Il Superuovo

La pila di Volta e i suoi 221 anni vissuti fra auto e telecomandi

La pila di Volta e i suoi 221 anni vissuti fra auto e telecomandi

La pila voltaica è senza dubbio una delle invenzioni più importanti dell’era moderna. Il nostro almanacco http://www.mondi.it/almanacco/voce/308003 ci ricorda del suo 221esimo compleanno.

Alessandro Volta (fonte: focus.it)

Le batterie sono presenti ovunque nella nostra vita: automobili, apparecchi elettronici, impianti e chi più ne ha più ne metta. Ma come fanno delle scatole o cilindri che siano, a produrre elettricità? Scopriamolo insieme.

Telecomandi e differenze di potenziale

Quante volte da piccoli vi è capitato di provare a cambiare canale e dover premere due, tre, quattro volte il bottone senza risultato. Allora arrivava vostra sorella maggiore che con il suo solito ceffo di superiorità vi diceva:-Devi cambiare le batterie, idiota-. Dopo una bella linguaccia aprivate il retro del telecomando per fare il cambio e tornare a guardare il vostro cartone, film o documentario che fosse. Adesso come allora, se aprite il vostro telecomando, trovate la stessa situazione. Le pile sono messe in un certo verso, l’una opposta all’altra, e la parte piatta poggia su una piccola molla, oppure su una piastrina di metallo, mentre l’altra su un supportino che si incastra con la sua forma. Perché vanno messe proprio in quel modo e non funzionano al contrario? Semplice. Quando inseriamo la pila il suo polo negativo, ossia la parte liscia, deve essere messo a contatto con del metallo, mentre il polo positivo deve toccare un altro positivo. Il polo positivo e il polo negativo, detti catodo e anodo, sono infatti il punto di partenza e di arrivo della corrente che deve circolare nel telecomando per farlo funzionare. Guardiamo il tutto da un punto di vista più facile. Siete al mare e state giocando con le biglie. Fate una cunetta con la sabbia, più alta rispetto al resto, e poco più avanti un buco, in cui finiranno le vostre biglie. Scavate la vostra pista e spargete qui e lì dei bastoncini, che le vostre biglie faranno cadere o sposteranno nel corso del loro tragitto. Poggiate una biglia sulla cunetta e questa comincia a rotolare: prima scende dalla cunetta, poi prende velocità, fa cadere i bastoncini sul suo percorso e finisce nel buco. Ogni volta che premete un tasto sul telecomando questo è ciò che accade: dalla vostra pila parte una certa quantità di corrente, che aziona il tasto (fa cadere il bastoncino) per poi finire all’altro capo della pila. Qui la domanda sorge spontanea. Se le biglie vanno da sole dalla cunetta al buco, quindi il pulsante del telecomando si attiva quando io lo premo, a cosa servono le pile? La pila è letteralmente la vostra mano che, presa la pallina dal buco, la rimette in cima alla cunetta. Le pile lavorano letteralmente come dei trasportatori di cariche. Questo perché se ci si limita a far correre le biglie giù dalla cunetta senza toglierle dal buco, prima o dopo si formerà una cunetta di biglie, il buco sarà coperto e nessuna biglia potrà più entrarci. Allora il nostro circuito non avrebbe più senso, e il telecomando non funzionerebbe. Le pile si occupano di creare e mantenere quella che si chiama “differenza di potenziale”, il nostro dislivello di altezza fra la cunetta e la buca. Dopo un pomeriggio passato a rimettere la biglia sulla cunetta avrete il braccio stanco e vi servirà un bel bicchier d’acqua con un gelato per rinfrescarvi e mettervi in forze. Lo stesso accade per le pile, che hanno bisogno, se possibile, di essere ricaricate di tanto in tanto. Quelle che noi utilizziamo nei telecomandi sono un esempio di pile agli ioni di litio, che hanno un funzionamento leggermente più complesso rispetto a quello della pila voltaica. La ricerca sulle batterie agli ioni di litio è valso a Goodenough, Whittingham e Yoshino il premio nobel per la chimica 2019.

Tra le linee dell’alta tensione e il suo c’è un altissima differenza di potenziale. Per questo è pericolosissimo tenere una mano su un cavo mentre si tocca per terra (fonte: pexels)

