Il prototipo della Pila è formato da elementi simili tra loro, elementi voltaici, sovrapposti fino a formare una colonna. Ciascun elemento voltaico è costituito da un disco di rame e da uno di zinco, uniti da uno strato di cartone o feltro, imbevuto di acido solforico. In sostituzione al rame si può utilizzare anche l’argento, mentre lo zinco può essere sostituito dallo stagno. La pila di Alessandro Volta può quindi essere considerata una colonna di celle galvaniche collegate in serie.
Approfondimento
L’invenzione della Pila è da attribuirsi allo scienziato Alessandro Volta (1745-1827), che riprende alcuni studi effettuati in precedenza da Luigi Galvani, e si basa sul presupposto che aumentando i contatti metallici cresce in maniera proporzionale il fenomeno elettrico.
La pila funziona con il collegamento degli estremi tramite un conduttore elettrico che riesce a creare un circuito nel quale scorre corrente continua. Per mantenere il flusso di corrente continua è necessario mantenere una differenza tra i due poli opposti, e proprio a questo serve la Pila, che è il primo generatore di elettricità inventato nella storia. È necessario ricordare che non tutti i metalli presentano lo stesso legame con il nucleo. In alcuni di essi, come per esempio lo zinco, gli elettroni sono legati in modo più debole con il nucleo.
Per questo, se proviamo a collegare una barretta di zinco con una di rame, avviene un passaggio di elettroni dal primo al secondo. Se nello zinco si verifica un difetto di elettroni, nel rame vi è un eccesso. Alla luce di questo lo zinco rappresenta il polo negativo, mentre il rame sarà il polo positivo. Il passaggio di elettroni dura poco, fino a quando non si raggiunge una situazione di equilibrio. Questo fenomeno di scambio di elettroni e le sue conseguenze viene denominato “Effetto Volta”.
I due elettrodi di carica opposta generano una corrente elettrica di verso opposto. La soluzione elettrolitica contenuta negli elementi voltaici (acqua e acido solforico) contribuisce a creare un’energia chimica che consente un flusso di corrente continua. Tale flusso produce energia elettrica in grado di tenere accesa una lampadina. Le due barre di metallo (di zinco e rame) sono gli elettrodi della Pila: polo negativo (catodo), e polo positivo (anodo).
In particolare, all’anodo di ogni elemento (in zinco) avviene la seguente semireazione di ossidazione alla quale compete un potenziale di elettrodo pari a -0,76 V.
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
Lo zinco cede due elettroni e passa da Zn metallico a Zn2+, questi elettroni contrariamente a quanto si possa pensare non passano al rame, che serve solo per creare la differenza di potenziale, ma passano allo ione ossonio H3O+ formatosi dalla dissociazione ionica dell’acido solforico in acqua, che si trasforma in idrogeno molecolare gassoso H2. Alla semireazione di sviluppo di idrogeno è associata un potenziale di elettrodo pari a 0 V.
L’esperimento di Volta si basa sull’osservazione del flusso elettrico tramite la contrazione dei muscoli di una rana morta, cui vengono applicati due elettrodi collegati alle parti estreme della pila. Il fenomeno osservato prende il nome di “galvanismo”.
Alessandro Volta costruisce il primo prototipo della Pila nel mese di dicembre 1799, ma su questo non si hanno informazioni precise e non viene esposta la realizzazione di un modello concreto. L’invenzione venne annunciata in una lettera rivolta a Joseph Banks, presidente della Royal Society di Londra, datata 20 marzo 1800, in cui lo stesso Volta ne dà anche la prima descrizione. Nel 1801 lo scienziato mostra la pila a Napoleone Bonaparte, presso l’Institut de France.
Volta riceve una medaglia d’oro per la sua geniale scoperta, ed anche una discreta somma di denaro.
Inizialmente la scoperta di Volta viene denominata “apparecchio elettromotore” oppure “organo elettrico artificiale”, poi le viene attribuito il nome di “Pila” per via della sua struttura caratteristica. Questo nome è rimasto in italiano a designare genericamente tutte le batterie per apparecchi elettrici, indipendentemente dalla loro forma.
Prima dell’invenzione della pila erano note apparecchiature come la bottiglia di Leida, che fornivano solo una scarica elettrica di durata brevissima e necessitavano di essere caricate prima di ogni uso. La pila era invece di per sé un generatore di tensione: con essa il mondo scientifico ebbe a disposizione per la prima volta uno strumento in grado di produrre corrente intensa in modo ininterrotto.
Nel 1800, pochi mesi dopo l’annuncio dell’invenzione, William Nicholson e Anthony Carlisle, che furono fra i primi ad apprenderne per mezzo dello stesso Banks e prima ancora che la Royal Society ne fosse messa al corrente, riprodussero la pila e se ne servirono per realizzare l’elettrolisi dell’acqua, ottenendo i gas idrogeno e ossigeno.
Grazie alla pila furono anche resi possibili i primi tentativi di trasmettere segnali per mezzo del telegrafo elettrico.
