Dall'elettricità antica alla fisica moderna: un viaggio storico

L’appunto fornisce una introduzione storica allo studio dei fenomeni riguardanti l’elettricità, dalle prime analisi puramente euristiche relative al fenomeno, passando per gli esperimenti e gli studi che hanno portato alla formalizzazione di tale branca Fisica nel corso dei secoli: le prime ipotesi sul concetto di carica, gli esperimenti per determinare il concetto di campo elettrico, l’analisi della corrente elettrica e dei circuiti, fino allo studio del campo magnetico e alla strutturazione delle equazioni di Maxwell. Non vengono presentati risultati di carattere matematico ma solo una dissertazione storica dei passi fatti in questa disciplina.

Prime scoperte e macchine elettrostatiche

Sin dall'antichità era nota (Talete di Mileto, Teofrasto di Ereso, Gaio Plinio Secondo detto “il vecchio” la proprietà che hanno alcuni corpi (ad esempio l'ambra), se opportunamente strofinati, di attirarne altri più piccoli e leggeri.

Il medico e fisico inglese William Gilbert (1544-1603), effettuò le prime esperienze di elettrostatica e di magnetismo. Egli formulò in maniera più precisa il concetto di Nel 1660, il fisico tedesco Otto Von Guericke (1602-1686) realizzò la prima macchina elettrostatica costituita da un globo di zolfo che se strofinato quando veniva fatto ruotare, sviluppava una notevole quantità di elettricità statica.

Uno sviluppo ulteriore si ebbe nel 1706 quando il fisico inglese Francis Hawksbee (1666-1713) e il tedesco Johann Heinrich Winkler (1703-1770) realizzarono le prime macchine elettrostatiche a sfera di vetro molto più efficienti e sviluppanti una carica elettrica più intensa rispetto a quella di Guericke, mentre, nella seconda metà del secolo, cominciarono ad essere fabbricate macchine elettrostatiche a disco. Nel 1729 il fisico inglese Stephen Gray (1666-1736) distinse tra corpi conduttori e non conduttori o isolanti (conduttanza elettrica).

Nello stesso periodo, vennero realizzate le prime macchine per accumulare elettricità. (tra i primi Ewald Jurgen Von Kleist (1700-1748) e Pieter Von Musschenbroek (1692-1761)).

Teorie dell'elettricità e Franklin

Le macchine (condensatori) vennero chiamate bottiglie di Leida dal fatto che vennero rese popolari dai fisici olandesi dell'Università di Leida. Durante alcuni esperimenti con elettricità statica, nel 1733, il chimico francese Charles Francois De Cisternay Du Fay (1698-1739) avanzò l'ipotesi su l'esistenza di due specie distinte di elettricità a cui diede il nome di elettricità resinosa ed elettricità vetrosa. La teoria dei due fluidi verrà ripresa dall'abate francese Jean Antoine Nollet (1700-1770) in contrapposizione a quella elaborata nel 1747 dal celebre fisico statunitense Benjamin Franklin (1706-1790) di un fluido unico nel quale compaiono entrambe le specie elettriche in misura tale da neutralizzarsi a vicenda, che lui chiamò elettricità positiva ed elettricità negativa. Negli anni 1746-48 l'inglese John Freke (1688-1756) e il tedesco Winkler trattarono l'argomento della natura elettrica del fulmine, ma fu nel 1749 che Franklin ne dimostrò la natura fisica, precisando che si tratta di un fenomeno elettrico. In seguito a questi studi, nei quali effettuò anche il noto esperimento con l'aquilone, Franklin annunciò il principio della conservazione ed inventa il parafulmine. L'esperimento con l'aquilone, dimostrò che le nubi temporalesche sono cariche di elettricità, e che fulmine e tuono sono effettivamente

prodotti da una sorta di ‘bottiglia di Leida’ atmosferica nella quale le nubi e il suolo terrestre costituiscono i poli.

Coulomb, Galvani e Volta

Nel 1785, il francese Charles Augustin Coulomb (1736-1806) realizzò una bilancia a torsione e formulò la legge, analoga a quella della gravitazione universale, sull'attrazione e repulsione delle cariche elettriche. Tali basi permisero agli studiosi successivi, fra cui il fisico e matematico francese Poisson (1781- 1840) e all'irlandese Kelvin(1824-1907), di sviluppare la teoria matematica dell'elettricità. Contemporaneamente a Coulomb, Luigi Galvani (1737-1798), nel 1780 scoprì per caso i fenomeni dell'elettricità di contatto. L'interesse ai fenomeni elettrici degli organismi condussero Galvani, alla ben nota esperienza della rana. Osservò che toccando i nervi di una rana con un arco bimetallico (rame-zinco) si producevano delle contrazioni muscolari, pensò, quindi, di attribuire alla rana una specie di ‘elettricità animale’ o ‘galvanismo’.

