PARTE 2: DA GRAY A FRANKLIN
Roberto Renzetti
LA SCIENZA ELETTRICA NEL SETTECENTO: GRAY E DU FAY
Il Settecento è un secolo spesso definito di transizione. Secolo nel quale si deve digerire la grandezza dell’opera di Newton, si devono fare i conti con il metodo sperimentale che Galileo aveva inaugurato e si devono sistematizzare la gran mole di fenomeni provenienti dai più diversi campi di ricerca che continuavano ad accumularsi.
Tutto ciò deve avvenire con strappi molto forti rispetto alle spiegazioni ingenue, all’animismo, alla magia, ai fluidi misteriosi (che costerà molto cacciare via dalla spiegazione scientifica se ancora nel 1905 Einstein deve vedersela con l’etere). Diceva Hooke agli inizi del secolo che i filosofi naturali si contentano di qualcosa che possa divertirli e preferiscono costruirsi belle concezioni e storie immaginate piuttosto che sforzarsi di cercare più oltre con nuove esperienze e ricerche e ragionamenti precisi. E, relativamente all’elettricità e magnetismo, mancava proprio l’accrescimento della fenomenologia che veniva anche come conseguenza della mancanza di strumenti adeguati e ad amplificare i fenomei e a misurarli.
A fronte delle molte difficoltà vi era almeno una cosa che aiutava lo sviluppo della scienza elettrica e magnetica. L’esplosione della meccanica, con Newton, aveva creato una sorta di paralisi in ricerche ulteriori nella ricerche che erano state oggetto dello stesso Newton. Sembrava fosse impossibile andare al di là di quanto egli aveva fatto. Ma in quei campi, come l’elettricità ed il magnetismo, campi nei quali Newton non aveva lavorato, sarebbe stato possibile iniziare ad indagare con metodo e via via applicando i metodi della matematica che, come abbiamo visto, ancora tardavano.
Una scoperta di rilievo, che andava nel senso di quegli strumenti che esaltano i fenomeni, fu quella dello scienziato tedesco Otto von Guericke (1602-1686) che, nel 1660, realizzò la prima macchina elettrostatica, una macchina in grado cioè di produrre elettricità statica (non in movimento ma localizzata nel luogo dove la si genera) in quantità importanti (Ottone De Guericke, Experimenta nova, Mastelodami, apud J. Janssonnium, Waesbergee, 1672). Abbiamo fino ad ora visto che l’elettricità statica si produce mediante strofinio di un panno, una pelle, un qualcosa su dei materiali in grado di partecipare al fenomeno (non tutti infatti sono in grado di presentare il fenomeno dell’elettrizzazione per strofinio). Guericke esaltò il fenomeno con una macchina
Otto von Guericke
che produceva grandi quantità di elettricità statica. La figura seguente riporta la macchina elettrostatica per strofinio di Guericke. Si tratta di una grande sfera di
Macchina elettrostatica a strofinio di Gueriche (la sfera di zolfo è quella a destra)
zolfo grande come la testa di un bambino (magnitudine ut caput infantis)che viene fatta ruotare su di un asse di legno che la attraversa. Mentre la sfera ruota viene elettrizzata mediante lo strofinio di una foglia di palma sufficientemente essiccata (palma satis sicca). Da un certo punto, con l’accortezza di mantenere sempre l’insieme assolutamente asciutto (è una delle difficoltà dell’elettrostatica le cui esperienze che funzionano in un luogo, non lo fanno in un altro), si osserva il crepitio e la luminescenza che accompagnano l’elettrizzazione del globo. Guericke chiamò il fenomeno fuoco elettrico. Altro fatto di grande interesse che Guericke mostrò è la possibilità di tale fenomeno di essere trasportato ad una certa (breve) distanza mediante dei fili di lino:
Questo globo di solfo, eccitato prima con la frizione, può esercitare la sua virtù anche attraverso un filo di lino lungo un’ulna o anche più e all’estremità attrarre ancora qualcosa.
Fatto il primo passo si iniziarono a costruire macchine elettriche sempre più sofisticate. Il primo che seguì Guericke fu l’inglese Francis Hauksbee (1660-1713) che sostituì alla sfera di zolfo un globo di vetro, come descritto nella sua
La macchina elettrostatica di Hauksbee
Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects. Containing an Account of Several Surprising Phenomena Touching Light and Electricity del 1706 (si osservi che tale opera fu anche tradotta in italiano a Firenze nel 1716: Esperienze fisico meccaniche sopra vari soggetti …). In tal modo gli effetti della macchina si
Frontespizio dell’opera di Hauksbee tradotta in italiano
resero molto più evidenti. Con questa sua macchina egli rifece esperienze già note, riportandole all’attenzione dopo molti anni di obsolescenza ed osservò che avvicinando al viso al globo o altro corpo da questo elettrizzato, si avverte come un soffio (vento o soffio elettrico):
[Un tubo di vetro strofinato fortemente] applicato vicino al viso o ad alcun’altra tenera parte, poteva essere sensibilmente sentito, come se la parte fosse sollecitata con le punte di un considerevole numero di deboli peli (Hauksbee, The Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. V, pag. 329)(12).
Dovevano comunque passare altri 20 anni prima che emergessero novità di rilievo ad opera di Stephen Gray (1666-1736) in Inghilterra e Charles François de Cisternay Du Fay (1698-1739) in Francia che riuscirono a mettere un poco d’ordine in quella scienza emergente facendone intravedere le prospettive per il futuro.
Il punto di partenza delle ricerche di Gray fu un episodio casuale accadutogli mentre faceva esperimenti di trasmissione dell’elettricità statica così come aveva realizzato per brevissime distanze Hauksbee (si osservi che questi furono i primi passi sulla strada della realizzazione del telegrafo elettrico). Egli utilizzava una corda, lunga più di 700 piedi, sospesa con sottili cordicelle di seta o con dei sostegni isolanti come mostrato nella figura seguente. Durante tale operazione una cordicella si ruppe e Gray lo sostituì con un filo sottile di ottone. La trasmissione di elettricità si interrompeva alla posizione del filo di ottone, mostrando che l’isolamento dipendeva dal fatto che i fili erano di seta e non che erano sottili. Scrive Gray:
Quando la linea che trasportava la virtù elettrica era sostenuta da fili metallici l’effluvio arrivava ai fili di sospensione, passava attraverso questi fili alle travi e così non andava oltre lungo la linea che doveva condurlo alla palla d’avorio.
