la teoria elettromagnetica. I suoi studi furono proseguiti da André-Marie Ampère che enunciò le leggi dell’elettromagnetismo, nell’opera pubblicata nel 1826. Nello stesso anno Georg Simon Ohm enunciò la legge di Ohm sulla resistenza elettrica. Continuando le ricerche in campo elettromagnetico Michael Faraday scoprì nel 1831 l’induzione elettromagnetica, il principio alla base dei motori elettrici. A lui si devono inoltre l’enunciazione delle leggi dell’elettrolisi e l’invenzione della gabbia di Faraday. Sviluppò infine la teoria secondo la quale l’elettricità non era un fluido, bensì una forza, trasmessa da una particella di materia all’altra.

17. L’induzione elettromagnetica • Si dice induzione elettromagnetica la produzione di una corrente elettrica in un conduttore per azione di un campo magnetico in movimento. Il campo magnetico può essere prodotto da un magnete permanente, da un elettromagnete o anche da un conduttore percorso da corrente, e non ha alcuna importanza che il magnete stia fermo e il conduttore si muova o viceversa: ciò che conta è che il conduttore e il magnete si muovano "l’uno rispetto all’altro". Questo fenomeno è importantissimo perché su di esso sono basati sia i generatori di corrente elettrica (dinamo e alternatore) sia motori elettrici.

18. Le prime macchine elettriche • Negli anni 1830 Faraday mise a punto il primo generatore elettromagnetico di corrente elettrica (dinamo e alternatore). Joseph Henry, aveva perfezionato un elettromagnete di particolare potenza permettendo in tal modo la trasmissione dell’energia elettrica a grande distanza. Negli stessi anni, Samuel Morse sfruttò il passaggio di elettricità in un filo conduttore come strumento per comunicare, giungendo all’invenzione del telegrafo con i fili, perfezionato da Charles Wheatstone in collaborazione con William Fothergill Cooke.

19. L’elettroforo Il principio di funzionamento dell'elettroforo è il seguente: il piatto Pe di ebanite è caricato negativamente, e quando si avvicina il piatto metallico Pm, sorretto da un'impugnatura isolante Mi, su di esso vengono indotte cariche elettriche, positive sul lato vicino al piatto Pe e negative sull'altro lato. Dato che da Pe non vengono sottratte cariche durante il processo di induzione, Pm può essere ricaricato più volte e si può accumulare, in un apposito ricevitore, una grande quantità di carica. Una macchina ad influenza che ha avuto una notevole diffusione è stata quella realizzata nel 1890 dall'italiano G.Bonelli.

20. Altre macchine • Wheatstone inventò inoltre un apparecchio per misurare la resistenza e Joseph Henry costruì nel 1835 il primo relè. Nel 1851 Henrich Daniel Ruhmkorff costruì il primo rocchetto ad induzione. Nel 1859 Antonio Pacinotti inventò l’anello in grado di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica continua. Nel 1869 Zénobe Theophilé Gramme dimostrò che la dinamo poteva anche lavorare al contrario come motore elettrico e sfruttò commercialmente la sua invenzione, basata sull’anello di Pacinotti. Charles Wheatstone e il suo ponte

21. Telefoni e lampadine • Negli anni 1870 videro la luce alcune delle invenzioni più importanti del XIX secolo: il telefono di Antonio Meucci (brevettato da Alexander Graham Bell, fondatore della Bell Telephone Co.), il fonografo (1877 di Thomas Alva Edison e la lampadina a incandescenza, che lo stesso Edison migliorò, dopo aver acquistato i precedenti brevetti (tra cui quello di Joseph Wilson Swan), e commercializzò a partire dal 1879. Nel 1880 un modello perfezionato di lampadina venne costruito da Alessandro Cruto, che fondò una piccola industria ad Alpignano, più tardi assorbita dalla Philips. Meucci e Bell

22. Strane trasformazioni • Negli anni 1880 si costruirono le prime centrali elettriche. Nel 1881 Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs presentarono un “generatore secondario”, ovvero un trasformatore, che fu perfezionato dalla Westinghouse e messo in commercio nel 1886 Nel 1885 Galileo Ferraris inventò il campo magnetico rotante, alla base del motore elettrico polifase, brevettato negli Stati Uniti da Nikola Tesla; anche questi brevetti furono successivamente acquistati dalla Westinghouse. Dall’alto: Gaulard Ferraris Tesla

23. Maxwell e le onde elettromagnetiche • Dai lavori di Faraday prese le mosse J. C. Maxwell, che, nel fondamentale Treatise on Electricity and Magnetism (1873, Trattato di elettricità e di magnetismo), condensò tutta la teoria in sei equazioni che collegavano in un unico edificio l'elettricità, il magnetismo e l'ottica e introducevano il concetto di onda elettromagnetica. H. Hertz, in seguito, verificò le ipotesi teoriche di Maxwell e riuscì a produrre onde elettromagnetiche che, come la luce, potevano essere riflesse, rifratte e polarizzate, aprendo la via allo sviluppo delle radiotelecomunicazioni.

