C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia

C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
C1.1. L’intensità di corrente
A volte capita di voler confrontare due correnti, ad esempio due fiumi. Ci si può chiedere: “Quale dei due fiumi è più largo?” oppure
“Quale dei due fiumi scorre più veloceme nte?”. Nella figura 1 il fiume riportato sopra è
più largo mentre quello raffigurato sotto scorre più velocemente. Molto spesso però non ci
si interessa né alla larghezza del fiume, né alla
velocità con cui l’acqua vi scorre, bensì
all’intensità della sua corre nte.
siasi altro punto, anche nella cascata, dovranno scorrere 1’000 L al secondo dal momento
che in nessun punto dell’acqua scompare o
viene aggiunta al fiume. Nei punti stretti
l’acqua scorre più velocemente che nei punti
larghi, ma l’intensità di corrente è sempre la
medesima.
L’intensità di corrente dell’acqua è la medesima in ogni
punto del fiume
I fiumi possono avere dimensioni diverse e scorrere a
differenti velocità
L’intensità di corrente di un fiume indica
quanti litri d’acqua passano in un dato punto
del fiume in un secondo. Nel Reno presso
Karlsruhe scorrono ogni secondo 1’500’000
litri d’acqua. Se si ponesse in questo punto del
Reno un muro ci si dovrebbero far passare
sopra 1’500’000 litri d’acqua ogni secondo
per garantire una normale corrente del fiume.
Si dice che l’intensità di corrente del Reno
ammonta a 1’500’000 litri al secondo o, in
modo abbreviato, 1’500’000 L/s.
L’intensità di corrente delle automobili su una
corsia di un’autostrada ammonta a circa
un’automobile al secondo.
È facile confondere l’intensità di corrente con
la velocità della corrente. Il fiume raffigurato
nel disegno 2 ha in ogni suo punto la medesima intensità di corrente. Se a sinistra scorrono
in un secondo 1’000 L , allora anche in qua l-
44
Prima dell’affluente l’intensità di corrente del fiume è
minore rispetto a dopo
Il fiume raffigurato nella figura 3 non presenta in ogni suo punto la medesima intensità di
corrente. Se l’intensità di corrente è di 1’000
L al secondo prima dell’imboccatura del fiumiciattolo laterale, nel quale l’acqua scorre
con un’intensità di corrente di 100 L/s, allora
a destra dell’albero l’intensità di corrente del
fiume sarà di 1’100 L/s.
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
Riassunto:
L’intensità di corrente di un fiume indica quanti litri di acqua passano in un secondo in un suo
punto qualsiasi. L’intensità di corrente delle automobili ci dice quante automobili in un secondo
passano da un dato punto della strada.
Esercizi :
1.
In cosa possono differenziarsi due fiumi?
2.
Che cosa indica l’intensità di corrente di un fiume e di un’autostrada?
3.
Misura l’intensità di corrente dell’acqua che esce da un rubinetto.
4.
Perché l’intensità di corrente in ogni punto del fiume della figura 2 è sempre la stessa?
5.
Un vasca da bagno della capacità di 120 L viene riempita in 10 minuti. A quanto ammonta
l’intensità di corrente dell’acqua che fluisce nella vasca?
C1.2. Correnti di energia
Cosa è più costoso: dimenticare accesa una
stufa elettrica o una lampadina? Ovviamente
dimenticare accesa la stufa elettrica è più costoso. Infatti ha bisogno di più energia.
Una stufa ha bisogno di più energia rispetto
ad una lampadina? Qualche cosa in questa affermazione non può essere esatto. Se la stufa
rimane accesa un’ora e la lampadina un mese,
allora sarà la lampadina a necessitare più energia. Un apparecchio infatti abbisogna di
più energia più a lungo rimane acceso. Se lasci accesa una lampadina per due ore, questa
necessiterà del doppio di energia che se la lasciassi accesa per un’ora.
Su molti apparecchi che fungono da ricevitori
di energia è riportata la corrente di energia o
“il consumo di energia”. Poiché l’unità di misura “joule/secondo” è molto frequente le si è
dato un nome: watt.
