C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia

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1 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 n- te?. 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 corrente. 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 L, allora anche in qualsiasi altro punto, anche nella cascata, dovranno scorrere 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 litri d acqua. Se si ponesse in questo punto del Reno un muro ci si dovrebbero far passare sopra litri d acqua ogni secondo per garantire una normale corrente del fiume. Si dice che l intensità di corrente del Reno ammonta a litri al secondo o, in modo abbreviato, L/s. L intensità di corrente delle automobili su una corsia di un autostrada ammonta a circa un automobile al secondo. 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 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 L/s. 44 C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia

2 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 e- nergia. 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. 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 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. 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, attraverso il cavo di alimentazione entrano nell apparecchio 500 J ogni secondo. 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

3 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 l- la 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 kj. Possiamo quindi formulare la seguente relazione: 1 kwh = kj. Un kilowattora rappresenta quindi una considerevole quantità di energia. 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 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 utilizzare inutilmente apparecchi che riscaldano. 46 C1. Correnti di Energia e di Portatori di Energia

4 boiler asciugatrice Stufa elettrica centrifuga aspirapolvere Rasoio elettrico calcolatrice lampada registratore lampadina 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 e- nergia? 3. Che tipo di apparecchi elettrici bisognerebbe utilizzare il meno possibile se si vuole risparmiare energia? 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 m 2 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

5 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' 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 Ratto Coniglio Cane Uomo Toro 0,2 W 1,6 W 6 W 25 W 80 W 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

6 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 molta 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

7 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 r- so 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

8 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

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