Nella figura vi è l’apparato utilizzato da Gray: dal lato A vi è la macchina elettrostatica che trasferisce i segnali elettrici lungo la corda, sospesa da cordicelle isolanti tirate su dei travi di legno C e D, fino a B. In B vi è una sfera d’avorio sospesa a poca distanza da dei pezzettini di paglia. La sfera attira la paglia finché tra C e D vi è una cordicella isolante. Se questa cordicella viene sostituita con un filo d’ottone si interrompe il flusso di virtù elettrica che arrivava alla sfera d’avorio che smette di attrarre la paglia. Da queste e varie altre esperienze Gray
L’apparato sperimentale di Gray
capì che vi erano materiali in grado di trasportare la virtù elettrica o il fluido elettrico o l’elettricità (tali materiali furono chiamati da J. T. Desaguliers nel 1739 non elettrici o conduttori) ed altri che invece lo mantenevano localizzato là dove era stato originato (non conduttori o isolanti)(13).
Nel 1732 Gray comunicò alla Royal Society che nel 1729 aveva realizzato le esperienze suddette come aveva comunicato a due membri della stessa società(Cromwell e Mortimer, come documentato dalla memoria di Gray “Two letters from Gray to Mortimer, containing a farther account of his experiments concerning electricity“, in Philosophical Transactions of the Royal Society 37,
La memoria di Gray alla Royal Society
1731 – 32) i suoi risultati e cioè che la “virtù elettrica” di un tubo di vetro strofinato da una macchina elettrostatica, poteva essere trasmessa ad altri corpi, sia per contatto diretto, sia collegando il corpo carico con un altro scarico mediante un filo metallico.
Altre cose fece Gray che occorre citare non tanto per il valore che hanno, quanto perché concentrarono sull’elettricità molto interesse in tutti i salotti aristocratici del Settecento. Egli riuscì ad elettrizzare delle persone mantenute sollevate per aria come mostrato nelle figure che seguono.
Una ragazza, sospesa su un seggiolino, viene elettrizzata con una macchina elettrostatica
Un giovanetto, sospeso con una corda, viene elettrizzato attraverso i piedi e, con la mano, è in grado di attrarre piccoli pezzetti di carta
Il giovanetto di figura precedente,, sospeso con una corda, dopo essere stato elettrizzato attraverso i piedi, disponendo nella mano di barrette di vetro, produce differenti fenomeni elettrici
Ultima importante scoperta di Gray è quella che per elettrizzare un corpo non è necessario strofinarlo ma è possibile ottenere la cosa mediante l’avvicinamento al corpo da elettrizzare di un corpo elettrizzato (elettrizzazione per induzione o per influsso):
Data una massa di piombo sospesa al soffitto per una cordicella, quando un tubo di vetro strofinato veniva avvicinato dal basso alla corda ma senza toccarla, la massa di piombo attraeva, poi respingeva della limatura di ottone. Così la virtù elettrica può essere trasportata senza contatto dal tubo alla corda di comunicazione.
Il francese Charles Francois de Cisternay Du Fay, venuto a conoscenza dei lavori di Gray, si mise a studiarli a ripeterli e a realizzarne di nuovi. I risultati delle
Charles Francois de Cisternay Du Fay
sue ricerche furono pubblicati nel 1733 sulle Philosophical Transactionscon il titolo A Discourse concerning Electricity e in Memoires de l’Académie Royale des Sciences, Paris 1733, pag 464. I suoi lavori spiegarono molti dei fenomeni
Il passo della memoria di Du Fay in cui si parla dell’esistenza di due tipi di elettricità
che erano stati scoperti e relativi all’elettricità e chiarirono alcuni fatti importanti:
– Tutti i corpi si possono elettrizzare scaldandoli e strofinandoli (eccetto i metalli, i liquidi ed i corpi blandi)
– Tutti i corpi, compresi i metalli ed i liquidi, possono essere caricati per induzione
– Il vetro è un isolante buono come la seta
– I fili conducono meglio se sono umidi
– Ci sono due tipi di elettricità, la resinosa (quella che successivamente sarà indicata con il segno -) e la vetrosa (che sarà indicata con il segno +)
– I corpi elettrizzati di elettricità vetrosa attraggono corpi elettrizzati con elettricità resinosa e respingono gli altri corpi elettrizzati con elettricità vetrosa (e ciò dice in breve che corpi elettrizzati dello stesso segno si respingono e corpi elettrizzati di segno opposto si attraggono).
Seguiamo la storia della scoperta delle due elettricità. Egli aveva dedotto dalla discussione di tutte le esperienze conosciute un’ipotesi su cui lavorare:
Ho immaginato che il corpo elettrico attirasse forse tutti quelli che non lo sono e respingesse tutti quelli che lo sono divenuti per la sua vicinanza e per la trasmissione della sua virtù.
Ma allora ciò che mi disorientò in maniera straordinaria fu la seguente esperienza: dopo aver fatto sollevare nell’aria una foglia d’oro per mezzo del tubo (di vetro elettrizzato che la respingeva dopo averla attratta e la faceva ondeggiare nell’aria), avvicinai un pezzo di gomma coppale strofinato e reso elettrico; la foglia venne ad attaccarvisi immediatamente. Confesso che mi aspettavo un risultato del tutto opposto perché, secondo il mio ragionamento, il coppale, che era elettrico, doveva respingere la foglia che lo era essa pure. Lo stesso risultato con l’ambra e la cera di Spagna.
Ma poi avvicinai alla foglia respinta dal tubo un globo di cristallo di rocca strofinato e reso elettrico: esso respinse quella foglia in maniera analoga al tubo (di vetro)… Infine non potei dubitare che il vetro e il cristallo di rocca non fossero esattamente il contrario della gomma coppale, dell’ambra e della cera di Spagna di modo che la foglia respinta dagli uni a causa dell’elettricità che essa aveva, era attratta dagli altri; ciò mi fece pensare che vi erano forse due tipi diversi di elettricità …
A questo punto Du Fay pensa ed esegue una serie di esperienze per confermare o falsificare la sua ipotesi.