Di certo avrai già sentito parlare di questa unità di misura. È infatti riportata sulla maggior
parte degli apparecchi elettrici (figura 4). Su
di un aspirapolvere si può ad esempio leggere
“500 W”. Ciò significa: quando l’aspirapolvere è acceso, attrave rso il cavo di alimentazione entrano nell’apparecchio 500 J ogni
secondo.
Cosa si intende allora quando diciamo che
una stufa consuma più energia di una lampadina? Senza dirlo in modo esplicito intendiamo: la stufa abbisogna di più energia della
lampadina in un medesimo intervallo di
tempo di funzionamento. La stufa ha bisogno
di 2’000 J al secondo mentre la lampadina necessita di 100 J al secondo per funzionare.
Possiamo formulare il tutto anche nel modo
seguente: la corrente di energia che fluisce
nella stufa ammonta a 2'000 J al secondo e la
corrente di energia che fluisce in una lampadina ammonta a 100 J al secondo. La stufa ha
bisogno quindi per funzionare 20 volte più
energia della lampadina.
Il numero di watt indica l’intensità di corrente
dell’energia che fluisce nell’apparecchio
Nel caso di un numero elevato di watt si usa
come unità di misura il kilowatt (kW): 1 kW
= 1'000 W; nel caso di correnti di energia ancora maggiori si usa il megawatt (MW): 1
MW = 1'000 kW = 1'000'000 W.
Riassunto:
L’intensità di corrente dell’energia viene misurata in watt (W). Watt sta per joule al secondo.
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
45
Esercizi :
1.
Perché sugli apparecchi elettrici si riporta il numero di watt e non il numero di joule?
2.
Una lampadina necessita in 10 secondi di 1'000 J. Una stufa necessita della stessa quantità di
energia in 1 secondo. A quanto ammonta l’intensità di corrente dell’energia nella stufa e ne lla lampadina?
3.
Per quanto tempo rimane accesa una lampadina da 2 W se la si collega a una batteria o a un
accumulatore di automobile? (la batteria contiene 10 kJ, l’accumulatore 2'000 kJ)
Potenza = corrente di energia
Invece della parola “corrente di energia” si usa spesso la parola “potenza”. Si dice: la lampadina ha
una potenza di 100 W”.
Una terza unità di misura per l’energia
Dal contatore di energia di casa si può leggere quanta energia è fluita in casa. Purtroppo questi contatori non riportano l’energia nell’unità di misura joule o kJ, bensì in kilowattore (kWh). Un kilowattora corrisponde ad una quantità di energia di 3’600 kJ. Possiamo quindi formulare la seguente
relazione: 1 kWh = 3’600 kJ. Un kilowattora rappresenta quindi una considerevole quantità di ene rgia.
Attenzione a non confondere l’unità di misura kilowatt che descrive l’intensità di corrente
dell’energia con il kilowattora che descrive invece una quantità di energia.
Ora conosci già tre unità di misura per l’energia: kJ, kcal, kWh. Per evitare confusione useremo
sempre l’unità di misura kJ. Prova a pensare alla confusione che si creerebbe se esprimessimo la
lunghezza una volta in metri, una volta in piedi e una volta in leghe!
C1.3. Correnti di energia nell’economia domestica
Le correnti di energia che scorrono negli elettrodomestici sono molto differenti. Nella figura 5 sono riportati i valori per alcuni apparecchi. Osservando attentamente la figura puoi
scoprire una semplice regola.
Gli apparecchi utilizzati per il riscaldamento
sono quelli che necessitano della maggior corrente di energia per funzionare: boiler, asciugatrice, stufa elettrica, lavastoviglie. Correnti
46
di energia minori sono necessarie al funzionamento di apparecchi che muovono qualche
cosa o che servono all’illuminazione: centrifuga, aspirapolvere, rasoio elettrico, lampadine. Correnti di energia ancor minori sono necessarie al funzionamento degli apparecchi
elettronici: calcolatrice, sveglia.
Se vuoi “risparmiare” energia bada a non ut ilizzare inutilmente apparecchi che riscaldano.
