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pila¹

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Lessico

sf. [sec. XIV; latino pīla, pilastro, colonnetta].

1) Sostegno intermedio di un ponte, detto anche pilone, realizzato con materiali diversi, che può assumere forme diverse, piene o alleggerite da aperture, con sezione studiata in relazione alla corrente nella quale è immerso.

2) Per estensione, serie di oggetti sovrapposti l'uno sull'altro. In particolare, mucchio di fogli di carta pareggiati, all'entrata o all'uscita di una macchina da stampa.

3) Dispositivo che trasforma in energia elettrica energia di altro tipo (chimica, termica, raggiante, nucleare). La forza elettromotrice fornita è sempre inferiore a 1 o 2 volt, per cui più pile vengono raggruppate in serie per fornire media e alta tensione (batterie elettriche, solari, nucleari, ecc.). Nel linguaggio comune il termine viene spesso confuso con quello di batteria.

4) In araldica, pezza a forma di triangolo isoscele con il vertice nella punta dello scudo e la base nella linea del capo.

5) In informatica, indica una lista in cui tutte le inserzioni, accessi e modifiche vengono eseguiti all'estremità superiore. L'accesso alla lista avviene perciò in maniera tale che l'ultimo elemento inserito sarà il primo a essere estratto (struttura LIFO). La pila trova soprattutto applicazione nella gestione delle chiamate di procedure e subroutines per memorizzare gli indirizzi di ritorno.

Elettrochimica: descrizione generale

La pila è un sistema elettrochimico costituito da due elementi, ciascuno dei quali consiste in un elettrodo (generalmente un metallo) a contatto con un conduttore elettrico di seconda specie (soluzione elettrolitica) o un elettrolita fuso o un cristallo ionico. Simboleggiando con M e M´ i due elettrodi e con E ed E´ i due conduttori di seconda specie, un tale sistema chimico può essere simboleggiato come segue: M/E//E´/M´ dove una barretta trasversale singola indica un'interfaccia tra due fasi differenti (metallo/soluzione) e la doppia barretta // l'interfaccia fra i due conduttori di seconda specie. Una tale catena di conduttori manifesta alle due estremità una differenza di potenziale detta forza elettromotrice o più semplicemente tensione o voltaggio della pila. Se esternamente alla pila si congiungono i due elettrodi con un conduttore di elettricità si avrà passaggio di corrente nel circuito esterno e cioè gli elettroni migreranno dall'elettrodo a potenziale più basso a quello a potenziale più alto. Come verso della corrente si assume il verso contrario a quello di migrazione degli elettroni. All'interno della pila la corrente verrà trasportata, nel caso più generale, da ioni positivi e da ioni negativi, mentre alle due interfacce tra metallo e soluzione avverrà un trasferimento di carica attraverso una reazione chimica nella quale gli elettroni costituiscono un reagente o un prodotto (reazione elettrochimica). Al polo negativo della pila una forma ridotta (rid)‟ si ossida per dare una forma ossidata (oss)‟+elettroni e viceversa al polo positivo:

Elettrochimica: pila elettrica di Daniell

Questa pila elettrica a due liquidi, rappresentata da J. F. Daniell, "Per la figura 2 vedi il lemma del 15° volume." "Vedi figura 2 vol. 17, pag. 213" ben si presta a illustrare il funzionamento di una pila, essa è costituita da un elettrodo di Zn immerso in una soluzione di solfato di zinco e un elettrodo di Cu immerso in una soluzione di solfato di rame:

Le due reazioni agli elettrodi sono:

