Franz Aepinus, nel suo studio sull'interazione elettrica tra particelle di materia comune, ha fatto un passo fondamentale nella comprensione dei fenomeni elettrici, ma al contempo ha introdotto delle difficoltà teoriche che non sono state immediatamente risolte. Il punto centrale della sua teoria si basa sull'idea che la materia comune si respinga elettricamente. Questa conclusione si sviluppa come una deduzione matematica partendo dalle sue ipotesi fisiche, specificamente dalla teoria del fluido elettrico, che in parte rifletteva la teoria di Benjamin Franklin.

Aepinus, seguendo il ragionamento di Franklin, non solo ha accettato l'esistenza di una forza di repulsione tra particelle di materia comune, ma ha anche cercato di dedurla come una conseguenza logica di una serie di ipotesi fisiche. La chiave del suo approccio è l'assunzione che le particelle della materia comune interagiscano elettricamente tra loro. Da questa ipotesi fisica, che costituisce la base di tutti i suoi calcoli, Aepinus ha applicato la matematica per ottenere un risultato: la materia comune respinge la materia comune. La repulsione, sebbene originariamente espressa in termini fisici, è stata formalizzata attraverso una deduzione matematica che ha un aspetto fondamentale: la teoria era una sintesi tra intuizioni fisiche e formalismo matematico.

Il contributo significativo di Aepinus fu quello di combinare fisica e matematica in una nuova forma di esplorazione scientifica. Tuttavia, la sua conclusione ha sollevato una contraddizione irrisolta con la teoria gravitazionale di Newton, che postulava una forza di attrazione universale tra le masse. Aepinus riconosceva questo conflitto, ma cercava di minimizzarlo argomentando che la repulsione elettrica che aveva identificato non avrebbe avuto alcun effetto significativo quando i corpi si trovano nel loro stato naturale, e che altre forze, come la gravitazione, avrebbero prevalso su di essa.

Il tentativo di Aepinus di conciliare la forza di repulsione elettrica con la legge gravitazionale di Newton, tuttavia, non è riuscito a risolvere il problema fondamentale: la coesistenza di due forze contrapposte, l'attrazione gravitazionale e la repulsione elettrica, che sembravano non poter essere spiegate dalla stessa teoria fisica. Per risolvere questa difficoltà, Aepinus si distaccò dalla dottrina dell'azione a distanza, sostenendo che né la forza di repulsione né quella di attrazione gravitazionale fossero forze intrinseche alla materia, ma piuttosto effetti causati da agenti esterni. Questi meccanismi invisibili, che agiscono sulla materia comune, avrebbero creato le forze percepite. Tuttavia, tale approccio non trovò una base solida, in quanto introdusse entità e meccanismi al di fuori del suo quadro matematico originario, sollevando interrogativi sul suo valore esplicativo.

L'incapacità di Aepinus di risolvere questa contraddizione all'interno di un quadro puramente matematico evidenziò un limite nel suo approccio alla matematizzazione della fisica. La sua teoria, pur essendo un notevole passo avanti rispetto alla concezione di Franklin, non poteva essere applicata senza sollevare importanti problematiche teoriche, specialmente per quanto riguardava l'interpretazione fisica delle forze coinvolte.

La repulsione tra particelle di materia comune, anche se dedotta matematicamente da Aepinus, non fu immediatamente accettata da tutti i filosofi naturali dell'epoca. Ad esempio, Jan Hendrik van Swinden criticò la deduzione di Aepinus, sostenendo che questi avesse omesso un fattore cruciale nel calcolo delle forze in gioco. Secondo Swinden, la forza di repulsione tra le quantità di fluido elettrico nei due corpi doveva essere considerata due volte, poiché la forza di repulsione operava in entrambe le direzioni. Pertanto, secondo Swinden, l'equazione che Aepinus aveva sviluppato non era corretta, e la repulsione tra le particelle non poteva essere dimostrata matematicamente.

La critica di Swinden, pur non risolvendo il conflitto tra la teoria di Aepinus e quella di Newton, mette in evidenza una difficoltà metodologica: la traduzione di espressioni matematiche in linguaggio fisico non è sempre così immediata e diretta come potrebbe sembrare. L’interpretazione delle forze fisiche, infatti, dipende dalle assunzioni di base e dai modelli teorici adottati, e ogni errore nelle ipotesi iniziali può portare a conclusioni erronee o parziali.

