L’imminenza del bicentenario dell’invenzione della pila di Volta costituisce l’occasione non solo per rendere omaggio al grande scienziato, ma anche per ripercorrere una problematica interpretativa tutt’altro che banale. Il presente articolo ripropone nelle sue linee essenziali il dibattito che, nella prima metà dell’Ottocento, si sviluppò intorno ai principi fisico-chimici capaci di interpretare il funzionamento del generatore voltaico di elettricità: la pila. Si parte da una indagine storica necessariamente sintetica del problema per arrivare all’interpretazione moderna della forza elettromotrice agente nella pila mettendo in evidenza ciò che ancora oggi rimane valido delle straordinarie intuizioni di Volta.
Nello sviluppo della scienza si incontrano punti di svolta che segnano l’inizio di nuovi campi di indagine: l’esperienza di Oersted, da cui nasce la problematica dell’elettromagnetismo, l’esperimento di Thomson per la misura del rapporto q/m dei raggi catodici, che segna il punto di partenza per l’indagine sul mondo subatomico, per fare degli esempi. Anche l’invenzione della pila di Volta, costituisce una svolta estremamente importante. Gli stessi aspetti problematici legati all’interpretazione del fenomeno, sono stati estremamente rilevanti per una chiarificazione di concetti fisici, che oggi sono dati per evidenti, ma non lo erano affatto ai primi dell’Ottocento. L’importanza sperimentale della pila di Volta è nota e indiscutibile: per la prima volta si ottiene un dispositivo in grado di produrre corrente continua con un valore costante nel tempo: senza questa acquisizione non sarebbero neppure ipotizzabili gli sviluppi degli studi dei fenomeni elettrici (si pensi alle leggi di Ohm, o allo stesso esperimento di Oersted prima citato). La problematica teorica che suscita l’esperimento di Volta è altrettanto interessante, anche se per comprenderla dobbiamo fare uno sforzo di immedesimazione nelle condizioni storiche. Oggi sappiamo che una forza conservativa da sola non può produrre lavoro su una linea chiusa. In particolare ciò vale per la forza elettrostatica, che quindi non può da sola sostenere una corrente in un circuito. Dobbiamo però tener presente che all’inizio dell’Ottocento il concetto generale di energia, e quello di energia potenziale legato al concetto di forza conservativa, non erano acquisiti: la legge di conservazione dell’energia compare solo alla metà dell’Ottocento. Il problema dell’interpretazione teorica del funzionamento della pila si presentava quindi in modo tutt’altro che banale, e consisteva nella ricerca di fenomeni in grado di fornire energia, in grado di produrre in modo continuo lavoro; non a caso veniva usato per tale energia il termine “forza elettromotrice” che, già di per sé, indica la poca chiarezza nella distinzione fra i concetti di forza e di energia. Ci sembra quindi interessante proporre una ricostruzione storica del dibattito che ha portato al chiarimento del concetto di forza elettromotrice, anche perché tale dibattito è strettamente connesso con la progressiva conquista di un corretto significato fisico del concetto di energia.