La reazione totale comporta il trasferimento di carica corrispondente al passaggio di due elettroni alle due interfacce; inoltre è una reazione spontanea che, quando avviene in una comune bevuta (aggiungendo dello zinco ad una soluzione di solfato di rame) provoca il passaggio in soluzione dello zinco e la formazione di rame metallico; la reazione in questo caso trasforma l'energia chimica (ΔG) in calore, mentre quando avviene in una pila l'energia chimica si trasforma quasi totalmente in energia elettrica. Per esempio, nella pila Daniell la reazione totale può trasformare in energia elettrica 193.000 cal per grammoatomo di zinco che passa in soluzione. In corrispondenza nel circuito elettrico esterno si ha un passaggio di una quantità di elettricità corrispondente a quella trasportata dagli elettroni e cioè 96.500×2=193.000 coulomb=nF (quantità di elettricità corrispondente a un grammo-elettrone) dove n è il numero degli elettroni e F è il faraday (1 faraday=96.500 coulomb). Dalla relazione lavoro elettrico = quantità di elettricità × differenza di potenziale indicando con E la tensione della pila si avrà: ΔG=nEF=193.000 da cui E=1 V dove E è la differenza di potenziale della pila.

Elettrochimica: pila elettrica di Volta

La prima pila elettrica fu scoperta da Alessandro Volta nel 1799, questa può essere in tal modo schematizzata: (-) Zn/soluzione acquosa di acido solforico/Cu (+) o più semplicemente

In questo caso si ha un'unica soluzione elettrolitica e i due elettrodi sono costituiti da zinco e rame metallico. Le reazioni elettrochimiche sono:

La pila di Volta "Per la figura 1 vedi il lemma del 15° volume." "Vedi figura 1 vol. 17, pag. 213" ha solo un'importanza storica ed è facilmente realizzabile alternando lastre di rame con lastre di zinco separate da un feltro imbevuto di acido solforico; ogni coppia +rame/H2SO4/zinco- costituisce un elemento galvanico o pila e l'intero sistema costituito da n elementi galvanici messi in serie costituisce una batteria. Nell'uso comune una batteria di pila viene indifferentemente chiamata pila o batteria. Poiché la differenza di potenziale della pila di Volta è di circa 1V, l'intera batteria darà alle due estremità la differenza di potenziale di nV. Se però si tenta di sfruttare la pila di Volta come sorgente di energia elettrica, e cioè si chiude su un circuito esterno di utilizzazione, si vedrà che l'intensità di corrente diminuirà rapidamente fino a 0 perché l'idrogeno che si sviluppa sull'elettrodo di rame circonderà l'elettrodo stesso, ostacolando l'ulteriore riduzione dello ione idrogeno; un tale fenomeno viene chiamato polarizzazione della pila. La pila di Volta in definitiva non può esser usata per erogare corrente elettrica di intensità apprezzabile, idonea a compiere del lavoro, a meno che non si aggiunga una sostanza che ostacoli la polarizzazione e cioè depolarizzi l'elettrodo positivo. Anche la pila Daniell già ricordata non può trovare applicazioni pratiche per l'elevata resistenza interna dovuta tra l'altro al diaframma poroso che occorre interporre tra le due soluzioni acquose di solfato per evitare che si mescolino.

Elettrochimica: pila elettrica a secco di Leclanché

Per avere una sorgente portatile di energia elettrica bisogna attendere fino al 1860 quando l'elettrochimico Georges Leclanché costruisce una pila non polarizzabile "Vedi figura 3 vol. 17, pag. 213" "Per la figura 3 vedi il lemma del 15° volume."

Le reazioni elettrochimiche che avvengono sono:

La reazione elettrochimica è eguale a quella della pila di Volta, ma il biossido di manganese, reagendo con l'idrogeno, agisce da depolarizzante riducendosi a ossido di manganese, mentre lo zinco forma un complesso con il cloruro di ammonio; la reazione totale pertanto è quella sottoindicata che comporta una differenza di potenziale di 1,5 V