Ecco dunque costantemente due elettricità di natura completamente diversa, cioè quella dei corpi trasparenti e solidi come il vetro, il cristallo, ecc., e quella dei corpi bitumosi o resinosi, come l’ambra, la gomma coppale, la cera di Spagna, ecc. Gli uni e gli altri respingono i corpi che hanno acquistato un’elettricità della stessa natura della loro e attraggono invece quelli la cui elettricità è di natura diversa… I corpi che attualmente non sono elettrici possono acquisire (se sono isolati) ciascuna di queste due elettricità e allora i loro effetti sono simili a quelli dei corpi che gliel’hanno trasmessa… Ecco dunque due elettricità ben dimostrate… Chiamerò l’una elettricità resinosa, l’altra elettricità vitrea.
Du Fay prende anche in considerazione l’esistenza di altri tipi di elettricità ma presto respinge questa ipotesi come improbabile concludendo:
Che cosa non dobbiamo attenderci da un campo così vasto che si apre alla fisica; e quante esperienze singolari può esso fornirci che ci riveleranno forse nuove proprietà della materia?
(Storia dell’Accademia Reale delle Scienze, 1733).
Per realizzare le misure che gli erano necessarie, Du Fay aveva realizzato degli strumenti come perfezionamento del versorium di Gilbert. Si trattava di di elettrometri a palline di sambuco, a foglie d’oro pendenti e a fili
Si vedranno i due capi che pendono liberamente allontanarsi l’uno dall’altro con maggiore forza e formare un angolo più o meno grande … e ciò farà conoscere in maniera certissima il grado di forza dell’elettricità.
Elettrometro a palline di sambuco
Elettrometro a foglie d’oro pendenti
Tali strumenti vennero successivamente perfezionati in elettroscopi, elettrometri, bilance di torsione, …
Elettroscopio a foglie d’oro
Elettrometro
Bilancia di torsione
Dopo queste brillanti considerazioni ed esperienze, anche Du Fay tenta una spiegazione la quale ci riporta al nulla delle spiegazioni cartesiane, non dissimili dalle qualità occulte aristoteliche, mediante vortici. Secondo du Fay, strofinare un corpo per elettrizzarlo vuol dire creargli intorno un vortice. Due corpi elettrizzati allo stesso modo avranno vortici che ruotano nello stesso verso e, come tali, si devono respingere. Se due corpi sono elttrizzati in modo diverso, i vortici ruoteranno in verso opposto e potranno così attrarsi. Se un corpo neutro entra nel vortice di un corpo elettrizzato è aspirato da esso fino ad arrivare a contatto con la superficie del corpo. Questo contatto lo elettrizza e quindi gli crea un vortice intorno dello stesso tipo del corpo che ha elettrizzato con la conseguenza che si ha repulsione.
Allo stesso modo il divulgatore (Leçons de Physique Expérimentale, 1771)abate Jean Antoine Nollet (1700-1770). Egli riprese la teoria dei due fluidi di Du
L’abate Nollet
Fay che espose nelle Lettres sur l’électricité pubblicate nel 1753, in contrapposizione a quella elaborata nel 1747 dallo statunitense Benjamin Franklin. Quando passò a spiegare questi fenomeni, in accordo con la materia ed il moto
Una delle esperienze spettacolari di Nollet: una dama carica di elettricità (per contatto con la macchina elettrostatica) sta per trasmettere la scossa al suo spasimante sospeso (isolato) da terra.
La macchina elettrica a sfera di vetro utilizzata da Nollet
Esperimenti elettrici proposti nei testi di Nollet
che Descartes prevedeva per la spiegazione di ogni fenomeno, riteneva che l’elettricità fosse dovuta all’azione di una materia fluida in movimento, simile alla materia del fuoco e della luce (Essai sur l’électricité des corps, 1746). Con Bonera(14),
“quando si strofina un corpo elettrico si mette in movimento il fluido che è nel suo interno. Questo allora esce per piccoli fori abbastanza distanti tra loro, divergendo subito dopo l’uscita (materia effluente). La materia effluente, uscendo dal corpo richiama altra materia simile dai corpi vicini (materia affluente) che entra nel corpo attraverso fori distinti più numerosi di quelli dai quali esce la materia effluente. Dovendo mantenersi costante la quantità di fluido elettrico presente nei corpi, la velocità della materia effluente è maggiore di quella affluente, la quale tuttavia è presente nello spazio circostante il corpo elettrizzato con un maggior numero di raggi, in modo che un corpuscolo ha più probabilità di essere attratto che respinto dai flussi della materia elettrica”.
A poco a poco, come visto e vedremo, gli apparecchi per produrre l’elettricità si perfezionarono, senza che le conoscenze sui fenomeni in gioco progredissero in modo significativo. Servivano dei passi avanti concettuali che faticosamente si sarebbero fatti. Intanto passarono altri anni proprio a perfezionare gli apparati di cui si disponeva fino ad arrivare al 1745 quando si aprirono importanti vie di comprensione mediante decisive scoperte.
MACCHINE ELETTRICHE E BOTTIGLIA DI LEYDA
Le macchine elettriche di Guericke ed Hauksbee avevano rappresentato un grande passo in avanti ma erano ancora poca cosa, come poca cosa erano i tubi di vetro strofinati di Gray ed i bastoni di vetro di Du Fay.
Tra il 1743 ed il 1745 vari lavori, soprattutto in Germania, perfezionarono la macchina elettrica(15) per renderla più funzionale alla ricerca. Successivi miglioramenti vennero da: Georg Mattias Bose (1710-1761), nel 1744, che faceva ruotare una sfera di vetro (per mezzo di una trasmissione mediante un cavo con una grande ruota di legno) che veniva strofinata prima dalla mano dell’operatore con i piedi a terra, quindi con un cuscinetto di cuoio (è da notare che Bose fece esperienze per provare che i corpi elettrizzati non variano di peso); quindi dal benedettino Andreas Gordon (1712-1751) che sostituì la sfera con un tubo di vetro; ancora ad opera di Johann Heinrich Winkler (1703-1770), sempre nel 1744 (adottò per primo come strofinatore un cuscino di crini coperto di seta e quindi dei
Particolare della macchina di J.H.Winkler del 1744:
a sinistra la sfera, ruotando, si elettrizza sfregando sui cuscinetti di cuoio (la trasmissione del moto è la stessa che nelle macchine di Bose e Gordon)
cuscinetti di sfregamento in cuoio che aumentarono di molto l’efficienza della macchina) (16). Winkler fece anche delle osservazioni di estremo interesse. Nel 1746 scriveva:
Pare adunque che la scintilla elettrica, destata artificialmente, secondo materia, l’essenza e le apparenze, sia della stessa natura del baleno dei lampi e del tuono, la differenza sta solo nella potenza o nella debolezza delle loro azioni.
