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Lelettricità

• Lezione del corso di Storia della Tecnologia
  16/05/2008
• Filippo Nieddu

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Lelettricità

• Studiare l'elettricità significa prendere in
  esame tutti i fenomeni fisici nei quali sono
  presenti cariche elettriche, sia in moto che in
  quiete.
• Possiamo suddividere lo studio dell'elettricità
  in tre grandi categorie
• elettricità atmosferica, che studia i fenomeni
  collegati al campo elettrico esistente
  nell'atmosfera
• elettricità animale, che studia le manifestazioni
  elettriche relative all'attività dei tessuti
  viventi.
• elettrologia, che studia i fenomeni elettrici e
  magnetici e comprende anche lo studio della
  struttura della materia.

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Lelettrologia

• Fanno parte dell'elettrologia
• elettrostatica, che studia i fenomeni relativi a
  cariche elettriche in quiete in determinati punti
  dello spazio e le azioni che queste esercitano.
• elettrodinamica classica, che studia il moto dei
  corpi materiali elettricamente carichi, che ora è
  completata dalla
• elettrodinamica quantistica, che interpreta su
  basi quantistiche i fenomeni elettromagnetici
  dell'infinitamente piccolo connessi al moto di
  elettroni e protoni.
• elettrodinamica relativista classica, che studia
  le interazioni fra particelle cariche e campi
  elettrici e magnetici, quando la velocità delle
  particelle si avvicina a quella delle onde
  elettromagnetiche e della luce.
• elettromagnetismo (interazioni fra i campi
  elettrici e magnetici)
• elettrotecnica (applicazioni dei fenomeni
  elettrici e magnetici)
• elettronica (moto degli elettroni, utilizzazione
  e produzione).

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Altre ramificazioni elettriche

• Esistono poi altre tre ramificazioni che
  provengono da altre scienze
• elettrochimica, che proviene dalla chimica e
  studia le interazioni fra energia elettrica e
  chimica.
• elettroacustica, che proviene dall'acustica e
  studia la trasformazione dell'energia elettrica
  in segnali acustici e viceversa.
• elettrofisiologia, che proviene dalla fisiologia
  e studia i rapporti fra elettricità ed organismi
  viventi.
• Applicazioni tecniche dell'elettricità alla
  medicina hanno fatto nascere altre branche come
• Elettrocardiografia, che registra ed interpreta
  l'attività elettrica del cuore.
• Elettroencefalografia, che registra ed interpreta
  l'attività elettrica del cervello.

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I primi studi / 1

• I primi studi dei fenomeni risalgono forse a
  Talete di Mileto. Il filosofo greco studiò le
  proprietà elettriche dellambra, la resina
  fossile che se viene sfregata attrae altri
  pezzetti di materia il suo nome greco era
  electron, e da questo termine deriva la parola
  elettricità.
• In Medio Oriente sono stati recuperati vasetti
  babilonesi di terracotta che contenevano forse le
  prime rudimentali pile, usate per far depositare
  strati di metallo sugli oggetti.

Talete di Mileto
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I primi studi / 2

• Lo scrittore latino Plinio il Vecchio nella sua
  Naturalis Historia (Storia Naturale), descrisse
  anchegli le proprietà dellambra Anche Lucio
  Anneo Seneca si occupò di fenomeni elettrici,
  distinguendo tre diversi tipi di fulmini.
• Il Venerabile Beda, monaco inglese dellVIII
  secolo, descrisse proprietà analoghe a quelle
  dellambra in un tipo particolare di carbone
  compatto il giaietto.

Plinio il Vecchio
Il venerabile Beda
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I primi approcci scientifici

• Le osservazioni del fenomeno erano riprese dalla
  fine del XVI secolo William Gilbert (1540-1603),
  iniziatore degli studi sul magnetismo osservò le
  medesime proprietà dellambra anche in altri
  materiali, quali molte pietre dure, il vetro e lo
  zolfo e nel 1629 Nicola Cabeo descrisse il
  fenomeno della repulsione elettrica.
• Una spiegazione di quanto veniva osservato, in un
  primo momento venne cercata in effluvi o
  fluidi emanati. Galileo Galilei pensava vi
  fosse coinvolto il movimento dellaria per il
  riscaldamento dovuto allo strofinamento. Robert
  Boyle osservò tuttavia nel 1676 che i fenomeni
  elettrici sembravano verificarsi anche nel vuoto.
  Otto von Guericke costruì nel 1660 una macchina
  elettrostatica, migliorata da Francis Hauksbee
  nel 1706.

