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 immediata, e alla nostra scala, risalga a tempi antichi. Già l'atlete (sec. VII a. C.) conobbe la proprietà dell'ombra (elektron) 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 caratterizzare il particolare stato dopo lo strofinamento 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 pesci di fiammella, e con pesci di gomma dura con un pezzo di fiammella, e constata che l'uomo è 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 attiva, 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 distribuirsi in determinate maniere. I primi di dicono isolanti, i secondi di conduttori. Fra codeste due categorie esiste tutta una serie di proprietà intermediarie 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 equivalente di fluidi equivalenti dei due fluidi di specie contraria.
L'adozione dell'ipotesi dei fluidi è in evidente accordo con le idee meccanistiche 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 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, assume un ruolo non più formale, ma assolutamente reale e fondamentale.
III. A. VOLTA E LE CORRENTI ELETTRICHE. - Se le nostre conoscenze sull'elettrico rimaste 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'elettrico. Questa nuova scienza, che si produce nelle nuvole e provoca i fiammi e i fulmini, è stata eletrologia 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 più di vari tipi, tutti conseguenti dalla nota grande scoperta di A. Volta, poi per mezzo di apposite macchine, dette dintorni, atte a fornire in condizioni e proporzioni sempre più imponenti.
La corrente elettrica fu subito considerata come un flusso di e, positiva entro i conduttori, in generale libera o filiformi. Ma per sé queste correnti non portarono alcuna maggior conoscenza circa la natura intrinseca dei misteriosi fluidi elettrici. Si scopertero 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 misurare. Dalla misura delle quantità di e. Fuori nei conduttori risultò una prima impressionante sorpresa: le quantità di e, fuori in ogni istante nel più modesto circuito elettrico sono di gran lunga superiori a quelle che ponevano in gioco le brillanti e rumorose scariche delle grandi macchine elettrostatiche.
IV. LE LEGGI ELETTRICHE 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 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. Decomponere 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 atomi, di molecole e di valenza. La materia veniva ormai quasi generalmente considerata costituita corrusco-lamente e l'anzidetto accostamento indusse a presumerne anche una analoga costituzione dell'elettricità che risultò presto di grande interesse conoscitivo e applicativo.
V. La DISSICIAZIONE IONICA
Ma il vero andamento del fenomeno dell'elettricità solo assai più tardi poté venire chiaramente esposto e formulato per opera di S. Arrhenius (1858) e di W. Littorff.Nell'elettricità le molecole della sostanza disciolta devono considerarsi almeno parzialmente dissociati nel loro stato, costituiti da due frazioni delle molecole stesse portanti rispettivamente gli anzidetti atomi di e, positiva e negativa. P. es., la molecola dell'acidol cloridrico HCl dissociata negli ioni H- e Cl-; quella del cloruro di sodio NaCl, negli ioni N- e Cl-; Questi ioni, in numero enorme e uniformemente distribuiti nel solvente, non manifestano all'esterno alcun campo elettrico dati il loro egual numero e i segni contrari delle loro rispettive cariche elettriche. Le due schiere degli innumerevoli ioni positivi 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 ioniche fino a due elettroni terminali, ove perdono la loro carica e si trasformano, è di estrema importanza tecnica e pratica; senza di esso tutta l'enorme industria metallurgica elettrolitica non esisterebbe.
Ma è anche molto interessante e importante rendersi conto dell'enormità delle cariche ioniche. La quantità di corrispondente alla ionizzazione di un equivalente gramma di ione, per la legge di Faraday è di 96,500 coulombi positivi o negativi. Queste enormi quantità di e, sono, p. es., nel caso della ionizzazione dell'acidol cloridrico, connesse a grammi di H- e 3,5 di Cl-; quindi il tutto può essere contenuto in un bicchiere di elettrolito. Della enormità di quelle cariche possiamo renderci conto, p. es., pensando che, se fosse possibile separare gli anzidetti 1 gr. di H- e 3,5 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 ioni, H-; ed essi permettano di confermare sperimentalmente l'attendibilità dell'ipotesi ionica.
