Alessandro Volta e la pila: biografia e invenzioni

Alessandro Volta e la pila: biografia e invenzioni A cura di Redazione Studenti.

Biografia, invenzioni e scoperte di Alessandro Volta, ingegnere, chimico e fisico italiano che inventò la pila e scoprì il metano

1Alessandro Volta: biografia

Alessandro Volta, grande scienziato italiano, è ricordato principalmente per l'invenzione della pila e la scoperta del metano
Alessandro Volta, grande scienziato italiano, è ricordato principalmente per l'invenzione della pila e la scoperta del metano — Fonte: getty-images

Alessandro Volta nacque a Como il 18 febbraio 1745 da don Filippo e donna Maddalena dei Conti Inzaghi.  

Dal 1758 al 1760 seguì la Scuola di Retorica presso i gesuiti e qui iniziò il ginnasio. Tuttavia, sin dalla giovane età Volta fu attratto dagli studi scientifici, nei quali fu praticamente autodidatta. Completò gli studi al Seminario Benzi di Como dove conobbe il canonico Giulio Cesare Gattoni che ne incoraggiò la  vocazione scientifica.  

Finito il ginnasio, Volta abbandonò gli studi ma continuò ad interessarsi dei fenomeni elettrici, concentrandosi in particolare sulla produzione di elettricità per strofinio (definì fuoco elettrico la proprietà acquisita dai corpi in questo senso). Nel 1769 pubblicò il suo primo lavoro, De vi attractiva ignis electrici ac phaenomenis inde pendentibus (Sulla forza attrattiva del fuoco elettrico e sui fenomeni che da essa dipendono).  

Nel 1774 fu nominato Soprintendente e Reggente alle Regie Scuole di Como.   

Approfondendo la teoria già sviluppata nel De vi actractiva, Volta dimostrò le sue doti di ottimo sperimentatore dedicandosi alla produzione di strumenti (tra cui l’elettroforo, il condensatore e la pila) e alla messa a punto di esperimenti che, come approfondiremo nelle sezioni successive, si riveleranno molto utili.   

Nel 1775, anno in cui costruì l’elettroforo perpetuo (in grado di fornire elettricità senza bisogno di un continuo strofinio) che entrò in uso in tutti i laboratori europei, ottenne la cattedra di Fisica Sperimentale presso il Regio Ginnasio di Como.   

2Scoperte e invenzioni di Alessandro Volta

2.1La scoperta del metano e la pistola di Volta

Bolle di metano ghiacciate nello Spray Lake
Bolle di metano ghiacciate nello Spray Lake — Fonte: istock

Nel 1776 padre Carlo Giuseppe Campi, che fu maestro di Volta, lo informò di avere trovato un gas infiammabile sprigionato spontaneamente dal terreno. Volta, in vacanza sul Lago Maggiore, frugando con un bastone il fondo melmoso dell’acqua osservò numerose bollicine gassose che salivano a galla per poi svanire nell’aria. Raccolse tale gas e, scoprendone il carattere infiammabile, parlò di aria infiammabile nativa delle paludi: aveva scoperto il metano.   

A partire dal 1776 Volta eseguì una serie di esperimenti riuscendo a produrre l’accensione di tale gas tramite scariche elettriche anche in un ambiente chiuso, e costruì il dispositivo successivamente chiamato pistola di Volta.   

Nel 1777 Volta trasformò la pistola in un eudiometro, grazie al quale era possibile valutare con precisione le quantità di gas prima e dopo una reazione chimica. Volta utilizzava tale dispositivo per misurare la salubrità dell’aria e fu proprio grazie a questo strumento che Lavoisier scoprì la composizione dell’acqua.    

Nel novembre del 1778, Volta ottenne la cattedra di Fisica Particolare all’Università di Pavia.    