Anche se tale tesi venne confutata da Volta, l'opera di Galvani è servita come base per i moderni studi dell'elettrofisiologia. La polemica sull'elettricità animale si concluse nel 1844 con la dimostrazione data dal fisiologo forlivese Carlo Matteucci (1811-1868), circa l'esistenza di fenomeni elettrici concomitanti ai processi vitali e identici a quelli che avvengono nella natura inorganica. Dalle esperienze di Galvani, Volta iniziò gli studi che lo portarono alla scoperta dell'effetto che da lui prese il nome e all'invenzione della pila voltaica realizzata nel 1799. L'invenzione della pila aprì la via allo sfruttamento pratico dell'energia elettrica mentre la realizzazione delle corona di tazze (1800) segnò la fondazione dell'elettrochimica. Tra le realizzazioni di Volta si ricordano soprattutto l'elettroforo (una delle più semplici macchine elettrostatiche usata in laboratorio per dimostrare sperimentalmente il fenomeno dell'induzione elettrica), l'elettrometro (strumento che sfrutta le azioni elettrostatiche che si manifestano tra due conduttori a potenziale diverso per misurare la differenza di potenziale fra di essi esistente) e l'elettroscopio (strumento che serve a rilevare la presenza di elettricità in un corpo e a determinarne la specie).

Leggi fondamentali e Faraday

Si giunse quindi alla formulazione di numerose leggi:

-legge sulla resistenza elettrica (1827) meglio nota come Legge di Ohm, del fisico tedesco Georg Simon Ohm (1789-1854)

-due leggi per le correnti continue e costanti (1858) del connazionale Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)

-legge sul calore prodotto dalla corrente elettrica nei conduttori dell'inglese James Prescott Joule (1818-1889)

-leggi sull'elettrolisi (1832) del fisico e chimico inglese Micheal Faraday (1791- 1867) e sui fenomeni termoelettrici che seguirono nel successivo cinquantennio, costituirono l'intelaiatura delle teorie del circuito elettrico scoperto da VOLTA.

Elettromagnetismo e Maxwell

Faraday scoprì l'induzione elettromagnetica (faradismo), distinse le sostanze paramagnetiche e diamagnetiche (1845), fondò la teoria chimica della corrente elettrica e della legge elettrolitica, introdusse i concetti di campo elettrico e magnetico e diede il preciso significato

delle linee di forza già precedentemente considerate. Su quest'ultimo argomento il fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) pubblicò i suoi studi negli Experimental Researches ultimati nel 1855. Nello stesso periodo, Matteucci provò sperimentalmente che i fenomeni di induzione sono prodotti anche dalle scariche di origine elettrostatica che attraversano l'avvolgimento di filo metallico del magnete. Nel frattempo il fatto che l'ago di una bussola devia in prossimità di una corrente elettrica, aveva segnato l'atto di nascita dell'elettromagnetismo.

Nel 1821, Arago e il fisico tedesco Thomas Johann Seebeck (1770-1831) realizzavano il primo elettromagnete. Quasi contemporaneamente i fisici tedeschi Johann Salomon Cristoph Schweigger (1779-1857) e Johann Christian Poggendorff (1796-1877), inventarono il cosiddetto moltiplicatore costituito da un conduttore avvolto a bobina rettangolare con il quale si riuscì a rendere più evidente l'azione ponderomotrice esercitata su un ago magnetico da una corrente elettrica molto debole. Invenzione dalla quale trarranno origine i galvanometri e i solenoidi.

Elettrotecnica e teoria dell'elettromagnetismo

Il quadro abbastanza completo sui fenomeni elettrici e magnetici sin qui tracciato aprì la via dell'elettrotecnica iniziatasi con la telegrafia e con la ‘macchinetta elettromagnetica reversibile’ (generatore-motore) (1860) del pisano Antonio Pacinotti (1841-1912). La tecnica costruttiva degli elettromagneti progrediva sempre più, Arago e Henry ne fissarono le regole e nel 1832 seguì l'invenzione del telegrafo elettromagnetico realizzato da Samuel Finley Breese Morse (1791-1872). Nella seconda metà del XIX secolo con la teoria dell'elettromagnetismo, si pervenne ad una formulazione unitaria dell'elettrologia. Con gli studi di Maxwell, completati dall'inglese Oliver Heaviside(1850-1925), dal tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) che confermò sperimentalmente l'ipotesi di Maxwell sulla natura elettromagnetica delle onde luminose (1888) e da Lord Kelvin, si concluse la fisica classica. Nel frattempo, gli studi dell'olandese Hendrick Antoon Lorentz (1853-1928), che portarono alla teoria elettronica della materia, aprirono le porte ad uno dei rami maggiori della fisica moderna: la teoria della relatività.