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Isolanti e conduttori

• Linteresse per il fenomeno dellelettricità si
  diffuse nei salotti settecenteschi e come
  immaginario e rivoluzionario metodo di cura. Nel
  contempo proseguivano gli studi scientifici
  Stephen Gray nel 1729 studiò la conducibilità dei
  corpi, e i termini di conduttore e isolante
  furono introdotti da Jean Théophile Desaguiliers
  nel 1740. Charles de Cisternay du Fay individuò
  nel 1733 lenergia elettrica vetrosa e
  resinosa (ossia positiva e negativa) e Cristian
  Ludolff osservò nel 1743 le scintille elettriche
  e la loro proprietà di infiammare sostanze
  volatili.

Esperimento eseguito da Stephen Gray
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Labate Nollet

• Le macchine elettrostatiche e gli strumenti di
  misurazione venivano intanto continuamente
  perfezionati e si elaboravano teorie scientifiche
  che tentavano di spiegare il fenomeno.
  Jean-Antoine Nollet pensò fosse dovuto ad una
  materia fluida in movimento.

Un esperimento dellabate Nollet
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Bottiglie e fluidi positivi e negativi

• Ewald Jürgen von Kleist e poco dopo
  indipendentemente Pieter van Musschenbroek nel
  1745 realizzarono casualmente, il primo
  condensatore, la bottiglia di Leida. William
  Watson lanno dopo scoprì che lelettricità si
  trasmetteva anche per lunghe distanze quasi
  istantaneamente. Il fenomeno delle bottiglie di
  Leida venne spiegato da Benjamin Franklin, che
  riprendendo unidea di Watson elaborò la teoria
  dellUnicità del fluido elettrico (1754),
  secondo la quale lelettricità era costituita da
  un unico fluido elettrico, composto da particelle
  che si respingevano tra loro, mentre erano
  attratte dalle particelle di materia se il
  fluido era in eccesso si aveva lenergia di tipo
  vetroso (positiva), se era in difetto si aveva
  energia di tipo resinoso (negativa).

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Le prime applicazioni pratiche

• La teoria venne accettata da diversi scienziati e
  Giambattista Beccaria che aveva osservato nel
  1753 la forma diversa delle scintille di scarica
  dellenergia positiva (a forma di fiocco) o
  negativa (a forma di stelletta), la spiegò
  mediante la teoria di Franklin. A Franklin si
  dovette inoltre la scoperta del potere dispersivo
  delle punte e la conseguente invenzione del
  parafulmine (primo impianto parafulmine nel 1760,
  sulla base degli studi sui fulmini iniziati dal
  1747).

Un esperimento di Franklin con un aquilone
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Levoluzione dei paradigmi

• In seguito, gli esperimenti di Robert Symmer
  (1759) e di Giovanni Francesco Cigna (1765)
  dimostrarono che due corpi, una volta scaricati
  dal contatto, riassumevano la precedente energia
  se venivano nuovamente allontanati. Nonostante la
  spiegazione che tentò di darne Beccaria, con il
  concetto di elettricità vindice (o
  rivendicazione da parte dei corpi dellenergia
  precedentemente posseduta), gli esperimenti
  sembrarono mettere in dubbio la teoria di
  Franklin.

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Leggi matematiche

• Nel frattempo Joseph Priestley ipotizzò nel 1766
  che la forza di attrazione tra due corpi fosse
  inversamente proporzionale al quadrato della loro
  distanza e scoprì che la carica elettrica si
  distribuiva in modo uniforme su una superficie
  sferica. Tra il 1785 e il 1791 Charles Augustin
  de Coulomb utilizzando una bilancia di torsione,
  uno strumento con cui misurare la forza del campo
  elettrico, riuscì a dimostrare sperimentalmente
  ed enunciare, indipendentemente da Priestley, la
  medesima legge, conosciuta quindi come legge di
  Coulomb.

