La bottiglia di Leida

La bottiglia di Leida
Lidia Falomo, Carla Garbarino
In “Albert Eintein Ingegnere dell’Universo”, 2005, SKIRA

Sino ai primi venti anni del Settecento, mentre si osservavano i fenomeni elettrici e si formulavano le prime ipotesi sulla loro origine, erano stati messi a punto alcuni rivelatori di elettricità e, intorno al 1660, era stata costruita da Otto von Guericke la prima macchina elettrostatica: in un’asta di ferro girevole era infilato un globo di zolfo, che veniva elettrizzato per strofinio con il palmo della mano.
Negli anni successivi questi studi subirono una notevole accelerazione ed in breve i fenomeni elettrici, meravigliosi ed eccitanti, conquistarono tutta l’Europa. Gli esperimenti si moltiplicarono e si elettrizzò di tutto, dagli oggetti di uso comune al corpo umano, dalle tavole imbandite alle giovani dame che davano baci elettrici e pungenti, ai fanciulli che con le mani attiravano oggetti leggeri e che talvolta erano elettrizzati a tal punto che "il loro corpo veniva circondato di luce, come si soleva a volte dipingere la gloria dei Santi". Non solo praticoni e dilettanti, ma anche alcuni fisici “elettrizzanti” (primi fra tutti Stephen Gray e Charles Du Fay), cominciarono a frequentare i salotti e le piazze e a praticare attività di divulgazione ed intrattenimento.
Si continuavano intanto ad apportare migliorie agli strumenti atti a rivelare lo stato elettrico dei corpi e alle macchine elettrostatiche. In queste ultime al globo di zolfo si sostituirono globi di vetro, fatti girare tramite manovelle, e alla mano si sostituirono dei cuscinetti strofinatori. Si cominciò anche ad introdurre un corpo in grado di raccogliere l’elettricità così generata: in genere si trattava di una sbarra metallica, sospesa tramite cordoni di seta, con un estremo molto vicino al globo rotante o in contatto con esso tramite fili metallici.
Mentre si formalizzavano le prime teorie in grado di giustificare i fenomeni elettrici osservati, accadde un fatto veramente “prodigioso”: nel 1745 Giorgio von Kleist, canonico decano di Camin e scienziato dilettante, elettrizzò un filo metallico posto dentro ad un contenitore che teneva in mano, contenente alcool e un po’ di mercurio. Toccato il filo con l’altra mano, ricevette una terribile scossa. Dopo qualche tempo lo stesso accadde a Petrus van Musschenbroek, professore di matematica e fisica a Leida (o, secondo un’altra versione, all’avvocato Andreas Cuneus, mentre ripeteva alcuni esperimenti visti con Musschenbroek) che, tentando di elettrizzare l’acqua tramite un filo metallico in contatto con una macchina elettrostatica, tenne la bottiglia in mano, contravvenendo alla regola in uso, che prevedeva di porla su un supporto isolante. Anche lui, toccando con l’altra mano il filo che pescava nell’acqua, avvertì una scossa straordinaria, tanto che in una lettera scritta dopo l’esperimento, dichiarò che “he felt himself struck in his arms, shoulders and breaft, so that he loft his breat, and was two days before he recovered from the effects of the blow and the terror.” (J.Priestley, The history and present state of electricity, with original experiments, London, 1767, p.83).
La notizia dell’esperienza iniziò a diffondersi nel resto dell’Europa, in particolare in Francia, dove all’inizio del 1746 giunsero da Leida due lettere, una delle quali indirizzata al celebre fisico Jean-Antoine Nollet, che così scrive “Ces Messieurs ne nous ayant point marqué expressément par qui elle avoit été faite pour la premiere fois, je pris le parti de la nommer l’Expérience de Leyde, nom qu’elle a toujours porté depuis.” (J.A.Nollet, Leçons de physique expérimentale par m. l’Abbé Nollet, vol. VI, Paris 1780, p.478).
Dato che, “Plus les phénomènes électriques deviennent merveilleux, plus nos desirs augmentent pour en découvrir les causes” (J.A.Nollet, Observations sur quelques nouveaux phénomès d’électricité, in Histoire de l’Academie Royale des Sciences, année MDCCXLVI, p.21), Nollet dopo aver ripetuto più e più volte l’esperienza, propose una spiegazione basata sulla propria concezione di elettricità: la materia elettrica è un fluido molto sottile ed elastico, che si trova all’esterno e all’interno di tutti i corpi, dai quali entra ed esce attraverso le porosità della materia di cui sono composti. La persona che esegue l’esperienza di Leida subisce una forte scossa perché il fluido elettrico di cui è riempita viene “percosso” da due parti opposte, nel momento in cui eccita la scintilla dal conduttore.