La pila di Volta
«DOPO UN LUNGO SILENZIO, DI CUI NON CERCHERÒ DI SCUSARMI, HO IL PIACERE DI COMUNICARVI, SIGNORE, E, PER VOSTRO MEZZO, DI COMUNICARE ALLA SOCIETÀ REALE ALCUNI STUPENDI RISULTATI AI QUALI SONO ARRIVATO, PERSEGUENDO LE MIE ESPERIENZE SULL’ELETTRICITÀ ECCITATA DAL SEMPLICE MUTUO CONTATTO DI METALLI DI DIFFERENTI SPECIE, E DAL CONTATTO DI ALTRI CONDUTTORI, DIFFERENTI ANCH’ESSI FRA LORO, SIA LIQUIDI, SIA CONTENENTI QUALCHE UMORE AL QUALE ESSI PROPRIAMENTE DEBBONO IL LORO POTERE CONDUTTIVO. IL PRINCIPALE DI QUESTI RISULTATI, E CHE COMPRENDE PRESSO A POCO TUTTI GLI ALTRI, È LA COSTRUZIONE DI UN APPARECCHIO CHE PER GLI EFFETTI, CIOÈ PER LA COMMOZIONE CHE È CAPACE DI FAR RISENTIRE NELLE BRACCIA, ECC., RASSOMIGLIA ALLE BOTTIGLIE DI LEIDA E MEGLIO ANCORA ALLE BATTERIE ELETTRICHE DEBOLMENTE CARICATE, CHE AGISCONO PERÒ SENZA POSA, OSSIA LA CUI CARICA, DOPO CIASCUNA ESPLOSIONE, SI RISTABILISCE DA SÉ STESSA, IN UNA PAROLA, CHE FRUISCE DI UNA CARICA INDEFETTIBILE, D’UN’AZIONE, O IMPULSO PERPETUO SUL FLUIDO ELETTRICO; MA CHE D’ALTRA PARTE NE DIFFERISCE ESSENZIALMENTE, SIA PER QUEST’AZIONE CONTINUA CHE GLI È PROPRIA, SIA PERCHÉ, INVECE DI CONSISTERE, COME LE BOTTIGLIE E LE BATTERIE ELETTRICHE ORDINARIE, IN UNA O PIÙ LAMINE ISOLANTI, IN STRATI SOTTILI DI QUEI CORPI REPUTATI ESSERE I SOLI ELETTRICI, ARMATE DI CONDUTTORI O CORPI COSÌ DETTI NON ELETTRICI, QUESTO NUOVO APPARECCHIO È FORMATO UNICAMENTE DI PARECCHI DI QUEST’ULTIMI CORPI, SCELTI ANCHE TRA I MIGLIORI CONDUTTORI, E PERCIÒ I PIÙ LONTANI, SECONDO QUANTO SI È SEMPRE CREDUTO, DALLA NATURA ELETTRICA. SÌ, L’APPARECCHIO DI CUI VI PARLO E CHE SENZA DUBBIO VI MERAVIGLIERÀ, NON È CHE L’INSIEME DI UN NUMERO DI BUONI CONDUTTORI DI DIFFERENTE SPECIE, DISPOSTI IN MODO PARTICOLARE, 30, 40, 60 PEZZI, O PIÙ, DI RAME, O MEGLIO D’ARGENTO, APPLICATI CIASCUNO A UN PEZZO DI STAGNO, O, CIÒ CHE È MOLTO MEGLIO, DI ZINCO, E UN NUMERO UGUALE DI STRATI D’ACQUA, O DI QUALCHE ALTRO UMORE CHE SIA MIGLIOR CONDUTTORE DELL’ACQUA SEMPLICE, COME L’ACQUA SALATA, LA LISCIVA, ECC., O DEI PEZZI DI CARTONE, DI PELLE, ECC., BENE IMBEVUTI DI QUESTI UMORI: DI TALI STRATI INTERPOSTI A OGNI COPPIA O COMBINAZIONE DI DUE METALLI DIFFERENTI, UNA TALE SERIE ALTERNATA, E SEMPRE NEL MEDESIMO ORDINE DI QUESTI TRE PEZZI CONDUTTORI, ECCO TUTTO CIÒ CHE COSTITUISCE IL MIO NUOVO STRUMENTO.» (1)
Nella lunga memoria dalla quale è tratto questo passo, Volta comunica al presidente della Royal Society, Joseph Banks, la descrizione della pila e i suoi principali effetti.
Infatti, in un’epoca nella quale gli unici generatori di elettricità erano le macchine elettrostatiche, realizzate con sfere o dischi di vetro opportunamente strofinati, e in grado di fornire scariche elettriche, talvolta intense, ma sempre di breve durata, la pila di Volta e le successive modifiche che di essa furono rapidamente fatte, mettevano a disposizione dei fisici e dei chimici dell’epoca una sorgente capace di fornire flussi di elettricità di valore variabile a seconda delle esigenze sperimentali e abbastanza costanti nel tempo [a]; con questa invenzione perciò si ampliavano enormemente le possibilità di indagare le proprietà elettriche dei corpi e, soprattutto, la loro struttura microscopica attraverso lo studio dei processi di decomposizione chimica.
