Benjamin Franklin

Durante lo studio dei fenomeni meteorologici ebbe un ruolo di rilevante importanza lo studioso naturalista e politico statunitense Benjamin Franklin che naque nel 1706 a Boston e morì a Filadelfia nel 1790.

Nato in una famiglia calvinista, era destinato alla carriera ecclesiastica che dovette abbandonare per aiutare il fratello James in veste d'apprendista tipografo.

Ispirato da alcune letture di Defoe, Locke e Pascal scisse articoli anonimi sulla rivista pubblicata dalla tipografia del fratello.

Si recò a Londra per perfezionare la sua arte tipografica per poi tornare due anni dopo a Filadelfia e fondare la Saturday Evening Post.

Appassionato, oltre che di politica, di scienze fisiche e naturali si diede allo studio dei fenomeni elettrici e in particolare dei fulmini, che lo portò all'invenzione del parafulmine.

In campo politico ebbe un ruolo rilevante nel risolvere i problemi diplomatici tra la Corona inglese e le colonie americane, soprattutto quando in occasione della guerra del 1776 tra l'Inghilterra e i coloni partecipò alla dichiarazione d'indipendenza il 4 luglio.

Dallo stesso anno fino al 1785 soggiornò a Parigi come ministro plenipotenziario e si fece conoscere per le sue opere di scienziato e patriota americano.

Mentre stava in Francia come ambasciatore, seccato di dover cambiare ogni volta gli occhiali per leggere o per guardare da lontano, Franklin inventò gli occhiali con lenti bifocali che combinano cioè lenti concave e convesse per correggere sia la miopia che la presbiopia.

Tornato in Pennsylvania fu poi eletto deputato alla Convenzione Democratico e presidente di questo stato.

Alla sua morte l'America decretò in suo onore un lutto di due mesi.

Gli esperimenti e le teorie di Franklin

Franklin può essere considerato uno studioso a 360° a tutti gli effetti.

Ci concentreremo però sull'analisi di questo gran personaggio riguardo alle sue scoperte scientifiche sull'elettricità.

Fin da ragazzo Franklin era affascinato dai fenomeni elettrici e dopo approfonditi studi effettuò ricerche sul potere disperdente delle punte che mette in relazione le caratteristiche geometriche del conduttore con il suo campo elettrico. Se ad esempio si carica una sfera, la carica, per simmetria, si distribuisce uniformemente sulla superficie, cosa che non avviene su corpi di forma irregolare.

Dato che le cariche si distribuiscono in modo tale da annullare il campo interno ottenendo un valore di potenziale uguale in tutti i punti, abbiamo che nei corpi irregolari il campo non è uguale in tutta la superficie, ma nei diversi punti del conduttore esso è inversamente proporzionale al raggio di curvatura. Quindi sulle punte cariche il campo è particolarmente intenso, e tra queste e oggetti carichi elettricamente tende a formarsi una forza attrazione elettrica che può dare origine a scintille.

Una conferma di questa teoria fu presto confermata da Franklin.

Circolava in quel periodo l'idea di poter catturare la scarica del fulmine per giochi da salotto. Il      ricettore che avrebbe dovuto attrarre il fulmine avrebbe dovuto rimanere isolato per questione di sicurezza, ma Franklin non se ne preoccupò. Si aspettava che un'asta molto appuntita avrebbe portato giù il fulmine abbastanza lentamente da consentire allo sperimentatore di provvedere a mettersi al sicuro

Nel 1750 propose che una garitta contenente una sentinella isolata fosse montata su una torre o su un campanile; un'asta di ferro che si innalzava per venti o trenta piedi sopra alla garitta, avrebbe afferrato il fulmine, che la sentinella avrebbe fatto defluire sotto forma di scintille.

Il rifiuto di Franklin di vedere il pericolo che avrebbe corso la sentinella durante l'esperimento risulterebbe poco fondato se si prescindesse dalla sua fede nell'uniformità e nella benevolenza della natura. 

Il biologo svizzero Albrechr von Haller, che seguiva da vicino gli esperimenti di Franklin, aveva osservato che i fulmini amavano correre lungo i fili e le corde attaccati ai campanili delle chiese. Queste corde erano spesso tenute in mano da uomini che dovevano suonare le campane, e, spesso, durante forti temporali, i campanari rimanevano uccisi fulminati.. Questo fatto venne tenuto in considerazione da Franklin: sapeva che la sua sentinella correva un grande pericolo. Essa ritrovava infatti rispetto alla garitta e all'asta come il campanaro rispetto alla chiesa ed al campanile. Per questo, nei tentativi successivi sostituì i campanari con delle aste in metallo collegate al suolo come protezione dai fulmini.

In questa maniera le scariche elettriche provenienti dalle nubi dei temporali che venivano attratte dalle aste fortemente appuntite venivano direttamente condotte nel suolo, dove si disperdevano. Si ha quindi il primo esempio di parafulmini.

Franklin capì che i fulmini potevano essere condotti a terra per evitare pericoli per le persone anche in un altro esperimento.

Durante un temporale fece volare un aquilone ricoperto da uno strato di metallo da cui pendeva una chiave appesa ad un filo. Mentre i lampi si accendevano nel cielo in tempesta, Franklin avvicinò il pugno alla chiave e si mise ad osservare le scintille che si sprigionavano tra i due, dato che il filo bagnato aveva fatto da conduttore. Intanto la scarica elettrica attraversava il suo corpo e raggiungeva la terra, per poi disperdersi. In questa circostanza lo scienziato statunitense fu molto fortunato a non rimanere ucciso fulminato da una scarica da circa 20000 ampere ad una temperatura di 30000 °C.