VI. L'ATOMO ISOLATO DI E
Finora si è incontrata l'elettrone nei quali poteva venire interpretata prevalentemente come un ipotetico fluido positivo o negativo; solo in base al suo comportamento nel fenomeno elettrolitico è apparsa opportuna una differenza ipotesi: che cioè essa sia di natura corpuscolare 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 dell'enorme numero dei corpuscoli che si deve supporre vi entrino in gioco. Ma in tutti questi casi l'elettrone è presente in una quantità di ione, a ordinaria materia, cioè, o distribuita macroscopicamente su od in essa, oppure ad essa incorporata microscopicamente determinandone lo stato ionico.Ma è evidente l'interesse di studiare l'elettrone in eventuali fenomeni in cui si presenti isolatamente.
Uno di questi fenomeni è costituito da raggi emanati 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 dapprima la natura corpuscolare di tali raggi, poi, per opera di J. Fetrin e di J. J. Thomson, la loro carica negativa 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 comportamenti. In primo luogo si constatò che, malgrado l'assenza di qualsiasi massa materiale ponderabile, essi possedevano una massa dinamica, vale a dire che per accelerati corrispondono l'impiego di una forza (evidentemente di natura elettrica) e un certo dispendio di energia, che essi restituivano, trasformando in irraggiamento elettromagnetico, quando invece perdevano velocità in seguito a un qualsiasi loro frenamento.
A tutto rigore però le esperienze ora ricordate non forniscono separatamente le due caratteristiche di quei corpuscoli, la loro carica elettrica è la loro massa dinamica ma solamente il rapporto delle due e, che riassume sempre costante per corpuscoli di non eccessiva velocità. Per conseguire i singoli valori e ed m 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 corpuscoli.
È ciò che fece con pieno successo R. Millikan (1908) dimostrando che la minima carica che può assumere un corpuscolo elettrizzato (cioè un corpuscolo unito a un solo atomo di elettricità) di 1,77.10-10 unità elettrostatiche, pari a 1,59.10-10 coulombi, e che quindi tale deve considerarsi la carica. Dalle stesse esperienze risultò pure brillantemente confermato che in qualsiasi elettrizzazione di corpuscoli interviene sempre un numero intero di codeste cariche. Così venne attribuito all'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 m dell'elettrone il piccolo velocità (praticamente del cosiddetto elettrone a riposo) risultò m = 8,9.10-12 gr.
VII. L'ATOMO DI E. POSITIVA. — La fisica fino a pochi anni fa non conosceva alcun fenomeno che potesse in gioco della pura e positiva. I raggi corpuscolari positivi, a differenza dei raggi catodici, non erano costituiti da corpuscoli puramente elettrici, ma dai ioni. Fu così che per un certo tempo si pensò che l'esistenza dovesse sempre trovarsi connessa a qualcosa di materiale e che l'eventuale scarica di questo non fosse da attribuire alla perdita della sua e. positiva, bensì a un acquisto neutralizzante di altrettanta e, negativa.
Ma finalmente nel corso di ricerche sui raggi coristici, Anderson dapprima (1932) e poi Blackett e G. Occhialini (1933), tra numerose tracce di elettroni che intervenivano nelle reazioni provocate da quei raggi, tracce per la maggior parte certamente attribuibili a consueti elettroni negativi, ne rilevarono alcune che, con altrettanta certezza, dovevano attribuirsi a elettroni positivi. E così fu risolta l'incertezza circa la possibilità di esistenza della pura e positiva e fu posta in evidenza la sua corpuscolarità, identica a quella dell'elettrone.
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 prevista la possibilità di esistenza anche di elettroni positivi, presentandone 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 incontra con un elettrone negativo (e ciò avviene inevitabilmente dopo un brevissimo istante dalla sua produzione) entrambi spariscono e si manifesta invece un fotone di energia equivalente a quella posseduta da essi all'istante dell'incontro. Anche il fenomeno inverso risulta confermato: un fotone di sufficiente energia può sprendere dal luogo alla produzione di due elettroni di segno contrario.