1994-06

Marco Landonio
BENJAMIN FRANKLIN
(Boston 1706 - Filadelfia 1790)
il pioniere
La VITA
Oltre che scienziato, Franklin fu un letterato e un uomo politico; discendente da una famiglia calvinista,
amava leggere molti libri come quelli del Locke e del Pascal.
Era specializzato in arte tipografica e divenne ben presto direttore delle poste in Pennsylvania.
Aveva anche delle eccellenti qualità diplomatiche e politicamente era un democratico convinto.
Alla sua morte l’America decretò un lutto di 2 mesi; per i suoi connazionali infatti egli era considerato un eroe
anche perchè il 4 Luglio del 1776 era stato uno dei firmatari della dichiarazione d’indipendenza verso la exmadrepatria Inghilterra. Nasceva una nuova nazione di cui il primo presidente fu George Whashinton. Gli
Stati Uniti ricordano questo personaggio con la banconota da 100 dollari.
Lo SVILUPPO della SCIENZA
Per apprezzare ciò che Franklin fece, occorre tener presente che l’elettricità è un ramo giovane della fisica,
rispetto alla statica, alla dinamica, alla teoria sul calore, sulla luce e perfino alla teoria atomica che può
essere fatta risalire ai greci.
L’elettricità emerse come oggetto di studio scientifico solo ai tempi di Newton e le informazioni all’inizio del
XVIII secolo, cioè all’epoca di Franklin, erano scarsissime. È vero che fin dai greci e da Talete, nel VI secolo
avanti Cristo, era noto che sfregando bacchette di ambra (in greco “electron”) con la lana esse poi si
attraevano; inoltre, vicino a delle miniere delle Magnesia si trovava un materiale ferroso (che ora sappiamo
essere magnetite, Fe3O4) con delle proprietà attrattive e repulsive; questi fenomeni rimasero però, per altri
2000 anni, solo un sasso lanciato in uno stagno. La confusione tra magnetismo ed elettricità in senso stretto
era anch’essa notevole.
Solo nel 1600 Gilbert, con il suo trattato “De Magnete”, riorganizzava scientificamente il concetto di carica,
concetto utilizzato solamente in letteratura e spiegato con la magia; come l’aria era l’effluvio della Terra, così
Gilbert chiamò effluvio quella sostanza che impregnava alcuni corpi dopo uno strofinamento. Ecco l’origine
del fenomeno di attrazione elettrostatica con un fluido di un solo tipo che Franklin svilupperà anche se con
Du Fay nel 1730 emerse l’ipotesi dei due fluidi.
Quando Franklin cominciò a studiare questo nuovo argomento aveva già quasi 40 anni e, in gran parte
autodidatta, aveva solo delle solide basi di fisica sperimentale sul modello newtoniano ma una grande
passione per le scienze fisiche e naturali.
Le APPARECCHIATURE e i CONTRIBUTI
Affascinato dalle conferenze scientifiche del dottor Spencer, allora ancora estremamente empiriche e
inconcludenti, Franklin acquistò l’apparecchiatura di Spencer, con le relative istruzioni, per eseguire gli
esperimenti personalmente; si può comprendere l’utilità di questi strumenti che erano tutt’al più, giocattoli
meritevoli dei più indy salotti aristocratici.
Entro breve tempo Franklin si accorse di aver progredito nella conoscenza molto al di là della letteratura che
accompagnava gli strumenti o delle ipotesi divulgate fino ad allora; tutte le relazioni e gli studi, vennero
inizialmente pubblicati a Londra, nel 1751, sotto il titolo di “Experiments and observations on Electricity”.
Una NUOVA TEORIA dell’ELETTRICITÀ
Lo scienziato americano ipotizzava che tutti i fenomeni elettrostatici (processi di carica e scarica) fossero
prodotti dal moto o trasporto di un unico fluido elettrico, il cui eccesso o la cui scarsità generano lo stato
elettrico dei corpi. Questo ipotetico fluido era costituito da “particelle”, o atomi, di elettricità (che noi oggi
chiameremmo elettroni), che si respingevano tra di loro ma erano attratte dalle particelle della materia
ordinaria.
