Un`analogia con il circuito idraulico I corpi conduttori e i corpi isolanti

Corrente elettrica
Rubinetto
Flusso d’acqua
Mulinello
Pompa
Interruttore
Generatore
di tensione
(pila)
Differenza
di potenziale
Lampadina
Corrente elettrica
PUNTI DI DOMANDA
1. Che cos’è l’energia elettrica? E la
corrente elettrica?
2. Che cosa indicano la tensione,
l’intensità di corrente e la resistenza?
3. Quali sono le loro unità di misura?
4. Qual è la differenza tra corpi conduttori
e corpi isolanti?
Il rame è un ottimo conduttore della corrente
elettrica per cui viene utilizzato per i cavi
elettrici costituiti da decine di fili per essere
più flessibili. I cavi sono rivestiti con una
guaina in plastica come isolante.
UNITÀ 1
Un'analogia con il circuito idraulico
Per comprendere facilmente il fenomeno della corrente elettrica, si può
fare ricorso all’analogia tra ciò che accade in campo elettrico e quanto avviene in campo idraulico.
Su un piano vengono posti due recipienti pieni d’acqua, collegati da un
tubo. I due liquidi in questa situazione risultano in perfetto equilibrio:
ora, se si alza uno dei due recipienti, come nella figura di sinistra, si può
notare che il liquido si riversa nel contenitore posto più in basso.
Nel sistema idraulico per far scorrere l’acqua è necessario avere un dislivello tra i due recipienti: più grande è la differenza di quota, maggiore sarà la
velocità di scorrimento dell’acqua e questo si realizza, ad esempio, con una
pompa che mantiene costante il flusso dell’acqua.
In campo elettrico, questa differenza di altezza prende il nome di tensione
elettrica o differenza di potenziale (ddp) e rappresenta la condizione
indispensabile per far muovere gli elettroni nel corpo conduttore. Solo in
presenza di una tensione elettrica è infatti possibile ottenere il passaggio di
corrente e ciò si realizza grazie all’azione di un generatore di tensione.
Aumentando la differenza di potenziale, aumenta anche l’intensità della
corrente elettrica nel circuito (cioè il numero di cariche che si spostano in
un secondo).
La corrente elettrica nel conduttore incontra sempre una resistenza, che è
tipica di ciascun materiale, con conseguente rallentamento della velocità
degli elettroni. Questa forza frenante è definita resistenza elettrica.
Le grandezze del circuito elettrico si esprimono con queste unità di misura:
la tensione si misura in VOLT (V)
l’intensità della corrente elettrica si misura in AMPÈRE (A)
la resistenza si misura in OHM (Ω)
Nel circuito idraulico, il lavoro che il mulinello compie dipende dalla
pressione generata dalla pompa e dalla quantità di acqua che circola nel
circuito. Analogamente, nel circuito elettrico la quantità di lavoro compiuta dalla lampadina, calcolato in un secondo, prende il nome di potenza.
Per calcolare la potenza si moltiplica la tensione per l’intensità della corrente elettrica P = V × I
L’unità di misura della potenza elettrica è il
WATT (W)
Tutti i dispositivi elettrici, compresi gli elettrodomestici, sono interessati
da questo valore, che esprime, a parità di tensione a 220 V, il consumo di
corrente elettrica.
I corpi conduttori e i corpi isolanti
Il passaggio della corrente elettrica è legato alle caratteristiche dei materiali. Quelli che permettono il movimento degli elettroni sono chiamati
conduttori perché si lasciano attraversare facilmente dalla corrente elettrica. Tra i materiali conduttori vi sono l’oro, l’argento, il rame, l’alluminio,
l’acqua, il corpo umano e in genere tutti i metalli.
Altri materiali, invece, oppongono molta resistenza al movimento degli
elettroni e sono quindi detti isolanti. Materiali isolanti sono la plastica, il
vetro, il legno (solo se asciutto), la gomma, il tessuto, la carta.