Gli studi che effettuò in questo lo portano alla realizzazione dell’elettroscopio condensatore, uno strumento di misura estremamente sensibile in grado di rivelare stati elettrici deboli.
Tra il 1786 e il 1792 si occupò di meteorologia elettrica e, in particolare, delle proprietà fisico-chimiche degli aeriformi. Nel 1793 Volta formulò la legge sperimentale di dilatazione per l’aria e per il vapore di acqua in assenza di liquido.  

2.2L’elettricità animale e il dibattito con Galvani

Nel 1792 Volta venne a conoscenza degli esperimenti di Galvani a sostegno della possibile esistenza di una “elettricità animale.    

Galvani scoprì che toccando con un’estremità di un arco metallico il fascio di nervi lombari di una rana morta e scorticata e con l'altro capo i muscoli di una zampa, si osservano forti contrazioni. Utilizzando un arco costituito da due metalli diversi (arco bimetallico), per collegare i nervi lombari e i muscoli degli arti inferiori, le contrazioni prodotte erano più intense.    

In un primo momento Volta esaltò i risultati ottenuti da Galvani ma effettuando prove successive ritenne che le contrazioni della rana non fossero dovute ad una elettricità di origine animale ancora presente nell’animale e messa in circolazione attraverso l’arco metallico, ma ad una elettricità esterna. Quest’ultima era provocata dal contatto dei due metalli che costituivano l’arco.  

Per Volta la rana assumeva quindi il ruolo di un sensibilissimo elettroscopio ma questa ipotesi non fu accettata da Galvani e dai sostenitori dell’elettricità animale.  

Fu proprio da questi studi che iniziò il percorso che condusse Volta all’introduzione della pila.  

2.3Volta e l’invenzione della Pila

Ricostruzione della prima pila inventata da Alessandro Volta
Ricostruzione della prima pila inventata da Alessandro Volta — Fonte: istock

Sfruttando la differenza di potenziale dovuta al contatto di due metalli diversi, Volta riuscì a realizzare la pila, invenzione che ebbe un’enorme importanza e le cui innumerevoli applicazioni si realizzano in pochi mesi.   

Volta presentò la Pila nel 1801 all’Institut de France alla presenza di Napoleone, che gli conferì una medaglia d’oro. Nel 1809, diventato Imperatore, Napoleone lo nominò Senatore del neo-costituito Regno d’Italia e nel 1810 lo insignì del titolo di Conte.   

Nonostante la fama e gli onori Volta restò sempre un uomo semplice e schivo: “In mezzo a tante cose che devono certo farmi piacere, e che sono fin troppo lusinghiere, io non m’invanisco a segno di credermi più di quello che sono; e alla vita agiata da una vana gloria preferisco la tranquillità e dolcezza della vita domestica” (nel 1794 aveva sposato donna Teresa Peregrini, da cui ebbe tre figli maschi).  

Dopo l’invenzione della pila Volta abbandonò l’attività di ricerca e in gran parte anche l’insegnamento.
Fu nominato Direttore della Facoltà di Filosofia presso l’Ateneo pavese e nel 1819 si ritirò definitivamente nella casa di campagna a Camnago, dove morì il 3 marzo 1827.  

2.4I fenomeni elettrici

Lo studio di Volta si è concentrato prevalentemente sulla carica elettrica dei corpi
Lo studio di Volta si è concentrato prevalentemente sulla carica elettrica dei corpi — Fonte: istock

La parola elettricità deriva dal greco élecron che significa ambra. Sin dall’antichità infatti si era osservata la capacità dell’ambra, una volta strofinata, di attrarre corpi leggeri (es. pezzetti di carta), proprietà comune anche ad esempio al vetro, al polietilene, all’ebanite ecc.: tali fenomeni furono definiti quindi elettrici e, a partire dal XVII secolo, vennero spiegati ammettendo la produzione di cariche elettriche durante lo strofinio. Ambra e vetro elettrizzati attraevano sostanze diverse e, per convenzione, si attribuì all’ambra carica elettrica positiva (+) e al vetro negativa (-). 