Joseph Priestley
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Galvani e lelettricità animale

• Luigi Galvani osservò delle contrazioni muscolari
  nelle zampe di una rana a contatto con un
  conduttore metallico e ipotizzò la presenza di
  unelettricità animale in due opere pubblicate
  nel 1791 e nel 1794.

Luigi Galvani
Lesperimento di Galvani
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Alessandro Volta

• Alessandro Volta, si occupò inizialmente
  dellelettricità statica entrato in
  corrispondenza con il Beccaria, si oppose alla
  sua spiegazione dellelettricità vindice,
  ritenendo invece che il contatto dei corpi non
  annulla lenergia, ma solamente il suo segno
  positivo o negativo. Volta polemizzò inoltre con
  Galvani, ipotizzando che lelettricità animale
  derivasse piuttosto dal contatto con due metalli
  diversi sulla base di questa idea, nel 1799
  Volta inventò la pila (generatore statico di
  energia elettrica), che inizialmente chiamò
  apparato elettromotore.

Alessandro Volta
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Lelettromagnetismo

• Hans Christian Ørsted (o Oersted) osservò nel
  1820 la relazione tra corrente elettrica e
  fenomeni magnetici, sviluppando la teoria
  elettromagnetica. I suoi studi furono proseguiti
  da André-Marie Ampère che enunciò le leggi
  dellelettromagnetismo, nellopera pubblicata nel
  1826. Nello stesso anno Georg Simon Ohm enunciò
  la legge di Ohm sulla resistenza elettrica.
  Continuando le ricerche in campo elettromagnetico
  Michael Faraday scoprì nel 1831 linduzione
  elettromagnetica, il principio alla base dei
  motori elettrici. A lui si devono inoltre
  lenunciazione delle leggi dellelettrolisi e
  linvenzione della gabbia di Faraday. Sviluppò
  infine la teoria secondo la quale lelettricità
  non era un fluido, bensì una forza, trasmessa da
  una particella di materia allaltra.

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Linduzione elettromagnetica

• Si dice induzione elettromagnetica la produzione
  di una corrente elettrica in un conduttore per
  azione di un campo magnetico in movimento. Il
  campo magnetico può essere prodotto da un magnete
  permanente, da un elettromagnete o anche da un
  conduttore percorso da corrente, e non ha alcuna
  importanza che il magnete stia fermo e il
  conduttore si muova o viceversa ciò che conta è
  che il conduttore e il magnete si muovano "luno
  rispetto allaltro". Questo fenomeno è
  importantissimo perché su di esso sono basati sia
  i generatori di corrente elettrica (dinamo e
  alternatore) sia i motori elettrici.

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Le prime macchine elettriche

• Negli anni attorno al 1830 Faraday mise a punto
  il primo generatore elettromagnetico di corrente
  elettrica (dinamo e alternatore). Joseph Henry
  aveva perfezionato un elettromagnete di
  particolare potenza permettendo in tal modo la
  trasmissione dellenergia elettrica a grande
  distanza. Negli stessi anni, Samuel Morse sfruttò
  il passaggio di elettricità in un filo conduttore
  come strumento per comunicare, giungendo
  allinvenzione del telegrafo con i fili,
  perfezionato da Charles Wheatstone in
  collaborazione con William Fothergill Cooke.

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Altre macchine

• Wheatstone inventò inoltre un apparecchio per
  misurare la resistenza e Joseph Henry costruì nel
  1835 il primo relè. Nel 1851 Henrich Daniel
  Ruhmkorff costruì il primo rocchetto ad
  induzione. Nel 1859 Antonio Pacinotti inventò
  lanello in grado di trasformare lenergia
  meccanica in energia elettrica continua. Nel 1869
  Zénobe Theophilé Gramme dimostrò che la dinamo
  poteva anche lavorare al contrario come motore
  elettrico e sfruttò commercialmente la sua
  invenzione, basata sullanello di Pacinotti.