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LEZIONE
87. Semplici circuiti elettrici
SIMBOLI
Lampadina
Filo conduttore
Il circuito elettrico è un sistema all’interno del quale passa la corrente elettrica. Gli elementi indispensabili che lo costituiscono sono il generatore, il filo conduttore, l’interruttore e l’utilizzatore. Il generatore fornisce l’energia, o differenza di potenziale, che permette il funzionamento dell’utilizzatore (nel nostro caso la lampadina).
Interruttore
Interruttore
Flusso di
elettroni
Pila
Resistenza
Interruttore
Corrente elettrica
Generatore Utilizzatore
Generatore
di tensione
Filo
conduttore
Utilizzatore
Per convenzione il senso della
corrente elettrica va dal polo
positivo a quello negativo.
Conduttore
Pila da 9 V
Pila da 9 V
Lampadine
collegate
in parallelo
Lampadine
collegate
in serie
Quando si chiude il circuito con l’interruttore, un flusso di elettroni esce dal polo
negativo del generatore, percorre tutto il
circuito, passa nel filamento della lampadina e ritorna al polo positivo della pila,
ristabilendo il numero delle cariche. Questo flusso di elettroni che attraversa il filo
prende il nome di corrente elettrica.
Il filo elettrico utilizzato nel circuito deve
avere uno spessore adeguato per evitare
che si surriscaldi al passaggio della corrente elettrica, mentre il piccolo filamento in
tungsteno, posto all’interno della lampadina, oppone una forte resistenza al movimento della corrente elettrica, per cui diventa subito incandescente a tal punto da
emettere luce. Quando si apre l’interruttore
il flusso di corrente elettrica si interrompe.
Il circuito in serie
Se si collegano due o più lampadine una
dopo l’altra in modo che siano attraversate
dalla stessa corrente, si realizza un circuito
in serie. L’inconveniente di questo tipo di
circuito è che, se una di esse dovesse fulminarsi, l’intero circuito non funzionerebbe
più perché viene interrotto il passaggio
della corrente.
Il circuito in parallelo
Se si collegano le lampadine a una stessa
linea di alimentazione, ma ciascuna è indipendente dalle altre, si realizza un circuito
in parallelo. Tutti gli utilizzatori vengono
collegati alla stessa fonte di energia mediante due fili. In questo modo ogni lampadina è attraversata dalla stessa tensione
elettrica e, anche se un utilizzatore dovesse
fulminarsi, gli altri continuerebbero a funzionare regolarmente evitando il blocco del
passaggio della corrente elettrica nell’intero
circuito. Questo tipo di circuito è il più utilizzato nelle industrie e nelle abitazioni.
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Corrente elettrica
UNITÀ 1
Anche i generatori che alimentano il circuito possono essere collegati in serie o in parallelo.
Il collegamento in serie
Collegando tra loro alternativamente polo
positivo con polo negativo si determina
una tensione in uscita pari alla somma dei
singoli voltaggi. Con due pile da 9 V si ottiene una tensione in uscita di 18 V.
18 V
Il collegamento in parallelo
In questo caso la tensione dei generatori
(le pile) non si somma: due pile da 9 V
forniscono una tensione in uscita di 9 V.
L’intensità della corrente è invece data dalla somma delle singole intensità. Il circuito
fornisce l’energia per un tempo maggiore
rispetto a una sola pila.
9V
PUNTI DI DOMANDA
La legge di Ohm
1. Che cos’è il circuito
elettrico?
2. Quali sono i diversi
tipi di circuito
elettrico?
3. Che cosa afferma la
legge di Ohm?
