La storia e le scoperte sull’elettricità, pilastro della scienza contemporanea e dello sviluppo tecnologico
L’elettricità, che cos’è? Da un punto di vista scientifico, questo termine indica tutti i fenomeni fisici che coinvolgono una delle interazioni fondamentali della materia su scala macroscopica, ossia l’interazione elettromagnetica e, dunque, l’elettrostatica.
Il risultato su scala macroscopica sono le correnti elettriche e l’attrazione o repulsione di oggetti elettricamente carichi.
Essa, quindi, consiste in una proprietà fondamentale della materia, assai diffusa in natura.
A livello microscopico, questi fenomeni sono riconducibili all’interazione tra particelle cariche, come i protoni (parte integrante del nucleo atomico) oppure le molecole ionizzate oppure gli elettroni.
L’utilità dell’elettricità per lo sviluppo ed il progresso dell’umanità
L’umanità, nelle veci dei suoi più grandi scienziati e ricercatori succedutisi nel corso dei secoli, ha esplorato questa forma di energia e ha potuto sfruttarla per il benessere ed il progresso tecnologico.
Infatti, l’elettricità è alla base di fenomeni molto comuni in natura come ad esempio il fulmine (scarica elettrica rilasciata a livello atmosferico) o l’elettrizzazione. Essa costituisce l’elemento essenziale di alcune applicazioni industriali umane come l’elettronica e l’elettrotecnica che si sviluppano proprio attraverso impulsi elettrici.
Illumina le abitazioni, è alla base della produzione industriale, rende vicine le persone ed i popoli lontani grazie alle comunicazioni elettriche (telecomunicazioni), è facilmente trasportabile ed ha permesso di semplificare e migliorare la vita di molti esseri umani grazie ai macchinari elettrodomestici.
Le origini degli studi sull’elettricità
Storicamente, il primo a studiare da vicino il fenomeno nel 600 a.C. è il filosofo greco Talete, che scopre le proprietà elettriche dell’ambra. Infatti, questo materiale che consiste in resina fossile se sfregata è in grado di attrarre altri piccoli corpi di materia.
Strano ma vero, il nome del fenomeno che stiamo descrivendo (“elettricità”) deriva proprio dal nome greco di questo materiale, ossia “elektron” (ἤλεκτρον).
Un’altra testimonianza è quella del filosofo greco Platone che nel 360 a.C. circa, nel Timeo, avanza una descrizione rudimentale dell’elettricità e dell’interazione elettromagnetica, parlando di “forza attraente” e di “separazioni e congiunzioni” dei corpi nella dimensione spaziale della materia.
Sul fenomeno ci sono pervenute fonti anche in epoca romana con lo scrittore latino Plinio il Vecchio, che nella sua “Naturalis historia” descrive le proprietà dell’ambra, e con Lucio Anneo Seneca, che si è occupato dei fenomeni elettrici atmosferici.
La ripresa degli studi sull’elettricità in epoca moderna
Durante la seconda metà del XVI secolo, più precisamente nel 1550, il fisico italiano Girolamo Cardano si occupò del fenomeno dell’elettricità nel De Subtilitate.
Forse per la prima volta nella storia dell’umanità, Cardano afferma la distinzione scientifica tra forza elettrica e forza magnetica.
Lo scienziato inglese William Gilbert approfondisce il lavoro di Cardano nella sua opera De magnete e conia il termine latino “electricus” da ηλεκτρον (elektron). Inoltre, analizza le medesime proprietà dell’ambra anche in altri materiali, associando tali proprietà ad un ipotetico fluido, chiamato “effluvium”.
Poco dopo, nel 1629, un altro scienziato italiano, Niccolò Cabeo, descrive i fenomeni dell’attrazione e della repulsione elettrica.
In un primo momento, la spiegazione di quanto si osservava era cercata nella natura dei fluidi. Galileo Galilei, però, ritiene che sia coinvolto in realtà il movimento dell’aria a causa del riscaldamento dovuto allo strofinamento.
Dopo che Otto von Guericke nel 1660 costruisce una macchina elettrostatica, chiamata “Sfera elettrostatica” (migliorata da Francis Hauksbee nel 1706), quindici anni più tardi, nel 1675, Robert Boyle ritiene che i fenomeni elettrici sembrano verificarsi anche nel vuoto.
Insomma, l’interesse scientifico per il fenomeno elettrico sembra crescere repentinamente, fino ad arrivare al XVIII secolo.
La diffusione degli studi sull’elettricità nel XVIII secolo
La diffusione dell’interesse sull’elettricità era anche dovuta soprattutto all’idea che potesse generare un avanzato e rivoluzionario metodo di cura delle patologie.