Si aggiunga che nella pila Leclanché l'elettrodo positivo di carbone, oltre a essere indifferente dal punto di vista chimico (non viene attaccato dalla soluzione) è più economico; l'elettrolita inoltre è lo stesso per i due elettrodi e oltre a non essere aggressivo come l'acido solforico, può essere imbevuto in un sostegno gelatinoso; di conseguenza non è necessario mantenere verticale la pila o la batteria. La pila Leclanché e tutte le pile che non necessitano della presenza dell'elettrolita liquido vengono denominate pile o batterie a secco. Le pile a secco Leclanché, nelle loro differenti forme di realizzazione sono ancora oggi usate accanto alle batterie alcaline. Collegando in serie due o più elementi Leclanché si ottengono batterie a secco, di voltaggi multipli di 1,5 (3-4,5-6-7,5-9 e 12 V) utilizzate ancora in piccole apparecchiature elettriche portatili (torce, radio, rasoi, trapani, giocattoli, ecc.), che per funzionare non impegnano grosse intensità di corrente. La quantità di elettricità che si può ottenere da una batteria del tipo finora descritto dipende dalla quantità di composti chimici che sono capaci di reagire e quindi dalla dimensione della pila; la durata della batteria dipende inoltre anche dalla intensità con la quale si fa funzionare la pila. La quantità di elettricità che una batteria può erogare si esprime in ampere-ora (1 ampere-ora=3600 coulomb). Mentre per molte applicazioni sono necessarie batterie di piccole dimensioni, di lunga durata, utilizzabili con basse intensità di corrente (batterie per orologi, per pacemaker, per apparecchi acustici, ecc.) in altri casi sono necessarie forti intensità, mentre non sono indispensabili lunghi tempi di funzionamento (batterie per automobili, per avviamenti di motori a scoppio, per livellamento della erogazione di energia elettrica, ecc.). I processi elettrochimici e le pile finora descritti sono processi irreversibili, cioè una volta che hanno trasformato l'energia chimica in energia elettrica non possono essere rigenerati per ricostituire il sistema chimico originario. Conseguentemente le batterie a secco dopo un certo tempo di utilizzazione si esauriscono e devono essere buttate.

Elettrochimica: pila ad accumulo elettrico

Contemporaneamente alla pila Leclanché fu allora studiata e messa a punto una pila nella quale la reazione elettrochimica fosse reversibile; in altre parole una pila che una volta esaurita potesse essere rigenerata con un processo di carica per ripristinare il sistema chimico originale; una tale pila serviva così ad accumulare energia elettrica sotto forma di energia chimica, utilizzabile in luoghi e tempi diversi. Una pila o batteria di questo tipo costituisce un accumulatore elettrico. L'accumulatore a piombo messo a punto nel 1859 dal fisico Gaston Planté è ancora oggi usato per carichi elettrici elevati (cioè per essere utilizzato con elevate intensità di scarica). La reazione elettrochimica reversibile è la seguente:

solfato di piombo, che è praticamente insolubile in acido solforico, si deposita sugli elettrodi durante la scarica della batteria. Per aumentare l'interfaccia elettrodo soluzione le superfici delle lastre di piombo sono spugnose in modo da presentare delle cavità entro cui diffonde l'elettrolita. La batteria si può considerare scarica quando tutta la superficie degli elettrodi è ricoperta da PbSO4. La pila PbO2/H2SO4/Pb scarica può essere così schematizzata

per riunire in un unico processo quello di carica e quello di scarica la pila si schematizza come segue:

La tensione di esercizio dell'accumulatore al piombo è di circa 2V e poiché l'alimentazione dei circuiti elettrici delle auto è di 12V una batteria per auto è formata da 6 elementi. Durante il processo di scarica si consuma l'acido solforico che si trasforma in solfato di piombo solido, la densità del liquido elettrolitico diminuisce e di conseguenza lo stato di carica si può misurare con un comune densimetro.

Elettrochimica: altri tipi di pila elettrica

Nella storia dello sviluppo industriale e della comprensione della struttura delle soluzioni e, in misura minore, dei solidi, la pila elettrica ha avuto un ruolo fondamentale. La semplice relazione ΔG=nEF ha consentito di risalire dalla misura potenziometrica di E al valore di ΔG dei processi chimici cioè alla variazione di energia libera della reazione. Eseguendo le misure a varie temperature è stato così possibile il calcolo di quasi tutte le grandezze termodinamiche, quali entropia, entalpia, coefficienti di attività, energia di attivazione, meccanismi di reazione, costanti di equilibrio, ecc. Le pile che più frequentemente sono state usate a questo scopo sono le pile tipo Daniell, le pile a gas, le pile a concentrazione, le pile ad amalgama, le pile ibride. Le pile tipo Daniell possono essere rappresentate dallo schema della pila Daniell con elettrodi di metalli differenti. Le pile a gas sono costituite da due elettrodi indifferenti sui quali si fa gorgogliare il gas (elettrodi a gas). Per esempio la pila Pt,H2/NaOH/O2,Pt può essere usata per studiare la reazione di formazione dell'acqua da idrogeno e ossigeno:

Le pile a concentrazione sono, al contrario, costituite da due elettrodi eguali immersi in due soluzioni dello stesso elettrolita a concentrazione differente

In questo tipo di pila il lavoro elettrico viene compiuto dal lavoro osmotico del nitrato di argento nel passaggio dalla soluzione più concentrata (c1) a quella più diluita (c2). Le pile ad amalgama sono, invece, costituite da due elettrodi indifferenti immersi in amalgami di uno stesso metallo a concentrazione differente o in amalgami di metalli differenti. Per esempio,

Le pile miste, infine, sono formate da due semielementi (elettrodi) di tipo differente:

Se le pile hanno rivestito una particolare importanza nello sviluppo della comprensione della struttura delle soluzioni elettrolitiche, non meno rilevante è stato l'uso delle pile quali fonti di energia elettrica. Sotto questo punto di vista le batterie si possono suddividere in primarie e secondarie. Le batterie primarie corrispondono alle pile descritte come irreversibili, cioè con durata limitata nel tempo; le batterie secondarie corrispondono a quelle descritte come reversibili che possono cioè essere usate come accumulatori. Fino agli inizi degli anni Settanta la richiesta di batterie primarie veniva interamente soddisfatta dalle batterie tipo Leclanché, mentre la richiesta di accumulatori veniva soddisfatta dalle batterie a piombo e dagli accumulatori alcalini al ferro-nichel. Lo sviluppo tumultuoso dell'elettronica e dei transistor ha portato alla realizzazione di sistemi elettrici sempre più piccoli che richiedono batterie di dimensioni adeguate, di sicura affidabilità, di lunga durata e di tensione costante nel tempo. D'altra parte per esigenze completamente differenti l'enorme richiesta da parte dell'industria di grosse quantità di energia elettrica indirizzava la ricerca verso lo studio di batterie di prima e seconda specie, di elevata capacità elettrica specifica in watt/ora/chilo con dimensioni sempre più grandi. Le pile, quindi, possono distinguersi per dimensione e in funzione degli usi. "Vedi tabella 1 vol. 17, pag. 214" Le pile miniaturizzate, usate per orologi, pacemaker, auricolari, ecc., devono avere una lunga vita, essere affidabili, bassa mortalità (cioè non guastarsi nel tempo), non presentare scarica spontanea o perdite del contenuto elettrolitico. Per molti usi devono permettere una scarica a bassa ma costante intensità e nello stesso tempo, in caso di emergenza, fornire intensità più elevate (per esempio, nei casi di fibrillazione questa caratteristica garantisce il funzionamento del pacemaker). Le pile a elettrodo di litio sono quelle più adatte per le esigenze richieste. Le pile per oggetti portatili di tipo Leclanché, insieme alle batterie Ruben-Mallory Zn-HgO, sono quelle in linea di massima più usate. In molti casi per oggetti costosi (telefoni portatili, giocattoli sofisticati o radiocomandati, rasoi elettrici, trapani elettrici) si usano anche pile ricaricabili (piccoli accumulatori) alcaline al nichel-cadmio o al ferro-ossido di nichel. Le batterie per avvio di motori più usate sono gli accumulatori al Pb, confezionati a chiusura ermetica, destinate alle automobili, mentre negli aerei vengono usate preferibilmente batterie al nichel-cadmio. Le batterie per trazione sono invece le più studiate per i vantaggi della trazione elettrica rispetto a quella tradizionale a carburante; le batterie per trazione permettono al veicolo velocità, facilità di rifornimento e autonomia, paragonabili a quelli raggiunti nei veicoli con motore a scoppio. Il vantaggio più grande della trazione elettrica è l'assenza di gas di scarico inquinanti l'atmosfera. Nonostante i progressi raggiunti la trazione elettrica a batterie è limitata a veicoli che non debbano percorrere lunghe distanze e raggiungere elevate velocità. Anche il rifornimento di tali veicoli, che corrisponde alla ricarica delle batterie, è molto più lungo rispetto ai rifornimenti di carburanti che si effettuano in pochi minuti. Si aggiunga inoltre che una batteria per trazione è molto più pesante della corrispondente quantità di carburante e occupa un volume molto più grande; sono però da ricordare altri vantaggi della trazione elettrica: minori vibrazioni con conseguente maggiore durata della carrozzeria, guida più facile e agevole. La ricerca in questo campo è attiva in tutti i Paesi. Per quanto riguarda le batterie stazionarie, queste hanno una elevata capacità e sono del tipo al Pb. Le batterie per livellare i carichi, infine, sono indispensabili tutte le volte che devono sostituire gli alti e i bassi dei consumi in centrali idroelettriche, o in qualsiasi tipo di centrale nella quale si hanno dei picchi di carico durante le ore della giornata o tra il giorno e la notte. "Per la tabella vedi il lemma del 15° volume." "Vedi tabella 2 vol. 17, pag. 215" Accanto a queste caratteristiche sono da considerare i valori della intensità massima di corrente, il numero di cicli di carica e scarica che ogni batteria può sopportare, la temperatura necessaria per ottenere il massimo rendimento, tutte proprietà tra loro collegate che stanno a indicare quanto complessi siano i problemi che la ricerca elettrochimica deve affrontare.