Elettrone libero
Atomo
Lo scienziato tedesco Georg Simon Ohm (1789-1854) nel 1826 scoprì la relazione che lega
tra loro la tensione e la corrente che attraversa un conduttore, enunciando una legge importantissima e tuttora valida: “In un conduttore l’intensità di corrente elettrica è direttamente proporzionale alla tensione applicata e inversamente proporzionale alla resistenza che oppone il conduttore”. Indicando con:
•฀ R la resistenza agli estremi del conduttore;
•฀ V la differenza di potenziale o tensione a cui è sottoposto il conduttore;
•฀ I l’intensità di corrente che attraversa il conduttore
I = V/R
possiamo ricavare la formula per calcolare l’intensità:
Conduttore
da cui si ricavano le formule inverse:
V=R⋅I
La resistenza aumenta o diminuisce in funzione del materiale usato per
formare il conduttore ed è inversamente proporzionale alla sezione (ciò
vuol dire che all’aumento della sezione diminuisce la resistenza) e direttamente proporzionale alla lunghezza del filo.
Flusso convenzionale
della corrente elettrica
La corrente elettrica è
generata dal movimento
degli elettroni in un filo
metallico. Il verso
convenzionale della
corrente elettrica va dal polo
positivo a quello negativo,
anche se gli elettroni (–) si
spostano verso i protoni (+)
dell’atomo vicino.
R = V/I
GRANDEZZA
DEFINIZIONE
UNITÀ DI MISURA
Carica elettrica
Proprietà della materia che sta all’origine di
tutti i fenomeni elettromagnetici.
coulomb (C)
Tensione elettrica (V)
Differenza di potenziale elettrico o tensione in
un circuito.
volt (V)
Resistenza (R)
Ostacolo al passaggio della corrente.
ohm (Ω)
Intensità (I)
Quantità di cariche che attraversano la sezione
di un filo conduttore in un certo tempo.
ampère (A)
Potenza (P)
Prodotto tra la differenza di potenziale e
l’intensità della corrente.
watt (W)
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LEZIONE
88. Generatori chimici
LINK ➜ SCIENZE
La pila di Volta
La prima pila fu costruita nel 1799 da Alessandro Volta
(1745-1827), che ottenne la corrente elettrica alternando
dischetti di zinco e rame, separati da un panno imbevuto di
una soluzione elettrolitica, cioè una sostanza che può condurre elettricità. Collegando il primo disco di zinco posto
sulla parte inferiore con il disco di rame posto
all’estremità opposta si crea la corrente elettrica. Il fenomeno si spiega perché i due metalli
si comportano in modo differente: lo zinco,
infatti, cede gli elettroni al rame e si ha così un
addensamento di cariche positive da una parte e negative dall’altra,
che generano la differenza di potenziale necessaria per la creazione
della corrente elettrica.
Pile zinco-carbone
e pile alcaline
› L’accumulatore al piombo
Polo
negativo
Polo
positivo
I generatori chimici sono particolari dispositivi in grado di
produrre energia elettrica per effetto di reazioni chimiche.
Ne fanno parte le pile o batterie, che una volta terminata
la propria carica non sono più riutilizzabili e vengono gettate, e gli accumulatori o batterie ricaricabili, che possono essere sottoposti a una serie di ricariche.
Le pile
Le moderne pile, pur sfruttando il principio della pila di
Volta, non utilizzano più una soluzione elettrolitica liquida, bensì un impasto gelatinoso o un elettrolito solido,
così da evitare pericolose fuoriuscite di liquido.
Sul mercato sono presenti differenti tipi di pile che, a volte,
prendono il nome dal metallo e dall’elettrolito usato:
•฀ le pile zinco-carbone, o pile Leclanché sono costituite
da una barretta di grafite (polo positivo) e da un cilindro di zinco (polo negativo), al cui interno è introdotta
la soluzione elettrolitica;
•฀ le pile alcaline utilizzano come elettrolito composti di
metalli alcalini. Durano di più e si corrodono meno rispetto a quelle in zinco-carbone. Soddisfano le esigenze
energetiche di piccoli elettrodomestici e di dispositivi
portatili a basso assorbimento;
•฀ le pile all’ossido di argento e le pile al litio non
ricaricabili sono caratterizzate da dimensioni molto ridotte e dalla forma a bottone. Vengono usate per
orologi da polso, calcolatrici tascabili e piccoli dispositivi elettronici.