Lo scienziato britannico Stephen Gray nel 1729 studia la conducibilità dei corpi e Jean Theophile Desaguiliers, scienziato britannico di origini francesi, nel 1740 conia i termini “conduttore” e “isolante”.
Il chimico francese Charles François de Cisternay du Fay individua nel 1733 l’energia elettrica vetrosa e resinosa (ossia positiva e negativa) mentre nel 1743 Cristian Ludolff studia le scintille elettriche e la loro proprietà di infiammare sostanze volatili.
Nel 1745 due scienziati, il tedesco Ewald Jürgen Georg von Kleist e l’olandese Pieter van Musschenbroek, coinventano casualmente ed indipendentemente l’uno dall’altro il primo condensatore della storia, la meglio nota “bottiglia di Leida”.
L’anno successivo, il britannico William Watson scopre che l’elettricità si trasmette anche per lunghe distanze e con una velocità istantanea.
Gli studi sull’elettricità di Benjamin Franklin
Lo scienziato statunitense Benjamin Franklin, a compimento della sua teoria sui fenomeni elettrici, conduce nel 1752 il celebre e pericolosissimo esperimento dell’aquilone durante un temporale.
Grazie a questi esperimenti, Franklin inventa il parafulmine e determina la relazione sussistente tra il fulmine e l’elettricità.
Benjamin Franklin riesce a fornire una spiegazione del fenomeno delle “bottiglie di Leida” che, riprendendo un’idea di Watson, elabora nel 1754 la teoria dell’unicità del fluido elettrico.
Secondo questa teoria, l’elettricità è costituita da un unico fluido elettrico costituito da particelle tra loro respingenti, che però sono attratte dalle particelle di materia.
Dunque, se il fluido è in eccesso si ottiene l’energia di tipo vetroso (positiva), se è in difetto si ottiene energia di tipo resinoso (negativa).
L’eredità di Franklin e le scoperte nella seconda metà del XVIII secolo
Senza dubbio, gli studi di Franklin gettano le basi agli studi sull’elettricità e sui diversi fenomeni elettrici degli scienziati posteriori: il britannico Michael Faraday, gli italiani Luigi Galvani e Alessandro Volta, il francese André-Marie Ampère ed il tedesco Georg Simon Ohm.
Tranne Galvani, tutti sono stati onorati con l’intitolazione di specifiche unità di misura legate all’elettricità, grazie alle loro scoperte.
Nel 1753 lo scienziato italiano Giovanni Battista Beccaria ipotizza l’esistenza di due tipologie di scarica elettrica, una positiva (a forma di fiocco), l’altra negativa (a forma di stelletta).
Per argomentare e spiegare scientificamente quanto da lui osservato si serve proprio della teoria di Franklin.
Successivamente, nel 1759 lo scozzese Robert Symmer e nel 1765 l’italiano Giovanni Francesco Cigna dimostrano che due corpi, una volta scaricati per contatto, tendono a riassumere la precedente energia se nuovamente allontanati.
Beccaria tenta di fornire una spiegazione plausibile teorizzando il concetto di elettricità vindice, detta anche “rivendicazione” da parte dei corpi dell’energia precedentemente posseduta.
Nel 1766, il chimico inglese Joseph Priestley teorizza che la forza di attrazione tra due corpi sia inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza e scopre che la carica elettrica si distribuisce in modo uniforme su una superficie sferica.
Il fisico francese Charles Augustin de Coulomb, tra il 1785 e il 1791 utilizzando una bilancia di torsione, per misurare la forza del campo elettrico, riesce finalmente a dimostrare sperimentalmente ed enunciare la medesima legge, conosciuta quindi come “Legge di Coulomb”.
Luigi Galvani e le scoperte sull’elettricità di Alessandro Volta
Merita menzione lo studio pubblicato in due opere nel 1791 e nel 1794 dello scienziato italiano Luigi Galvani, che osservando le contrazioni muscolari nelle zampe di una rana a contatto con un conduttore metallico, ipotizza l’esistenza di un’elettricità animale.
Lo scienziato italiano Alessandro Volta si oppone alla spiegazione dell’”elettricità vindice” di Beccaria, ritenendo invece che il contatto dei corpi non annulla l’energia, ma solamente il suo segno positivo o negativo.
Volta entra in polemica anche con Luigi Galvani, affermando invece che l’elettricità animale deriva piuttosto dal contatto con due metalli diversi.
Così, nel 1799 Alessandro Volta inventa la pila elettrica, a cui inizialmente dà il nome di “apparato elettromotore”.
La “pila di Volta” fu il primo generatore statico di energia elettrica scoperto e costruito artificialmente nella storia dell’umanità.
