ELETTRICITÀ

ELETTRICITÀ. - Circa l'essenza di questa importantissima materia fra quelle che costituiscono il nostro universo fisico si sa ben poco, quantunque la conoscenza di alcune delle sue manifestazioni nel campo delle nostre osservazioni più immediate, o alla nostra scala, risalga a tempi antichi. Già Talete (sec. VII a. C.) conobbe la proprietà dell'ambra (elettron) di attirare piccoli corpi leggeri quando venga strofinata. Gilbert (sec. XVI) riconobbe che tale proprietà possiedono numerosi corpi, introdusse la denominazione di elettrico o elettrizzato per caratterizzarne il particolare stato dopo lo strofinamento e fondò con numerose esperienze la prima elettrologia che poi, per ca. due secoli, si sviluppò notevolmente, rimanendo però prevalentemente ancora solo qualitativa.

I. LE PRIME BASI TEORICHE

Seguendo il criterio scientifico o sperimentale galileiano, quella prima teoria si svolse appoggiandosi su una serie di constatazioni abbastanza semplici e su alcune ipotesi atte a interpretarle.

Le constatazioni fondamentali furono le seguenti: 1) Strofinando alcuni corpi con opportuni pezzi di pelle o stoffa, p. es., un pezzo di gomma dura con un pezzo di flanella, e constata che l'uno e l'altro rimangono elettrizzati.

2) Portando con opportuni contatti su due piccoli corpi sospesi a un sottile filo di seta due porzioni di quelle elettrizzazioni si osserva sempre che esse agiscono l'una sull'altra a piccole distanze con una forza attrattiva, oppure repulsiva, quando provengano entrambe o dal corpo strofinato o dalla stoffa impiegata, e con una forza attrattiva se l'una proviene dal corpo e l'altra dalla stoffa.

3) Esistono corpi nei quali codeste elettrizzazioni rimangono fisse ove si sono prodotte o collocate; altri nei quali si muovono liberamente, rendendo a distributirsi in determinate maniere. I primi si dicono isolanti, i secondi conduttori. Fra codeste due categorie esiste tutta una serie di proprietà intermedie che qui non interessano.

Le prime ipotesi per interpretare i suddetti fenomeni fondamentali furono le seguenti:

1) l'elettrizzazione si considera determinata dalla distribuzione di un fluido elettrico sulla superficie o anche all'interno dei corpi.

2) Esistono due specie di fluidi elettrici, che si dissero dapprima vetroso e resinoso, e poi positivo e negativo.

3) I fluidi elettrici della stessa specie si respingono; quelli di specie diversa si attirano. Un corpo non elettrizzato o allo stato neutro, può considerarsi o totalmente privo di fluido elettrico, o contenente quantità equivalenti e quindi equilibranti dei due fluidi di specie contraria.

L'adozione dell'ipotesi dei fluidi è in evidente accordo con le idee meccanicistiche con le quali, fino a oltre la metà del sec. XIX, si cercava di tutto interpretare mediante sostanze e forze agenti fra esse.

II. LA LEGGE DI COULOMB

Questa notevole scoperta (1785) fu quella che permise alla primitiva elettrologia di passare dallo stadio qualitativo a quello quantitativo e di costituirsi così nella classica elettrostatica, ancora attualmente utile per la risoluzione di innumerevoli questioni. Coulomb si chiese come due quantità elettriche si attraggano o si respingano in funzione delle loro grandezze e della loro distanza; e con accurate esperienze rispose alla questione di-

dimostrando che la legge elettrica ricercata è assai analoga a quella della gravitazione newtoniana: le forze elettriche a differenza di quelle gravitazionali sempre attrattive, possono essere, come già detto, attrattive o repulsive; esse sono però, in ogni caso, proporzionali al prodotto delle due quantità di e. in gioco, e inversamente proporzionali al quadrato delle loro distanze.

Una analoga legge, come è notissimo, vale anche per le forze che si riscontrano fra poli magnetici.

