Come funziona la pila: storia ed evoluzione

Il genere umano ha avuto interesse per elettricità sin dall’antichità, tant’è che il termine stesso deriva dal greco antico ed è legato a un particolare tipo di ambra chiamata “elektron” (ἤλεκτρον), una resina fossile di origine vegetale. I Greci antichi infatti scoprirono che strofinando l’ambra con un panno di lana essa acquisiva la capacità di attirare piccoli oggetti leggeri come frammenti di paglia o piume, dando vita al fenomeno di elettricità statica che oggi prende il nome di elettrizzazione per strofinio e che sappiamo essere dovuto alla generazione di una carica elettrica su un determinato oggetto a seguito dello sfregamento con un altro materiale. Tuttavia, la vera rivoluzione nel campo dell’elettricità iniziò nel XVIII secolo con esperimenti come quelli di Benjamin Franklin e Coulomb, che contribuirono a comprendere le forze elettriche e le cariche elettriche e che spianarono il percorso al celebre scienziato italiano Alessandro Volta, che ha il merito di aver inventato il primo prototipo di pila e come essa funziona.

Alessandro Volta: il padre della pila

Alessandro Volta è sicuramente uno dei più eminenti scienziati italiani ed è noto tra i tanti meriti per gli studi e gli esperimenti che lo hanno portato a capire come funziona la pila e ad inventarne il primo prototipo, determinando una svolta fondamentale nello studio dell’elettricità e aprendo la strada allo sviluppo delle moderne tecnologie di accumulo di energia. Nel 1775, mentre era professore di fisica all’Università di Pavia, Volta intraprese uno studio sull’elettricità generata da diversi metalli nel momento in cui essi venivano posti in contatto tra loro, scoprendo così che, posizionando strati di diversi metalli come zinco e rame impilati uno sopra l’altro e separandoli con del tessuto umido o una soluzione elettrolitica, si generava una differenza di potenziale elettrico tra i metalli. Successivamente, nel 1800 lo scienziato italiano intraprese un altro esperimento a partire da una serie di dischi di zinco e rame separati da strati di tessuto imbevuti di soluzione elettrolitica. Una volta assemblati questi dischi in pila, alternando gli elettrodi di zinco e rame, all’estremità della pila collegò un circuito chiuso, evidenziando la formazione di corrente elettrica stabile e continua attraverso il circuito. L’etimologia del termine “pila” è legata quindi al termine latino pilum, che significa “colonna”, in riferimento proprio all’aspetto fisico dei primi dispositivi di accumulo di energia inventati da Volta, che, come appena spiegato, consistevano in una serie di dischi sovrapposti, proprio simili a delle colonne.

Come funziona la pila: il ruolo della chimica

Il modo in cui funziona la pila di Volta è un esempio di cella elettrochimica, in cui due reazioni redox tra i metalli coinvolti e l’elettrolita producono una differenza di potenziale elettrico. L’elettrolita utilizzato inizialmente da Volta era una soluzione di acqua e sale, ma oggi vengono utilizzati elettroliti più sofisticati per ottenere prestazioni migliori. I metalli coinvolti nelle reazioni redox sono usualmente zinco e rame: nel disco di zinco si verifica una reazione di ossidazione, in cui gli atomi di zinco perdono elettroni diventando ioni zinco positivi, mentre nel disco di rame avviene una reazione di riduzione, in cui gli ioni rame positivi dell’elettrolita guadagnano elettroni diventando rame solido. Durante queste reazioni redox, gli elettroni rilasciati dalla reazione all’anodo di zinco viaggiano attraverso un circuito esterno fino ad arrivare al catodo di rame, originando un flusso che costituisce la corrente elettrica generata dalla pila di Volta. Durante il loro percorso attraverso il circuito esterno gli elettroni compiono lavoro e alimentano eventuali dispositivi collegati alla pila. In particolare, senza l’elettrolita il flusso di elettroni tra l’anodo e il catodo non potrebbe avvenire in modo continuo, infatti esso funge da ponte tra l’anodo di zinco e il catodo di rame, consentendo il flusso di ioni zinco e rame che bilanciano le cariche elettriche nel circuito e mantenendo anche l’equilibrio delle cariche elettriche nella pila.

Dalle pila di Volta ad oggi

Oggi, le pile hanno subito notevoli miglioramenti rispetto alle prime pile di Volta, sia nel modo in cui funziona la pila, sia in termini di tecnologia che di prestazioni, e tutta la nostra società è basata sull’energia elettrica da esse generata. Le pile di oggi sono utilizzate in una moltitudine di applicazioni, dalla fornitura di energia per dispositivi portatili come gli smartphone fino ai veicoli elettrici. Le batterie a ioni di litio in particolare hanno rivoluzionato il settore della tecnologia portatile, fornendo una fonte di energia affidabile per una vasta gamma di dispositivi elettronici. In fine, le pile di oggi sono progettate con un’attenzione particolare alla sicurezza e sono dotate di sistemi di protezione per prevenire cortocircuiti, surriscaldamento e sovraccarichi.

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