Charles Wheatstone e il suo ponte
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Telefoni e lampadine

• Negli anni 1870 videro la luce alcune delle
  invenzioni più importanti del XIX secolo il
  telefono di Antonio Meucci (brevettato da
  Alexander Graham Bell, fondatore della Bell
  Telephone Co.), il fonografo (1877 di Thomas Alva
  Edison e la lampadina a incandescenza, che lo
  stesso Edison migliorò, dopo aver acquistato i
  precedenti brevetti (tra cui quello di Joseph
  Wilson Swan), e commercializzò a partire dal
  1879. Nel 1880 un modello perfezionato di
  lampadina venne costruito da Alessandro Cruto,
  che fondò una piccola industria ad Alpignano, più
  tardi assorbita dalla Philips.

Meucci e Bell
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Strane trasformazioni

• Negli anni 1880 si costruirono le prime centrali
  elettriche. Nel 1881 Lucien Gaulard e John Dixon
  Gibbs presentarono un generatore secondario,
  ovvero un trasformatore, che fu perfezionato
  dalla Westinghouse e messo in commercio nel 1886
  Nel 1885 Galileo Ferraris inventò il campo
  magnetico rotante, alla base del motore elettrico
  polifase, brevettato negli Stati Uniti da Nikola
  Tesla anche questi brevetti furono
  successivamente acquistati dalla Westinghouse.

Dallalto Gaulard Ferraris Tesla
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Maxwell e le onde elettromagnetiche

• Dai lavori di Faraday prese le mosse J. C.
  Maxwell, che, nel fondamentale Treatise on
  Electricity and Magnetism (1873, Trattato di
  elettricità e di magnetismo), condensò tutta la
  teoria in sei equazioni che collegavano in un
  unico edificio l'elettricità, il magnetismo e
  l'ottica e introducevano il concetto di onda
  elettromagnetica. H. Hertz, in seguito, verificò
  le ipotesi teoriche di Maxwell e riuscì a
  produrre onde elettromagnetiche che, come la
  luce, potevano essere riflesse, rifratte e
  polarizzate, aprendo la via allo sviluppo delle
  radiotelecomunicazioni.

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La big science

• Hendrik Antoon Lorentz formulò nel 1892 la teoria
  elettronica della materia e nel 1897 Joseph John
  Thomson dimostrò lesistenza dellelettrone. Nel
  1900 Max Plank elaborò la teoria dei quanti e nel
  1906 Albert Einstein propose una teoria sulla
  luce come composta da fotoni. Nel 1919 Carl
  Ramsauer elaborò la teoria della natura
  ondulatoria degli elettroni.

Hendrik Antoon Lorentz
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Le trasmissioni radio

• Guglielmo Marconi realizzò nel 1895 la prima
  trasmissione a distanza tramite le onde radio e
  nel 1901 la prima trasmissione del telegrafo
  senza fili attraverso lAtlantico). Da tali
  principi avrà origine la radio (prime
  trasmissioni regolari nel 1922). Nel 1904 John
  Ambrose Fleming, cottenne il brevetto per il
  diodo, o valvola termoionica.

Guglielmo Marconi
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Lebanite

• L' ebanite è un materiale ottenuto nel secolo
  scorso da Charles Goodyear, sottoponendo la gomma
  a un prolungato processo di vulcanizzazione.
  Alcuni articoli fabbricati con ebanite furono
  esposti nel 1851 al Crystal Palace di Londra. Si
  tratta di un composto a mezza strada fra le
  materiale plastiche vere e proprie e la gomma
  naturale. Durante il prolungato processo di
  vulcanizzazione si incorporava nella massa dal
  trenta al cinquanta per cento di zolfo, ottenendo
  un composto caratterizzato da un elevato potere
  dielettrico, notevole resistenza ai prodotti
  chimici, con una certa durezza e rigidità fino a
  temperature dell'ordine di cinquanta gradi
  centigradi e con aspetto brillante e lucente. Per
  molti anni lebanite contrastò il passo, in molte
  applicazioni, alla celluloide e alle resine
  fenoliche. Era fornito in semilavorati estrusi,
  successivamente lavorati all'utensile, oppure
  stampato per compressione con stampi a due
  impronte. Lebanite ebbe un grande successo
  nell'industria delle penne stilografiche. Per
  moltissimi anni fu usata nei separatori per
  batterie elettriche, ricevitori telefonici,
  telaietti per lastre fotografiche, bocchini per
  fumatori e come materiale per odontotecnica.