Elettrochimica: pile a combustibile o a combustione

Pile a combustibile o a combustione (in inglese “fuel cells”). In questo tipo di pile è possibile una combinazione diretta del combustibile e del comburente senza cicli intermedi di combustione con simultanea produzione di energia elettrica. Nella prima pila a combustione l'idrogeno e l'ossigeno venivano fatti gorgogliare in una soluzione di idrato di potassio "Per la figura 4 vedi il lemma del 15° volume." "Vedi figura 4 vol. 17, pag. 213" dove reagivano attraverso la reazione inversa a quella di decomposizione dell'acqua secondo lo schema:

Gli elettrodi sotto i quali gorgogliano i gas sono costituiti da nichel poroso sinterizzato o da grafite; la temperatura per un rendimento ottimale è sui 200 ºC e la pressione dei gas deve corrispondere alla tensione di vapore dell'acqua nella soluzione di idrato di potassio. Il vapor d'acqua che si forma viene trascinato dall'eccesso dei gas e può essere recuperato e utilizzato come avviene nel caso di navicelle spaziali dove la cella a combustione idrogeno-ossigeno ha trovato un utile impiego. I tipi più moderni di pile a combustione usano aria della quale utilizzano l'ossigeno, mentre l'idrogeno lo ricavano dagli idrocarburi che nella stessa pila lo forniscono attraverso processi di cracking o di reforming. Generalmente le nuove pile a combustione vengono classificate in base all'elettrolita usato (acido fosforico o carbonato fuso) e in base al combustibile (metano, nafta, liquidi derivati del petrolio e dal carbone, carbone). La tecnologia delle pile a combustione, usate in campo aerospaziale, è stata sviluppata intensivamente mirando ad applicazioni terrestri di tipo industriale, militare e per autotrazione, allo scopo di poter fornire una valida alternativa alle fonti tradizionali per la produzione di energia elettrica. Le principali caratteristiche degli impianti basati su queste pile sono: alta efficienza in un'ampia banda di carichi, indipendentemente dalle dimensioni; bassa immissione di sostanze inquinanti nell'ambiente esterno; rapidità di installazione; funzionamento silenzioso; possibilità di installazione nei luoghi stessi in cui l'energia deve essere consumata. Le pile a combustione sono divenute economicamente convenienti per la massima richiesta di energia elettrica, come centrali ausiliarie. Il calore prodotto nelle reazioni chimiche delle pile a combustione può essere facilmente usato in sistemi di teleriscaldamento e di produzione di acqua calda a bassa temperatura.

