Roller - The Development of the Concept of Electric Charge | L13d
0.1 L’ipotesi di Gilbert e il ruolo delle ipotesi scientifiche
L’analisi degli esperimenti di Gilbert sull’elettricità e del suo quadro concettuale.
Il testo esamina il lavoro di William Gilbert sull’elettricità, contestualizzandolo nel pensiero scientifico del XVII secolo. Si descrive la sua adesione alla visione che “se un corpo esercita una forza su un altro ci deve essere qualche connessione materiale tra loro”, rifiutando l’idea di “azione a distanza” che sarebbe stata considerata “una reversione al tipo di misticismo e magia” dal quale si cercava di fuggire. Gilbert identificò questa connessione materiale in un “effluvio” che collega l’oggetto attratto con l’elettrico eccitato. Il suo approccio sperimentale era guidato dalla sua ipotesi magnetica, che lo portò a scoprire che “la forza attrattiva aumenta al diminuire della distanza tra l’elettrico e l’oggetto attratto”. Tuttavia, la stessa ipotesi, essendo limitata, gli impedì di scoprire la repulsione elettrica e la conduzione, poiché “non solo suggeriscono gli esperimenti che vengono eseguiti ma, poiché sono sempre più o meno limitati nella portata, possono non suggerire altri importanti esperimenti”. Ciononostante, tali ipotesi limitate possono essere estremamente fruttuose, gettando le basi per ipotesi più ampie, un ruolo che “l’ipotesi di Gilbert ha svolto in modo soddisfacente”.
Riferimenti (172) - (194)
0.2 Fattori che hanno influenzato Gilbert e la diffusione del suo lavoro nel XVII secolo
Analisi delle condizioni che hanno favorito il lavoro di Gilbert sul magnetismo e della successiva ricezione della sua opera in Italia.
Sommario
Vengono esaminati i fattori che hanno influenzato William Gilbert nel condurre i suoi studi, pur nella consapevolezza che “nulla che si avvicini a una risposta completa a domande di questo tipo è possibile”. L’epoca storica, caratterizzata dall’“espansione europea” e dai conseguenti problemi di navigazione, fece sì che “il momento fosse maturo per un tale lavoro”. Fondamentali furono anche “il tempo libero e i mezzi finanziari personali” a sua disposizione. Gilbert si distinse per la sua enfasi sull’esperimentazione, attingendo conoscenze dai metodi di “navigatori, operai dell’industria del ferro e vari altri artigiani”. Egli, insieme ad altri, iniziò a “colmare il divario tra studioso e sperimentatore”, unendo logica ed esperimento in quella che divenne nota come la “nuova filosofia sperimentale”. La sua metodologia fu in seguito criticata ma anche adottata da Francis Bacon, il quale, pur biasimando Gilbert affermando che “l’unica unità in Sul magnete stava nella prontezza di Gilbert a provare qualsiasi cosa”, ne utilizzò gli scritti senza un adeguato riconoscimento, nonostante “il metodo d’indagine sostenuto da Bacon fosse più o meno lo stesso che Gilbert non aveva soltanto descritto ma effettivamente usato un certo numero di anni prima”. Il blocco si conclude con la diffusione dell’opera di Gilbert in Italia, dove “uomini già abbastanza familiari con i fenomeni magnetici” ne riconobbero l’importanza, come il gesuita Niccolò Cabeo.
0.2.1 Sviluppi Scientifici del XVII Secolo e gli Esperimenti di Francis Hauksbee
La nascita delle società scientifiche e lo studio dei fenomeni fisici nel vuoto.
Il testo tratta della formalizzazione dell’impresa scientifica nel XVII secolo con la creazione di organizzazioni come la Royal Society of London e la Royal Academy of Sciences, che servivano come “punti focali dell’attività scientifica” ed erano sostenute dai rispettivi monarchi. A questo si affianca l’inaugurazione delle prime pubblicazioni periodiche, come i Philosophical Transactions, per la diffusione delle informazioni. L’attenzione si sposta poi sul lavoro sperimentale di Francis Hauksbee, definito “il più attivo sperimentalista del suo tempo”. Egli migliorò notevolmente la pompa pneumatica, sviluppando “una pompa a doppio cilindro che avrebbe fissato il progetto per tali dispositivi per i successivi 150 anni”. Nonostante la scarsa istruzione formale, la sua abilità nella costruzione di strumenti e il suo genio sperimentale gli valsero un impiego presso la Royal Society, dove le strutture e le associazioni lo aiutarono a prosperare. I suoi studi lo portarono dall’analisi di un nuovo fenomeno ottico, la “luce barometrica”, allo studio dell’elettricità.