Se si collegano i due poli della pila a un circuito elettrico, si ottiene al suo
interno una migrazione di cariche elettriche, che prende il nome di corrente elettrica. La tensione elettrica generata tra i due metalli che compongono la pila è in genere tra 1 e 2 V; per ottenere tensioni maggiori
vengono collegate in serie più pile uguali. Dopo qualche tempo le reazioni
che avvengono nella pila cessano e la pila si scarica.
Gli accumulatori
Lamina di
separazione
Piastra di
piombo
spugnoso
(polo negativo)
Piastra di
biossido di
piombo (polo
positivo)
Le piastre sono
immesse in
una soluzione
di acqua e
acido solforico.
Tra le pile esistono alcune tipologie costruite in modo diverso: facendo scorrere una corrente elettrica fra i poli nel verso opposto rispetto a quello generato dalla pila, al suo interno si provoca una reazione chimica in grado di
accumulare energia, cioè cariche elettriche. Questi generatori sono chiamati
accumulatori o batterie ricaricabili.
L’accumulatore più diffuso è quello al piombo, utilizzato sulle automobili per avviare il motore, ma trova applicazione anche per mettere in funzione sistemi di emergenza nei casi in cui viene a mancare l’erogazione di
energia fornita dalla rete elettrica.
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Corrente elettrica
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Oggi sono disponibili accumulatori al nichel-cadmio, leggeri, ermetici e
con le stesse dimensioni delle pile stilo (AA) o ministilo (AAA), che vengono utilizzati per alimentare dispositivi elettrici ed elettronici. Una caratteristica degli accumulatori al nichel-cadmio è l’effetto memoria ovvero, se
vengono caricati ripetutamente prima che si scarichino, col tempo perdono la capacità di ricaricarsi al massimo.
PUNTI DI DOMANDA
1. Che cosa sono i
generatori chimici?
2. Qual è la differenza
tra pila e
accumulatore?
3. Che cosa sono gli
accumulatori agli ioni
di litio?
Gli accumulatori agli ioni di litio
Gli accumulatori agli ioni di litio (chiamati anche Li-ion) sono batterie
ricaricabili comunemente utilizzate nell’elettronica per computer portatili,
telefoni cellulari e macchine fotografiche; recentemente hanno trovato
impiego anche nell’alimentazione di utensili e attrezzi elettrici come trapani, tosaerba o soffiatori. Possiedono un buon rapporto potenza-peso e hanno il vantaggio di non essere soggetti all’effetto memoria.
Un problema delle batterie Li-ion è che presentano un degrado progressivo a partire dal
momento della fabbricazione anche se non vengono utilizzate, indipendentemente dal
numero di cicli di carica e scarica. Per evitare danni irreversibili, le batterie Li-ion non vanno mai scaricate sotto
una certa tensione.
Va ricordato, inoltre, che tali batterie possono essere
pericolose se impiegate impropriamente e, se vengono
danneggiate, potrebbero persino esplodere.
NUOVE TECNOLOGIE
Gli accumulatori agli ioni di litio
Il grande interesse verso gli accumulatori agli ioni di litio è dovuto al fatto che le case
automobilistiche si stanno orientando verso questa alternativa per l’immagazzinamento
dell’energia necessaria al funzionamento dei motori elettrici del futuro. La tecnologia agli
ioni di litio, infatti, permetterebbe all’auto di percorrere distanze più lunghe con un ridotto
peso dell’auto.
Le batterie a base di litio, tuttavia, presentano un problema: l’approvvigionamento della
materia prima per la loro realizzazione. Il litio è infatti disponibile in natura in quantità limitata e richiede processi di estrazione particolarmente complicati e costosi; inoltre, il
mercato è in mano a pochissimi produttori.
PAROLE DELLA TECNOLOGIA
Pile esauste: sono le pile
ormai consumate che non
funzionano più.