In base a questa teoria quindi, un corpo carico è un corpo che ha perduto o acquistato fluido elettrico e si
trova in uno stato che Franklin chiamò “più” (positivo) o “meno” (negativo). Questa consuetudine che ci
rimane fino ad oggi, era fin d’allora un concetto relativo e non assoluto, concetto che noi , ad esempio,
applichiamo al potenziale.
Il PRINCIPIO di CONSERVAZIONE della CARICA ELETTRICA
Egli enunciò questa legge di conservazione dell’elettricità nel 1750, un principio teorico strettamente legato
alla sua precedente ipotesi sull’elettricità.
Quale sia il valore della carica perduta da un corpo, essa deve essere acquistata da uno o più degli altri
corpi; di conseguenza le cariche positive e quelle negative si manifestano o si elidono simultaneamente.
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Questo principio comporta che gli effetti elettrici non siano il risultato della “creazione” di qualche entità
misteriosa (come era supposto prima), ma derivano semplicemente da una modificazione o redistribuzione
della quantità di fluido elettrico presente sul corpo. Vari esperimenti, anche a posteriori, confermarono
l’universalità di questo principio, il quale resta (insieme alla conservazione dell’energia e della quantità di
moto) uno dei principi fondamentali della fisica.
L’ANALISI della BOTTIGLIA di LEIDA:
la POLARIZZAZIONE del DIELETTRICO e il CONDENSATORE PIANO
La bottiglia di Leida1 che venne analizzata da Franklin può essere considerata il primo “condensatore”. Essa
consiste in un recipiente di vetro, rivestito all’esterno con una lamina metallica; un’altra lamina metallica è
presente all’interno a contatto con un filo che attraversa il tappo di gomma. Il potere di accumulo, cioè la
capacità, è aumentato dalla seconda armatura all’esterno. Prima che possa scaricare, lo strumento ha
bisogno di essere caricato (a differenza della pila che è un generatore). Per caricarla all’interno, si può
collegare il filo a un generatore elettrostatico oppure con un pezzo di ambra, vetro o zolfo strofinati, mentre il
rivestimento esterno è collegato a terra perché essa ha una riserva di carica di segno opposto praticamente
illimitata che funge da carica neutralizzante maggiore e quindi sull’armatura esterna si possono accumulare
più cariche.
Franklin scoprì che, se una bottiglia è carica e i due conduttori sono separati dal vetro, essi non manifestano
alcun segno di essere carichi mentre lo fanno se sono collocati sulle due pareti della bottiglia. Egli disse che
l’intera carica “risiede” nel vetro; questo fenomeno sarà denominato, successivamente da Faraday, come
“polarizzazione del dielettrico2”.
Dimostrò inoltre che un tale dispositivo non dipende dalla forma del recipiente, non deve essere per forza
una bottiglia, ed inventò il condensatore ad armature parallele, o condensatore piano. Si potevano usare dei
vetri da finestra, rivestisti da strati metallici, chiamati “quadri di Franklin”.
Con molti di questi condensatori, collegati in parallelo, egli immagazzinò una grande quantità di carica e
cercò poi di uccidere un tacchino, ma rimase tramortito egli stesso e disse con testuali parole:
“Ho tentato di uccidere
un tacchino,
ma sono quasi riuscito
a uccidere un’oca!”.
I principi strutturali della bottiglia di Leida rimasero identici fino ad oggi anche se i progressi nel campo dei
materiali e delle tecnologie di fabbricazione hanno consentito un aumento sbalorditivo dell’efficienza oltre a
una miniaturizzazione incredibile come nei CMC, i condensatori multistrato ceramici, una versione “compatta”
della bottiglia di Leida, dispositivi anche non più grandi di una capocchia di uno spillo.
La MESSA a TERRA e l’ISOLAMENTO: il PARAFULMINE
In molti esperimenti Franklin dimostrò anche gli effetti della messa a terra e dell’isolamento.
Egli scoprì che un conduttore appuntito (una punta metallica) collegato a terra può “assorbire” la carica di un
oggetto carico vicino e, viceversa, un conduttore carico, ben isolato, emette la carica attraverso la sua punta.
Ciò lo condusse a studiare la natura elettrica della scarica del fulmine.