0.3 Esperimenti di Hauksbee sulla produzione di luce tramite attrito in aria rarefatta e prime osservazioni di fenomeni elettrici.
Viene descritta la serie di esperimenti condotti da Hauksbee per indagare la luce prodotta dallo scorrimento del mercurio sul vetro in condizioni di vuoto parziale. L’indagine si allarga per verificare se altre sostanze, come ambra e lana, producano lo stesso effetto, utilizzando macchine per l’attrito in ambiente evacuato. Si osserva che “dalla corona del vetro incluso venivano scagliati frequentemente lampi simili a fulmini, di un colore molto pallido”. Viene poi introdotta una versione migliorata dell’apparato, con un globo di vetro evacuato e strofinato a mani nude, che genera una luce così intensa che “in una stanza buia, parole in lettere maiuscole erano chiaramente leggibili grazie ad essa”. Il sommario accenna anche alla transizione verso esperimenti di carattere elettrico, in cui un tubo di vetro strofinato con carta attirava “pezzi di foglia-ottone” anche “da 9 o 10 pollici di distanza”, notando che a volte i corpi “aderivano al tubo” e altre volte venivano “scagliati violentemente via”.
0.4 Scoperta della conduzione elettrica e degli isolanti
Esperimenti sulla trasmissione a distanza della “virtù elettrica” e identificazione dei materiali che ne permettono o ostacolano il passaggio.
Sommario
Viene descritta una serie di esperimenti condotti per verificare l’ipotesi che “un oggetto che tocca un corpo elettrificato diventerà esso stesso elettrificato”. L’indagine si concentra inizialmente sulla capacità di trasferire questa proprietà attraente attraverso corpi intermedi, utilizzando inizialmente “un bastoncino di abete” e poi “prima un filo di ferro e poi di ottone”, riscontrando che “l’attrazione era la stessa”. Si procede testando distanze sempre maggiori, sospendendo la “palla d’avorio” con “una spago lungo circa 3 piedi” e constatando che “attrasse e respinse” la foglia di ottone. Viene dimostrato che il fenomeno non dipende dal materiale della sfera, poiché “sostituì prima una palla di sughero, poi una di piombo, ma sempre con lo stesso risultato”.
L’indagine si estende a molti altri materiali, inclusi i metalli, che Gilbert aveva classificato come “non elettrici”. Il successo di Gray è attribuito al fatto che “i suoi oggetti metallici non erano a contatto con la mano”. Viene esplorata la trasmissione orizzontale della virtù elettrica, che inizialmente fallisce perché “quando l’effluvio elettrico arrivava al filo di supporto, passava attraverso di esso alla trave”. Un tentativo successivo, utilizzando come supporto “un cordone di seta” invece dello spago, ha successo, portando alla conclusione che “il successo che avevamo avuto prima dipendeva dal fatto che i cordoni che sostenevano la linea di comunicazione erano di seta, e non dal fatto che fossero piccoli [sottili]”. Ciò porta alla fondamentale distinzione tra materiali conduttori e non conduttori (isolanti). Viene infine riportata l’osservazione dell’elettrizzazione per influenza, notando che quando il “tubo veniva strofinato e poi tenuto vicino alla linea, ma senza toccarla, il peso di piombo attirava e respingeva la foglia di ottone”.
0.5 Esperimenti su Colore e Conduzione Elettrica
Indagine sperimentale sull’influenza del colore e delle condizioni materiali nell’attrazione elettrostatica e sulla conduzione a distanza.
