Energia elettrica: cos'è e come funziona

ENERGIA ELETTRICA

L’energia è un’entità invisibile, ma gli effetti che produce sulle cose e sugli esseri viventi sono ben visibili dai nostri sensi. L’energia è nello stesso tempo la capacità di un corpo o di un sistema a compiere del lavoro, ad esempio, la capacità che ha ognuno di noi di muoversi, oppure un ceppo di legno che arde, oppure il calore che sprigiona il vapore, o la luce che scaturisce da una lampadina. Sono tutti tipi diversi di energia: energia di movimento (meccanica o cinetica), energia chimica, energia termica ed energia elettrica. Inoltre dobbiamo ricordare che l’energia non si crea, né si distrugge, ma si può solamente trasformare da una forma all’altra [Primo principio della termodinamica].

ENERGIA ELETTRICA: STORIA

L'energia elettrica, insieme al petrolio, permise nella seconda metà del XIX secolo di compiere il salto di qualità verso l’industrializzazione così come noi la conosciamo oggi, perché divenne la nuova fonte d’energia capace di far muovere le macchine da utilizzare nei processi produttivi.

Con l’introduzione dei motori elettrici, più silenziosi e più versatili, si passò dall’era del carbone, proprio della I rivoluzione industriale, all’era delle grandi innovazioni tecnologiche, proprie della II rivoluzione industriale di
fine Ottocento. La scoperta dell’elettricità permise lo sviluppo di una miriade di invenzioni che oggi fanno parte della nostra vita quotidiana e sono a noi indispensabili.

Basti pensare al telefono, alla radio, alla televisione, alle telecomunicazioni, al computer con internet, così “vitale” oggi e, soprattutto, non dimentichiamoci della lampadina: poter accendere la luce di casa con una semplice pressione del dito sull’interruttore; un’azione semplice, ma impossibile solamente 150 anni fa, dove il buio notturno era interrotto solo dai lumi delle lampade a gas.

Con l’avvento della luce elettrica ecco che la notte si confuse con il giorno e, prima utilizzata in fabbrica (per allungare i turni di lavoro), si diffuse poi nelle abitazioni e nelle vie delle città e trasformò la vita dei cittadini rendendo più sicure le strade e permettendo anche una vita notturna più intensa con la frequentazione di punti d'incontro illuminati. Pubblicità di lampade elettriche (1897) L’energia elettrica divenne la fonte di energia più utilizzata anche per la sua facilità di trasporto e di distribuzione e ciò permise questo fortissimo sviluppo industriale.

CORRENTE ELETTRICA

L'energia elettrica è quel tipo di energia associata alla corrente elettrica. Ma da dove nasce la corrente elettrica? Per dare una risposta a questa domanda dobbiamo ricorrere ad alcuni principi della fisica. Ogni corpo presente in natura è formato da piccolissime particelle chiamate atomi, a loro volta composti di altre particelle elementari che principalmente sono:

• Protoni: particelle a carica elettrica positiva identificate con il simbolo p+
• Elettroni: particelle a carica elettrica negativa identificate con il simbolo e-
• Neutroni: particelle a carica neutra identificate con il simbolo n

I protoni e i neutroni formano il nucleo dell'atomo mentre gli elettroni orbitano intorno ad esso, un po’ come fanno i pianeti intorno al Sole. Nei materiali detti conduttori diversi elettroni definiti vaganti o liberi hanno la possibilità di staccarsi facilmente dal loro atomo e più sono numerosi questi elettroni più il materiale è un buon conduttore, come i metalli in genere ed in particolare il rame e l’argento.

La corrente elettrica è costituita dal movimento di elettroni liberi in un conduttore. Maggiori sono gli elettroni liberi migliore sarà la capacità di conduzione della corrente elettrica di quel materiale. I materiali isolanti non possiedono praticamente elettroni liberi, e di conseguenza non si può ottenere un flusso di corrente attraverso di esso. Alcuni materiali isolanti sono: il legno, la porcellana, la carta, le materie plastiche, ecc. Vi sono inoltre alcuni materiali che conducono solo in determinate condizioni e vengono detti semiconduttori. Questa caratteristica è molto importante nel campo dell'elettronica e alcuni materiali semiconduttori sono il silicio, il germano, il selenio.

Ciò che accade in un conduttore è un po’ ciò che accade in un tubo pieno d’acqua quando una delle sue estremità si trova più in alto dell’altra cioè quando l’acqua può scendere lungo un dislivello. Gli elettroni corrispondono alle molecole d’acqua e la corrente corrisponde al flusso dell’acqua che scende. Il dislivello corrisponde alla differenza di potenziale (ddp) o tensione elettrica. Per riportare in alto gli elettroni serve una specie di pompa: il generatore di tensione.

In un generatore elettrico, per effetto di fenomeni chimici o elettromagnetici, gli elettroni che si trovano nel suo circuito interno vengono spinti in una direzione, creando un’abbondanza di cariche negative da un lato che viene chiamato polo negativo (-). Di conseguenza dall’altro lato rimane una concentrazione di cariche positive detto polo positivo (+).

Questa differenza che viene a crearsi tra i due poli è la famosa tensione (ddp) e rappresenta una quantità di energia pronta a scatenarsi una volta che i due poli sono messi in conduzione tra loro tramite un circuito conduttore: in questo modo si genererà il flusso di cariche negative, la corrente elettrica appunto, che permetterà agli elettroni di ritornare al polo di origine. Il flusso degli elettroni va sempre dal polo negativo a quello positivo anche se per convenzione si dice che la corrente va dal + al -. Se non si collega un carico conduttore tra i due poli non può avvenire il passaggio di corrente elettrica.