La recezione delle idee di Franklin in Europa

In Francia gli studi di Franklin giunsero in un clima di tensione tra gli studiosi parigini, i quali sostenevano teorie diverse riguardanti il medesimo argomento. I due fronti erano costituiti da Nollet, con il suo protettore accademico Réamur, e da il duca di Buffon Georges-Louis Leclerc. Quest'ultimo utilizzò i testi scientifici scritti da Franklin per attaccare il rivale Nollet e metterlo in imbarazzo per le idee che andava affermando, in contrasto con le sue.

Nel 1752 Buffon presentò gli esperimenti di Franklin al re di Francia e gli mostrò, in una zona poco lontana da Parigi, un'applicazione pratica delle teorie dello scienziato statunitense.

A Marly-la-ville, aiutato dai suoi assistenti, Buffon fece piantare un'asta metallica appuntita nel terreno e, in un giorno di temporale, si recò sul posto per effettuare la sua dimostrazione. Al momento della scarica, il suo aiutante Dalibard era pronto ad avvicinarsi all'asta con un filo di ottone; quando l'asta attrasse il fulmine si notò che tra il filo e questa scaturivano delle scintille.

Si notarono quindi le prime scintille che l'uomo aveva mai attirato intenzionalmente dal cielo.

Iniziò così la "corsa" alla cattura dei fulmini, in cui molti scienziati rimasero uccisi; fu anche l'occasione per molti studiosi di notare che per attrarre le scariche elettriche dalle tempeste non erano necessarie delle superfici per forza appuntite.

I frankliniani rivolsero la loro attenzione sullo studio di mezzi adatti alla protezione dai fulmini.

Lo stesso Franklin ideò il primo modello di parafulmine, che nel corso degli anni, fino ad aggi, verrà solo aggiornato in alcuni particolari: fece disporre a Filadelfia, dove viveva, delle corde metalliche dal tetto a terra, lungo i fianchi di alcuni edifici. Quando questi erano colpiti dal fulmine, attirato da opportune aste metalliche posizionate sul tetto, la carica sceglieva la linea di minor resistenza per raggiungere il suolo senza provocare danni, scaricandosi attraverso le corde metalliche anziché la muratura delle abitazioni.

Nel 1748 la notizia dell'esperimento effettuato in  Francia giunse anche nelle migliori università italiane, tanto che a Giambattista Beccaria, che teneva la cattedra dell'università di Torino, gli furono resi disponibili tutti i fondi ed il tempo necessari a capire e studiare l'elettricità, il nuovo ramo di scienza fisica del tempo.

Anche a Bologna i professori universitari procedettero a fare piantare dei pali nel suolo, per cercare di catturare i fulmini durante i temporali. Si scoprì ben presto che l'elettricità atmosferica poteva manifestarsi anche con un tempo sereno: nella primavera del 1752, infatti, Beccaria notò in un giorno di sole che dall'estremità di un'asta che aveva piantato nel suolo scaturivano delle scintille.

Gli studi di Beccaria si avvicinavano molto a quelli effetuati dal francese Buffon, il quale ne approfittò per sferrare un ulteriore attacco alle teorie lanciate dall'avversario Nollet.

Caratteristiche principali del parafulmine

Il parafulmine, nella sua forma più semplice è costituito da un'asta metallica verticale munita di una punta dorata o platinata per evitarne l'ossidazione, e collegata a un dispersore di terra mediante un conduttore costituito da una treccia di rame.

Il dispersore disposto in un pozzetto di terra può essere di tipo tubolare o sostituito da un insieme di piastre di rame.

Raramente un solo parafulmine è sufficiente a proteggere un edificio; generalmente si dispongono più punte tra loro collegate mediante funi, facenti capo a più pozzetti.

Per ulteriore protezione, l'interno dell'edificio viene avvolto da una rete conduttrice a maglie che collega numerose punte.

Spesso per aumentare l'efficacia dei parafulmini si dispone all'estremo delle aste una punta multipla che termina con molte punte divergenti, lunghe una decina di centimetri, e contenenti una piccolissima quantità di materiale radioattivo, che ionizza l'aria attorno alla punta creando una via preferenziale ad un eventuale fulmine, e favorisce la dispersione continua di cariche atmosferiche, impedendo l'accumulo.

Attualità

Negli USA, annualmente, cadono al suolo 20 milioni di fulmini, con un grande rischi anche per gli abitanti di quelle zone. Queste scariche elettriche atmosferiche, infatti, sono di circa 300.000 ampere; hanno inoltre una potenza media dell'ordine delle centinaia di miliardi di watt, ed un energia di diversi kWh. Quello che tutt'oggi si sta cercando di fare è di produrre delle zone preferenziali dove far cadere i fulmini, utilizzando soprattutto tecnologie basate sulla ionizzazione dell'atmosfera con tecniche laser o comunque rilevare con dei sensori particolari il luogo della loro caduta. Essi saranno poi soggetti allo studio di ingegneri che lavorano per importanti industrie elettriche in modo da poter capire come possono essere sfruttati dal punto di vista energetico i fulmini