Sommario
Viene riportata una serie di esperimenti condotti per verificare l’affermazione di Gray secondo cui i corpi “attraggono più o meno secondo i loro colori”. Inizialmente, l’uso di nastri di seta colorati sembra confermare questa ipotesi, poiché si osserva che “il nero era attratto per primo, il bianco dopo, e gli altri in ordine successivo fino al rosso, che era attratto meno”. Questo risultato iniziale induce a pensare che “i colori contribuissero molto all’elettricità”. Tuttavia, esperimenti successivi smentiscono questa conclusione. Si scopre che se “i nastri sono bagnati, sono tutti attratti ugualmente” e che, riscaldandoli, “il nero e il bianco non sono più fortemente attratti degli altri”. Un test cruciale, proiettando i colori di un prisma su una garza bianca, mostra che “non appaiono differenze di attrazione”. La conclusione è che “questa differenza non procede dal colore, in quanto colore, ma dalle sostanze che sono impiegate nella tintura”, in particolare dal loro diverso “grado di affinità per l’acqua”. In una sezione distinta, vengono descritti esperimenti sulla conduzione elettrica a distanza. Si nota che l’esperimento “riusciva meglio bagnando la corda” e che la corda stessa “può essere sostenuta su tubi di vetro invece che su corde di seta”, identificando così il vetro come un materiale isolante efficace. Viene condotto un esperimento di successo a 1256 piedi di distanza e si osserva che la “virtù elettrica” viene comunicata anche tra due linee i cui estremi distano un piede l’uno dall’altro, senza toccarsi.
0.6 Evoluzione del generatore elettrostatico e del condensatore 7
Sviluppi tecnici e sperimentazioni nel campo dell’elettricità statica a metà Settecento.
Il perfezionamento del generatore triboelettrico procede con l’introduzione di un “conduttore metallico per raccogliere l’elettricità” e di un “meccanico ‘strofinatore’”, rendendo l’apparato più efficiente. Si sperimentano configurazioni multiple, come quella con “tre globi . . . e un boccale di birra” che generava scintille particolarmente vivide, e si indaga la natura delle scariche elettriche, paragonate a “quelle Luci boreali”. L’entusiasmo per questi fenomeni è tale che si afferma che il pubblico “affollava le regolari lezioni universitarie, spesso spingendo gli studenti fuori dai loro posti”. Parallelamente, il pastore E. G. von Kleist, investigando la presunta “evaporazione” del fluido elettrico, conduce esperimenti con una bottiglia di vetro contenente acqua e un chiodo. Scopre che, dopo aver collegato il chiodo al generatore, avvicinando quest’ultimo a un altro oggetto si produce “una scintilla intensa”, mentre toccando il chiodo si subisce “un forte shock”. Questi esperimenti segnano l’evoluzione del condensatore elettrico.
0.7 Benjamin Franklin e gli esperimenti elettrici
La diffusione delle scoperte elettriche e l’inizio delle ricerche di Benjamin Franklin.
Il testo tratta della diffusione delle notizie sulle scoperte elettriche in Inghilterra e nelle colonie americane attraverso riviste e lezioni pubbliche. È in questo contesto che Benjamin Franklin, all’età di 37 anni, viene introdotto all’argomento durante un incontro a Boston con il dottor Spencer, le cui dimostrazioni, sebbene imperfette, lo “sorpresero e compiacquer[ono]”. Franklin, già un affermato editore e cittadino prominente, fondò il club “Junto”, poi evoluto nella American Philosophical Society. Dopo aver ricevuto in dono da Peter Collinson “un tubo di vetro” per esperimenti, Franklin “con molta pratica” divenne abile, al punto che la sua casa era “continuamente piena, per un certo periodo, di persone che venivano a vedere queste nuove meraviglie”. Per condividere questo interesse, fece realizzare altri tubi, creando così un gruppo di sperimentatori. La sua posizione finanziaria gli permise di dedicarsi a tempo pieno a queste ricerche, acquisendo nuove attrezzature, inclusi esemplari della bottiglia di Leida, e di comunicare a Collinson di aver osservato “alcuni fenomeni particolari che riteniamo essere nuovi”.
Note Le frasi 873 e 874 sono state utilizzate per strutturare il titolo. La frase 872 contiene un riferimento bibliografico non tradotto presente nel testo originale.
0.8 La teoria del fluido elettrico di Franklin e il principio di conservazione della carica 9
Franklin spiega l’elettrificazione e introduce il concetto di carica positiva e negativa, gettando le basi per una teoria quantitativa dell’elettricità.
