L’ENERGIA ELETTRICA
CARATTERISTICHE
DELL’ENERGIA ELETTRICA
L’energia elettrica è un’energia secondaria poiché quella che utilizziamo
è ottenuta dalla trasformazione di altre forme di energia (chimica, idraulica,
solare, nucleare…).
Gli aspetti
positivi del’energia elettrica sono:
- è comoda da utilizzare (subito disponibile
premendo un interruttore);
-
- è pulita (non produce polveri o residui nel logo
di consumo);
-
- è trasportabile a grande distanza.
Gli aspetti
negativi sono invece:
-
- è difficile da immagazzinare;
- -
i processi di produzione sono per lo più
inquinanti.
STRUTTURA
DELLA MATERIA
Con il nome elettricità si intendono
tutti quei fenomeni fisici nei quali intervengono cariche elettriche, sia ferme
sia in movimento.
Per descrivere l’elettricità è utile partire dalla
descrizione della struttura della materia.
La materia è formata da molecole, a loro volta formate da particelle ancora più piccole
dette atomi. Questa struttura è
normalmente rappresentata da un modello al cui centro vi è un nucleo, formato da particelle di due
diverse specie, chiamate protoni (cariche
positive) e neutroni (cariche
neutre). Attorno al nucleo sono in movimento altre particelle, molto più
leggere dei protoni e dei neutroni, chiamate elettroni (cariche negative).
Un principio fondamentale dell’elettricità afferma
che due corpi carichi che possiedano cariche elettriche di tipo opposto si
attraggono, mentre due corpi che possiedano cariche di uguale tipo si
respingono. Queste azioni di attrazione e repulsione sono manifestazioni
della forza elettromagnetica, una delle forze fondamentali della natura.
Questo spiega perché il nucleo, con cariche
elettriche positive, tenga legati a se gli elettroni, con carica negativa. La forza
attrattiva tra nucleo ed elettroni è paragonabile a quella che tiene legati i
pianeti del sistema solare al Sole.
MATERIALI
CONDUTTORI E MATERIALI ISOLANTI
In
molti elementi (come ad esempio il legno, il vetro, le materie plastiche…) gli
elettroni rimangono saldamente ancorati ai propri atomi, continuando a ruotare
nelle loro orbite: questi materiali vengono detti isolanti.
In
alcuni elementi (come per esempio i metalli) invece gli atomi possono perdere
facilmente gli elettroni più esterni, che sono così liberi di muoversi all’interno
del corpo metallico: questi materiali vengono detti conduttori.
In
altre sostanze (ad esempio nelle soluzioni di sali in acqua) poi, le molecole
(cioè gli agglomerati di atomi che formano il sale) possono spezzarsi in due
frammenti: uno con elettroni in eccesso e l’altro con carenza di elettroni. Questi
frammenti, con carica elettrica non nulla, sono detti ioni.
In questi ultimi due casi, è possibile
applicare al materiale una tensione elettrica, generando quindi un movimento di
cariche elettriche.
TENSIONE
E CORRENTE ELETTRICA
Immaginiamo di avere due oggetti
conduttori tenuti separati, e che su uno di essi sia stata accumulata una certa
quantità di elettroni (carica negativa), mentre l’altro abbia una mancanza di
elettroni (carica positiva).
In queste condizioni si dice che
tra i due corpi esiste una differenza di
potenziale elettrico, o più comunemente tensione elettrica, che è tanto più alta quanto maggiori sono le
cariche accumulate sui due oggetti. Questa differenza si misura in Volt.
Se
i due oggetti vengono collegati con un filo metallico conduttore, gli
elettroni cominciano a scorrere lungo il filo per spostarsi da un corpo all’altro
(da dove sono in eccesso a dove sono in difetto) e ristabilire l’equilibrio
elettrico. Sotto l’azione di una tensione elettrica si stabilisce cioè nel filo
una corrente elettrica. Questa corrente
si misura in Ampere.
Il
flusso di corrente e la tensione elettrica si annullano quando le cariche dei
due oggetti sono neutralizzate da quelle che passano attraverso il filo. La corrente
continua però a passare se tra i due oggetti viene anche collegato un generatore elettrico, cioè un
dispositivo capace di mantenere costante la tensione elettrica tra i due
oggetti, spostando nuovamente le cariche da un oggetto all’altro, a spese di
una certa energia.
Questo fin qui descritto non è altro che
un circuito elementare.