In definitiva, la teoria di Aepinus, pur rappresentando un avanzamento significativo nella comprensione delle interazioni elettriche, mette in evidenza alcune delle difficoltà intrinseche nel tentativo di combinare matematica e fisica in un’unica teoria unificata. La contraddizione tra la repulsione elettrica e l'attrazione gravitazionale rimase irrisolta e contribuì a stimolare ulteriori sviluppi nella ricerca scientifica, portando a una maggiore consapevolezza delle limitazioni delle teorie fisiche dell'epoca e della necessità di nuovi approcci teorici per spiegare fenomeni complessi come l'interazione tra forze opposte.

Qual è l'effetto delle forze elettriche nelle molecole e nei corpi carichi?

Nel contesto della teoria delle forze elettriche, è fondamentale comprendere come i corpi e le molecole interagiscono in presenza di fluidi elettrici. Immaginando due corpi carichi, A e B, separati da una distanza e circondati da molecole elettriche, possiamo analizzare il comportamento delle forze repulsive e attrattive che determinano il movimento delle molecole e, di conseguenza, il comportamento del fluido circostante. L’interazione tra queste forze è influenzata dalla vicinanza e dalla distribuzione della carica elettrica tra le varie parti di un corpo.

Ad esempio, supponiamo che una molecola D sia posizionata tra i corpi A e B, con una parte di A, chiamata AB, avente una carica differente rispetto alla parte AC. Se la molecola D rimane ferma, questa subirà una forza attrattiva verso AB, che prevale sulla forza repulsiva proveniente da AC. Tuttavia, se la molecola D inizia a muoversi, potrebbe essere attratta ancora di più dal corpo A, a seconda della distribuzione delle cariche elettriche. In generale, l'effetto di queste forze può manifestarsi in vari modi: una molecola può essere attratta da un lato e respinta dall'altro, o rimanere immobile su un lato mentre viene attratta o respinta sull'altro.

Un aspetto interessante di questa teoria è legato all’esperimento del barattolo di Leyden, un dispositivo che consente di osservare il comportamento delle forze elettriche in un corpo carico. Dopo aver caricato il barattolo di Leyden, sollevandolo mediante un filo di seta e lasciandolo sospeso nell'aria, si può osservare come la superficie esterna del barattolo non mostri segni di elettricità. Questo implica che la superficie esterna del barattolo si comporta come se fosse nel suo stato naturale, senza attirare né respingere il fluido circostante. Tuttavia, la superficie interna, che è elettrificata positivamente, respinge il fluido, come si può verificare avvicinando un dito alla parte interna del barattolo e notando l’emissione di una scintilla. Questo fenomeno dimostra come le forze di repulsione e attrazione agiscano in modo diverso a seconda della posizione e della carica dei corpi.

Un altro aspetto fondamentale da considerare riguarda l'equilibrio delle forze elettriche all'interno di un corpo carico. Se, per esempio, una parte del corpo A (AC) contiene un eccesso di fluido elettrico mentre un'altra parte (AB) ha una carenza di fluido, la molecola D sarà attirata da AB e respinta da AC. In altre parole, la distribuzione non uniforme del fluido elettrico all'interno del corpo provocherà una spinta verso una delle due aree, portando il corpo a un tentativo di riequilibrio. Questo riequilibrio si manifesta con il passaggio del fluido da una parte all'altra, cercando di uniformare la distribuzione delle cariche.

Quando il fluido non è distribuito uniformemente in un corpo o quando una parte di esso è più carica di un’altra, l'effetto delle forze elettriche diventa più complesso. In questi casi, le molecole o i corpi stessi possono manifestare movimenti più complessi e imprevedibili. Se, ad esempio, la parte AC di un corpo è significativamente più grande di AB, il fluido in eccesso nella parte AC tenderà a muoversi verso la parte AB, fino a raggiungere un equilibrio, ma il comportamento esatto dipenderà dalla disposizione e dalla natura del fluido stesso.

