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Breve storia dell'elettricità
La parola elettricità viene dal greco electron che significa ambra.
Platone ne cita le proprietà nel Timeo.
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:
- se avviciniamo alla bacchetta sospesa un'altra di plastica (sempre dopo averla strofinata), le due bacchette si respingono
- se avviciniamo alla bacchetta sospesa una bacchetta di vetro (sempre dopo averla strofinata), le due bacchette si attraggono.
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.
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 coniglio | vetro | quarzo | lana | pelle di gatto | seta | cotone | legno | ambra | resine | metalli | teflon | - |
| Interpretazione di Franklin | Interpretazione 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)
- L'elettrone e il protone hanno la stessa carica (in valore assoluto) e la stessa massa
- L'elettrone ha la stessa carica (in valore assoluto) del protone, ma massa 2000 volte maggiore
- L'elettrone ha la stessa carica (in valore assoluto) del protone, ma massa 2000 volte minore
- L'elettrone ha la stessa massa del protone, ma carica (in valore assoluto) 2000 volte maggiore
- L'elettrone ha la stessa massa del protone, ma carica (in valore assoluto) 2000 volte minore
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.
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.
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