LA
LEGGE DI OHM
La tensione elettrica e la corrente sono
fra loro in relazione secondo quanto afferma la Legge di Ohm:
V
= I x R
(V = tensione ; I = intensità ; R =
resistenza)
La corrente che passa in un filo conduttore e la
tensione elettrica tra le due estremità del filo sono direttamente
proporzionali tra loro; il fattore di proporzionalità esprime la resistenza
elettrica del filo: pur essendo conduttore, questo oppone infatti un certo
ostacolo al fluire degli elettroni. La resistenza elettrica si misura in ohm.
La stessa legge si può scrivere anche secondo le
sue formule inverse:
I = V/R R
= V/I
La resistenza
elettrica di un filo conduttore dipende:
-
dal materiale con cui il filo è costruito (e dal
suo coefficiente di conducibilità elettrica)
-
dalla lunghezza del filo (un filo lungo oppone
maggiore resistenza)
-
dalla sezione del filo (un filo sottile oppone
maggiore resistenza di uno grosso)
POTENZA ED ENERGIA
Quando le cariche elettriche
fluiscono in un circuito, sotto l’azione di una tensione elettrica, si libera
dell’energia. Se ciò avviene in un motore elettrico, l’energia diventa per la
maggior parte energia meccanica; se
invece avviene in un filo conduttore (ad esempio la resistenza di un forno) l’energia
si trasforma totalmente in energia
termica: questo fenomeno è detto effetto
Joule.
La
grandezza che indica l’energia liberata per ogni unità di tempo è la Potenza, che si misura in watt.
Un’importante legge dell’elettrotecnica
ci dice che la potenza liberata P è data dal prodotto tra la tensione V sul carico
e la corrente I che lo percorre. In formula:
P = V x I
COLLEGAMENTO IN PARALLELO E IN SERIE
Nel
circuito elettrico elementare visto in precedenza, si può voler aggiungere una
seconda lampadina.
Un
primo metodo per aggiungere la lampadina può essere in parallelo: in questo circuito la tensione ai capi delle due
lampadine è la stessa, quella della pila.
La
corrente che la pila deve fornire è la somma delle correnti assorbite dalle due
lampadine; se le due lampadine sono uguali, la corrente sarà il doppio di quella
che si aveva con una sola lampadina e la pila si scaricherà in metà del tempo.
Un
secondo metodo per aggiungere una lampadina è in serie: in questo circuito le due lampadine sono percorse dalla
stessa corrente. In queste condizioni la tensione ai capi del gruppo di due
lampadine risulta la somma delle tensioni presenti su ciascuna lampadina.
Al
contrario del collegamento in parallelo, nel collegamento in serie, se uno
degli elementi posti in serie si interrompe (per esempio si brucia una
lampadina) la corrente cessa di scorrere in tutto il circuito.
Anche
i generatori che alimentano un
circuito elettrico possono essere collegati in serie o in parallelo:
-
se si collegano in serie, le rispettive
tensioni si sommano (è quello che si fa nelle batterie di pile, dove le singole
celle sono disposte in serie per ottenere la tensione voluta);
- se
si collegano in parallelo, la corrente che ciascun generatore deve
fornire è minore (se i generatori sono delle pile, esse avranno così una durata
maggiore). In questo caso è importante che tutti i generatori abbiano la stessa
tensione.
LE
PILE E GLI ACCUMULATORI
Le pile sono dei generatori elettrici
che utilizzano reazioni chimiche per ottenere energia elettrica.
Una
pila è formata da due elementi metallici (elettrodi)
di due sostanze diverse, immersi in una soluzione chimica (elettrolita).
Per effetto elettrochimico, tra i due elettrodi
si stabilisce una tensione elettrica: l’uno assume una carica positiva e l’altro
una carica negativa. Se tra i due elettrodi si pone un filo conduttore, in esso
inizia a scorrere una corrente elettrica. Le reazioni chimiche che avvengono tra elettrodi ed elettrolita
mantengono viva la corrente elettrica nel tempo, fino
a che la pila non si scarica.
Esistono molti tipi di pile,
differenti tra loro per la natura dei metalli usati negli elettrodi e dell’elettrolita.
Per l’alimentazione di apparecchi portatili si utilizzano le pile a secco, nelle quali l’elettrolita
è inglobato in una pasta, cosicché non possa scorrere e fuoriuscire.