(J.H. Winkler, Die Stärke der elektrischen Kraft des Wassers in gläsernen Gefäßen, welche durch den Musschenbroek’schen Versuch bekannt geworden. Breitkopf, Leipzig 1746).
e, come vedremo, la cosa sarà sviluppata e compresa da Franklin.
Un’altra fondamentale scoperta doveva aggiungersi ai successivi perfezionamenti delle macchine elettrostatiche, quella della bottiglia di Leida. Sia Gray che Du Fay avevano mostrato che era possibile elettrizzare l’acqua purché fosse sistemata in una ciotolina isolante. Il fatto che tale elettricità venisse perduta con il tempo veniva attribuito all’evaporazione di fluido elettrico. Ma, avevano pensato, se chiudiamo l’acqua in una bottiglia, non potrà più esservi evaporazione. La cosa, rimasta qui, venne ripresa in modo del tutto indipendente dal tedesco Ewald Jürgen von Kleist (1700-1748)(17), un pastore protestante e dilettante, nel 1745 e dall’olandese Pieter van Musschenbroek (1692-1761), professore di fisica ed astronomo a Leida, nel 1746. Quest’ultimo sembra abbia
Pieter van Musschenbroek
conosciuto Newton e certamente a lui si deve il merito di aver diffuso nel continente europeo, il newtonianismo contro il dominante cartesianesimo, e il metodo sperimentale nell’insegnamento della fisica. In una lettera della fine del 1745 indirizzata al fisico R. A. de Réaumur, a Parigi, Musschenbroek racconta un episodio che è alla base della realizzazione dell’apparato che prende il nome di bottiglia di Leida (questo nome fu successivamente dato dall’Abate Nollet). Egli studiava, con i suoi assistenti Allmand e Cunaeus, l’elettrizzazione dell’acqua tenendo in mano una bottiglia parzialmente riempita nella quale era immersa un’asticciola d’ottone collegata a una macchina elettrostatica in funzione. Ad un certo punto occorreva terminare tale collegamento e, per farlo, egli prese in mano l’asticciola. Nel far ciò ricevette una scossa elettrica così violenta che la bottiglia cadde a terra in frantumi con un grande spavento da parte dello stesso Musschenbroek(18). Con l’intensità di tale scarica i giochi mondani, particolarmente quelli di Nollet, ebbero nuova linfa: fece sentire la scossa dopo una catena di diversi frati che si tenevano per mano; uccise vari uccellini avvertendo il pubblico che occorreva avere prudenza per non fare irritare la nuova entità. Altri, ciarlatani, iniziarono a curare la gente, che crede sempre a queste novità salvifiche, mediante le scariche elettriche(19).
Musschenbroek elettrizza l’acqua di una bottiglia
L’apparato, già l’anno successivo, veniva migliorato. In luogo dell’acqua, nella bottiglia si sistemò un foglio di stagnola o piombo aderente al vetro della superficie interna (fin quasi al collo) e del fondo. Su questo fondo fa contatto una
catenella metallica collegata ad un’asta che passa attraverso il tappo di sughero che tappa la bottiglia. L’apparato veniva poi rivestito anche all’esterno di stagnola o
piombo, fino alla stessa altezza del rivestimento interno. Le superfici metalliche
interna ed esterna sono le armature dello strumento mentre il vetro fa da isolante (si trattava del primo condensatore).
Naturalmente le analogie con la capacità di una bottiglia proseguirono e si capì che più bottiglie hanno maggiore capacità di una. Si collegarono quindi più bottiglie di Leida (oggi diremmo in serie) tra loro e si ottennero sistemi in grado di immagazzinare più elettricità.
Serie di bottiglie di Leida
Le migliorie nascevano da successive osservazioni sperimentali fatte nelle realizzazioni di bottiglie in differenti laboratori.Così nel 1746 fu Benjamin Wilson (1721-1788) a far notare (An essay towards an explication of the Phaenomena of electricity, deduced from the aether of Sir Isaac Newton contained in three papers which were read before the Royal Society) che:
l’accumularsi della materia elettrica nella bottiglia è sempre in proporzione alla sottigliezza del vetro ed alla superficie dei corpi non elettrici (conduttori) in contatto con le superfici interne ed esterne.
Si cominciava a capire qualcosa ma sempre in modo empirico, cambiando questo arrangiamento, sostituendo questo con quello, allungando, stringendo, … Non vi erano ancora teorie in grado di fornire una qualche spiegazione. E, proprio continuando in tal modo, si capirono e realizzarono varie cose oltre al fatto che era possibile avere lo stesso effetto di una bottiglia con una geometria differente.
L. G. Le Monnier nel 1746, proprio per evitare quei fastidiosi effetti fisiologici delle scariche elettriche, realizzò uno scaricatore (al quale negli anni ne seguirono di più perfezionati) del tipo mostrato in figura. E’ un semplice apparato
Scaricatore
costituito da una specie di compasso (per variare la distanza a cui applicarlo)conduttore sostenuto da due manici isolanti. Con questo elementare strumento Le Monnier si dedicò allo studio della scarica elettrica (una corrente elettrica transitoria) fino ad arrivare ad un tentativo di misura della sua velocità. L’impresa era all’epoca impossibile ma Le Monnier non lo sapeva. Riuscì qualitativamente a dire che tale velocità era certamente superiore a 30 volte quella del suono.
Egli trovò altra cosa di interesse e cioè che
l’elettricità si comunica nei corpi della stessa specie in ragione della loro superficie piuttosto che della loro massa.