La pila di Volta fatta in casa

Come potete ben immaginare, la pila di Volta era ben diversa da quelle che ci troviamo di fronte ogni giorno. Il principio però era e rimane lo stesso. Diamo uno sguardo al passato per vedere come Volta fece le cose. Volta svolse le sue ricerche in contrapposizione alle idee di Luigi Galvani. Questi, famoso medico bolognese, ideò il concetto di “elettricità animale”. Secondo questa idea gli animali erano portatori e diffusori di cariche elettriche. Famosi divennero poi gli esperimenti del nipote, Giovanni Aldini, che viaggiò in tutta Europa mostrando macabri esperimenti su carcasse di animali e come esse si muovessero stimolate dall’elettricità. La leggenda vuole che a Londra, durante una dimostrazione fatta su un cadavere, Aldini ispirò niente meno che Mary Shelley. Ma torniamo a Volta: egli condusse esperimenti con diversi tipi di materiali, noti fin dall’antichità per avere interazioni con l’elettrostatica. Usò il vetro, la resina e anche le pellicce di animali. Dopo qualche tempo si accorse che per apprezzare gli effetti di un passaggio di elettricità la chiave erano i metalli. Quante volte vi è capitato, durante noiose ore di lezione, di spezzettare un foglio di carta e sfregare la biro di plastica sui vostri vestiti fino a che i piccoli frammenti non venivano mossi per la vicinanza con la penna? Volta partì dallo stesso principio. Conoscendo gli effetti dell’elettrostatica, fece dei dischi di diversi materiali e cominciò ad impilarli con combinazioni differenti, fino ad ottenere ciò che cercava. La prima pila che presentò al pubblico era composta da un disco di zinco, un disco di feltro imbevuto in una soluzione salina, un disco di rame, poi di nuovo zinco e così via. I metalli facevano la parte di anodo e catodo, mentre la soluzione salina permetteva la circolazione delle cariche. A onor del vero Volta sfruttò il concetto di cella galvanica, scoperto appunto da Galvani, per costruire la pila. Già Galvani aveva infatti scoperto l’utilità di collegare metalli differenti tramite una soluzione salina. Volta ne miglioro l’efficienza e decise di impilare queste strutture, da cui il nome “pila”. Per chi non credesse alla semplicità di questo esperimento, è sufficiente seguire uno dei migliaia di tutorial presenti su internet e provare in casa a creare una cella galvanica o anche una pila. Sono sufficienti delle monetine da 1/2/5 cent, della carta assorbente e dei fogli di alluminio da cucina, o qualsiasi tipo di metallo zincato.

Le batterie della auto usano il principio scoperto da Volta. Bisogna sempre fare attenzione a collegare bene i morsetti o si rischia di danneggiare e far esplodere la batteria (fonte: pexels)

Elettrochimica e altre stranezze

Come avrete capito, dietro le pile e le batterie c’è sempre lei: la chimica. Ci sono interi corsi universitari dedicati all’elettrochimica, ma senza addentrarci in dettagli tecnici, possiamo fare un semplice riassunto di quanto sia importante questa materia. Innanzitutto bisogna rifarsi al concetto della pila e della biglia. Se noi usiamo l’energia dei nostri muscoli per poter rimettere la biglia al suo posto sulla cunetta, quale energia usano le pile e le batterie? Come avrete intuito, si tratta di energia chimica. All’interno della pila di Volta, come all’interno di ogni pila odierna, avvengono delle reazioni chimiche. In particolare, sono delle reazioni di ossidoriduzione. Per dirla in modo semplice, queste sono reazioni in cui gli elettroni, che possiamo sempre pensare come le nostre biglie, scappano da un elemento per andare verso un altro che a loro aggrada di più. Come una folla di paparazzi che passa da una celebrità di medio livello ad una stella di Hollywood. In condizioni normali ai fotografi sarebbe bastato girare intorno ad un qualsiasi personaggio di una serie tv, ma quando si trovano vicino una star di un film di Tarantino, la maggior parte di loro non ci pensano due volte a cambiare obiettivo. Ebbene, tra i metalli ci sono attori mediocri, ma anche degli analoghi di Meryl Streep o Anthony Hopkins. E quale paparazzo non vorrebbe una foto di Hannibal Lecter. Tornando alle nostre reazioni, quello che accade è esattamente questo: a partire da uno dei due poli della pila, un flusso di elettroni si fionda verso l’altro. La differenza di “energia chimica”, e qui chiedo agli amici chimici di passarmi il termine senza dovermi addentrare nei meandri dei potenziali, fra i due elementi, viene convertita in questa corsa di elettroni. Come detto prima gli elettroni che si spostano mantengono la differenza di potenziale ai due capi del nostro circuito, così che le biglie possano continuare a rotolare ancora e ancora e ancora. Almeno finché la batteria non si scarica. In effetti, come è facile intuire, ad un certo punto questa energia chimica viene meno, e quando i paparazzi sono tutti spostati sul nostro attore più famoso, non c’è più nulla che faccia funzionare la pila. Le batterie delle macchine allo stesso modo di tanto in tanto vanno sostituite, anche se durano molto di più di quanto non dovrebbero. Nelle automobili infatti una parte dell’energia ricavata dalla benzina o dal gasolio viene usata per invertire le reazioni delle pile, riportando i nostri elettroni paparazzi verso un attore meno conosciuto, così da poter avere più tempo prima che tornino tutti addosso a Meryl Streep. Per gli appassionati di serie tv, quello che accade nella puntata di Breaking Bad in cui Walt si trova costretto a creare una batteria dal nulla, è possibile e realistico. Ovviamente la scelta dei metalli e dei materiali è fondamentale. Scegliere una coppia di metalli piuttosto che un’altra influenza durata e potenza della pila. Non tutti i materiali sono adatti, come ci insegna Volta, e non tutte le combinazioni sono vincenti. Così come alcuni tipi di ponte salino sono più efficaci di altri. Nelle auto viene usato l’acido solforico, mentre in casa si può usare l’acqua con del sale da cucina. Ancora una volta la chimica ci insegna che, dalle cose più semplici, si possono ricavare le spiegazioni più strabilianti.

Le reazioni di combustione sono anch’esse delle ossidoriduzioni (fonte: pexels)

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