Un altro notevole pregio della legge di Coulomb consiste in ciò, che, permettendo essa di esprimere la forza che una data distribuzione di e. eserciterebbe in qualsiasi punto dello spazio su una quantità di e. assunta come unitaria, condusse alla nozione e alla definizione formale di campo elettrico in una teoria fino allora e per vari decenni ancora concepita come basata su azioni a distanza; nozione che nell'elettrologia moderna, per opera dapprima di M. Faraday e poi di J. C. Maxwell, assunse un ruolo non più formale, ma assolutamente reale e fondamentale.

III. A. VOLTA E LE CORRENTI ELETTRICHE. - Se le nostre conoscenze sull'e. fossero rimate limitate a quelle conseguenti da quanto si è finora ricordato, si avrebbe una elettrologia senza dubbio interessante, dal punto di vista della conoscenza di un imponente elemento della natura, specialmente dopo l'identificazione di B. Franklin dell'e. messa in guoco nelle esperienze fisiche con quella che si produce nelle nuvole e provoca i lampi e i fulmini. Ma tale elettrologia sarebbe ben misera innanzi a quella svolta negli ultimi centocinquanta anni e che si sta tuttora svolgendo con un ritmo che non accenna a rallentarsi. Come è noto il fatto determinante fu la possibilità di disporre di correnti elettriche prodotte dapprima in proporzioni modeste con pile di vari tipi, tutti conseguenti dalla nota grande scoperta di A. Volta, poi per mezzo di apposite macchine, dette dinami, atte a fornirle in condizioni e proporzioni sempre più imponenti.

La corrente elettrica fu subito considerata come un flusso di e. positiva entro i conduttori, in generale lineari o filiformi. Ma per sé queste correnti non portarono alcuna maggior conoscenza circa la natura intrinseca dei misteriosi fluidi elettrici. Si scopersero invece una notevole quantità di fenomeni elettromagnetici, elettrodinamici, elettrotermici, elettrochimici ecc. che per la loro perfetta regolarità permisero di definire un buon numero di grandezze di natura elettrica e di misurarle. Dalla misura delle quantità di e. fluenti nei conduttori risultò una prima impressionante sorpresa: le quantità di e. fluenti in ogni istante nel più modesto circuito elettrico sono di gran lunga superiori a quelle che ponevano in guoco le brillanti e rumorose scariche delle grandi macchine elettrostatiche.

IV. LE LEGGI ELETTRICITICHE DI FARADAY

Fra i primi e fondamentali effetti osservati delle correnti elettriche stanno i cosiddetti fenomeni elettrolitici. Soluzioni di alcune sostanze dette elettroliti, inserite in un circuito elettrico, possono venir attraversate dalla corrente elettrica, cioè apparentemente funzionare come conduttori, però come conduttori assai differenti dai consueti conduttori metallici. Il passaggio della corrente elettrica in tali soluzioni è in generale accompagnato da sviluppi o da depositi di parte degli elementi costituenti la sostanza disciolta e anche il solvente stesso. M. Faraday indagò a fondo codesti fenomeni e ne diede le leggi. Di particolare interesse è quella che afferma che il passaggio di una stessa quantità di e. decompene sempre quantità chimicamente equivalenti di elettroliti. Ora codesto accostamento, codesto legame di una proprietà chimica quantitativa delle sostanze e della quantità di e. costituisce uno dei più profondi e dei più fecondi risultati della scienza, anche se al momento del suo enunciato non risultò a tutti palese. Si era infatti nel periodo che la nozione di equivalente chimico stava cedendo innanzi alle nozioni di atomo, di molecole e di valenza. La materia veniva ormai quasi generalmente considerata costituita corpusco-

larmente e l'anzidetto accostamento indusse a presumere
anche una analoga costituzione dell'e. che risultò presto
di grande interesse conoscitivo e applicativo.

V. LA DISSOCIAZIONE IONICA

Ma il vero andamento del fenomeno dell'elettrolisi solo assai più tardi poté ve- nire chiaramente esposto e formulato per opera di S. Ar- brenna (1885) a di W. Hittorf.

