Pila di Volta
La pila voltaica (pila di Volta) fu il primo generatore statico di energia elettrica mai realizzato.
Inventata da Alessandro Volta intorno al 1800, essa costituisce il prototipo della batteria elettrica moderna.
Descrizione
Schema della pila di Volta:
1. un elemento della pila;
2. strato di rame;
3. contatto negativo;
4. contatto positivo;
5. feltro o cartone imbevuto in
soluzione acquosa;
6. strato di zinco.
La pila di Volta è costituita fondamentalmente da una colonna di più elementi simili sovrapposti, cosiddetti
elementi voltaici, ciascuno dei quali consiste in un disco di zinco sovrapposto ad uno di rame, uniti
attraverso uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto in acqua salata o acidulata. Al posto del rame
è possibile impiegare anche l'argento; al posto dello zinco si può usare anche lo stagno.
Collegando gli estremi superiore ed inferiore della pila per mezzo di un conduttore elettrico si produce un
circuito nel quale passa corrente continua.
Per avere un flusso di cariche elettriche occorre mantenere una differenza di potenziale tra i due poli: a
questo scopo si usano i generatori di corrente elettrica. Il primo generatore di elettricità della storia è
appunto la pila.
Funzionamento
La pila di Alessandro Volta può essere considerata una batteria di celle galvaniche collegate in serie. Fra i
due elettrodi metallici di ciascuna cella si instaura una differenza di potenziale che viene mantenuta
costante da forze di natura chimica. Ogni elettrodo infatti tende a rilasciare ioni metallici positivi nella
soluzione con la quale è a contatto, assumendo rispetto ad essa un potenziale negativo. La differenza di
potenziale fra un elettrodo e la soluzione dipende dal tipo di metallo di cui è composto l'elettrodo.
Utilizzando ad esempio un disco di zinco ed uno di rame come fece Volta, si misura presso lo zinco un
potenziale negativo maggiore in valore assoluto rispetto a quello del rame. Collegando i due elettrodi per
mezzo di un conduttore si genera un movimento di elettroni dal polo di carica negativa a quello di carica
positiva (dallo zinco al rame nel caso precedente) e dunque una corrente elettrica di verso opposto.
Il movimento di elettroni nel circuito esterno alla pila tende a compensare ed annullare la differenza di
potenziale fra gli elettrodi e la soluzione; affinché la corrente si mantenga costante è necessario che il polo
negativo venga costantemente rifornito di elettroni sottratti al polo positivo. Questo compito è affidato alla
soluzione elettrolitica. Considerando per esempio una soluzione di acido solforico in acqua a contatto con
elettrodi di zinco e rame, si osserva che gli ioni derivanti dalla dissociazione dell'acido solforico si dirigono
nell'interno della soluzione verso l'elettrodo di zinco. Gli ioni H3O+ dell'acido si dirigono invece verso
l'elettrodo di rame al quale tolgono ciascuno un elettrone.
L'energia chimica che si sviluppa durante le reazioni fra i metalli e la soluzione è quella necessaria per
consentire il flusso di corrente.
Ogni elemento collegato in serie contribuisce ad aumentare la tensione elettrica fra gli estremi della pila e
dunque la sua forza elettromotrice.
In particolare, all'anodo di ogni elemento (in zinco) avviene la seguente semireazione di ossidazione:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 ealla quale compete un potenziale di elettrodo pari a -0,76 V.
Al catodo invece il rame rimane intatto (può eventualmente ossidarsi). Questo perché lo zinco cede due
elettroni e passa da Zn metallico a Zn2+, questi elettroni contrariamente a quanto si possa pensare non
passano al rame, che serve solo per creare la differenza di potenziale, ma passano allo ione ossonio H3O+
formatosi dalla dissociazione ionica dell'acido solforico in acqua, che si trasforma in idrogeno molecolare
gassoso H2. Alla semireazione di sviluppo di idrogeno è associata un potenziale di elettrodo pari a 0 V.
