PILA - appunti di lezione sulla Pila PDF

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ELISA RODA 5D LA PILA DI VOLTA VITA DI ALESSANDRO VOLTA Alessandro Volta fu uno dei più famosi fisici della storia: visse tra il Settecento e l’Ottocento, inventò e perfezionò la pila elettrochimica e scoprì caratteristiche e potenzialità del metano, ancora oggi uno dei gas più utilizzati per le attività umane. Volta fu uno studioso e un inventore molto prolifico e si applicò soprattutto allo studio dei fenomeni elettrici, mettendo in discussione parte delle teorie e delle conoscenze sull’argomento del suo tempo. Il nome di Alessandro Volta è legato per sempre a quello dell’elettricità, che ha tra le sue unità di misure il “volt” (V), in onore di una delle persone che più contribuirono al suo sviluppo nel Diciannovesimo secolo. IL GIOVANE VOLTA. Alessandro Volta nasce a Como il 18 febbraio 1745, da una famiglia benestante. In giovinezza studia retorica e filosofia presso i gesuiti, ma ne 1761, quando entra nel Regio Seminario Benzi di Como, fa amicizia con il canonico Giulio Cesare Gattoni, a sua volta fisico, che gli trasmette la passione per le materie scientifiche. Sparisce così definitivamente il sogno dei genitori di vederlo diventare sacerdote, mentre l'umanità riceve i regalo un grande scienziato. IL LAVORO SUI FENOMENI ELETTRICI. Alla soglia dei 50 anni Volta vanta già uno straordinario curriculum scientifico. Oltre ad aver scritto diverse memorie e lettere che hanno rivoluzionato le conoscenze dell'epoca sui fenomeni elettrici, ha infatti realizzato alcune invenzioni molto rilevanti in materia, tra cui l'elettroforo perpetuo, un generatore elettrostatico capace di accumulare una modesta quantità di carica elettrica in modo discontinuo, e il condensatore, che permette di accumulare energia elettrica tenendo separate cariche elettrostatiche. LA GRANDE INVENZIONE. All'inizio del 1800 vede la luce un'invenzione sui cui Volta stava lavorando da tempo: la pila, un antenato della batteria elettrica, che genera una corrente elettrica costante. Partendo dalle teorie di Luigi Galvani, che dagli esperimenti sulle rane aveva ipotizzato l'esistenza di un "fluido elettrico animale” e che questa elettricità “intrinseca” fosse prodotta dal cervello e poi portata dai nervi ai muscoli dove veniva immagazzinata. Alessandro Volta contestò l’ipotesi di Galvani e intuì che la rana non potesse essere la causa diretta del passaggio di corrente. Ci arrivò notando come il movimento della rana fosse molto più accentuato quando per l’esperimento venivano usati metalli diversi tra loro. Questa intuizione fu fondamentale per lo sviluppo della pila. Volta elaborò diversi esperimenti per produrre una batteria che fosse in grado di produrre una corrente elettrica costante. La pila di Alessandro Volta fu il primo sistema per generare elettricità con una corrente costante nel tempo. L'annuncio dell'invenzione della pila, avviene nel 1801 presso la Royal Society di Londra, rendendolo celebre in tutto il mondo. Tra le tante onorificenze ricevute, nel 1805 Napoleone lo nomina Cavaliere della Legion d'onore.

STRUTTURA DELLA PILA DI VOLTA La pila di Volta è costituita da una colonna di elementi simili, detti elementi voltaici, sovrapposti uno sopra l’altro. Ogni elemento è formato da un disco di rame (a) e uno di zinco (c) e i diversi elementi sono separati tra loro da un disco di feltro imbevuto di acqua salata o acidulata (b). le due estremità della pila si dicono poli: tra di essi si stabilisce una differenza di potenziale che rende possibile il passaggio della corrente elettrica. Collegando con un filo conduttore le due estremità della pila si realizza un circuito elettrico, attraverso il quale circola elettricità per la differenza di potenziale che si realizza tra gli elementi voltaici posti in serie.

COME FUNZIONA LA PILA La circolazione continua di corrente è dovuta a delle reazioni chimiche di ossido-riduzione, che avvengono sulle superfici dei metalli a contatto con la carta imbevuta: esse creano e alimentano uno squilibrio di cariche elettriche fra gli elementi e la corrente elettrica si mantiene, finché le reazioni nella pila non si esauriscono. Il fenomeno alla base del funzionamento della pila voltaica, per cui tra due conduttori metallici diversi posti a contatto si stabilisce una piccola differenza di potenziale, ha preso il nome di effetto Volta.

LE LEGGI 1.

Al contatto tra due metalli diversi alla stessa temperatura si stabilisce una differenza di potenziale caratteristica della natura dei metalli, indipendente e dall’estensione del contatto L’effetto volta è un particolare fenomeno che si nota quando due metalli vengono messi a contatto. va notato che i metalli in questione devono avere la stessa temperatura, e che la differenza di potenziale che si instaura dipende dalla natura dei metalli e dalle loro caratteristiche fisiche; esso è invece indipendente dall’area della superficie che viene messa in contatto e dalla sua forma. Es. Consideriamo un conduttore come il rame. Come sappiamo, la posizione delle cariche positive è praticamente fissa, mentre gli elettroni sono liberi di muoversi nello spazio. Gli elettroni, quindi, possono venire a trovarsi sulla superficie del

metallo e, in un certo istante di tempo, possono formare una barriera negativa. Ipotizziamo, ora, di mettere a contatto con il rame un altro conduttore in cui si presenta la stessa situazione; consideriamo ad esempio lo zinco. Le due barriere di cariche negative, quindi, si trovano a contatto l’una con l’altra. Poiché il rame è più elettronegativo dello zinco, esso tende ad attirare a sé gli elettroni che formano la barriera dello zinco, cosicché gli elettroni di quest’ultimo vengono strappati e ceduti all’altro. Il risultato è che lo zinco si carica positivamente, mentre il rame si carica negativamente. Vi è, quindi, il passaggio di elettroni dallo zinco al rame finché non si instaura una differenza di potenziale che tenderebbe a far muovere gli elettroni in senso inverso, cioè dal rame allo zinco. 2.

La seconda legge di Volta riguarda conduttori che sono uniti tra loro a formare una catena (aperta); in questo caso è stato provato che la differenza di potenziale tra i due metalli più estremi è la stesa che si avrebbe se questi fossero uniti tra loro. Tale legge prende anche il nome di legge dei contatti successivi. Da notare che la catena di conduttori deve essere aperta, cioè il primo conduttore deve essere diverso dall’ultimo; altrimenti, se la catena fosse chiusa, il primo conduttore sarebbe uguale all’ultimo, e così la differenza di potenziale agli estremi della catena sarebbe nulla.

3.

La terza legge di Volta si basa sulla distinzione tra due classi di conduttori, che vengono definiti di prima e seconda specie. La terza legge, quindi, afferma che, anche se in una catena chiusa la differenza di potenziale agli estremi è nulla, è possibile intervenire affinché si crei una differenza di potenziale diversa da zero; questo è possibile aggiungendo, all’interno della catena, un conduttore di seconda specie....