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
boiler
asciugatrice
Stufa elettrica
Rasoio
centrifuga aspirapolvere elettrico
lampada
calcolatrice
lampadina
registratore
orologio da
polso
Un uomo ha bisogno di un’intensità di corrente di energia
simile a quella di una lampadina
Riassunto:
Apparecchi che riscaldano hanno bisogno di molta energia, apparecchi che muovono qualche
cosa o che illuminano un po’ meno e apparecchi elettronici ancora meno.
Esercizi :
1.
Informati circa le correnti di energia necessarie a far funzionare i vari elettrodomestici di casa tua.
2.
Perché la batteria di un orologio da polso dura molto a lungo pur non contenendo molta energia?
3.
Che tipo di apparecchi elettrici bisognerebbe utilizzare il meno possibile se si vuole “r isparmiare” ene rgia?
La corrente di energia che ci giunge dal sole
Il Sole invia energia sulla Terra. Il portatore di
energia è la luce. Su ogni superficie di 1 m2 che
viene illuminata perpendicolarmente dalla luce
del sole, arrivano ogni secondo circa 1'000 J.
L’intensità di corrente dell’energia che scorre attraverso un metro quadrato è quindi di 1'000 W.
Se vogliamo sfruttare l’energia che ci giunge dal
Sole, dobbiamo essere in grado di catturarla. Ciò
non è facile. La luce del Sole non costa però
niente ed è praticamente inesauribile. Vale quindi
la pena cercare delle strategie per immagazzinare
e sfruttare questa energia.
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
47
C1.4. Il fabbisogno energetico dell’uomo
L’uomo riceve l’energia di cui necessita per
vivere dal cibo. A quanto ammonta l’intensità
di corrente dell’energia che col cibo entra
nell’uomo? Quanta energia ha bisogno un
uomo ogni secondo?
Ciò dipende ovviamente dall’attività che sta
svolgendo, se cioè starà correndo oppure se
sarà seduto comodamente in poltrona a guardare il televisore. Possiamo comunque chiederci a quanto ammonta il fabbisogno energetico dell’uomo in media.
Questo fabbisogno energetico medio può essere calcolato in modo semplice. Sappiamo
che un uomo necessita al giorno di circa
10'000 kJ (10'000'000 J). Un giorno ha 86'400
secondi. Un uomo abbisogna quindi in media
di 100 J ogni secondo: 10'000'000 : 86'400 ≈
116 J.
Il fabbisogno energetico medio dell’uomo è
quindi di circa 100 J al secondo, ossia di 100
W. Questo corrisponde all’incirca al fabbisogno energetico di una forte lampadina.
Fino ad ora abbiamo considerato solo
l’energia che l’uomo assume tramite il cibo.
Necessita però anche di energia per riscaldare
e per i vari elettrodomestici. Inoltre il traffico,
l’industria, l’agricoltura necessitano anche di
molta energia. Un abitante della Svizzera necessita quindi in totale un po’ più di 5 kW.
Riassunto:
Col cibo un uomo si procura una corrente di energia di circa 100 W. Il fabbisogno energetico
nell’industria, nell’agricoltura e nelle economie domestiche ammonta a circa 5 kW per abitante.
Fabbisogno energetico dell’uomo e di alcuni animali a riposo
Topo
0,2 W
Ratto
1,6 W
Coniglio
6 W
Cane
25 W
Uomo
80 W
Toro
600 W
Elefante
2'400
W
CV e kW
CV (cavalli vapore) è una vecchia unità di misura per l’intensità di corrente dell’energia.
1 CV = 0,734 kW
È facile ricordare che 1 CV = ¾ kW.
48
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
I CV delle automobili
Un’automobile ha 100 CV o 73 kW. Cosa significa ciò? Dall’unità di misura puoi riconoscere che
si tratta dell’intensità di corrente dell’energia.
Quando su di una lampadina si legge 100 W, allora significa che questa necessita di 100 J al secondo.
Si potrebbe quindi pensare che il motore di un’automobile da 73 kW necessiti di 73 kJ al secondo.