Nell'elettrolito le molecole della sostanza disciolta de-
vo considerarsi almeno parzialmente dissociate nel loro
ioni, costituiti da due frazioni delle molecole stesse portanti
ripettivamente gli anzidetti atomi di e. positiva e ne-
gativa. P. es., la molecola dell'acido cloridrico HCl dis-
sociata negli ioni H + e Cl -; quella del cloruro di sodio
NaCl, negli ioni Na + e Cl -. Questi ioni, in numero
enorme e uniformemente distribuiti nel solvente, non
manifestano all'esterno alcun campo elettrico dati a loro
equal numero e i segni contrari delle loro rispettive cariche
elettriche. Le due schiere degli innumerevoli ioni posi-
tivi e negativi compenetranti l'una nell'altra, si muovono
in senso opposto sotto l'azione di un campo elettrico, sia
pure di minima intensità. Questo fatto di esser in grado di
poter fare scorrere l'una nell'altra codeste sostanze ioni-
che fino a due elettrodi terminali, ove perdono la loro
carica e si trasformano, è di estrema importanza teo-
sica e pratica; senza di esso tutta l'enorme industria metal-
lurgica elettrolitica non esisterebbe.

Ma è anche molto interessante e importante rendersi
conto dell'enormità delle cariche ioniche. La quantità
di e. corrispondente alla ionizzazione di un equivalente-
gramma di ione, per la legge di Faraday è di 96.500 cou-
lomb positivi o negativi. Queste enormi quantità di e.
sono, p. es., nel caso della ionizzazione dell'acido cloridrico,
concesse a grammi 1 di H+ e 35,5 di Cl-, quindi il tutto
può essere contenuto in un bicchiere di elettrolito. Della
enormità di quelle cariche possiamo rendersi conto, p. es.,
passando che, se fosse possibile separare gli anzidetti
1 gr. di H+ e 35,5 gr. di Cl-, essi posti alla distanza di
100.000 km. si attirerebbero ancora con la forza di una
tonnellata! Sono forse queste le considerazioni che per
prima condussero al riconoscimento dell'enormità delle
forze e delle energie che possono nascondersi in pochi
grammi di materia. Merita però di essere ricordato che,
se non ci è possibile produrre quantità rilevanti di singole
materie ioniche, siamo però in grado di produrre raggi
corpuscolari dei quali ogni corpuscolo è costituito da un
ione, in particolare, p. es., da un ione positivo di elio,
He+; ed essi permettono di confermare sperimentalmente
l'attendibilità dell'ipotesi ionica.

VI. L'ATOMO ISOLATO DI E

Finora si è in- contrata l'e. in fenomeni nei quali poteva venire in- terpretata prevalentemente come un ipotetico fluido positivo o negativo; solo in base al suo comporta- mento nei fenomeni elettrolitici è apparsa opportuna una differente ipotesi: che cioè essa sia di natura cor- puscolare e quindi discontinua; ipotesi che non esclude affatto che essa possa apparire nella maggior parte dei fenomeni alla nostra scala come un fluido a cagione dell'estrema piccolezza e dell'enorme nu- mero dei corpuscoli che si deve supporre vi entrino in gioco. Ma in tutti questi casi l'e. si è sempre presentata unita a ordinaria materia, cioè, o distri- buita microscopicamente su od in essa, oppure ad essa incorporata microscopicamente determinandone lo stato ionico.

Ma è evidente l'interesse di studiare l'e. anche
in eventuali fenomeni in cui si presenti isolata-
mente.

Uno di codesti fenomeni è costituito da raggi ema-
nanti dal catodo dei tubi a vuoto in cui si fanno avvenire
scariche elettriche, raggi ormai notissimi e detti raggi
catodici. Una lunga serie di esperienze pose in evidenza
dopprima la natura corpuscolare di tali raggi, poi, per
opera di J. Perrin e di J. J. Thomson, la loro carica ne-
gativa a la loro consistenza di pura e., senza alcun supporto
materiale.

Consentita così una facile possibilità di procurarsi
quei corpuscoli, se ne studiò a fondo i vari comporta-
menti. In primo luogo si constate che, malgrado l'assenza
di qualsiasi massa materiale ponderabile, essi possedevano
una massa dinamica, vale a dire che per accelerarli oc-
correva l'impiego di una forza (evidentemente di natura
elettrica) e un certo dispendio di energia, che essi resti-
tuivano, trasformata in irraggiamento elettromagnetico,
quando invece perdevano velocità in seguito a un qual-
siasi loro frenamento.