Un altro concetto fondamentale da comprendere riguarda la velocità con cui questo riequilibrio avviene. Se un corpo è "idioelettrico" (cioè non conduttore), il fluido si distribuirà lentamente fino al raggiungimento dell'equilibrio. Al contrario, se il corpo è un buon conduttore, il fluido si distribuirà rapidamente e uniformemente. Questo comportamento dipende dalle caratteristiche fisiche del corpo, come la sua capacità di condurre l’elettricità e la facilità con cui il fluido elettrico può passare attraverso di esso.

Infine, va notato che, sebbene le interazioni tra cariche e fluidi elettrici possano sembrare complesse, esse seguono leggi universali che si applicano a tutti i corpi elettrificati. La comprensione di queste leggi è essenziale non solo per gli esperimenti pratici ma anche per una visione più profonda del comportamento delle forze naturali che regolano l’elettricità. Ad esempio, la teoria di Franklin sulle cariche elettriche, che descrive come un corpo possa avere una parte più elettrificata dell’altra, offre una base per comprendere esperimenti come quello del barattolo di Leyden, dove l'interazione tra carica positiva e negativa determina il movimento e la distribuzione del fluido elettrico.

L'importanza di questi concetti non si limita a un solo campo di studio. L'elettricità, come forza naturale, ha implicazioni vastissime, che spaziano dall’ingegneria all’elettronica, e una comprensione profonda delle sue leggi è fondamentale per ogni scienziato e ricercatore in questi ambiti.

Come Coulomb ha scoperto la legge dell'inverso del quadrato nelle forze elettriche

Nel 1785, l’Académie Royale des Sciences di Parigi ha ricevuto un’importante scoperta che ha cambiato il corso delle scienze fisiche. Fu il celebre esperimento di Coulomb a rivelare una delle leggi fondamentali dell'elettricità: la forza di attrazione e di repulsione tra corpi elettrificati segue la legge dell'inverso del quadrato della distanza. In altre parole, come la forza gravitazionale, la forza elettrica diminuisce all’aumentare della distanza tra i corpi, seguendo un rapporto inversamente proporzionale al quadrato di tale distanza.

Coulomb realizzò questo esperimento utilizzando un dispositivo estremamente sofisticato, il quale permetteva di misurare con precisione le forze di torsione in un filo metallico. La torsione si verifica quando un filo viene ruotato, creando una forza che tenta di riportarlo alla sua posizione di equilibrio. Questo principio fisico fu utilizzato da Coulomb per misurare le forze di interazione tra due corpi elettricamente carichi. Il suo dispositivo era composto da un cilindro di vetro (ABCD) con una piastra di vetro sopra, sulla quale era fissata una piccola sfera collegata a un filo metallico sospeso. La torsione del filo era un indicatore preciso dell’intensità della forza elettrica tra le sfere.

Nel corso dell’esperimento, Coulomb fece ruotare lentamente la parte superiore del dispositivo, alterando la distanza tra le due sfere cariche. Quando le sfere venivano caricate elettricamente, si osservava una repulsione reciproca, con un angolo di torsione misurato dal dispositivo. A una distanza iniziale, l’angolo di torsione era di 36°, e al momento in cui la distanza tra le sfere veniva dimezzata, l’angolo di torsione aumentava a 144°, dimostrando una correlazione tra la forza di repulsione e la distanza tra gli oggetti.

Coulomb non si limitò a misurare le forze di repulsione; estese le sue osservazioni anche alle forze di attrazione tra corpi di carica opposta. In uno dei suoi esperimenti, dove una sfera era caricata positivamente e l'altra negativamente, notò che la forza di attrazione seguiva lo stesso comportamento della forza di repulsione, diminuendo all’aumentare della distanza tra le due sfere. Questi risultati, ottenuti con un livello di precisione senza precedenti, portarono alla formulazione della legge che oggi conosciamo come la legge di Coulomb.

La legge dell’inverso del quadrato si applica a tutte le forze che seguono la stessa natura di interazione, come la gravità o le forze elettromagnetiche. Nel caso specifico, Coulomb riuscì a stabilire che la forza tra due corpi carichi elettricamente è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro, cioè se la distanza tra due corpi si raddoppia, la forza si riduce a un quarto, se la distanza triplica, la forza si riduce a un nono, e così via.