Mettendo insieme le cognizioni che si avevano si riuscirono via via a costruire degli strumenti tipo bottiglia di Leida (che da ora in breve chiamerò condensatori) sempre più efficienti. Tra di essi merita di essere ricordato quello a
Condensatore di Aepinus in un modellino ottocentesco
dischi piani e paralleli (tra i quali vi è un isolante) di Franz Maria Ulrich Theodor Aepinus (1724-1802) del 1759 (Tentamen theoriae electricitatis et magnetismi)per il pregio che ebbe di sganciare l’accumulo di elettricità dalla presenza di una bottiglia (o bicchiere) fatto che era in accordo con la teoria di elettricità intesa come un fluido (seguirono poi condensatori cilindrici, sferici, …).
Ulrich Theodor Aepinus
E’ da notare che Aepinus fu il primo a tentare l’applicazione della matematica ai fenomeni elettrici e magnetici muovendo dall’ipotesi di elettricità costituita da un unico fluido come riteneva, e come vedremo, Franklin (il quale, per sua stessa ammissione, non amava la matematica, scienza nella quale non era mai andato lontano). Egli era anche un sostenitore dell’azione a distanza alla Newton ed allo stesso modo pensava si propagasse l’azione elettrica. L’azione doveva poi essere sempre alla Newton e senza bisogno di particolari effluvi, doveva cioè essere o attrattiva (carica di elettricità di diverso tipo) o repulsiva (medesimo tipo di carica di elettricità) con una forza proporzionale alla quantità di elettricità. Solo nel 1767 la legge dell’inverso del quadrato della distanza fu proposta da Priestley e più tardi da Cavendish (1771).
Restava aperta la questione della natura dell’elettricitàben riassunta dallostesso Le Monnier che scrisse questa voce nell’Enciclopedie di D’Alembert e Diderot:
I pareri dei fisici sono divisi sulla causa dell’elettricità: tutti nondimeno convengono dell’esistenza di una materia elettrica più o meno ammassata attorno ai corpi elettrizzati e che produce con i suoi movimenti gli effetti elettrici di cui noi ci accorgiamo, ma essi spiegano ciascuno in maniera diversa le cause e le direzioni di questi diversi movimenti … Poiché ancora non si conosce l’essenza della materia elettrica, è impossibile definirla altrimenti che con le sue principali proprietà.
Un primo passo avanti e nell’uso delle parole e nell’iniziare a spiegare fu fatto da Franklin che introdusse il concetto di carica elettrica. Ma le cose erano complesse e restavano appese a teorie poco confortate da esperienze, come quella dell’elettrone di Lorentz. I passi importanti furono comunque: la scoperta della Pila e di varie leggi che riguardavano l’elettricità, le misure di Coulomb che iniziarono a fornire dati quantitativi, i lavori di Ampère e Faraday, quello dello stesso Lorentz, la scoperta dell’elettone di J.J. Thompson.
BENJAMIN FRANKLIN
Personaggio davvero versatile, impegnato su più fronti di studio, lavoro e ricerca, mi piace ricordarlo innanzitutto come difensore dei diritti dell’uomo nel continente americano che iniziava il suo cammino verso la rivoluzione democratica in sintonia con la Rivoluzione Francese. E Franklin fu proprio ambasciatore in Francia durante la Rivoluzione (dal 1776 al 1785). Qui conobbe Linneo, Lavoisier, Buffon, … assisté alla prima salita dei palloni aerostatici, a varie sedute dell’Académie, si entusiasmò alla scienza e divenne sostenitore della collaborazione tra i poli e della guerra come cosa pazzesca. Ma fu anche commerciante ed industriale della carta, fu giornalista e fondò il Saturday Evening Post (tuttora in attività), fu inventore e scienziato, oltre ad essere uomo politico impegnato nelle più nobili battaglie per i diritti civili e per la libertà. In ambito scientifico si occupò di ogni ramo del sapere e realizzò varie invenzioni. A chi gli proponeva brevetti, rifiutava con garbo affermando che noi usiamo abbondantemente delle cose fatte da altri, lasciamo che gli altri usino qualcosa fatta da noi.
Benjamin Franklin
Franklin (1706-1790) fu uno dei primi scienziati americani(20) ed iniziò la sua attività, avanti negli anni, solo nel 1747, due anni dopo la scoperta della Bottiglia di Leida colpito, sembra, dall’analogia della scarica elettrica della bottiglia con quella dei fulmini. Da questo momento la ricerca diventò la sua principale occupazione anche se non abbandonò mai la passione per la libertà e la cultura. Proprio come messo del governo americano a Londra, riuscì a prendere contatti con la Royal Society, contatti che, insieme a quelli con l’Académie, gli saranno proficui negli anni.
Ritratto di Franklin alle prese con i fulmini.
L’esperienza (probabilmente pensata e basta) di Franklin, con un aquilone dotato di una punta, per catturare fulmini
Delle analogie con i fulmini alle quali ho accennato, Franklin scrisse in una lettera del 1748 dopo aver messo insieme una batteria di bottiglie di Leida. C’è da osservare che correttamente Franklin aveva capito che le armature (fu lui a chiamarle in tal modo) di un condensatore hanno elettricità di due tipi differenti (per capire la cosa occorreva si chiarisse il concetto di induzione) ma che la scossa risiedeva nel vetro. Inoltre fu lo stesso Franklin a costruire il primo condensatore piano che chiamò quadro di Leida (Leyden’s pane o Franklin’s pane: un sostegno isolante h sorregge una lastra di vetro g coperta in gran parte da ambo i lati da stagnola – la parte oscura al centro. Per caricare il pane si collega la stagnola posta da un lato alla macchina elettrica e quella dall’altro lato a terra).
Il condensatore di Franklin (Franklin’s pane)
Infine a Franklin si deve molta della nomeclatura ancora in uso: batteria, conduttore, condensatore, carica, scarica elettrica, scarico, carica negativa, carica positiva …
La batteria di bottiglie di Leida approntata da Franklin
Ma non era solo questa l’analogia che muoveva la curiosità di Franklin. Nella stessa lettera egli parla anche dell’analogia con la possibilità di incendiare sostanze combustibili, di fondere piccole masse di metallo, …
Fu Franklin che ipotizzò il trasporto di elettricità da parte delle nubi e la cosa fu provata quando, su suo suggerimento, nel 1752 fu messo in azione il primo parafulmine (un’asta a punta collegata a terra): la scarica di un fulmine e di una bottiglia di Leida erano della stessa natura. In queste sue ricerche egli scoprì il potere delle punte, il meraviglioso effetto dei corpi a punta tanto per attirare che per respingere il fuoco elettrico, e, con opportuno uso di esse, realizzò il parafulmine.