Le scoperte sull’elettricità e l’elettromagnetismo nel XIX secolo
Nel 1820, lo scienziato danese Hans Christian Ørsted osserva la relazione tra corrente elettrica e fenomeni magnetici, sviluppando la teoria dell’elettromagnetismo.
I suoi studi vengono portati avanti dal francese André-Marie Ampère, che nel 1826 enuncia le leggi universali dell’elettromagnetismo.
Nello stesso anno il fisico e matematico tedesco Georg Simon Ohm afferma la “Legge di Ohm” sulla resistenza elettrica.
Dopo cinque anni, nel 1831, l’inglese Michael Faraday scopre l’induzione elettromagnetica, che sarà 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.
Quest’ultimo, infine, sviluppa la teoria secondo la quale l’elettricità non è un fluido, bensì una forza trasmessa da una particella di materia all’altra.
Un inizio di secolo molto positivo dal punto di vista dell’avanzamento teorico-scientifico della fisica mondiale, ma il bello deve ancora arrivare.
Le scoperte salienti della seconda metà del XIX secolo
Nel 1873, il fisico scozzese James Clerk Maxwell rende pubblica la propria teoria sulla natura unitaria della luce e dei campi elettromagnetici e, ancor più importante, nel 1888 il tedesco Heinrich Rudolf Hertz scopre le onde elettromagnetiche e le loro trasmissioni attraverso il vuoto.
Negli anni ‘70 però oltre le scoperte, vengono alla luce anche numerose invenzioni che hanno segnato la storia e lo sviluppo della tecnologia.
L’inventore italiano Antonio Meucci sviluppa un dispositivo di comunicazione vocale accreditato da diverse fonti come il primo telefono, il cosiddetto “telettrofono”, brevettato in seguito dal britannico Alexander Graham Bell.
Nel ’77 l’inventore statunitense Thomas Alva Edison inventa il fonografo e la lampadina a incandescenza, che migliora, dopo aver acquistato i precedenti brevetti, e commercializza a partire dal ‘79.
La Fisica e le scoperte sensazionali a cavallo tra il XIX e il XX secolo
Nel 1885 l’ingegnere e inventore italiano Galileo Ferraris inventa il campo magnetico ruotante, alla base del motore elettrico polifase, brevettato successivamente negli Stati Uniti da Nikola Tesla.
Lo stesso Tesla, poco dopo, inventa e dimostra le tecniche di trasmissione dell’elettricità in corrente alternata.
Per la prima volta si riesce ad ottenere la trasmissione di elettricità a grandi distanze geografiche ed avviando così l’uso industriale dell’elettricità su larga scala.
Nel luglio del 1892, dalla centrale idroelettrica situata nel “Santuario di Ercole Vincitore” a Tivoli si sperimenta per la prima volta al mondo la trasmissione a distanza di corrente elettrica alternata.
Viene inviato con successo un impulso elettrico a Roma, presso una centralina situata a Porta Pia.
Sempre nel 1892, un grande contributo viene fornito dal fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz, che formula la “teoria elettronica della materia”.
A rafforzare questa teoria è il fisico britannico Joseph John Thomson che nel 1897 dimostra per la prima volta al mondo, mediante un esperimento con i cosiddetti tubi di Crookes, l’esistenza della particella atomica di carica negativa: l’elettrone.
Nikola Tesla nel 1893 realizza la prima trasmissione a distanza tramite le onde radio e nel 1901 Guglielmo Marconi realizza la prima trasmissione del telegrafo senza fili in grado di attraversare enormi distanze pari a quella dell’oceano Atlantico.
Da queste teorie e invenzioni avrà origine la radio, le cui prime trasmissioni regolari vengono avviate solo nel 1922.
Allo scoccare del nuovo secolo il fisico tedesco Max Planck, iniziatore della fisica quantistica, elabora la “teoria dei quanti”.
Qualche anno più tardi, nel 1906, il fisico tedesco Albert Einstein avanza una teoria sull’esistenza dei fotoni. Questi studi lo portano in seguito a scoprire la legge dell’effetto fotoelettrico.
Conclusioni
Dunque, è evidente che il XIX secolo può essere indicato come il secolo delle scoperte sull’elettricità.
Ma è altrettanto evidente che il XX secolo, invece, può essere definito come il secolo dell’elettricità e dell’elettronica, in particolare dagli anni ’60, che hanno segnato per sempre il corso dell’umanità.
Alessio Costanzo Fedele per Questione Civile
Sitografia
1. IL CASO DELL’ELETTRICITA’: DALLE ORIGINI A VOLTA – G. Bonera, Dipartimento di Fisica “A.Volta” Università di Pavia
2. www.openfisica.com
3. www.museoelettrico.com
4. teca.accademiadellescienze.it
5. www.treccani.it