CITTADINANZA ATTIVA
Smaltire pile e accumulatori esausti
Al termine del loro ciclo vitale, pile e accumulatori diventano
pericolosi se non vengono smaltiti correttamente. Al loro interno, infatti, contengono metalli pesanti come piombo,
cromo, cadmio, rame, zinco e mercurio, che li rendono materiali altamente inquinanti per il terreno, per le falde acquifere e, se bruciati, per l’atmosfera. Si rende necessario, quindi, effettuare la raccolta differenziata.
Inoltre, tramite alcune fasi di riciclo, è possibile recuperare
da pile e accumulatori alcuni metalli preziosi che possono
essere riutilizzati per garantire altri cicli produttivi, il che
concorre a salvaguardare le riserve minerarie, l’ambiente e
a contenere le spese per la loro estrazione.
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LEZIONE
89. Generatori elettromeccanici
e trasformatori
La dinamo
Qualunque conduttore, se percorso da corrente elettrica, genera un campo magnetico attorno a sé. Se, viceversa, si muove un conduttore all’interno di un campo magnetico, in questo
inizia a circolare una corrente, la quale cessa nel momento in cui si interrompe il movimento. Questa caratteristica è alla base della costruzione dei generatori di energia elettrica.
La dinamo è una macchina elettrica usata per convertire l’energia meccanica di rotazione
in energia elettrica sotto forma di corrente continua.
Per ottimizzare la produzione il rotore deve ruotare ad almeno 600 giri al minuto.
PAROLE DELLA TECNOLOGIA
Induzione: è il fenomeno
per il quale un corpo vicino a
un altro modifica le sue
iniziali proprietà; ne è un
esempio la magnetizzazione.
› La dinamo
1 Statore
È costituito da un magnete
fisso che produce un campo
magnetico permanente con
un polo Nord e un polo Sud.
2 All’interno dello statore vi è il rotore costituito da
lamierini di ferro dolce, su cui è presente un avvolgimento
di sottili fili isolati di rame. Il rotore, quindi, si trova
immerso nel campo magnetico prodotto dallo statore.
3 Per la legge di Faraday, in un conduttore
che si muove in un campo magnetico
nasce una forza elettromotrice indotta.
La tensione viene prelevata sul
collettore mediante due spazzole.
5
4 Facendo ruotare il rotore nel campo
magnetico, si genera una tensione.
I tipi di tensione
Tensione (V)
+
+
+
+
Tempo
Tensione (V)
Periodo
+
+
O
–
–
Tempo
Tensione (V)
Periodo
+
+
Tempo
O
–
–
La tensione continua, indipendentemente dal suo valore, ha la caratteristica di mantenere
inalterata la polarità nel tempo, e quindi la corrente elettrica che si genera scorre sempre
nello stesso senso. In un diagramma cartesiano è rappresentata con una riga continua.
Un tipico esempio è la debole tensione generata dalle batterie e dagli accumulatori, sui quali è possibile individuare il polo positivo e quello negativo.
La tensione continua con bassi valori (2-50 V) è utilizzata per alimentare quasi tutti i dispositivi elettronici, come computer portatili, telefoni cellulari o fotocamere digitali.
Nella tensione alternata monofase sia la polarità sia il senso di movimento cambiano continuamente nel tempo. Viene rappresentata con un’onda sinusoidale e il tempo impiegato da
un’intera sinusoide per ripetersi identica prende il nome di periodo.
La tensione alternata a 220 V, utilizzata nelle abitazioni, ha una frequenza di 50 Hz. Oltre che
per l’illuminazione, è utilizzata per alimentare gli elettrodomestici, i computer desktop, i televisori e, tramite dispositivi come il trasformatore, anche diversi altri apparecchi elettronici.
La tensione trifase è un tipo di tensione alternata con tre fasi, sfasate di un terzo di periodo
una dall’altra. Per il trasporto necessita di tre cavi più un cavo di terra. Viene impiegata per il
trasporto dell’energia sugli elettrodotti e viene utilizzata quasi esclusivamente nel settore industriale, ad esempio per alimentare i motori trifase a 380 V.
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Corrente elettrica
UNITÀ 1
L'alternatore
Per produrre energia elettrica di elevata potenza generalmente si impiegano gli alternatori.
