Campi elettrici

Breve storia dell'elettricità

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La parola elettricità viene dal greco electron che significa ambra.

Platone ne cita le proprietà nel Timeo.

Si spiegano così lo scorrere delle acque, la caduta dei fulmini, e la meravigliosa forza d'attrazione dell'ambra e della calamita: in nessuno di tutti questi oggetti vi è la forza attraente, ma poiché il vuoto non c'è, questi corpi si respingono in giro l'uno con l'altro, e separandosi e congiungendosi, cambiano di posto, e vanno ciascuno nella propria sede.

L'ambra strofinata con lana o pelli d'animale acquista la proprietà di attrarre piccoli oggetti come pezzetti di sughero o capelli. Possiamo facilmente ottenere lo stesso effetto oggi, strofinando energicamente una normale penna di plastica con la lana ed accostandola poi a pezzettini di carta. La forza con cui la plastica caricata attrae la carta è la forza elettrica.

Il medico e fisico inglese William Gilbert, vissuto nella seconda metà del 1500, introduce il termine electrica riferito ad un ipotetico fluido (effluvium) prodotto tra corpi strofinati.

Nel 1706 Nicola Cabeo (1586, 1650) e F. Hauksbee (1666-1713) scoprono che fra corpi elettrizzati si esercitano forze di attrazione o repulsione.

Se strofiniamo bacchette diverse (di plastica e di vetro) con un panno di lana e ne appendiamo una (per esempio di plastica) ad un supporto mediante un filo sottile, possiamo constatare che:

  1. se avviciniamo alla bacchetta sospesa un'altra di plastica (sempre dopo averla strofinata), le due bacchette si respingono
  2. se avviciniamo alla bacchetta sospesa una bacchetta di vetro (sempre dopo averla strofinata), le due bacchette si attraggono.
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Nel 1729 Stephen Gray (1667-1736) constata che l'elettricità si può trasferire per contatto. Un corpo carico messo a contatto con un corpo scarico trasferisce su di esso parte della sua carica.

Nel 1773 Du Fay ipotizza due diversi tipi di elettricità (intesi come condizione della materia): la vetrosa (propria del vetro, dei cristalli o di gemme strofinati con seta) e la resinosa (ambra o resina strofinata con pelli di animale). La sostanza che strofina si carica di elettricità opposta.
L'Abate J. A. Nollet (1700-1770) parla di due fluidi: uno vetroso e uno resinoso.

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Nel 1776 W. Watson (1715-1787) e Benjamin Franklin propongono la teoria a un solo fluido composto di particelle impercepibili contenute nella materia; l'eccesso di fluido dà carica vetrosa o positiva, il difetto dà carica resinosa o negativa.

Un corpo scarico ha carica positiva uguale alla carica negativa. La carica elettrica si conserva. Franklin ha qualche difficoltà a spiegare l'attrazione tra cariche dello stesso segno e la repulsione tra cariche di segno opposto.

La cosiddetta sequenza tribolettrica è un elenco di sostanze messe in ordine in funzione della loro tendenza a caricarsi positivamente (+) o negativamente (-).

Sequenza tribolelettrica

+pelle di conigliovetroquarzolana pelle di gattosetacotonelegnoambraresine metalliteflon-
Interpretazione di FranklinInterpretazione attuale
Strofinando il vetro con la seta si ha un passaggio di cariche positive dalla seta al vetro. Il vetro acquista carica positiva e la seta la perde e si carica negativamente. Strofinando il vetro con la seta si ha un passaggio di elettroni (negativi) dal vetro alla seta. Il vetro perde elettroni e si carica positivamente, la seta acquista elettroni e si carica negativamente.

Le ipotesi di Franklin possono accordarsi con le teorie moderne: gli atomi che costituiscono la materia sono infatti composti da due tipi di particelle cariche, i protoni (positivi) e gli elettroni (negativi), solo che, a differenza di quanto immaginavano Franklin e i suoi predecessori, le particelle mobili portatrici di carica sono generalmente gli elettroni negativi.

Nel 1780 l'anatomista italiano Luigi Galvani (1737-1798) compie esperimenti sulle rane e ipotizza che l'elettricità abbia origine animale.

Finalmente nel 1784 l'ingegnere francese Charles Augustin Coulomb (1736-1806 ) determina la legge che regola l'attrazione e la repulsione tra due cariche elettriche. La legge di Coulomb è una legge analoga a quella di gravitazione universale di Newton.

Il fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827) inventa la pila elettrica nel 1800. La pila permette il passaggio duraturo di corrente nei corpi conduttori.

Il chimico iglese John Dalton annuncia la teoria atomica nel 1808.

Il 1820 è l'anno in cui il fisico danese H.C. Oersted e il matematico francese Ampère (1775-1836) scoprono le interazioni tra elettricità e magnetismo. Nasce così l'elettromagnetismo.

Nel 1873 il grande fisico scozzese J.C. Maxwell (1831-1879) presenta la teoria elettromagnetica sistematizzata in 4 equazioni. Esse riassumono l'elettromagnetismo così come le 3 leggi di Newton riassumono la dinamica.

Nel 1879 l'inventore americano T. Edison (1847-1821) inventa la lampadina.

Un cenno sui modelli atomici

Nel 1897 il fisico inglese Joseph John Thomson (1856-1940) scopre l'elettrone, una particella che sembra essere un costituente di tutti gli atomi.

Di questa particella non misura né la carica, né la massa, ma il rapporto carica-massa che risulta essere quasi 2000 volte maggiore del rapporto carica-massa dello ione idrogeno H+ (cioè di quello che noi oggi conosciamo come protone)

(carica / massa)elettrone ~ 2000 (carica / massa)protone
A partire dal risultato ottenuto da Thomson, quali delle seguenti ipotesi possono essere corrette?
  1. L'elettrone e il protone hanno la stessa carica (in valore assoluto) e la stessa massa
  2. L'elettrone ha la stessa carica (in valore assoluto) del protone, ma massa 2000 volte maggiore
  3. L'elettrone ha la stessa carica (in valore assoluto) del protone, ma massa 2000 volte minore
  4. L'elettrone ha la stessa massa del protone, ma carica (in valore assoluto) 2000 volte maggiore
  5. L'elettrone ha la stessa massa del protone, ma carica (in valore assoluto) 2000 volte minore
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Thomson ipotizza un primo modello atomico in cui la carica negativa degli elettroni è uguale (e opposta) alla carica positiva (in modo da avere un atomo elettricamente neutro), e attribuisce agli elettroni una massa complessiva circa 2000 volte minore della massa con carica positiva.

Thomson pensò che alla massa maggiore corrispondesse anche un volume maggiore e ideò il cosiddetto Modello atomico a panettone, dove la carica positiva costituisce una sorta di pasta del panettone e gli elettroni negativi sono disposti come l'uvetta o i canditi.

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Questo primo modello durò pochissimo; sulla base di una famosa esperienza, Ernest Rutherford (1871-1937) nel 1911 propose il suo modello atomico, detto anche Atomo planetario, in analogia con la struttura del sistema solare. L'atomo di Rutherford è sostanzialmente vuoto, con tutta la carica positiva concentrata nel nucleo e con gli elettroni che ruotano intorno al nucleo come i satelliti attorno al Sole.

Questo modello, molto semplice ed elegante, spiegava benissimo i risultati sperimentali, ma, in base alla fisica classica, aveva il difetto di essere instabile. Ma questa è un'altra storia che riprenderemo più avanti.


Copyleft Ludovica Battista

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