A tutto rigore però le esperienze ora ricordate non
fornivano separatamente le due caratteristiche di quei
corpuscoli, la loro carica elettrica e a la loro massa dina-
mica se ma solamente il rapporto delle due e/m, che ri-
sultava sempre costante per corpuscoli di non eccessiva
velocità. Per conseguire i singoli valori e ed se occorreva,
per mezzo di qualche ulteriore esperienza, giungere alla
misura di uno di essi, evidentemente della carica e,
operando su un solo o al più su un noto numero di cor-
puscoli.

È ciò che fece con pieno successo R. Millikan
(1908) dimostrando che la minima carica che può assu-
mete un corpuscolo elettrizzato (cioè un corpuscolo unito
a un solo atomo di elettricità) a di 4,77.10⁻¹⁰ unità elet-
trostatiche, pari a 1,59.10⁻¹⁰ coulomb, e che quindi tale
deve considerarsi la carica e. Dalle stesse esperienze ri-
sultò pure brillantemente confermato che in qualsiasi
elettrizzazione di corpuscoli interviene sempre un nu-
mero intero di codeste cariche. Così venne attribuito al-
l'atomo di e. negativo, atomo che era già stato designato
col nome di elettrone, l'anzidetta carica e.

In seguito alla determinazione della carica e la massa
dinamica se dell'elettrone a piccola velocità (praticamente
del cosiddetto elettrone a riposo) risultò m = 8,9.10⁻²⁰ gr.

VII. L'ATOMO DI E. POSITIVA. - La fisica fino a
pochi anni fa non conosceva alcun fenomeno che
ponesse in gioco della pura e. positiva. I raggi corpu-
scolari positivi, a differenza dei raggi catodici, non
erano costituiti da corpuscoli puramente elettrici, ma
da ioni. Fu così che per un certo tempo si pensò che
l'e. positiva dovesse sempre trovarsi connessa a qual-
cosa di materiale e che l'eventuale scarica di questo
non fosse da attribuire alla perdita della sua e. posi-
tiva, bensì a un acquisto neutralizzante di altrettanta
e. negativa.

Ma finalmente nel corso di ricerche sui raggi
cosmeti, Anderson dapprima (1932) e poi Blackett
e G. Occhialini (1933), tra numerose tracce di elet-
troni che intervenivano nelle reazioni provocate da
quei raggi, tracce per la maggior parte certamente
attribuibili a consueti elettroni negativi, ne rilevarono
alcuna che, con altrettanta certezza, dovevano attri-
buitsi a elettroni positivi. E così fu risolta l'incer-
tezza circa la possibilità di esistenza della pura e.
positiva e fu posta in evidenza la sua corpuscolarità,
identica a quella dell'e. negativa.

Non è forse fuori luogo ricordare che parecchi anni
prima P. A. M. Dirac, in base a considerazioni teoriche
sul comportamento di un generico elettrone, aveva pre-
viata la possibilità di esistenza anche di elettroni positivi,
presennunziandone anche qualche proprietà.

Ad ogni modo codesti elettroni positivi liberi nel
nostro mondo terrestre ripieno di elettroni negativi hanno
una vita effimera; quando un elettrone positivo si in-
contra con un elettrone negativo (e ciò avviene inevitabi-
mente dopo un brevissimo istante dalla sua produzione)
entranbi spariscono e si manifesta invece un fotone
di energia equivalente a quella posseduta da essi all'istante
dell'incontro. Anche il fenomeno inverso risulta confer-
mato: un fotone di sufficiente energia può sparendo dar
luogo alla produzione di due elettroni di segno con-
trario.

VIII. CONSERVAZIONE DELL'E

Il fatto sperimentale che quando si produce dell'e. di una specie si debba neces- sariamente produrre, in egual quantità, e. dell'altra specie,

unitamente all'uso invalso di attribuir loro rispettivamente i segni opposti: è e -, e alla mentalità scientifica meccanicistica dominante fin quasi alla fine del sec. XIX, indussero a formulare per l'e. un principio conservativo analogo a quello che da tempo si ammetteva per la materia ponderabile. Ma i brevi accenni precedenti a recentissime constatazioni inducono già a pensare che codesto principio debba venir sottoposto a una più o meno profonda revisione (v. ENERGIA).

Paolo Strancio