2.5Potenziale elettrico

Il campo elettrico è definito come lo spazio in cui una carica elettrica è soggetta a una forza di natura elettrica (più grande è la forza che agisce sulla carica, maggiore è l’intensità del campo elettrico). I punti di un campo elettrico vengono caratterizzati dal potenziale elettrico V = U/q. Poiché all’aumentare della carica q aumenta anche l’energia potenziale U, il potenziale elettrico rimane costante. 

Considerando due punti A e B di un campo elettrico, VA-VB = L/q: la differenza di potenziale VA-VB tra due punti A e B di un campo elettrico è il rapporto tra il lavoro compiuto dalla forza del campo quando una carica q si sposta da A a B

L’unità di misura nel SI è il volt (Joule/coulomb), dal nome di Alessandro Volta che realizzò per primo la pila, cioè un dispositivo in grado di generare una differenza di potenziale elettrico: tra 2 punti di un campo elettrico c’è la differenza di potenziale (d.d.p.) di 1 volt se la forza elettrica del campo compie il lavoro di un joule per portare la carca di 1 coulomb da un punto all’altro. 

2.6Elettroscopio

La carica elettrica di un corpo può essere rilevata da un dispositivo chiamato elettroscopio. Esso è costituito da una bacchetta metallica (conduttrice) con una sferetta ad una estremità e, all’altra, due foglioline metalliche leggere (es. d’oro). Il tutto è situato in un contenitore di vetro.  

  • Se la sferetta entra in contatto con un corpo elettrizzato, la carica elettrica si trasmette attraverso la bacchetta alle foglioline che, quindi, divergeranno per la forza repulsiva tra le cariche uguali.
  • Allontanando il corpo elettrizzato le foglioline resteranno aperte (parte della carica è cioè rimasta su di esse).

Quindi: un elettroscopio carico ad esempio positivamente può essere usato per individuare il segno di una carica incognita posseduta da un corpo → la carica del corpo sarà positiva se avvicinandolo alla sferetta dell’elettroscopio aumenta la divergenza delle foglioline (negativa se la divergenza diminuisce). 

2.7Elettroforo di Volta

La produzione di carica equivale a una produzione di energia elettrica: con l’elettroforo di Volta, ideato da lui stesso nel 1775, la produzione di energia avveniva continuamente. Tale dispositivo è definibile come una macchina elettrostatica a induzione. E’ costituito da una base di materiale resinoso e da uno scudo, ovvero un disco metallico dotato di manico isolante.  

Prova sperimentale dell’induzione elettrostatica  

  1. Si carica per strofinio la base
  2. Si poggia lo scudo sulla base
  3. Si poggia un dito sullo scudo (si stabilisce in questo modo un contatto con la terra)
  4. Si allontana il dito e subito dopo lo scudo

Dopo aver compiuto questi 3 passaggi in sequenza, attraverso un elettroscopio si può osservare che lo scudo resta carico. Tale esperimento può essere interpretato mediante il fenomeno dell’induzione elettrostatica

  • Scudo poggiato sulla base: il contatto avviene attraverso alcuni punti e lo scudo subisce il fenomeno dell’induzione elettrostatica caricandosi positivamente sulla faccia inferiore e negativamente su quella superiore.
  • Dito a contatto con lo scudo: le cariche negative indotte si disperdono a terra e sullo scudo rimane la carica positiva
  • Dito allontanato dallo scudo e scudo allontanato dalla base: lo scudo presenta una carica positiva perché si è caricato per induzione, e sulla base è rimasta la carica negativa.
Como, monumento dedicato ad Alessandro Volta
Como, monumento dedicato ad Alessandro Volta — Fonte: istock

Per il principio generale di conservazione dell’energia qualsiasi produzione di energia deve avvenire attraverso un’adeguata spesa di lavoro ovvero, in questo caso, il lavoro necessario al funzionamento dell’elettroforo. L’energia elettrica prodotta è l’equivalente del lavoro compiuto quando si allontana lo scudo per vincere la forza attrattiva con la base (di carica opposta).   