- Pile
Leclanché. Sono le pile più comuni in commercio, dette anche zinco-carbone
in quanto i due elettrodi sono costituiti da queste due sostanze: il contenitore
cilindrico è in zinco e funge da elettrodo negativo, il nucleo centrale è di
carbone ricoperto da biossido di manganese e funge da elettrodo positivo. L’elettrolita
è biossido di manganese.
+pila+leclanche.jpg)
Pile alcaline. Sono una variante delle pile Laclanché e si differenziano
da queste per il tipo di elettrolita utilizzato: idrossido di potassio. Hanno
durata fino a tre volte superiore delle pile zinco-carbone.
-
Pile al
mercurio. Utilizzate per far funzionare apparecchi di piccole dimensioni
(orologi, calcolatrici…) sono dette comunemente “pile a bottone” per via della
loro forma circolare e piatta. Gli elettrodi sono in ossido di mercurio e
polvere di zinco, chiusi in un involucro di acciaio, mentre l’elettrolita è
sempre l’idrossido di potassio. Hanno una durata superiore a quelle delle pile
alcaline.
+Pila+al+mercurio.jpg)
Alcuni
tipi di pile hanno un funzionamento reversibile: facendo scorrere in queste
pile una corrente elettrica in verso opposto a quella che la pila genera, si
provocano reazioni chimiche (con assorbimento di energia) inverse a quelle di
funzionamento, le condizioni iniziali della pila vengono ristabilite e la pila
è di nuovo utilizzabile. Le pile di questo tipo sono normalmente chiamate
accumulatori, o pile ricaricabili.
Un
tipo molto diffuso di accumulatore è quello al piombo, usato in tutte le
automobili: la cosiddetta batteria.
LA
CORRENTE ALTERNATA
Quella
fin qui trattata è una corrente continua,
perché la tensione e la corrente hanno valori costanti nel tempo. La rete
elettrica che arriva alle nostre case, invece, porta una corrente il cui verso
si inverte ciclicamente nel tempo, detta corrente
alternata. L’alternanza si ripete con grande rapidità: 50 volte al secondo;
ciò si esprime dicendo che tensione e corrente hanno una frequenza di 50
hertz.
Il principale motivo per cui si
preferisce utilizzare reti a corrente alternata è la facilità con cui da una
corrente alternata a bassa tensione se ne ottiene una ad alta tensione, e
viceversa. Ciò avviene mediante i trasformatori.
L’utilità di queste trasformazioni sta
nel fatto che per il trasporto a distanza di energia elettrica conviene
impiegare circuiti ad alta tensione. Infatti a parità di potenza trasmessa,
si ha minore corrente nei fili e quindi minore perdita di potenza.
L’energia elettrica è
distribuita sul territorio da elettrodotti,
interrati o aerei. Se si osserva un elettrodotto aereo, si vede che esso porta tre
fili più un filo relativamente sottile che in genere si appoggia sulla
sommità dei piloni e funge anche da parafulmine. Questo perché la corrente
alternata è normalmente trasportata sotto forma di corrente trifase: un sistema ottenuto applicando ai tre fili
tensioni alternate con andamenti temporali opportunamente sfalsati tra loro,
prodotti da un generatore triplo. Questo sistema riduce la perdita di potenza
nei fili.
MAGNETISMO
Il magnetismo si manifesta con la capacità che hanno alcuni corpi o
sistemi di attirare materiali detti ferromagnetici (ferro o leghe di
ferro)
Una corrente elettrica genera un campo magnetico.
Dei microcampi magnetici si formano anche intorno agli
elettroni che ruotano intorno al nucleo. Questi microcampi sono
orientati solitamente in modo casuale in modo da annullarsi a vicenda.
Nei ferromagneti i microcampi sono tutti orientati nello stesso verso e generano così effetti visibili, come, appunto, l’attrazione dei corpi.
MAGNETI PERMANENTI
I magneti permanenti possono essere:
Magneti naturali: magnetite
Magneti artificiali: calamite (materiali ferrosi sottoposti per
un certo periodo sotto gli effetti di un campo magnetico generato da
corrente elettrica)
Poli opposti si attraggono. Poli uguali si respingono.
ELETTROCALAMITE
Se avvolgiamo un filo elettrico intorno ad una barra di acciaio e
facciamo passare della corrente, la barretta attrae piccoli pezzetti di
ferro come fosse una calamita.
La barretta con il filo elettrico avvolto prende il nome di elettrocalamita.
Il solo filo avvolto a spirale prende il nome di solenoide (che può attrarre, anche da solo, dei materiali ferrosi, ma il suo campo, senza la barretta di acciaio, è molto più debole.)
