Pila

Una pila trasforma in corrente elettrica continua le reazioni chimiche che avvengono su due elettrodi, separati da un elettrolita che conduce gli ioni. La pila di zinco, rame e salamoia di Alessandro Volta fu la prima, nel 1800, e tutte le pile e le batterie venute dopo, dal vaso del telegrafo alla batteria al litio del telefono, funzionano sullo stesso principio.

Che cos’è

Una pila immagazzina energia in forma chimica e la restituisce come corrente quando un circuito con una lampada o un altro utilizzatore ne collega i due poli. L’unità di base si chiama elemento. Ai tempi di Volta «batteria» indicava più elementi collegati, come la colonna che egli impilò nel 1800; oggi la parola si usa anche per un elemento singolo.

Prima della pila l’elettricità arrivava solo come brevi scintille; la pila dava una corrente che continuava a scorrere per ore.

Come funziona

Ogni elemento della pila ha un disco di zinco, un disco di rame e, in mezzo, un dischetto di cartone o di panno imbevuto di acqua salata. Lo zinco cede elettroni più facilmente del rame. Sul lato dello zinco, atomi di metallo passano nella salamoia come ioni e lasciano gli elettroni nel disco. Dal lato del rame, una reazione riprende gli elettroni, consumando l’ossigeno disciolto nella salamoia o liberando idrogeno. Quando un circuito esterno unisce le due estremità, gli elettroni lo percorrono dallo zinco al rame, e gli ioni che attraversano lo strato umido chiudono il circuito.

Nella pila Daniell sul recipiente si deposita rame invece di idrogeno, e la tensione resta stabile.

Una coppia zinco-rame in salamoia dà poco meno di un volt. Venti coppie in serie sommano le loro tensioni, abbastanza da pizzicare le dita bagnate: così Volta provava le sue pile. La corrente dipende dalla superficie dei dischi e dalla velocità della reazione.

Mentre la pila lavora, l’ossigeno disciolto vicino al rame si esaurisce e bolle di idrogeno cominciano a coprirlo, così la corrente cala. Il peso della colonna spreme anche la salamoia dagli strati bassi, e lo zinco si consuma. Nel 1836 John Frederic Daniell diede a ciascun metallo il suo liquido: lo zinco in una soluzione, il rame nel solfato di rame, con un setto poroso tra i due. Si deposita rame al posto dell’idrogeno, e l’elemento mantiene a lungo circa 1,1 volt.

In un accumulatore, una corrente spinta in senso opposto fa procedere la reazione all’indietro.

Come costruirla

Una piccola pila dà poca tensione e poca corrente, ma mostra bene il principio.

Servono da quindici a venti dischi di rame (vanno bene vecchie monete di rame), altrettanti dischi di zinco (lamiera di zinco o rondelle zincate), carta assorbente o cartone ritagliati un po’ più piccoli, sale, acqua, due fili isolati e, se possibile, un voltmetro.

Pulire il metallo. Strofinare ogni disco di rame con carta vetrata fine finché brilla.

Bagnare i separatori. Sciogliere due cucchiai colmi di sale in un bicchiere d’acqua e immergervi il cartone. Strizzare ogni dischetto: deve restare umido senza gocciolare. La salamoia che cola lungo la colonna mette in cortocircuito gli elementi.

Impilare sempre nello stesso ordine. Rame, separatore umido, zinco, poi di nuovo nello stesso ordine fino in cima. Non invertire mai l’ordine a metà e non lasciare che i due metalli di un elemento si tocchino oltre il bordo del separatore.

Sostenere la colonna. Tre aste di legno o di vetro fissate in una base tengono la pila dritta senza schiacciarla.

Collegare e misurare. Fissare un filo al disco di rame in basso e l’altro al disco di zinco in alto. Si ottiene poco meno di un volt per elemento. Un LED rosso richiede circa due volt e pochissima corrente: collegare la gamba lunga all’estremità di rame e quella corta all’estremità di zinco, e provarlo soltanto su quattro o cinque elementi, che dovrebbero farlo brillare debolmente. Collegato al contrario su più elementi, un LED può danneggiarsi. Quando dopo qualche ora i separatori si seccano, smontare la pila, lavare e asciugare i dischi.

Sicurezza. La pila in sé è a bassa tensione, ma un cortocircuito su una batteria potente scalda i fili fino a ustionare la pelle e fondere l’isolante: non collegare mai direttamente i poli. Non collegare mai una pila o una batteria alla rete elettrica e non tentare di ricaricarla da una presa a muro. Non aprire le batterie in commercio: gli accumulatori al piombo contengono acido solforico, che ustiona pelle e occhi, e durante la carica liberano idrogeno esplosivo; gli elementi al litio possono prendere fuoco se forati, schiacciati o messi in cortocircuito. Il solfato di rame e i sali di zinco sono velenosi: indossare guanti e occhiali, lavarsi le mani e tenere il materiale lontano dai bambini.

Storia ed evoluzione

Le zampe di rana di Galvani si contraevano ogni volta che un arco di due metalli univa nervo e muscolo.

Negli anni Ottanta del Settecento l’anatomista bolognese Luigi Galvani vide zampe di rana sezionate contrarsi quando toccavano contemporaneamente due metalli diversi. Nel 1791 pubblicò la sua teoria dell’«elettricità animale». Alessandro Volta, professore di fisica a Pavia, sosteneva che l’elettricità venisse dai metalli e che la rana la rivelasse soltanto, e volle dimostrarlo senza animali.

Prima collegò con strisce di metallo alcune tazze di salamoia, poi costruì la pila, più compatta. Il 20 marzo 1800 descrisse entrambi i dispositivi in una lettera, scritta in francese, a Sir Joseph Banks, presidente della Royal Society di Londra. La Società la pubblicò lo stesso anno con un’incisione della pila, la prima immagine stampata di una batteria.

In poche settimane William Nicholson e Anthony Carlisle usarono una pila per scomporre l’acqua in idrogeno e ossigeno. Qualche anno dopo Humphry Davy isolò sodio e potassio con grandi batterie. Napoleone assistette a una dimostrazione di Volta a Parigi nel 1801 e lo ricompensò; l’unità del potenziale elettrico, il volt, porta il suo nome.

La spirale di piombo di Planté, immersa nell’acido diluito, si poteva caricare e scaricare molte volte.

Le linee telegrafiche avevano bisogno di una corrente costante, e la pila Daniell la forniva. Nel 1859 Gaston Planté arrotolò a spirale due fogli di piombo separati da un divisorio e li immerse in acido solforico diluito. Johann Ritter aveva presentato nel 1803 una pila sperimentale capace di accumulare carica, ma quella di Planté fu la prima batteria ricaricabile pratica. Perfezionato da Camille Faure nel 1881, l’accumulatore al piombo avvia ancora la maggior parte delle automobili.

Nel 1866 Georges Leclanché costruì un elemento con una barra di zinco, una barra di carbone circondata da biossido di manganese e una soluzione di cloruro di ammonio; nel 1868 ne erano già in funzione ventimila sulle reti telegrafiche. Altri inventori addensarono poi il liquido in una pasta, e questa pila a secco alimentò le prime torce tascabili e le radio degli anni Venti. Le prime pile alcaline cilindriche in commercio arrivarono nel 1959, e le batterie agli ioni di litio entrarono in commercio all’inizio degli anni Novanta.