Abbiamo scoperto quindi delle nuove grandezze riguardo la corrente elettrica:

• La tensione o d.d.p., indicata con la lettera V e si misura in Volts [V];
• L’intensità di corrente, indicata con la lettera I e si misura in Ampère [A];
• La resistenza elettrica, indicata con la lettera R e si misura in Ohm [Ω].

La tensione è la quantità di energia disponibile (ricordiamo il dislivello d’acqua), la corrente è la quantità di cariche negative (elettroni) che scorre nell’unità di tempo e la resistenza elettrica rappresenta la difficoltà che la corrente incontra nel fluire all’interno del conduttore.

Perciò maggiore è R minore sarà la corrente che attraversa il conduttore.

Tutto ciò viene messo in relazione dalle leggi di Ohm, dal nome del fisico tedesco che la scoprì nel 1827

• La prima dice che in un circuito attraversato da corrente, l’intensità è direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza. E la formula che la esprime è:
  I= V/R, quindi R= V/I e V= I x R.
• La seconda dice che in un conduttore attraversato da corrente, la resistenza è direttamente proporzionale alla lunghezza del conduttore e inversamente proporzionale alla sua sezione. E la formula che la esprime è:
  R=L/S x ρ (Rho) dove L=lunghezza [m], S=superficie [mm2] e ρ=resistività del materiale.

L’esempio classico di generatore elettrico è la pila che crea corrente elettrica partendo dall’energia chimica scaturita dal contatto delle sostanze che la compongono. Questa è stata scoperta nel 1796 da Alessandro Volta, Consisteva in una serie di dischetti alternati di zinco e di rame tra i quali erano posti dei dischetti di feltro imbevuti di una soluzione acida.

Tutti i dischi erano forati al centro e infilati su un’asta di legno verticale. Alle due estremità, o poli, vi era da una parte un disco di rame (polo positivo o anodo) e dall’altra un disco di zinco (polo negativo o catodo). Se si fanno toccare tra loro le due sostanze, la corrente inizia a fluire perché gli elettroni passano dallo zinco (che assume carica +) al rame (che assume carica -); ma se si introduce tra le due sostanze una soluzione di acqua + acido solforico, detto elettrolita, il passaggio di corrente non avviene, perché le due sostanze assumono elettroni dall’elettrolita e la pila rimane carica e pronta a dare energia.

Una volta che collego un carico ai due poli, ecco che inizia a scorrere la corrente e lo fa in relazione alle leggi di ohm, perché il carico collegato presenta una certa resistenza elettrica R dipendente dal materiale di cui è fatto e dalle dimensioni dei fili conduttori.

Oggi esistono pile costruite con materiali differenti e che durano di più come le pile a secco, le pile alcaline e le pile a mercurio (quelle piatte a bottone degli orologi).

PRODURRE ENERGIA ELETTRICA

L'energia elettrica viene prodotta tramite dei processi di trasformazione partendo da altre forme di energia:

• Dall'energia chimica ( es. pile chimiche );
• Dall'energia meccanica ( es.generatori, dinamo, alternatori, mulini eolici);
• Dall'energia termica;
• Dall'energia luminosa (es. fotoelettrico, celle fotovoltaiche );
• Dall’energia nucleare (centrali nucleari a fissione atomica).

I vantaggi dell’energia elettrica sono:

• Il fatto di poter essere facilmente trasportata a distanza e distribuita (elettrodotti);
• Il basso rumore di esercizio delle apparecchiature elettriche;
• L'assenza di fumi di scarico nei luoghi di utilizzazione;
• Il minor ingombro di una macchina elettrica o di un motore elettrico.

Tra gli svantaggi:

Non è una fonte primaria e quindi è necessario un processo di trasformazione partendo da un’altra energia nelle centrali elettriche.

In epoca contemporanea l'energia elettrica viene prodotta prevalentemente dalle centrali termoelettriche tramite combustione delle fonti di energia fossili ( petrolio, gas, carbone ), dalle centrali nucleari (energia nucleare), dalle centrali idroelettriche e dalle altre energie rinnovabili (fotovoltaico, eolico).

Solo nel fotovoltaico si ottiene direttamente energia elettrica partendo dalla cella.

Negli altri casi, tre sono le macchine indispensabili nelle centrali elettriche:

• Turbina: messa in moto da acqua o da vapore in pressione;
• Alternatore: azionato dalla turbina per creare la differenza di potenziale;
• Trasformatore: eleva il valore del potenziale per trasportarlo con gli elettrodotti.

ENERGIA ELETTRICA ED ELETTROMAGNETISMO

Le cariche elettriche in moto generano anche un campo magnetico che si concatena nel materiale del conduttore in cui sta scorrendo la corrente elettrica. La forza che si va a creare è detta: forza elettromagnetica e ha un orientamento e una potenza che
dipendono dalla direzione e dall’intensità della corrente stessa. L’effetto è quello della calamita che tutti conosciamo, per cui se avvolgiamo una barretta d’acciaio con un filo elettrico e alimentiamo con un generatore, la barretta si magnetizza e attira altri
corpi metallici: è l’elettrocalamita. Quando spegnamo il generatore l’effetto magnetico cessa.

Questo proprietà ha permesso la scoperta dei motori elettrici, del trasformatore di corrente, dell’elettrocalamita, del campanello elettrico, del telegrafo a filo e molte altre cose.

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