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Generatori e motori elettrici

• Sono macchine elettriche rotanti, usate per
  convertire energia elettrica in energia meccanica
  o viceversa. In particolare, le macchine che
  trasformano energia elettrica in energia
  meccanica sono dette motori elettrici, quelle che
  eseguono l'operazione inversa sono invece
  chiamate generatori elettrici.
• Il funzionamento delle macchine elettriche
  rotanti si basa su due fenomeni fisici correlati.
  Il primo è il fenomeno dell'induzione
  elettromagnetica, scoperto da Michael Faraday se
  un conduttore si sposta in un campo magnetico, o
  più precisamente, se varia il flusso concatenato
  con il conduttore, in quest'ultimo è indotta una
  corrente elettrica. Il secondo fenomeno fu invece
  osservato per la prima volta nel 1820 dal fisico
  francese André-Marie Ampère un conduttore
  percorso da corrente e immerso in un campo
  magnetico è sottoposto a una forza che dipende
  dalla geometria del sistema.

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I generatori elettrici a corrente alternata gli
alternatori

• L'alternatore è composto da due elementi il
  rotore e lo statore. Il rotore è fatto ruotare da
  un albero motore che gli trasmette l'energia
  meccanica.
• Il rotore è un elettromagnete che produce un
  campo magnetico in movimento si compone di un
  supporto di lamierini di ferro attorno ai quali
  sono avvolte una serie di bobine alimentate in
  corrente continua. Lo statore avvolge il rotore e
  ha il compito di generare energia elettrica.
• Lo statore si compone di un supporto di lamierini
  di ferro con bobine di filo di rame isolato nelle
  quali si genera, per induzione, la forza
  elettromotrice. Poiché a ogni rotazione del
  rotore il verso della corrente si inverte,
  l'alternatore produce corrente alternata.

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I generatori elettrici a corrente continua le
dinamo

• Al contrario dell'alternatore, nella dinamo il
  rotore genera la corrente e nello statore si
  trova l'elettromagnete ad anello. Nella dinamo
  ogni anello è composto da due mezzi anelli
  indipendenti, detti commutatori, che nel
  movimento rotatorio si scambiano continuamente le
  spazzole. Ogni spazzola  riceve sempre corrente
  nello stesso verso producendo così corrente
  continua.
• La dinamo è stata il primo generatore di corrente
  elettrica. Le principali applicazioni si hanno
  nella rete elettrica per tram e filobus.La
  dinamo è meno usata dell'alternatore perché
  l'energia elettrica prodotta non può essere
  trasformata in alta tensione e trasmessa con
  costi convenienti come avviene con la corrente
  alternata.

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I motori elettrici

• L'energia elettrica, attraverso linduzione
  elettromagnetica, è in grado di mettere in
  movimento una parte rotante (rotore) che
  attraverso meccanismi di vario genere aziona
  macchine o altre apparecchiature. Vi sono motori
  elettrici che funzionano con corrente continua ed
  con corrente alternata.
• Il motore elettrico a corrente continua ha il
  pregio di assorbire una potenza quasi costante
  alle diverse velocità di rotazione, ma è
  utilizzato solo nella trazione elettrica (tram,
  filovie e linee metropolitane).
• Il motore a corrente alternata è costruttivamente
  più semplice  e per il suo alto rendimento viene
  applicato in tutti i settori industriali. Il
  motore a corrente alternata può funzionare come
  generatore di corrente.

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Riferimenti bibliografici essenziali

• Vittorio MARCHIS, I labirinti dellenergia, in
  Vittorio MARCHIS (ed.), Storia delle scienze,
  vol. V, Conoscenze scientifiche e trasferimento
  tecnologico, Torino Einaudi, 1995
• Charles SINGER (ed.), Storia della tecnologia,
  Torino Bollati Boringhieri, 1995