Un'analogia con il circuito idraulico

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1 Pompa Generatore di tensione (pila) Flusso d acqua PUNTI DI DOMANDA Differenza di potenziale Rubinetto Mulinello Lampadina Corrente elettrica 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. 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 l intensità della corrente elettrica si misura in la resistenza si misura in VOLT (V) 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 AMPÈRE (A) 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. 289 A7_U1.indd /07/13 16:24

2 AREA 7 Elettricità e macchine 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). Pila Resistenza Corrente elettrica Generatore Utilizzatore Conduttore Generatore di tensione Filo conduttore Per convenzione il senso della corrente elettrica va dal polo positivo a quello negativo. Flusso di elettroni Utilizzatore 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. Pila da 9 V Lampadine collegate in serie 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. Lampadine collegate in parallelo Pila da 9 V 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. 290 A7_U1.indd /07/13 16:24

3 Anche i generatori che alimentano il circuito possono essere collegati in serie o in parallelo. 18 V 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. 9 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. PUNTI DI DOMANDA 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 La legge di Ohm Lo scienziato tedesco Georg Simon Ohm ( ) 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 possiamo ricavare la formula per calcolare l intensità: Conduttore I = V/R da cui si ricavano le formule inverse: R = V/I V = R I Flusso convenzionale della corrente elettrica 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. 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. GRANDEZZA Carica elettrica Tensione elettrica (V) Resistenza (R) Intensità (I) DEFINIZIONE Proprietà della materia che sta all origine di tutti i fenomeni elettromagnetici. Differenza di potenziale elettrico o tensione in un circuito. Ostacolo al passaggio della corrente. Quantità di cariche che attraversano la sezione di un filo conduttore in un certo tempo. UNITÀ DI MISURA coulomb (C) volt (V) ohm (Ω) ampère (A) Potenza (P) Prodotto tra la differenza di potenziale e l intensità della corrente. watt (W) 291 A7_U1.indd /07/13 16:24

4 AREA 7 Elettricità e macchine LINK SCIENZE La pila di Volta La prima pila fu costruita nel 1799 da Alessandro Volta ( ), 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 positivo LEZIONE 88. Generatori chimici Polo negativo 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 dispo- sitivi 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. Lamina di separazione Piastra di piombo spugnoso (polo negativo) 292 Le piastre sono immesse in una soluzione di acqua e Piastra di acido solforico. biossido di piombo (polo positivo) Gli accumulatori 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. A7_U1.indd /07/13 16:24

5 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? 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. 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. 293 A7_U1.indd /07/13 16:24

6 AREA 7 Elettricità e macchine LEZIONE 89. Generatori elettromeccanici e trasformatori 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 Qualunque conduttore, se percorso da corrente elettrica, genera un campo magnetico attor- no 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. 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. 5 La tensione viene prelevata sul collettore mediante due spazzole. 4 Facendo ruotare il rotore nel campo magnetico, si genera una tensione. I tipi di tensione Tensione (V) Tempo 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. O Tensione (V) Periodo Tempo 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. O Tensione (V) Periodo Tempo 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. 294 A7_U1.indd /07/13 16:24

7 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 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. 295 A7_U1.indd /07/13 16:24

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