Elettrochimica: pile a combustibile biologico

Le pile a combustibile biologico ancora in fase di studio, usano come combustibile e come ossidante, rispettivamente, i carboidrati, principalmente il glucosio presente nel sangue e l'ossigeno molecolare disciolto nel fluido interstiziale delle cellule. Come nel processo metabolico naturale il glucosio e l'ossigeno sono trasferiti dal sangue alle cellule, che li utilizzano per la produzione di energia secondo una reazione chimica catalizzata dagli enzimi da esse stesse sintetizzati, così la pila a combustione biologica riproduce in parte il funzionamento naturale delle cellule. Si presenta perciò come una sorgente di energia impiantabile, potenzialmente perpetua, in quanto il normale meccanismo omeostatico dell'organismo ospite provvede a fornire indefinitamente i reagenti e a eliminare i prodotti di reazione. La reazione totale teorica di una tale pila a combustione è la seguente:

In pratica è assai difficile portare a termine la reazione senza la formazione di altri prodotti: occorre perciò garantirsi che essi non siano tossici per l'organismo, come lo è, per esempio, l'acido formico. Una pila di questo genere dovrà comprendere un separatore che isoli elettricamente i due elettrodi consentendo però la migrazione degli ioni; una membrana dializzante con il compito di impedire l'ingresso nella pila alle sostanze ad alto peso molecolare presenti nel sangue, quali le proteine, le lipoproteine, ecc.; un involucro costituito da una membrana permeabile solo ai gas; un anodo e un catodo posti in idoneo catalizzatore. La reazione chimica è favorita dalla presenza sugli elettrodi del platino che funge da catalizzatore al posto degli enzimi. La differenza di potenziale che viene così a stabilirsi tra gli elettrodi fa circolare corrente nel circuito esterno collegato all'utilizzatore. La membrana costituente l'involucro del supporto meccanico della pila dovrà essere costituita da sostanze compatibili con i tessuti con i quali essa è a contatto e, per questo, si dovrà usare prevalentemente gomma al silicone (silastic) o materiali consimili. Allo stadio attuale delle ricerche le pile a combustibile biologico possono essere prese in considerazione solo per l'azionamento di pacemaker.

Elettrochimica: pila campione

Sono così definite le pile che forniscono in opportune condizioni, una forza elettromotrice costante da utilizzare come elemento di confronto, quando si devono eseguire misure di forze elettromotrici o di differenze di potenziale. Il campione più noto è la pila Weston "Per la figura 5 vedi il lemma del 15° volume." "Vedi figura 5 vol. 17, pag. 213" la quale alla temperatura di 20 ºC fornisce 1,018 volt; tale forza elettromotrice varia meno di mezzo decimillesimo di volt quando la temperatura ambiente varia di un grado Celsius. L'elettrolita è una soluzione di solfato di cadmio, il polo negativo è costituito da un amalgama di cadmio e mercurio e quello positivo da mercurio e solfato di mercurio. La pila viene montata in un recipiente di vetro a forma di H e rinchiuso in una custodia, curando al massimo l'isolamento dei due poli, i cui terminali esterni sono di platino. Se si impiegano materiali molto puri, la forza elettromotrice fornita è un campione preciso a meno di 10-5 V; se la pila è ben conservata, la tensione diminuisce di solo una cinquantina di microvolt all'anno. Un'altra pila campione è quella Latimer-Clark che ha elettrodi amalgamati di zinco e mercurio in presenza di solfato mercuroso; l'elettrolita è una soluzione di solfato di zinco; il polo positivo è rappresentato dall'amalgama di mercurio.