Così si legge nelle Memorie dell’Istituto Nazionale Italiano, pubblicate nel 1806:
«NON SIA DISDETTO D’INSERIR PURE FRA QUESTI ESTRATTI QUELLO DI UNA NOBIL MEMORIA CHIMICA [DI BRUGNATELLI] […]. AVVOLGESI ESSA INTORNO A UN ARGOMENTO CHE SOPRA FORSE OGNI ALTRO A’ DI NOSTRI TIENE RIVOLTA VERSO DI SÈ L’INDUSTRIA DE’ FISICI E DE’ CHIMICI COMMOSSI E ACCESI, E A FIN DI USARE UN TRASLATO CHE IN QUESTO INCONTRO APPENA È TALE, ELETTRIZZATI PER COSÌ DIRE DALLE SCOPERTE IMMORTALI DI GALVANI E DI VOLTA. FRA ESSA QUELLA DEL PILIERE D’INVENZIONE DI QUEST’ULTIMO È STATA ACCOLTA CON UN ENTUSIASMO DI CUI IN NIUNA FORSE DELLE SUE EPOCHE LO STUDIO DELLA NATURA NON CI PRESENTA UN ESEMPIO UGUALE. BASTI IL DIRE CHE TANTI SONO ENTRATI NELLA CARRIERA SCHIUSA LORO D’INNANZI DA QUESTO STRUMENTO, E LO STUDIO NE FERVE A UN SEGNO PER TUTTA EUROPA, CHE LA COPIA DE’ MATERIALI RACCOLTI NEL BREVE GIRO DI POCHI ANNI HA MESSO IN ISTATO UN VALOROSO E ZELANTE FRANZESE DI TESSERNE E PUBBLICARNE LA STORIA.»(2)
E ancora nel 1826, l’inglese Davy (qui dunque non possiamo pensare a esagerazioni dettate da campanilismo) scriveva:
«COME VI SONO STORICI DELLA CHIMICA E DELL’ASTRONOMIA CHE DATANO L’ORIGINE DI QUESTE SCIENZE DAI TEMPI ANTIDILUVIANI, COSÌ NON CI SONO PERSONE COMPETENTI CHE IMMAGINANO L’ORIGINE DELLA SCIENZA ELETTROCHIMICA PRIMA DELLA SCOPERTA DELLA PILA DI VOLTA.»(3)
La pila di Volta tuttavia si calò nel quadro delle conoscenze dell’epoca non come tessera di un mosaico incompleto ma come elemento generatore di dibattiti teorici e di problemi sperimentali.
Sul piano teorico: alimentava il già vivo dibattito sulla identità di natura dell’elettricità statica e animale (sviluppatosi dopo le osservazioni e le interpretazioni del Galvani) aggiungendo l’ulteriore problema dell’identità fra elettricità statica e voltaica; dava luogo a un dibattito serrato, che si protrasse per quasi mezzo secolo, sulla causa che nella pila è in grado di generare il flusso di elettricità, cioè sull’origine fisica della sua forza elettromotrice.
Sul piano sperimentale: il suo inserimento nel circuito elettrico costituiva di per se stesso una causa di perturbazione della corrente di elettricità fluente in esso che complicò notevolmente il cammino teorico-sperimentale verso il riconoscimento delle leggi della conduzione.
In questo intervento, necessariamente breve, sulla pila di Volta intendiamo illustrare le tappe fondamentali del dibattito sulla forza elettromotrice e, successivamente, rivisitare il problema della forza elettromotrice della pila alla luce della moderna teoria elettronica dei metalli.
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Paolo Marazzini
(Docente di fisica)
Note
- A. Volta, Sull’elettricità eccitata dal semplice contatto di sostanze conduttive di diversa natura (1800), in M. Gliozzi (a cura di), Opere di Volta, UTET, Torino 1973, pp. 514-515.
- Memorie dell’Istituto Nazionale Italiano, 1806, p. LIV.
- H. Davy, On the relation of electrical and chimica changes, in Philosophical Transactions, 1826, Parte II, p. 384.
Approfondimenti
- La pila depolarizzata di Daniell, che assicurava flussi di elettricità effettivamente costanti nel tempo, è del 1836. Cfr. F. Daniell, On voltaic combinations, in Philosophical Transactions, 1836, Parte I, pp.107-124.
© Pubblicato sul n° 01 di Emmeciquadro