Un aspetto fondamentale della legge di Coulomb è che la forza elettrica non è solo dipendente dalla distanza, ma anche dalla quantità di carica elettrica sui corpi. La forza di attrazione o repulsione tra due cariche è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di esse.

Coulomb perfezionò il suo dispositivo e le sue metodologie sperimentali, migliorando costantemente la precisione delle sue misurazioni. Questo approccio rigoroso gli permise di formulare una legge universale che è ancora oggi alla base della nostra comprensione dei fenomeni elettromagnetici.

Oltre alla fondamentale scoperta della legge dell'inverso del quadrato, Coulomb ha contribuito anche alla comprensione di altri fenomeni legati all’elettricità, come la capacità di materiali di isolare cariche elettriche e la definizione di unità di misura per le forze elettriche. La precisione e l'affidabilità dei suoi esperimenti hanno gettato le basi per lo sviluppo delle teorie elettromagnetiche moderne.

Coulomb stesso ha suggerito che il fenomeno elettrico si comporta in modo simile alla gravitazione, ma con una peculiarità fondamentale: le cariche dello stesso segno si respingono, mentre le cariche di segno opposto si attraggono. Questo principio fu una pietra miliare nello sviluppo della teoria elettromagnetica, che più tardi avrebbe portato alle leggi di Maxwell e alla formulazione del campo elettromagnetico.

L’approfondimento dei lavori di Coulomb, inoltre, ha permesso a scienziati successivi di migliorare la comprensione dei fenomeni elettrostatici e di applicarli in vari ambiti, dalla tecnologia alle telecomunicazioni, fino alle moderne applicazioni industriali. La legge di Coulomb è alla base della nostra comprensione delle forze che governano la materia a livello microscopico e continua a essere applicata in numerosi settori scientifici e tecnologici.

Oltre a comprendere i dettagli tecnici degli esperimenti, è fondamentale che il lettore consideri la portata storica di questa scoperta. La metodologia scientifica rigorosa adottata da Coulomb ha segnato un importante passo verso l’approccio quantitativo della fisica, ponendo le basi per una misurazione precisa e universale delle forze. È proprio questa capacità di misurare e descrivere in termini matematici che ha reso le scoperte di Coulomb così rivoluzionarie, aprendo la strada a numerose innovazioni nel campo delle scienze fisiche e applicate.

L'effetto dell'elettrificazione nei corpi minerali: il caso della Tormalina e dei fenomeni termoelettrici

Nei corpi vetrosi e resinosi, possiamo anche elettrizzarli fino a un certo punto per comunicazione. Tuttavia, per ottenere questo, è necessario esporre successivamente tutte le parti della loro superficie all'azione immediata di un corpo già elettrizzato. Se vogliamo che perdano rapidamente la loro carica, dobbiamo applicare immediatamente a tutta la superficie il contatto con un corpo non elettrico, in modo che, se ci limitiamo a toccarli in intervalli con il dito, solo la parte toccata si scarichi. Questo effetto deriva dalla difficoltà che il fluido elettrico incontra nel muoversi all'interno dei pori delle sostanze vetrificate e resinosi, un fenomeno che evidenzia un'analogia molto diversa rispetto a quella che possiamo osservare tra il fluido elettrico e la materia del calore.

Tra i fenomeni di questo tipo, ce n'è uno che ha suscitato una curiosità particolare nei fisici: quello che si ottiene con l'ausilio di alcune sostanze minerali. È stato scoperto che alcune di queste sostanze, come la Tormalina, comunemente caratterizzate da una forma prismatico-allungata, si elettrizzano molto sensibilmente semplicemente con il calore, senza la necessità di frizione. Così, un lato della pietra diventa carico positivamente e il lato opposto carico negativamente. Tutte le pietre che possiedono questa proprietà appartengono alla stessa tipologia, come ho potuto osservare personalmente, e hanno una struttura simile. Un'eccezione a questa regola è rappresentata dalle due gemme conosciute con il nome di Topazio e Rubino brasiliano, che si elettrizzano anch'esse con il calore, ma appartengono a un tipo diverso rispetto alla Tormalina. Tuttavia, entrambe presentano una relazione strutturale: alcune facce delle loro molecole sono disposte parallelamente all'asse del cristallo, il che fa sì che la pietra abbia punti di separazione continui in questa direzione, la stessa che il fluido elettrico sembra seguire quando fluisce da una parte all'altra del cristallo.