Quindi complessivamente ciascun elemento possiede un potenziale di cella di 0-(-0,76) = 0,76 V.
Siccome la pila è costituita da più celle galvaniche collegate in serie, la differenza di potenziale che si
instaura ai morsetti è pari alla somma di tutti i potenziali di cella, cioè è pari al prodotto del numero di
elementi collegati in serie per 0,76 V.
Invenzione
Nel 1801 Alessandro Volta illustra la sua invenzione a Napoleone Bonaparte.
L'invenzione della pila è il risultato di esperimenti condotti da Volta verso la fine del XVIII secolo che
riprendevano studi precedenti di Luigi Galvani sull'elettricità.
Sulla prima pila, costruita nel dicembre del 1799, non si hanno informazioni precise: negli scritti di Volta
non viene esposta la realizzazione di un modello concreto; piuttosto si trovano istruzioni per la costruzione
di un dispositivo generico. Volta avrebbe osservato il passaggio del fluido elettrico inducendo la contrazione
dei muscoli in una rana morta alla quale erano stati applicati due elettrodi collegati agli estremi della pila,
un fenomeno al quale diede il nome di galvanismo.
Disegni della pila a corona di tazze e varie configurazioni di pila a colonna, inclusi nella lettera inviata da
Volta a sir Joseph Banks per annunciargli la sua invenzione.
L'invenzione venne annunciata in una lettera rivolta a Joseph Banks, presidente della Royal Society di
Londra, datata 20 marzo 1800, in cui lo stesso Volta ne dà anche la prima descrizione.
Denominata inizialmente organo elettrico artificiale oppure apparato elettromotore, venne battezzata poi
pila per via della sua struttura caratteristica. Questo nome è rimasto in italiano a designare genericamente
tutte le batterie per apparecchi elettrici, indipendentemente dalla loro forma.
La pila valse a Volta fama ed onori internazionali: il 7 novembre 1801 ne illustrò il funzionamento all'Institut
de France a Parigi di fronte a Napoleone Bonaparte, che in tale occasione lo insignì di una medaglia d'oro e
lo propose per un cospicuo premio in denaro.
Importanza
Prima dell'invenzione della pila erano note apparecchiature come la bottiglia di Leida, che fornivano solo
una scarica elettrica di durata brevissima e necessitavano di essere caricate prima di ogni uso. La pila era
invece di per sé un generatore di tensione: con essa il mondo scientifico ebbe a disposizione per la prima
volta uno strumento in grado di produrre corrente intensa in modo ininterrotto (perpetuo, secondo Volta),
aprendo le porte alle rivoluzionarie scoperte sull'elettricità che segnarono l'Ottocento.
Nel 1800, pochi mesi dopo l'annuncio dell'invenzione, William Nicholson ed Anthony Carlisle, che furono fra
i primi ad apprenderne per mezzo dello stesso Banks e prima ancora che la Royal Society ne fosse messa al
corrente, riprodussero la pila e se ne servirono per realizzare l'elettrolisi dell'acqua, ottenendo i gas
idrogeno ed ossigeno.
Humphry Davy compì accurate ricerche per mezzo della pila e giunse alla conclusione che i suoi effetti
elettrici, contrariamente a quanto creduto da Volta, non erano provocati dal semplice contatto di metalli
diversi, bensì da mutamenti chimici. Sperimentando con l'elettrolisi, egli riuscì fra il 1807 e il 1808 ad isolare
dai loro sali metalli alcalini ed alcalino terrosi come sodio, potassio, bario, stronzio, calcio e magnesio.
Grazie alla pila furono anche resi possibili i primi tentativi di trasmettere segnali per mezzo del telegrafo
elettrico.
Sitografia
Wikipedia, l'enciclopedia libera.
http://www.oilproject.org/lezione/pila-di-volta-come-costruirla-5936.html
http://www.rosarioberardi.it/sitoberardi/elettrotecnica1/schede/pilavoltacompleta.pdf