Queste osservazioni lo portarono a elaborare una teoria elettrica secondo la quale la medesima elettricità è costituita da un fluido unico (teoria monistica) che poteva accumularsi ed essere in eccesso sui conduttori (cariche positive) o essere in difetto (cariche negative). La somma totale delle cariche doveva comunque annullarsi. Il ragionamento di Franklin per teorizzare un fluido elettrico unico era il seguente.
1° Due persone ritte su uno strato di cera, l’una (A) strofinando il tubo (di vetro), l’altra (B) traendone il fuoco, appariranno (se non si toccano) come elettrizzate in rapporto a una terza (C), posta sul suolo, cioè essa ne trarrà delle scintille, se avvicinerà loro un dito.
2° Ma, se esse si toccano mentre il tubo è eccitato, nessuna di esse apparirà come elettrizzata.
3° Se esse si toccano dopo l’eccitazione del tubo, vi sarà tra loro una scintilla più forte di quelle causate dalla persona al suolo.
4° Dopo questa scintilla né l’una né l’altra manifesta alcuna traccia di elettricità.
E ciò si spiega ammettendo che B è elettrizzata positivamente, A negativamente; oppure che A è elettrizzata più e B elettrizzata meno. Ciò suggerisce a Franklin la non creazione della carica ma la sola sua trasmissione. Insomma i corpi sono neutri ma se ne strofiniamo uno esso può ricevere un eccesso di fluido che, allo stesso tempo, viene perso dal panno che strofina. I due corpi risultano allora elettrizzati, uno per difetto ed uno per eccesso di fluido. Se poi rimettiamo in contatto i due corpi, la comparsa della scintilla rimette il fluido al suo posto ed i corpi tornano neutri. L’attrazione è poi tra fluido elettrico e materia, la repulsione è invece tra fluidi elettrici. Franklin introduce nei suoi ragionamenti, come accennato, un vocabolario che ancora oggi usiamo: elettricità positiva quando si ha un eccesso di fluido ed elettricità negativa quando si ha una mancanza di fluido. La teoria presenta una difficoltà: quando si hanno oggetti con eccesso di fluido, sono oggetti con lo stesso tipo di elettricità positiva e si capisce che si respingano. Ma perché due oggetti che hanno mancanza di fluido, anch’essi con lo stesso tipo di elettricità negativa, dovrebbero respingersi ? qui non vi sono fluidi in azione ma solo mancanza di fluido ! Era forse il caso di prendere in considerazione la teoria dei due fluidi sviluppata da Du Fay ?(21) La cosa era presente a Franklin e, nonostante ciò non abbracciò la teoria dei due fluidi:
C’è ancora un’esperienza che ci sorprende e per la quale non abbiamo spiegazioni soddisfacenti… I corpi, quando hanno una quantità di elettricità minore di quella loro normale, si respingono gli uni con gli altri così come quelli che ne hanno una quantità maggiore.
In ogni caso, nel 1751, egli precisa la sua teoria del fluido unico nel modo seguente:
« 1. La materia elettrica consiste in particelle estremamente sottili, poiché essa può penetrare la materia ordinaria, anche i metalli più densi, con tanta facilità e libertà che essa non subisce alcuna resistenza percepibile… ».
« 3. Ciò che differenzia la materia elettrica dalla materia ordinaria è il fatto che le particelle di quest’ultima si attraggono reciprocamente, quelle della prima si respingono….
« 4. Ma, per quanto le particelle di materia elettrica si respingano, esse sono fortemente attratte da ogni altra materia…. ».
« 6. Così la materia ordinaria è una specie di spugna per il fluido elettrico. Una spugna non potrebbe assorbire acqua se le particelle di questa non fossero più piccole dei pori della spugna, e lo farebbe solo lentamente se non ci fosse attrazione reciproca tra queste particelle e quelle della spugna… Essa lo farebbe ancor più velocemente, se invece di una attrazione vi fosse tra queste particelle d’acqua una repulsione reciproca, che agirebbe congiuntamente con l’attrazione della spugna. Questo appunto accade tra la materia elettrica e la materia ordinaria.
« 7. Ma la materia contiene in generale quanta materia elettrica le è possibile. Se se ne aggiunge ancora, questa si porta sulla superficie e forma ciò che noi chiamiamo una atmosfera elettrica: il corpo è allora elettrizzato…. ».
« 9. Sappiamo che il fluido si trova nella materia ordinaria, perché possiamo attrarlo dal di sopra con l’aiuto del globo (della macchina) o del tubo… ».
« 15. La forma dell’atmosfera è quella del corpo che essa circonda. Essa può esser resa visibile nell’aria calma per mezzo del fumo di resina… che è attratto e si spande ugualmente in ogni parte, coprendo e nascondendo i corpi… ».
« 18. Queste spiegazioni mi parvero perfettamente soddisfacenti quando all’improvviso mi vennero in mente e mi tentarono assai: ma ora… devo confessare che ho qualche dubbio…
« 19. Ma non è importantissimo per noi sapere in qual modo la natura osservi le sue leggi: ci basta conoscere queste leggi stesse. Ciò che ci è veramente utile è sapere che la porcellana lasciata senza sostegno nell’aria cade e si spezza; ma sapere come essa arrivi a cadere e perché essa si spezzi è d’interesse speculativo. È un piacere per noi, ma possiamo anche senza ciò proteggere la nostra porcellana ».
Le teorie di Franklin furono da egli stesso comunicate al suo amico Peter Collison (1694-1768) della Royal Society (Lettere a Collison, 1747) che le fece conoscere pubblicando a Londra Experiments and observations on electricity, made at Philadelphia in America, by Benjamin Franklin, and communicated in several letters to P. Collinson of London. London, Printed and sold by E. Cave, 1751-54 (con successive edizioni per il grande successo che il libro ebbe in tutta Europa).
notare che i membri della Royal Society si comportarono con le scoperte di Franklin in modo tipico della boria coloniale: sembrava impossibile che il centro delle ricerche scientifiche dovesse abbandonare Londra per trasferirsi in un territorio selvaggio. Rifiutarono quindi la pubblicazione della gran parte dei suoi lavori di Franklin sulle Philosophical Transactions. Successivamente (1753) tentò di riparare riconoscendogli la medaglia Copley (una specie di Nobel dell’epoca).