L’elettroscopio condensatore fu ideato da Alessandro Volta per la misura di piccole d.d.p. e che gli permise di rivelare i deboli fenomeni di elettrizzazione per contatto di metalli diversi.  

Si tratta di un comune elettroscopio a foglie in cui il pomello superiore è sostituito da una coppia di dischi di rame (D e D1) separati da uno strato di vernice isolante. Il sistema costituito dal disco D1 adagiato sul disco inferiore D costituisce un condensatore (sistema di due conduttori affacciati) a elevata capacità (la distanza tra i dischi è piccola, equivalente allo strato sottile di vernice isolante).  

Per effettuare la misura del potenziale incognito di un conduttore, si pone quest’ultimo a contatto con il disco inferiore, mentre il disco superiore è messo a terra (es. toccandolo con un dito).  

Togliendo il contatto tra il disco inferiore e il conduttore e tra il disco superiore e la terra, la distribuzione delle cariche non cambia. L’asta e il disco D avranno carica opposta rispetto a D1. Sollevando D1, la capacità del condensatore diminuisce molto a causa dell’aumentata distanza. Anche in questo caso la carica rimane invariata, il potenziale del disco inferiore aumenta e le foglie dell’elettroscopio divergono quindi maggiormente.  

3Disputa Galvani-Volta

Bologna, monumento a Luigi Galvani
Bologna, monumento a Luigi Galvani — Fonte: istock

Come accennato prima, in base agli esperimenti condotti su rane morte in cui erano ancora osservabili contrazioni a livello degli arti inferiori, Galvani concluse che tale movimento fosse dovuto all'elettricità generata nel cervello delle rane vive, propagata tramite i nervi e  immagazzinata nei muscoli. Le contrazioni risultavano quindi dall’elettricità scaricata dai muscoli. 

Le conclusioni a cui giunse Galvani furono quindi essenzialmente due: 

  1. Le contrazioni nelle rane avvenivano in seguito ad uno stimolo di natura elettrica
  2. Le contrazioni nelle rane erano dovute a un’elettricità animale intrinseca, scaricata tra il nervo e i muscoli attraverso un arco conduttore (scaricatore passivo dell’elettricità animale).

La disputa con Volta riguardò essenzialmente il secondo punto. Mentre Galvani assimilava la rana a un condensatore, ovvero a un generatore di elettricità, Volta non condivideva la distinzione tra elettricità animale ed elettricità comune.  Il suo programma di ricerca era focalizzato sul ruolo dei conduttori: assimilava le rane a dei rivelatori dell'elettricità prodotta nel contatto tra conduttori di natura diversa. 

Volta introdusse infatti diverse varianti negli esperimenti di Galvani dando maggior rilievo all’effetto dovuto all’utilizzo di un arco conduttore bimetallico. Mentre fino a quel momento i metalli erano stati ritenuti solo dei semplici conduttori passivi del fluido elettrico, Volta parlava invece di “veri motori di elettricità”: secondo Volta l’azione responsabile della circolazione della corrente si esercitava nei punti di contatto tra i metalli e i conduttori meno perfetti, come ad esempio l’acqua o i tessuti animali (potenziale di contatto). Successivamente Volta attribuì il potere elettromotore a tutti i contatti tra corpi conduttori, e non solo a quelli tra metalli e conduttori imperfetti

In base ai risultati prodotti dalla sua sperimentazione,Volta concluse definitivamente che nel contatto di due conduttori diversi si ha sbilancio elettrico (o tensione) meglio noto come effetto Volta. Nel 1793 pubblicò una memoria scientifica in cui sottolineava che il potere elettromotore dei metalli non si esercita solo al contatto con i tessuti animali, ma in genere con qualsiasi tipo di sostanza umida. Svincolando l’elettromozione dall’elemento animale, Volta smentì la teoria galvaniana dell’elettricità animale

4L’effetto Volta

Alessandro Volta si servì dell’elettroscopio condensatore per misurare la d.d.p. che si stabilisce al contatto tra due conduttori diversi alla stessa temperatura (effetto Volta).