Questo però non è corretto! Il motore necessita di molta più energia. Due terzi di questa energia
fluiscono inutilizzati nel sistema di raffreddamento e nel tubo di scarico.
Solo il terzo rimanente viene trasferito dal motore alle ruote. Il dato 73 kW sta a significare che
l’intensità massima di corrente che dal motore passa alle ruote può ammontare al massimo a 73 kJ
ogni secondo.
Energia
dal serbatoio della
benzina
Motore
della
automobile
Energia nel
sistema di raffreddamento e
nel tubo di
scarico
Energia verso le
ruote
C1.5. L’intensità di corrente della corrente elettrica
Abbiamo imparato che l’intensità di corrente
dell’energia si misura in watt. Anche le intensità di corrente dei portatori di energia hanno
le loro unità di misura.
Le intensità di corrente di benzina, olio da riscaldamento, acqua si misurano in litri al secondo (L/s).
Le intensità di corrente di carbone o di cibo si
possono misurare in chilogrammi al secondo
(kg/s).
Solo per la corrente elettrica ci manca ancora
l’unità di misura corrispondente. Si chiama
ampère (A). Se attraverso un cavo scorre mo lta elettricità al secondo, allora il numero di
ampère è elevato.
Per misurare l’intensità di corrente della corrente elettrica si utilizza l’amperometro. Questo strumento è molto facile da utilizzare.
Supponiamo di dover misurare l’intensità di
corrente della corrente elettrica che attraversa
il filo raffigurato nella figura 7. Basta “tagliare” il filo (figura 8) e collegare le due estremità all’amperometro come raffigurato in figura
9. L’elettricità scorre ora attraverso l’amperometro e questi mostra l’intensità di corrente.
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
49
Riassunto:
L’unità di misura dell’intensità di corrente della corrente elettrica è l’ampère (A).
Esercizi :
1.
A quanto ammonta l’intensità di corrente dell’acqua attraverso il rubinetto di destra della figura 10?
2.
A quanto ammonta l’intensità di corrente della corrente elettrica attraverso la lampadina di
destra della figura 11?
L’elettricità non va persa
Con l’aiuto di due amperometri si può facilmente dimostrare che un apparecchio elettrico non consuma elettricità. Si misura l’intensità di corrente della corrente elettrica prima e dopo l’apparecchio.
Entrambi gli amperometri mostrano lo stesso valore. Tutta l’elettricità che in un filo scorre dalla
fonte al ricevitore, scorre poi nel secondo filo dal ricevitore alla fonte.
Nella biforcazione la corrente elettrica che giunge dall’accumulatore si divide. Una parte scorre ve rso la piccola lampadina ed una parte verso la grossa. Per vedere quanto, abbiamo inserito prima di
ogni lampadina un amperometro. Uno mostra 2 A e l’altro 3 A. Per controllo abbiamo anche inserito un amperometro prima della biforcazione. Ovviamente questo indica 5 A.
50
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
C1.6. Tanti portatori trasportano molto
Confronta le tre figure 12, 13, 14. Hanno qual
cosa in comune. In tutti e tre i casi che vedi
sopra l’intensità di corrente del portatore è
maggiore di quelli che vedi in basso. Questo
ha anche come conseguenza che sopra
l’intensità di corrente dell’energia è maggiore
e sotto minore. Maggiore l’intensità di corrente del portatore di energia e maggiore
l’intensità di corrente dell’energia.
Si può quindi aumentare o diminuire
l’intensità di corrente dell’energia aumentando o diminuendo l’intensità di corrente del
portatore.
È però anche possibile aumentare o diminuire
l’intensità di corrente dell’energia in un altro
modo che verrà illustrato nel prossimo capitolo (C2.).
10 chicchi al secondo
2 chicchi al secondo
Intensità di corrente dell’elettricità 9 A
Intensità di corrente dell’energia 2000 W
Intensità di corrente dell’elettricità 4,5 A
Intensità di corrente dell’energia 1000 W
Riassunto:
Si può aumentare o diminuire l’intensità di corrente dell’energia aumentando o diminuendo
l’intensità di corrente del portatore.
C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia
51