Sommario
Franklin ipotizzò che lo strofinio del vetro sottraesse “fluido elettrico” all’agente strofinante, rendendo il primo positivo e il secondo negativo. Nell’elettrificazione per conduzione, “la ‘direzione del flusso’ del fluido elettrico durante la conduzione è da un corpo elettrizzato positivamente a uno che è normale o elettrizzato negativamente”. Questa convenzione per determinare la direzione di un flusso di elettricità è ancora in uso. Ignaro della precedente scoperta di Dufay, Franklin coniò una propria terminologia, utilizzando i termini matematici positive, o plus, and negative, or minus, che avevano “il vantaggio di suggerire la possibilità che l’elettricità sia una quantità misurabile”. La sua teoria implicava che “la quantità di elettricità in qualsiasi corpo isolato rimanga invariata e che qualsiasi processo di elettricità coinvolga semplicemente un trasferimento di elettricità”. Questo fu probabilmente “la prima chiara espressione della generalizzazione tremendamente importante che l’elettricità non può essere creata o distrutta”, poi nota come principio di conservazione della carica elettrica. Applicando questo principio, se due oggetti vengono strofinati, “la quantità di elettricità guadagnata da un oggetto è esattamente uguale a quella persa dall’altro oggetto”. Franklin applicò la sua ipotesi del fluido unico anche per spiegare l’azione della bottiglia di Leida, notando che “nello stesso momento in cui il rivestimento interno della bottiglia [bottiglia di Leida] è elettrizzato positivamente o più, il rivestimento esterno è elettrizzato negativamente o meno, in esatta proporzione”. Dimostrò questo equilibrio quantitativo con un esempio numerico, concludendo che l’operazione termina quando “il rivestimento interno avrà una quantità di elettricità pari a 40, il rivestimento esterno nessuna”.
0.9 Elettrizzazione per influenza e la bottiglia di Leida
Analisi dei fenomeni di elettrizzazione per influenza e del funzionamento della bottiglia di Leida secondo la teoria di Franklin.
Il testo descrive il comportamento della bottiglia di Leida, o jar, quando viene elettrizzata. Se si tenta di aggiungere più fluido elettrico, questo “viene rigettato attraverso il filo, o schizza fuori con scoppi fragorosi attraverso i lati del barattolo”. L’equilibrio non può essere ristabilito all’interno del barattolo, ma solo tramite una connessione esterna che colleghi i due rivestimenti, operazione che ripristina l’equilibrio “con una violenza e rapidità inesprimibile”. Viene spiegato che il rivestimento esterno si elettrizza negativamente quando quello interno è positivo, come dimostrato da un esperimento con un elettroscopio a pallina di sughero: la pallina, dopo essere stata a contatto con il filo interno, “veniva fortemente attratta” dal rivestimento esterno, indicandone la carica negativa. Questo processo è definito elettrizzazione per influenza, poiché il rivestimento esterno si elettrizza pur essendo separato da quello interno dal vetro, attraverso cui “il fluido elettrico non può passare”. L’eccesso di fluido nel rivestimento interno esercita una repulsione sul fluido presente in quello esterno; se quest’ultimo è connesso a terra, il fluido “viene respinto nella terra, lasciando il rivestimento esterno carente di fluido, o elettrizzato negativamente”.
La teoria viene estesa per spiegare esperimenti su un’asta metallica. Avvicinando un tubo di vetro carico positivamente a un’estremità dell’asta, si osserva che “l’estremità dell’asta più lontana dal tubo di vetro positivamente elettrizzato è positivamente elettrizzata, mentre l’estremità più vicina al tubo è negativamente elettrizzata”. La spiegazione è che “l’elettricità naturalmente presente nell’asta viene respinta verso l’estremità più lontana”. Se, mentre il tubo è vicino, l’asta viene messa a terra e poi isolata, “l’elettroscopio mostrerà che l’intera asta è elettrizzata negativamente, e permanentemente”. In questo caso, l’eccesso di elettricità nel tubo “respinge parte della quantità naturale di elettricità dell’asta nella terra”; interrotta la connessione, l’asta “rimane con una carenza continua di elettricità”. Si conclude che “la teoria del fluido unico servì bene nel suggerire molti nuovi esperimenti e nello spiegare una grande varietà di fenomeni”.
Riferimenti Identificativi frasi: 974, 975, 976, 977, 978, 979, 980, 981, 982, 983, 984, 985, 986, 987, 988, 989, 990, 991, 992, 993,
0.10 Lo sviluppo e la salvaguardia della teoria del fluido unico
L’evoluzione della teoria fluidica di Franklin e la sua revisione da parte di Aepinus.