Il campanello elettrico (quello del cambio dell’ora a scuola...) e il telegrafo, sono applicazioni pratiche di elettrocalamite.
Il campanello elettrico
Il campanello è costituito da una elettrocalamita comandata a distanza,
il cui effetto di attrazione serve per far muovere un’asta su un
estremo della quale è posto un martelletto.
Il circuito è realizzato in modo che, schiacciando il pulsante C, si
eccita il solenoide S, il quale attira l’asta A fio a che il martelletto
D batte contro la campana G.
Quando questo succede, però, si apre il contatto E per cui la corrente
cessa di circolare con la conseguenza che il solenoide lascia cadere
l’asta. A questo punto il circuito si ripristina e il ciclo si ripete,
determinando una successione di suoni caratteristica del campanello.
Il telegrafo a filo
Il tipo di telegrafo tradizionale è costituito anch’esso da una elettrocalamita comandata a distanza.
Come si può vedere dalla figura accanto il tasto di comando T chiude il
circuito che a distanza eccita il solenoide S. Questo comanda un’àncora
con punta scrivente che lascia un segno su un nastro mantenuto in
movimento da un sistema di rulli. I segni sono diversi a seconda del
tempo in cui si tiene premuto il tasto di comando. Si ottengono
praticamente dei punti e delle linee con le quali è possibile comunicare
secondo il cosiddetto alfabeto Morse.
f.e.m (FORZA ELETTROMOTRICE INDOTTA)
Così come una corrente elettrica genera un campo magnetico, allo stesso
modo vale l’inverso: un campo magnetico genera corrente elettrica,
posto che si verifichino le condizioni:
- che il cavo elettrico passi al centro del cavo magnetico;
- che il cavo elettrico sia in movimento.
Se il cavo è avvolto in spira, la f.e.m. si genera tanto sul cavo quanto sulla calamita.
Un’applicazione di questo principio è il “motore a corrente continua” (tram, metropolitane, treni...)
IL TRASFORMATORE
I trasformatori elettrici sono apparecchiature in grado di modificare i
calori della tensione e dell’intensità di corrente senza che sia
variato il valore della potenza.
Sfrutta le f.em. ed è costituito da:
- un conduttore avvolto a solenoide nel quale circola corrente (avvolgimento primario)
- un nucleo di ferro attorno al quale sono avvolti i conduttori;
- un secondo conduttore avvolto a solenoide con un numero di spire diverso dal primo.
L’avvolgimento primario genera un campo magnetico che percorre il
nucleo di ferro. Una f.e.m si trasferisce quindi sul secondo
avvolgimento, e la corrente ne uscirà dell’intensità desiderata, che
dipende dal rapporto fra le spire dei due solenoidi.
L’ALTERNATORE
L' alternatore è una macchina elettrica rotante che trasforma l'energia meccanica fornita da un motore (per esempio una turbina idraulica, eolica…) in energia elettrica. Diversamente da quella di altri generatori (per esempio la dinamo), la corrente erogata dall'alternatore è alternata (da cui il nome).
Struttura di un alternatore
L'alternatore è costituito da una parte fissa, detta statore, e da una parte mobile, rotore. Su
entrambe sono disposti dei conduttori elettrici collegati tra loro in
modo da formare due circuiti. Uno dei due ha la funzione di creare il
campo magnetico (avvolgimento induttore) e l'altro quella di essere sede di forza elettromotrice indotta (avvolgimento indotto). Se il rotore è costituito da un elettromagnete, deve essere alimentato a sua volta; se è costituito invece da un magnete permanente non necessita di alimentazione
Principio di funzionamento di un alternatore
Il motore fornisce l'energia meccanica per mantenere in movimento il rotore, la cui rotazione provoca un campo magnetico e, per la legge dell'induzione elettromagnetica, la nascita della forza elettromotrice. Alla conseguente circolazione di corrente è dovuta l'erogazione di energia elettrica. Gli alternatori possono funzionare anche da motori e trasformare energia elettrica in energia meccanica.
Molti sono gli utilizzi degli alternatori, che vengono impiegati in tutte le centrali di produzione di energia elettrica le quali poi la trasformano in modo da consentirne il trasporto e la distribuzione per uso industriale e domestico.
"Progetto Tecnologia - Vol.B" (Benente, Ferraiolo, Vitale - Ed. Paravia)
"Il manuale di Tecnologia - Settori Produttivi - Vol.3" (G. Arduino - Ed. Lattes)
Wikipedia