Prima di passare oltre vorrei dire che Franklin era anche un giocherellone che si divertiva molto con l’elettricità. Egli descrive nel modo seguente alcuni esperimenti fatti con i suoi collaboratori di Filadelfia:
Poiché arrivava il caldo che rende pochissimo piacevoli gli esperimenti sull’elettricità, si decise […] di fare una scampagnata sulle rive dello Schuylkill e di incendiare degli alcolici con scintille trasmesse da una riva all’altra con nient’altro per conduttore che l’acqua del fiume, […] di uccidere un tacchino per la nostra cena con la scossa elettrica e di farlo arrostire su uno spiedo elettrico con un fuoco acceso da una bottiglia di Leida e di bere in coppe elettrificate, tra le salve dei fucili innescati dalla batteria elettrica [di condensatori], alla salute di tutti i famosi studiosi di elettricità di Inghilterra, di Olanda, di Francia e di Germania.
Degno successore di Franklin sarà Joseph Priestley.
NOTE
(12) Hauksbee si occupò anche di uno strano fenomeno che era stato scoperto nel 1675 dall’abate Picard in Parigi. Questi trasportava al buio un barometro e, ad ogni scossone del mercurio nel vetro che lo conteneva, aveva notato una luce azzurrognola proveniente dall’apparecchio. Non vi furono spiegazioni possibili ad un fenomeno che anticipava di molto la scarica nei gas rarefatti.
(13) La terminologia in uso a quei tempi era molto varia. In particolare si parlava di corpi coibenti o coercenti (in quanto la parte elettrizzata rimane confinata alla zona strofinata), idroelettrici (nel senso di elettrici per sé stessi) o elettrici per origine o semplicemente elettrici. Comune era anche il termine non conduttori. Si parlava anche di corpi simperielettrici (elettrizzati da altri), deferenti, propagatori o semplicemente non elettrici. Questa varietà di espressioni creava anche non poche confusioni.
(14) Gianni Bonera, Il caso dell’elettricità: dalle origini a Volta, Dipartimento di Fisica ‘A. Volta’, Università di Pavia in: http://ppp.unipv.it/PagesIt/6Dif/6Videoconf/2VideoC.htm.
(15) Le foto di molte macchine elettriche originali o ricostruite si possono trovare in http://www.sparkmuseum.com/FRICTION.HTM http://www.sparkmuseum.com/FRICTION_HIST.HTM http://brunelleschi.imss.fi.it/museum/isim.asp?c=500080
(16) Altre macchine furono realizzate in quel periodo, come quella di Martinus van Marum (1750-1837) del 1784, con dischi in vetro di 165 cm di diametro (con un condensatore di 21 metri quadrati costituito da una batteria di bottiglie di Leida, in grado di produrre 300 scariche al minuto (circa 60kV) e scintille lunghe 60 cm e larghe fino a 40 cm. Ma quella di maggior successo fu costruita nel 1766 da Jesse Ramsden (1735-1800). Egli sostituì al cilindro di vetro un disco della stessa sostanza strofinato da quattro cuscinetti. Da allora la macchina di Ramsden rimase in voga per circa un secolo, perfezionata da John Cuthbertson (1743-1806), e fu la prima macchina elettrica largamente conosciuta ed utilizzata.
Fra due sostegni di legno, si trova un disco, P, di vetro (diametro 0,5 m), fissato per il suo centro ad un asse che si fa ruotare per mezzo di una manovella M. Questo disco è compreso fra quattro strofinatori o cuscinetti di stoffa, fissi, impregnati di amalgama di Zinco e Solfuro di stagno. Nella direzione del suo diametro orizzontale il disco passa fra due tubi di ottone, curvati a ferro di cavallo, detti pettini, dotati di punte collocate ai lati e dirimpetto al disco. Questi pettini sono connessi a voluminosi tubi di ottone, C , di elevata capacità, detti conduttori, collegati per mezzo di un tubo di ottone di diametro minore.
Schema della macchina elettrica di Ramsden
Foto della macchina elettrica di Ramsden
Il disco di vetro, messo in rotazione, si elettrizza positivamente per strofinio nella zona di contatto delle due coppie di cuscinetti. Questi ultimi, collegati con il suolo, D, perdono immediatamente la loro carica negativa.
L’ elettricità positiva del disco agisce per induzione sui conduttori ed attrae le cariche negative che, attraverso i pettini, vanno a combinarsi con l’elettricità positiva del vetro e la neutralizzano.
I conduttori, nelle loro parti più lontane, restano carichi positivamente e possono trasmettere la propria carica ad altri conduttori per mezzo di eccitatori o collegamenti metallici.
L’ultima della serie di macchine elettrostatiche è quella di James Wimshurt (1832 – 1903) del 1893.
Macchina elettrostatica di Wimshurt
La macchina consta di dischi eguali, di ebanite o di vetro ricoperto di gomma lacca, paralleli e vicini, girevoli sullo stesso asse in senso contrario, e muniti sulle facce esterne di strisce o vettori di stagnola, radiali ed equidistanti. I dischi sono a contatto, in un piano orizzontale, con due collettori A e B della elettricità di induzione, piegati ad U, armati di punte (pettini) e comunicanti coi poli della macchina. Essi sono costruiti mediante due aste metalliche terminanti con due sferette C e D, la cui distanza può essere variata a volontà (spinterometro).
Vi sono poi due bracci conduttori, disposti diametralmente ai dischi e fissati al centro, inclinati di 45° e 60° sulla linea dei pettini (i quali poggiano leggermente sulle strisce di stagnola mediante pennellini che, per strofinio, danno elettrizzazione alle superfici di stagnola).
Questa macchina è la più atta più atta per ottenere elettricità ad alto potenziale, mediante strofinio ed induzione.
Durante la rotazione dei dischi, le strisce radiali, che vengono debolmente elettrizzate per
strofinio, inducono sui pettini con i settori di stagnola grandi quantità di cariche elettriche,
le quali, tramite i conduttori, creano tra le sferette dello spinterometro una notevole d.d.p. (20000 volt).