Nollet, carica della bottiglia di LeidaAttraverso la barra conduttrice il fluido elettrico prodotto strofinando il globo di vetro viene “spinto” dentro la bottiglia, fa fatica a passare attraverso lo spessore della bottiglia stessa e refluisce in parte attraverso il conduttore; si precipita quindi con più forza sul dito che ad esso viene avvicinato, essendo questo un mezzo più facilmente penetrabile. Questa corrente “entrante” incontra quella “uscente”dal dito stesso verso il conduttore, e dall’incontro nasce un violento choc, con una mutua ripercussione tra le due correnti. La stessa persona, che tiene la bottiglia in mano, subisce allo stesso tempo anche il contraccolpo causato dallo “scontro” tra le due correnti, divenute retrograde a causa del primo choc. Il contraccolpo viene percepito in modo violento perché il vetro elettrificato dà alla materia elettrica che lo penetra un particolare vigore (un’energia).
Nollet continuava intanto, mentre elaborava questa complessa teoria, ad esercitare le proprie capacità di intrattenimento, facendo provare la scossa a catene di persone che si tenevano per mano, di cui la prima teneva in mano la bottiglia, l’ultima toccava il conduttore che da essa fuoriusciva. Così un giorno fece saltare più di duecento persone, un altro, alla presenza del Re, centottanta soldati, sino ad arrivare a più di seicento persone che si tenevano per mano.
Questa ed altre esperienze curiose (far provare la scossa a distanza, anche attraverso corsi d’acqua, far luccicare quadri e libri, far muovere, come se fossero vive, sagome di animali realizzati in materiale conduttore, come il pesce e il ragno elettrico e cosi via … ) si diffondevano intanto non solo in tutta Europa, ma anche in America, dove con grande perizia teorica e sperimentale operava Benjamin Franklin. Proprio a lui si deve un’elegante spiegazione dell’esperienza di Leida, spiegazione che rivestì un ruolo molto importante nella storia dell’elettricità.
Franklin, frontespizioEgli ipotizzò l’esistenza di un unico fluido elettrico e di due stati elettrici contrari, positivo, corrispondente ad “un pieno di fuoco elettrico”e negativo, corrispondente ad “un vuoto dello stesso fuoco”. Nella bottiglia di Leida i due stati si trovano presenti, rispettivamente, nella superficie superiore e in quella inferiore. Dato che il fluido elettrico non può in alcun modo passare attraverso il vetro, l’equilibrio è ristabilito in modo violento mettendo in contatto le due parti con una comunicazione esterna, tramite un conduttore (che può essere anche una persona). Così si espresse lo stesso Franklin:
“At the same time that the wire and top of the bottle, &c. is electrised positively or plus, the bottom of the bottle is electrised negatively or minus, in exact proportion: i.e. whatever quantity of electrical fire is thrown in at top, an equal quantity goes out of the bottom. […] The equilibrium cannot be restored in the bottle by inward communication or contact of the parts; but it must be done by a communication form’d without the bottle between the top and bottom, by some non-electric [in termini odierni conduttore], touching or approaching both at the same time; in which case is restored with a violence and quickness inexpressible; or touching each alternately, in which case the equilibrium is restored by degrees. […] here we have a bottle containing at the same time a plenum of electrical fire, and a vacuum of the same fire; and yet the equilibrium cannot be restored between them but by a communication without! though the plenum presses violently to expand, and the hungry vacuum seems to attract as violently in order to be filled”. (Benjamin Franklin, “Letter III from Mr Benj. Franklin in Philadelphia, to Peter Collison, f.r.s. London” [1 settembre 1747], in Experiments and observations on electricity, made at Philadelphia in America, by Benjamin Franklin, London, 1769, p. 13-14).
Ben presto ci si rese conto che l’acqua e gli altri liquidi utilizzati nell’esperienza di Leida avevano solo il ruolo di conduttori, per cui potevano essere sostituiti da altri conduttori, ad esempio da un rivestimento metallico aderente alle pareti del vetro. Lo stesso per la mano. In diverse forme, cilindrica, piriforme, a sezione quadrata, rettangolare, ecc. le bottiglie di Leida si diffusero, numerose, in tutti i gabinetti di Fisica del tempo, dove furono utilizzate per alcuni decenni.
La bottiglia di Leida (precisamente il sistema formato dalla mano che regge la bottiglia, il vetro e l’acqua o quello formato dalle due armature metalliche separate dal vetro) costituisce il primo condensatore della storia dell’elettricità. La prima modificazione sostanziale di forma fu introdotta dallo stesso Franklin, che al posto delle bottiglie cominciò ad impiegare delle lastre di vetro rivestite di lamine metalliche. Da allora i condensatori hanno continuato a ad essere modificati ed impiegati sino ai giorni nostri, se pure in condizioni assai diverse da quelle delle origini.

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