24. La big science • Hendrik Antoon Lorentz formulò nel 1892 la teoria elettronica della materia e nel 1897 Joseph John Thomson dimostrò l’esistenza dell’elettrone. Nel 1900 Max Plank elaborò la teoria dei quanti e nel 1906 Albert Einstein propose una teoria sulla luce come composta da fotoni. Nel 1919 Carl Ramsauer elaborò la teoria della natura ondulatoria degli elettroni. Hendrik Antoon Lorentz

25. Le trasmissioni radio • Guglielmo Marconi realizzò nel 1895 la prima trasmissione a distanza tramite le onde radio e nel 1901 la prima trasmissione del telegrafo senza fili attraverso l’Atlantico). Da tali principi avrà origine la radio (prime trasmissioni regolari nel 1922). Nel 1904 John Ambrose Fleming, cottenne il brevetto per il diodo, o valvola termoionica. Guglielmo Marconi

26. L’ebanite L' ebanite è un materiale ottenuto nel secolo scorso da Charles Goodyear, sottoponendo la gomma a un prolungato processo di vulcanizzazione. Alcuni articoli fabbricati con ebanite furono esposti nel 1851 al Crystal Palace di Londra. Si tratta di un composto a mezza strada fra le materiale plastiche vere e proprie e la gomma naturale. Durante il prolungato processo di vulcanizzazione si incorporava nella massa dal trenta al cinquanta per cento di zolfo, ottenendo un composto caratterizzato da un elevato potere dielettrico, notevole resistenza ai prodotti chimici, con una certa durezza e rigidità fino a temperature dell'ordine di cinquanta gradi centigradi e con aspetto brillante e lucente. Per molti anni l‘ebanite contrastò il passo, in molte applicazioni, alla celluloide e alle resine fenoliche. Era fornito in semilavorati estrusi, successivamente lavorati all'utensile, oppure stampato per compressione con stampi a due impronte. L‘ebanite ebbe un grande successo nell'industria delle penne stilografiche. Per moltissimi anni fu usata nei separatori per batterie elettriche, ricevitori telefonici, telaietti per lastre fotografiche, bocchini per fumatori e come materiale per odontotecnica.

27. Generatori e motori elettrici • Sono macchine elettriche rotanti, usate per convertire energia elettrica in energia meccanica o viceversa. In particolare, le macchine che trasformano energia elettrica in energia meccanica sono dette motori elettrici, quelle che eseguono l'operazione inversa sono invece chiamate generatori elettrici. • Il funzionamento delle macchine elettriche rotanti si basa su due fenomeni fisici correlati. Il primo è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, scoperto da Michael Faraday: se un conduttore si sposta in un campo magnetico, o più precisamente, se varia il flusso concatenato con il conduttore, in quest'ultimo è indotta una corrente elettrica. Il secondo fenomeno fu invece osservato per la prima volta nel 1820 dal fisico francese André-Marie Ampère: un conduttore percorso da corrente e immerso in un campo magnetico è sottoposto a una forza che dipende dalla geometria del sistema.

28. I generatori elettrici a corrente alternata: gli alternatori • L'alternatore è composto da due elementi: il rotore e lo statore. Il rotore è fatto ruotare da un albero motore che gli trasmette l'energia meccanica. • Il rotore è un elettromagnete che produce un campo magnetico in movimento; si compone di un supporto di lamierini di ferro attorno ai quali sono avvolte una serie di bobine alimentate in corrente continua. Lo statore avvolge il rotore e ha il compito di generare energia elettrica. • Lo statore si compone di un supporto di lamierini di ferro con bobine di filo di rame isolato nelle quali si genera, per induzione, la forza elettromotrice. Poiché ogni rotazione del rotore il verso della corrente si inverte, l'alternatore produce corrente alternata.

29. I generatori elettrici a corrente continua: le dinamo • Al contrario dell'alternatore, nella dinamo il rotore genera la corrente e nello statore si trova l'elettromagnete ad anello. Nella dinamo ogni anello è composto da due mezzi anelli indipendenti, detti commutatori, che nel movimento rotatorio si scambiano continuamente le spazzole. Ogni spazzola  riceve sempre corrente nello stesso verso producendo così corrente continua. • La dinamo è stata il primo generatore di corrente elettrica. Le principali applicazioni si hanno nella rete elettrica per tram e filobus.La dinamo è meno usata dell'alternatore perché l'energia elettrica prodotta non può essere trasformata in alta tensione e trasmessa con costi convenienti come avviene con la corrente alternata.

30. I motori elettrici • L'energia elettrica, attraverso l’induzione elettromagnetica, è in grado di mettere in movimento una parte rotante (rotore) che attraverso meccanismi di vario genere aziona macchine o altre apparecchiature. Vi sono motori elettrici che funzionano con corrente continua ed con corrente alternata. • Il motore elettrico a corrente continua ha il pregio di assorbire una potenza quasi costante alle diverse velocità di rotazione, ma è utilizzato solo nella trazione elettrica (tram, filovie e linee metropolitane). • Il motore a corrente alternata è costruttivamente più semplice  e per il suo alto rendimento viene applicato in tutti i settori industriali. Il motore a corrente alternata può funzionare come generatore di corrente.

31. Riferimenti bibliografici essenziali • Vittorio MARCHIS, I labirinti dell’energia, in Vittorio MARCHIS (ed.), Storia delle scienze, vol. V, Conoscenze scientifiche e trasferimento tecnologico, Torino : Einaudi, 1995 • Charles SINGER (ed.), Storia della tecnologia, Torino : Bollati Boringhieri, 1995