Elettrochimica: pila a pinza termoelettrica

La pila termoelettrica è un insieme di termocoppie associate in serie; essa non fornisce generalmente una forza elettromotrice molto elevata. Nella pila termoelettrica tutte le saldature, per esempio di posto dispari, sono tenute a temperatura ambiente, mentre quelle di posto pari sono riscaldate (o raffreddate); l'energia termica "Per la figura 6 vedi il lemma del 15° volume." "Vedi figura 6 vol. 17, pag. 213" fornita alle saldature calde si trasforma in energia elettrica solo in parte; la parte rimanente passa per conduzione termica dalle saldature calde a quelle fredde che vanno raffreddate per mantenerle a temperatura costante. Il rendimento è molto basso: un centesimo al massimo del calore erogato dalla sorgente viene trasformato in energia elettrica. La resistenza interna della pila termoelettrica è molto bassa. Vengono usate soprattutto come termometri per la misura di alte temperature.

Elettrochimica: pila fotoelettrica

La pila fotoelettronica è un dispositivo che è sede di una forza elettromotrice quando si illumina opportunamente la superficie di separazione di due mezzi diversi, di cui uno almeno è un conduttore ionico o un semiconduttore; essa trasforma direttamente energia raggiante in energia elettrica. È sinonimo di cella fotovoltaica.

Elettrochimica: pile solari

Sono pile con rendimento elevato utilizzate per trasformare direttamente energia solare in energia elettrica. Sostanzialmente sono costituite da un certo numero di cellule fotovoltaiche al silicio; forniscono una forza elettromotrice di poco più di un volt e una potenza massima di circa 1/100 di watt al centimetro quadrato di superficie esposta. Una batteria solare può trasformare fino all'11% dell'energia raggiante ricevuta. L'assenza di sostanze chimiche corrosive e di parti mobili ne permette una durata molto lunga; largamente usate in veicoli spaziali, le loro applicazioni si sono ampiamente estese in ambito terrestre.

Elettrochimica: batteria a radioisotopi

La batteria nucleare a radioisotopi "Per la figura 7 vedi il lemma del 15° volume." "Vedi figura 7 vol. 17, pag. 213" da non confondersi con la pila nucleare intesa come sinonimo di reattore nucleare, ha dimensioni ridotte, lunga durata ed è praticamente insensibile agli sbalzi termici. È basata sullo sfruttamento dell'energia di particelle cariche costituenti la radiazione di opportune sostanze radioattive. Il blindaggio della batteria, cioè l'isolamento da fughe di radiazioni, necessario per ragioni di sicurezza, ne ha limitato ancora lo sfruttamento in campo industriale. Le batterie a radioisotopi sono ad autogenerazione di tensione; in esse gli elettroni, uscendo dalla sostanza attiva, producono un accumulo di cariche in una delle due armature. La differenza di potenziale che si stabilisce tra le due armature, l'una delle quali porta il radioelemento, mentre l'altra raccoglie il fascio radioattivo, cresce fintanto che il suo effetto ritardatore compensa esattamente l'energia cinetica delle particelle più rapide, emesse dall'elettrodo positivo. Un altro tipo di batteria nucleare, invece di utilizzare l'energia cinetica delle particelle nucleari per assicurare la separazione delle cariche positive e negative necessaria alla costruzione di un generatore elettrico, ricorre alla differenza di potenziale esistente naturalmente al contatto tra due campi a caratteristiche elettriche differenti, per esempio quelli di due metalli diversi separati da una atmosfera di gas. La tensione convogliatrice può essere anche quella che si genera in una pinza termoelettrica per effetto del calore dovuto alla radioattività o ancora quella che si stabilisce tra due semiconduttori, uno di tipo p e uno di tipo n quando uno di essi è investito da radiazioni. Sono state, inoltre, costruite batterie nucleari in cui la radiazione corpuscolare viene trasformata in radiazione ottica entro uno scintillatore ed è quindi convertita in energia elettrica in un fototubo. Un importante uso delle batterie nucleari a radiosotopi è quello di sorgente di energia all'interno del corpo umano per l'azionamento di organi artificiali. L'applicazione delle batterie nucleari a radioisotopi è particolarmente vantaggiosa soprattutto per la costanza nel tempo della potenza fornita, per una autonomia sufficientemente lunga e per la compattezza che tali generatori possiedono. L'ostacolo più grave al loro impiego è rappresentato dalla necessità di proteggere l'organismo dalle radiazioni; questa protezione viene ottenuta ricorrendo a uno o più schermi, ciascuno dei quali efficace contro un particolare tipo di emissione radioattiva. Tuttavia il problema dell'isolamento limita l'impiego di tali batterie, soprattutto perché la dose di radiazione sopportabile senza conseguenze dannose da parte dei tessuti umani è ancora difficilmente valutabile, oltre che variabile in maniera molto marcata da un organo all'altro. La schermatura ha anche il compito di trasformare l'energia delle radiazioni arrestate in energia termica da elaborare successivamente, fino allo stadio finale di energia meccanica direttamente utilizzabile. Fra i numerosi radioisotopi conosciuti il più adatto è il plutonio 238, a causa della lunga durata della sua vita media (86 anni) e della bassa pericolosità della sua emissione radioattiva, costituita in massima parte da particelle facilmente arrestabili da un sottile schermo metallico. L'energia fornita da una batteria a radioisotopi impiantata nel corpo umano può essere sfruttata per l'azionamento di pacemaker, cuori artificiali, protesi bioforme di braccia e di gambe. Le dimensioni e il peso di un simile generatore sono determinati principalmente dalla schermatura necessaria, dipendente a sua volta dalla potenza richiesta e dal livello massimo di radiazione ammesso all'esterno del generatore stesso. La potenza richiesta varia da pochi milliwatt per un pacemaker ad alcune decine di watt per un cuore artificiale, fino ad alcune centinaie di watt per l'azionamento di protesi degli arti.