Vengono accoppiati alla macchina condensatori cilindrici che servono ad aumentare la capacità della macchina. Aumentando il numero dei dischi si possono raggiungere d.d.p. di 250000 volt e scintille di 40 cm.
Le macchine elettrostatiche di Whimshurst sono sorgenti di elettricità ad alto potenziale, sì, ma con piccole intensità di corrente.
(17) Von Kleist, sembra per curarsi, stava elettrizzando dell’acqua. Per far ciò aveva immerso nell’acqua di una bottiglia un chiodo che attraversava il tappo. Teneva la bottiglia in mano facendo toccare il chiodo alla sua macchina elettrica. Staccata la bottiglia dalla macchina, si accorse che, passando vicino ad un oggetto non isolato, scoccò una grande scintilla. Allora egli prese in mano l’oggetto non isolato per osservarlo e, nel far questo, subì una violenta scossa. Il fatto che egli manteneva la bottiglia nella mano gli fece ipotizzare una qualche influenza del corpo nell’insorgere del fenomeno. Fu poi Musschenbroek che mostrò l’indipendenza del fenomeno dal corpo umano.
(18) Appena la notizia si diffuse vi furono varie altre persone che rivendicarono la scoperta del fenomeno. Nel 1744 il fisico tedesco Georg Matthias Bose, nel Wittenberg aveva descritto un fuoco proveniente da acqua elettrizzata in una bottiglia e fu questo l’esperimento specifico che van Musschenbroek tentò di imitare. E ancora, il fisico e sismologo svizzero Jean Nicolas Sebastien Allamand, nel 1745, aveva ricevuto una forte scossa elettrica in una situazione simile (la cosa risulta da una lettera del 4 febbraio del 1745 di Mr. Trembley alle Philosophical Transactions; da tale lettera risulta che quell’effetto era noto nel laboratorio di Musschenbroek almeno da un anno) e così pure, nello stesso anno, era arrivato in modo del tutto indipendente anche il canonico Ewald Jürgen von Kleist, decano della cattedrale di Cammin in Pomerania. Jean-Antoine Nollet, che diffuse la notizia, forse per non essere implicato in polemiche di priorità, chiama il dispositivo descritto da Musschenbroek Bottiglia di Leida.
(19) Si passò da libri come quello di Cristian Kratzenstein, Trattato dell’utilità dell’Elettricismo nella scienza medica (Pietroburgo 1745), fino ad arrivare alle pratiche
Cura dei denti con l’elettricità
Un paralitico spera nel miracolo elettrico.
barbare dell’elettroschock inventato dall’italiano Ugo Cerletti nel 1938. Oltre alle cure elettriche erano diffuse cure magnetiche tra le quali la pranoterapia ed altre cose inenarrabili. La cosa straordinaria, che purtroppo ho vissuto da ragazzo, fino alla fine degli anni Cinquanta, è stata la cura con le acque minerali da tavola che avevano la prodigiosa proprietà di essere radioattive alla sorgente!
Ma con l’elettricità si tentavano anche cose più divertenti, come il bacio elettrico che una signorina elettrizzata dispensava (forse a pagamento).
Il bacio elettrico
(20) E’ doveroso notare che, indipendentemente, molte delle cose elaborate da Franklin furono studiate da William Wilson (1715-1787) che dimostrò il fatto che la forza elettrica descrive sempre un circuito (A sequel to the experiments and observations tending to illustrate the nature and properties of electricity: wherein it is presumed, by a series of experiments expresly for that purpose, that the source of the electrical power, and its manner of acting are demonstrated. Addressed to the Royal Society. By William Watson. London, Printed for C. Davis, 1746):
Ho tentato di provare con l’esperienza che viene messa in circolazione dal non elettrico più vicino una quantità di elettricità uguale a quella accumulata nei corpi eccitati … Il fuoco elettrico perduto da un uomo viene immediatamente supplito dal suolo.
(21) Sostenitore della teoria di Du Fay divenne Robert Symmer (1707-1763) della Royal Society (New Experiments and Observations Concerning Electricity) che si imbatté in uno strano episodio che ha a che fare con le sue calze bianche e nere (indossava due paia di calze, le bianche sotto e le nere sopra). Una sera del 1759, si sfilò la calza nera che era
Calze di Symmer
sulla bianca. Nel farlo sentì un crepitìo di piccole scintille ed osservò che le calze erano elettrizzate di elettricità opposta (si attraevano). Dice Symmer:
“Entrambe le calze [bianche e nere] quando sono tenute a distanza l’una dall’altra appaiono gonfie a tal punto che formano l’intera figura della gamba […]. Quando le due bianche o le due nere sono tenute insieme alle estremità, si respingono tra loro. Quando una calza nera ed una bianca vengono avvicinate esse si attraggono e [..] nell’avvicinarsi, il loro rigonfiamento si abbassa gradualmente; quando si incontrano, si appiattiscono e si stringono insieme. A questo punto le palline dell’elettroscopio non sono più sensibili […] quando le calze vengono di nuovo separate e portate a distanza sufficiente [esse si rigonfiano] e la loro elettricità non sembra essersi minimamente indebolita dalla scarica che hanno avuto nell’incontrarsi”.
Dopo questo primo episodio che lo sconcertò, Symmer notò che un foglio di carta attraversato da scariche elettriche presenta fori che hanno i bordi sporgenti sia in un verso che in un altro (e la cosa oggi è chiara in quanto sappiamo che la scarica elettrica ha carattere oscillante e quindi entra alternativamente dai due lati del foglio).
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(7) Antonio Favaro (a cura di) – Edizione Nazionale delle Opere di Galileo Galilei(20 voll.) – Giunti Barbera, 1890-1909; ristampa 1968
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(17) Isaac Newton – Philosophiae Naturalis Principia Mathematica – UTET 1965
(18) L.S. De Camp, C.C. De Camp – The Story of Science in America – Scribners Library Binding 1967
(19) Beniamino Franklin – Vita, scritta da sé medesimo – G. Barbèra 1885.
(20) Jacques Ahrweiller – Franklin – Accademia 1973
(21) Edward Tatnall Canby – Storia dell’elettricità – Mursia 1965
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