  • 1a legge: il contatto tra due metalli diversi alla stessa temperatura fa sì che si stabilisca una differenza di potenziale caratteristica della natura dei metalli e indipendente dall’estensione del contatto
  • 2a legge: in una catena di conduttori metallici diversi tra loro e posti alla stessa temperatura, la differenza di potenziale tra i due metalli estremi è la stessa che si avrebbe se essi fossero a contatto diretto.
  • 3a legge: tra due metalli della stessa natura si ha una differenza di potenziale se essi sono gli estremi di una catena di conduttori della quale fanno parte due metalli diversi con interposto un conduttore di seconda classe.

In questo modo è possibile, mettendo in serie delle coppie rame/zinco intervallate da soluzioni conduttrici, sommare le d.d.p e ottenere tensioni rilevanti, in grado di far circolare correnti significative. 

5La pila di Volta

La pila di Volta non è altro che il prototipo dell'odierna batteria elettrica
La pila di Volta non è altro che il prototipo dell'odierna batteria elettrica — Fonte: istock

La pila di Volta fu il primo apparecchio che generava corrente e divenne in breve tempo uno strumento indispensabile anche per lo studio di questa forma di energia.  

Il termine pila viene convenzionalmente utilizzato per indicare un generatore di forza elettromotrice costante e questo nome deriva dalla disposizione a pila del generatore di Volta, costituito appunto da coppie impilate di dischi di rame (Cu) e zinco (Zn) e separate da un foglio imbevuto di una soluzione elettrolitica nella sequenza:  

Cu-Zn-soluzione-Cu-Zn-soluzione…  

Un singolo elemento della pila di Volta (elemento voltaico) può essere schematizzato come due elettrodi di cui uno costituito di rame e l’altro da una coppia rame-zinco (bimetallico), immersi in una soluzione di acido solforico.  

Tra questi due elettrodi si genera una d.d.p. infatti, collegandoli con un filo metallico, si ha una corrente elettrica che, nel circuito esterno, va dal rame allo zinco mentre, all’interno della cella, va dallo zinco al rame: il rame è il polo positivo della pila, lo zinco quello negativo. La forza elettromotrice della pila è la d.d.p. che si genera tra rame e zinco a circuito aperto ed è data dalla somma delle d.d.p. che si hanno ai contatti Zn-Cu, Zn-soluzione e soluzione-Cu.

La reazione chimica che avviene all’elettrodo di Zn è una reazione di ossidazione

Zn→Zn ++ + 2e- 

In pratica, lo zinco manda in soluzione ioni Zn ++ assumendo una carica negativa dovuta agli elettroni liberati dagli atomi di zinco. Di conseguenza, l’elettrodo si esaurisce col tempo e la corrente cessa. 

Contemporaneamente, all’elettrodo di Cu avviene una reazione di riduzione: gli ioni idrogeno H+ presenti in soluzione sottraggono ognuno un elettrone all’elettrodo di rame che quindi si carica positivamente 

2H+ +2e- →H2 

La d.d.p. che si produce, in seguito a queste reazioni, tra l’elettrodo di Zn (che acquista un eccesso di carica negativa) e l’elettrodo di Cu (che acquista un eccesso di carica positiva) è pari a circa 1,1V. 

“… molto allegro nel momento giusto, si esprime eccellentemente, discute intensamente, impreca quando i suoi esperimenti non vanno come dovrebbero e sorride in modo indescrivibilmente piacevole quando gli vanno bene”

George Christoph Lichtenberg (1742-1799), professore di fisica a Gottingen e buon amico di Alessandro Volta