L’alternatore è una macchina elettrica rotante, che trasforma l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.
Osservando il comportamento dei fari di una
bicicletta è possibile capire come funziona un
alternatore. L’alternatore è costituito da un
magnete cilindrico fatto girare dalla rotella
zigrinata che si appoggia alla ruota. Le spire
di filo di rame, avvolte su un nucleo di
lamierini di ferro, sono collegate con un capo
alla lampadina e con l’altro al telaio metallico
della bicicletta. Quando la ruota gira, gira
anche il magnete e, per induzione
elettromagnetica, nelle spire si crea una
tensione che fa accendere la lampadina. Più
si pedala, più la lampadina si illumina; se ci
si ferma, la lampadina si spegne.
In alto un motore a corrente alternata di tipo
universale, quindi con collettore e spazzole
(non presenti nell’immagine). In basso un
motore a corrente alternata di tipi a induzione,
questo tipo di motore non presenta collettore
o spazzole. Nello statore sono presenti gli
avvolgimenti del circuito di alimentazione che
creano un campo magnetico rotante in grado
di trascinare il rotore.
A seconda delle potenze in gioco le modalità di costruzione degli alternatori possono essere diverse: l’induttore può essere costituito da un magnete fisso oppure da avvolgimenti di filo; allo stesso modo, anche il rotore
può essere costituito da un magnete fisso o da avvolgimenti di filo avvolti
su lamierini di ferro dolce.
Il principio di funzionamento di ogni tipologia di alternatore, comunque,
è simile a quello della dinamo.
Gli alternatori di grosse dimensioni, azionati dalla forza dell’acqua o messi in movimento da turbine, sono impiegati nelle centrali elettriche per
produrre energia elettrica.
In diversi settori gli alternatori hanno sostituito la dinamo e vengono impiegati, ad esempio, sulle biciclette per accendere i fari o nelle autovetture
per caricare la batteria. In questo caso l’uscita dell’alternatore passa attraverso un raddrizzatore, che trasforma la tensione alternata in tensione
continua.
I motori a corrente continua e alternata
Il fenomeno dell’induzione elettromagnetica è alla base anche del funzionamento del motore elettrico, cioè un dispositivo che permette di trasformare l’energia elettrica in un movimento rotatorio. Tutti i dispositivi elettrici, dal piccolo giocattolo al grande impianto industriale, sono dotati al
loro interno di un motore elettrico.
I motori a corrente continua
La dinamo è una macchina elettrica reversibile: se si fornisce una tensione
al rotore tramite due spazzole, il dispositivo si comporta come un motore
elettrico. I motori a corrente continua, detti motori sincroni, hanno la
caratteristica di ruotare a velocità costante. Quelli di piccola potenza sono
utilizzati per azionare elettroutensili, elettrodomestici a batteria e i motorini dei radiocomandi. I motori a corrente continua di elevata potenza,
invece, sono impiegati nel settore dell’automazione e per il finanziamento
di mezzi di trasporto elettrici come treni, metropolitane e tram.
I motori a corrente alternata
Spesso i motori hanno sia il rotore sia lo statore a filo avvolto, e sono
chiamati anche motori universali perché possono essere alimentati con
una tensione continua o alternata. Questi motori hanno dimensioni
compatte, un’alta velocità di rotazione, di circa 3 000 giri al minuto, e un
buono spunto iniziale. Trovano quindi largo impiego nei piccoli elettrodomestici usati in modo intermittente, in particolare dove è richiesta
un’alta velocità di rotazione: ad esempio, frullatore, aspirapolvere, asciugacapelli, lavatrice, trapano. Lo svantaggio è dato dalla presenza del collettore a lamelle, con la conseguente usura delle spazzole che ne compromette l’affidabilità.
Nelle applicazioni industriali i motori a corrente alternata monofase sono
poco usati, mentre trovano largo impiego quelli alimentati con tensione
trifase, anche di grosse dimensioni.
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