Franklin sviluppa una teoria del fluido elettrico unico, allontanandosi dalla precedente idea degli effluvi. Egli immagina un fluido composto da “particelle estremamente sottili” che si respingono tra loro e sono attratte dalla materia ordinaria, spiegando così attrazioni e repulsioni. Tuttavia, la sua teoria non riesce a spiegare la “repulsione che si verifica tra due oggetti quando entrambi sono negativamente elettrificati”, un fenomeno che Franklin stesso osserva e che lo sorprende, dichiarando di non averlo “soddisfacentemente spiegato”. Questa lacuna non porta all’abbandono della teoria, che rimane utile per “riunire una grande varietà di fenomeni precedentemente non correlati”.
Circa un decennio dopo, Aepinus propone una modifica per “salvare” la teoria, assumendo che anche “le particelle della materia ordinaria si respingano l’una con l’altra”. Questo permette di spiegare la repulsione tra corpi negativi come il predominio delle forze repulsive tra le particelle di materia. Questo processo di salvataggio di una teoria utile, modificandola per “riconciliarla con l’esperienza”, è presentato come una pratica comune nella scienza. Infatti, “nessuna ipotesi o schema concettuale che si è dimostrato utile viene abbandonato” alla prima contraddizione sperimentale; per sostituirlo, “deve essere trovato un nuovo ipotesi o schema concettuale” che sia “chiaramente superiore e più utile”, un processo che spesso richiede tempo e incontra resistenza.
0.11 Verifica sperimentale della legge di Coulomb
Dimostrazione della legge di repulsione e attrazione tra cariche elettriche mediante bilancia di torsione e pendolo.
Sommario
Viene descritto l’esperimento per determinare la legge di repulsione tra due palline elettrizzate con lo stesso tipo di elettricità. L’apparato, una bilancia di torsione, permette di misurare la forza necessaria a riavvicinare le palline dopo che si sono respinte. “Mediante la comparazione delle forze torsionali con le corrispondenti distanze tra le due palline, determiniamo la legge di repulsione”. Tre prove sperimentali mostrano che “la forza repulsiva che le due palline esercitano l’una sull’altra quando sono elettrizzate con lo stesso tipo di elettricità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza”. In una seconda fase, l’indagine si estende alle forze attrattive tra cariche di segno opposto. Per superare le difficoltà pratiche della bilancia di torsione in questo caso, Coulomb utilizza un pendolo elettrico torsionale. Le misurazioni dei periodi di oscillazione a diverse distanze confermano che anche la forza attrattiva obbedisce alla legge dell’inverso del quadrato. “Abbiamo così ottenuto, con un metodo completamente diverso dal primo, un risultato simile”. Viene infine enunciata la legge completa, che include il prodotto delle cariche: “la forza elettrica tra due oggetti elettrizzati è proporzionale all’inverso del quadrato della distanza tra loro e al prodotto P delle loro masse elettriche”. Questo lavoro permette per la prima volta di quantificare numericamente lo stato di elettrizzazione di un oggetto, ovvero la sua carica.
0.12 Epilogo 13: Teorie rivali dei fluidi elettrici
Dall’analogia meccanica alla sintesi moderna
Il passaggio a una scienza elettrica quantitativa, che rese possibile “portare a compimento l’intero peso delle tecniche matematiche”, permise un trattamento matematico dell’elettricità con risultati notevoli. Vengono presentate le teorie rivali del fluido unico, associata a Franklin e Aepinus, e dei due fluidi, preferita da Coulomb. Quest’ultimo criticava l’ipotesi ad hoc di Aepinus, ritenendo “contraddittorio ammettere allo stesso tempo, nelle particelle dei corpi, una forza attrattiva in ragione inversa dei quadrati delle distanze… e una forza repulsiva nella stessa ragione inversa dei quadrati delle distanze”. Sebbene entrambe le teorie spiegassero i fenomeni noti, la storia mostra che “entrambe le teorie si riveleranno in parte valide e in parte non valide”, portando a una sintesi. La visione moderna identifica due tipi di particelle: il protone, a “carica positiva”, e l’elettrone, a “carica negativa”. Nei solidi, dove “solo gli elettroni mobili sono coinvolti in qualsiasi trasferimento”, si ha un fluido mobile unico, sebbene negativo e non positivo come ipotizzato da Franklin. Nei liquidi e nei gas, invece, “entrambi i tipi sono mobili”, in conformità con la vecchia teoria dei due fluidi.