ENERGIA ELETTRICA E MAGNETISMO

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.

    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.

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)

In ogni calamita la forza di attrazione si manifesta alle due estremità: polo nord e polo sud. Spezzando in più parti una calamita, ogni singola parte presenterà sempre un polo nord e un polo sud.

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.

Bibliografia:
"Progetto Tecnologia - Vol.B" (Benente, Ferraiolo, Vitale - Ed. Paravia)
"Il manuale di Tecnologia - Settori Produttivi - Vol.3" (G. Arduino - Ed. Lattes)
Wikipedia