Il più importante esperimento non fu quello con l’aquilone, ma quello effettuato con una garitta (1752), una
piccola costruzione per riparare le sentinelle. Propose di costruire su un edificio elevato una garitta con un
lungo conduttore appuntito sporgente dal tetto; per determinare se quel conduttore fosse carico, una
sperimentatore all’interno avrebbe avvicinato al conduttore appuntito un altro conduttore collegato a terra.
Il suo scopo era quello di far scoccare una scintilla; se le nubi temporalesche fossero state elettricamente
cariche (come Franklin supponeva), il conduttore appuntito si sarebbe caricato per induzione al passaggio
delle nubi sopra di esso, e si sarebbe potuto ottenere una scintilla.
Questo esperimento dimostrò non solo che le nubi sono elettricamente cariche, e quindi il fulmine è solo una
scarica elettrica ordinaria prodotta dalle nuvole su larga scala, ma anche che quei conduttori attraevano il
fulmine dimostrando così che esso è un fenomeno elettrico.
Inoltre l’esecuzione si ebbe in Francia perché a Filadelfia avrebbe dovuto attendere la costruzione di una
guglia su cui erigere la garitta; l’aquilone fu pensato come alternativa.
Gli esperimenti sul fulmine portarono Franklin all’invenzione del parafulmine; fortunatamente egli sopravvisse
anche se, prima di lui, molti erano morti.
L’EQUILIBRIO ELETTRICO e l’INTERAZIONE tra le CARICHE
In una delle sue ricerche, Franklin aveva notato che quando un oggetto carico elettricamente viene posto al
centro di una sfera cava e uniformemente carica, su di essa non agisce nessuna forza di natura elettrica e
l’unica azione a cui è sottoposta è quella del suo peso annullato dalla tensione del filo.
il nome deriva da una località in Olanda in cui, all’inizio del XVIII secolo, vennero sperimentati questi primi
accumulatori.
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Faraday utilizzerà questo nome per indicare i corpi elettricamente isolanti, ossia a bassissima conducibilità
elettrica.
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Franklin non seppe dare un’interpretazione di questo fatto pur essendo un profondo conoscitore dell’opera di
Newton; ma il suo esperimento fu ripreso in esame da Pristley, Robinson e infine Coulomb che relazionarono
la legge di gravitazione universale di Newton, perfezionando con la bilancia a torsione la formula che legava
la forza d’interazione e le cariche:
F
k. q1. q2
2
r
Questa esperienza può essere anche dimostrata facendo due ipotesi:
1. la carica elettrica è distribuita in modo uniforme sulla superficie esterna della sfera cava;
2. una carica elettrica produce su un’altra carica una forza columbiana (come sopra).
Si può dimostrare che la forza agente su una carica q posta in un punto P interno alla sfera cava vale zero.
L’EREDITÀ
Gli esperimenti sul fulmine lo resero famoso in tutto il mondo ma l’importanza storica è spesso
misconosciuta.
Nel dimostrare che il fulmine è una scarica elettrica, egli provò che gli esperimenti elettrici eseguiti in
laboratorio erano direttamente legati agli eventi naturali su larga scala. Da allora in poi qualunque scienza
generale della natura che non includesse l’elettricità sarebbe stata incompleta.
Inoltre col parafulmine era la prima volta che la ricerca nella scienza portava a una invenzione pratica,
tecnologica, con importanti conseguenze.
Bacone aveva ragione quando previde che la conoscenza scientifica pura avrebbe portato gli uomini ad
applicazioni pratiche che avrebbero consentito loro di controllare l’ambiente.
Un contributo fu anche l’introduzione di termini di comune uso in elettricità: più e meno, positivo e negativo,
batteria elettrica e molti altri.
I suoi contributi sono sati ricordati dal mondo scientifico con l’unità di misura della carica elettrica nel sistema
dei sottomultipli (C.G.S.): il franklin, un sottomultiplo del coulmb.
Dopo la sua teoria sull’elettricità, questa divenne effettivamente una scienza; l’elettrostatica3 era la prima
disciplina scientifica che nasceva dopo Newton.
oggi, grazie anche ai suoi progressi, può essere definita come “lo studio dei campi elettrici prodotti da
cariche ferme e degli effetti di queste cariche sulla materia”.
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