Ecologia: impatto ambientale

Nella seconda metà degli anni Ottanta, lo sviluppo della tecnologia delle pile è stato stimolato principalmente da problemi di impatto ambientale, oltre che dalla necessità di differenziazione dovuta allo sviluppo di numerose nuove apparecchiature facenti uso di pile. Le pile zinco-cloruro, che rappresentano l'evoluzione delle classiche pile zinco-carbone, non contengono più cloruro di ammonio e adottano un elettrolita acquoso a bassa acidità contenente soltanto cloruro di zinco. In queste pile è stato eliminato l'uso di cadmio e mercurio, elementi con impatto ambientale particolarmente negativo. Le pile alcaline (o alcalino-manganese) hanno ottenuto la riduzione del mercurio a livelli molto bassi, modificando la struttura metallurgica dello zinco in modo da renderne più efficace l'azione di protezione. Le pile al litio, già introdotte nella prima metà degli anni Ottanta, costituiscono una decisiva innovazione nella tecnologia delle batterie. Da una parte, con l'utilizzo del litio al posto dello zinco, si è risolto definitivamente il problema dell'uso di metalli pesanti, molto nocivi per l'ambiente, e dall'altra si sono ottenuti prodotti con densità di energia molto superiore a quella delle pile tradizionali, favorendo così la tendenza alla miniaturizzazione dei dispositivi elettrici ed elettronici, caratteristica dell'ultima metà degli anni Ottanta. Nonostante il litio rappresentasse, per il suo basso peso equivalente, per la sua abbondanza in natura e per la sua alta elettropositività, il metallo ideale per la costruzione delle pile, la sua caratteristica instabilità all'acqua poneva limiti fortissimi per l'impiego con i comuni elettroliti acquosi, sicché si è preferito impiegare elettroliti non acquosi, allo stato solido o costituiti da soluzioni di sostanze organiche, e i processi produttivi sono stati completamente automatizzati per garantire il totale controllo della purezza dei solventi e dell'umidità ambiente. Le pile al litio in commercio hanno caratteristiche di estrema leggerezza e stanno velocemente sostituendo le altre pile a bottone. L'eliminazione del mercurio e del cadmio dal processo produttivo delle pile rappresenta una soluzione del problema dell'inquinamento ambientale più radicale dei programmi di raccolta differenziata delle pile esaurite.