Un esperimento semplice, che uso per le mie ricerche elettriche sulla Tormalina, prevede l'uso di un ago di filo di ottone che termina con due piccole sfere e ruota liberamente grazie a una vite montata su un perno dello stesso materiale, non isolato. Ad esso è attaccato un bastoncino di cera spagnola alla cui estremità è legato un filo di seta molto sottile. Quando la Tormalina è stata riscaldata, comincio l'esperimento avvicinandola a uno degli estremi dell'ago, e valuto che abbia raggiunto la giusta temperatura quando inizia a esercitare un'attrazione visibile sull'ago. Successivamente, sfrego ripetutamente il bastoncino di cera su un panno, con il quale, grazie a questo processo, l'estremità del filo di seta si carica negativamente. A questo punto, alterno gli estremi della Tormalina a questo filo, mantenendo l'asse della pietra il più possibile parallelo al filo. E costantemente uno degli estremi della Tormalina respinge il filo, mentre l'altro lo attrae.

Gli esperimenti sulla Tormalina hanno suscitato l'interesse di diversi studiosi eminenti, come i signori Lechman, Daubenton e Adanson, ma nessuno si è occupato di questo fenomeno come Benjamin Wilson, che nel 1756 pubblicò un memoir su questo argomento nell'Accademia di Berlino. Wilson evidenziò l'esistenza di due elettricità distinte, positiva e negativa, che si manifestano nella Tormalina. Inoltre, scoprì che se la pietra veniva posta su un metallo molto caldo o su una brace ardente, si elettrizzava nella direzione opposta, in modo che il lato normalmente positivo diventava negativo e viceversa. Tuttavia, dopo pochi istanti, la pietra tornava al suo stato originario. Secondo Wilson, questo cambiamento nello stato elettrico era dovuto al fatto che le diverse parti della Tormalina si riscaldano in modo disomogeneo, causando una deviazione nel movimento interno e nel comportamento del fluido elettrico. Aepinus, che ha condotto esperimenti simili, ha affermato che il riscaldamento irregolare della pietra provoca effetti contraddittori, a seconda della parte più calda della Tormalina, che risulta elettrizzata in modo diverso da quanto previsto inizialmente.

Nel corso dei miei esperimenti, ho osservato che la Tormalina, dopo essere stata rimossa dal fuoco, a volte continuava a mantenere la capacità di respingere un filo di seta caricato negativamente, anche se la pietra aveva già perso il suo calore. Questo fatto suggerisce che diverse modifiche accidentali nel comportamento del fluido elettrico si possano verificare in seguito a variazioni di calore e di espansione nelle densità del fluido contenuto nel cristallo.

Nel mio studio, ho cercato se altre sostanze minerali, tra quelle che non appartengono allo stato metallico, potessero manifestare lo stesso effetto della Tormalina. Ho trovato che solo la Calamina cristallizzata condivideva questa proprietà con la Tormalina. La Calamina, pur appartenendo al genere dello zinco, che è un semimetallo, mostra un comportamento termoelettrico simile a quello della Tormalina. Sebbene non sia mio obiettivo entrare nei dettagli descrittivi di queste sostanze, posso suggerire ai naturalisti di consultare gli "Annali dell'Accademia delle Scienze" per l'anno 1785, dove sono riportate ulteriori osservazioni su questi fenomeni.

L'esperimento con la Tormalina e altre sostanze minerali evidenzia la complessità delle interazioni tra il calore e le proprietà elettriche dei materiali. Mentre la comprensione di questi fenomeni richiede un'analisi approfondita delle strutture cristalline e delle loro risposte ai cambiamenti termici, è essenziale considerare le variazioni nelle condizioni sperimentali e nei metodi utilizzati, poiché anche lievi modifiche possono influire in modo significativo sui risultati.

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