TECNOLOGIA UDA 2c_ classe III

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1 TECNOLOGIA UDA 2c_ classe III Energia elettrica Docente ANNA RITA MALAVOLTA

2 Effetti della corrente elettrica 1 Effetto termico Effetto luminoso Effetto fisiologico Effetto magnetico Effetto chimico

3 Effetto termico (effetto Joule) 2 La corrente elettrica scorrendo in un conduttore urta gli atomi del conduttore stesso e fa attrito sviluppando calore. Quanta più corrente scorre nel conduttore tanto più calore viene generato. Legge di Joule P = V x I watt = volt x ampere La potenza elettrica dissipata (P), che si trasforma in calore in un conduttore, è direttamente proporzionale alla tensione (V) ed all intensità della corrente elettrica (I). Se utilizziamo la Legge di Ohm possiamo riscrivere la formula anche come: P =(R x I) x I = R x I 2 watt = ohm x (ampere) 2 La potenza è una misura della rapidità con la quale si svolge un lavoro. La sua unità di misura è il Watt MA COS E LA POTENZA? James Watt ( ) P = Lavoro/tempo = (Forza x spostamento )/ tempo = (newton x metro)/secondo = joule/secondo = watt

4 La conservazione dell energia 3 Esperimento di Joule James Prescott Joule ( ) I pesi, cadendo con velocità costante, fanno ruotare un mulinello che compie lavoro sull acqua (l acqua è posta in un contenitore isolato dall ambiente esterno). Il lavoro compiuto dal mulinello sull acqua è uguale alla perdita di energia meccanica dei pesi che scendono. Questa perdita si misura facilmente valutando il tratto di cui i pesi sono scesi. I risultati dell esperimento di Joule è che occorrono 4,18 unità di lavoro meccanico (Joule) per aumentare di 1 C la temperatura di 1 g dell acqua. Il risultato che 4,18 J di energia meccanica sono equivalenti a 1 cal di energia termica è noto come Equivalente meccanico della caloria 1 cal = 4,18 J

5 Primo principio della termodinamica 4 Il primo principio della termodinamica è un enunciato (forma nella quale si esprime un teorema) del Principio di conservazione dell energia. Esso è il risultato di molti esperimenti che mettono in relazione il lavoro compiuto su un sistema, il calore fornito al sistema o sottratto ad esso, e l energia interna del sistema. Q = ΔU + L Primo principio della termodinamica Q = calore ΔU = variazione di energia interna L = lavoro Il calore fornito a un sistema è uguale alla somma della variazione di energia interna del sistema, che si registra attraverso la variazione della temperatura, e del lavoro compiuto dal sistema. Dunque, per ottenere una variazione di temperatura è possibile utilizzare sia il lavoro che il trasferimento di calore, o entrambi. L unità di misura di energia, calore e lavoro è il Joule A- L de Lavoisier ( )

6 Effetto termico (effetto Joule) 5 Se la potenza (P) è uguale al lavoro, o all energia, o al calore(q), dissipati nell unità di tempo (t) avremo allora: P = Q/t = R x I 2 Q = R x I 2 watt = joule/secondo = ohm x (ampere) x t 2 joule = ohm x (ampere) 2 x secondo La quantità di calore (Q) dissipato, quindi, è direttamente proporzionale alla resistenza del materiale conduttore, al quadrato dell'intensità della corrente e al tempo in cui avviene il passaggio della corrente stessa nel conduttore. Su ll effetto Joule si basa il funzionamento di molti apparecchi elettrici: stufe, ferri da stiro, saldatrici elettriche, forni, ecc. Il calore viene prodotto facendo circolare la corrente in speciali conduttori, detti resistenze, contenuti nell apparecchio.

7 Effetto luminoso 6 Talvolta in un materiale avviene la trasformazione dell'energia elettrica in energia luminosa. Tale effetto trova applicazione nei vari tipi di lampade. Lampade a incandescenza Sono formate da un sottile filamento di metallo (tungsteno) che si riscalda per l effetto termico della corrente elettrica e diventa incandescente sviluppando luce. La luce emessa dipende dalla temperatura raggiunta dal filamento: più alta è la temperatura, maggiore è la sua efficienza luminosa. Per evitare la fusione (bruciatura) del filamento in presenza di aria, lo si racchiude in un'ampolla di vetro nella quale viene creato Il vuoto o introdotto un gas inerte come l'azoto, o l'argon oppure il kripton. Lampade a fluorescenza Sono costituite essenzialmente da un tubo di vetro rivestito interamente da un sottile strato di polveri fluorescenti (ad esempio, silicato di cadmio). Nel tubo viene immesso un gas (es. neon o vapore di mercurio) a bassa pressione. Quando la lampada è inserita nella linea elettrica, il gas contenuto emette radiazioni ultraviolette invisibili, le quali vanno a colpire le polveri fluorescenti, dando cosi origine alla luce. Rispetto alle lampade a incandescenza "consumano" meno e durano molto di più.

8 Effetto fisiologico 7 Se tocchiamo con le mani un conduttore non isolato attraversato da corrente, o una parte, sempre non isolata, di una qualsiasi apparecchiatura azionata da una tensione elettrica, sentiamo una particolare contrazione muscolare, conosciuta come scossa elettrica. Questo effetto è tanto più sentito quanto maggiore è l intensità della corrente elettrica che attraversa il nostro corpo. Essa può essere tanto grande da provocare la fulminazione, che produce senz altro la morte. Es. 220 Ve lampada da 40W si ha una corrente di 180mA Intensità di corrente (ma) Oltre 80 EFFETTI FISIOLOGICI DELL ELETTRICITA Effetti fisiologici Non pericolosa. Questa intensità rappresenta la soglia della percezione. Inizio della scossa elettrica. Si manfestano involontarie contrazioni dei muscoli della mano e del braccio (tetanizzazione), tendenza ad incollamento del soggetto alla parte metallica in tensione. Estensione della tetanizzazione alla cassa toracica ed ai muscoli del cuore, disposizione allo svenimento oltre i 50 ma. Fibrillazione cardiaca, cioè annullamento delle capacità del cuore ad espletare le sue funzioni e, successivamente, paralisi dei centri nervosi respiratori. L effetto è quasi sempre mortale.

9 Effetto magnetico 8 La Terra si comporta come un grande magnete. Due calamite si attraggono se accostiamo i poli opposti. Il campo magnetico di una calamita può essere esplorato con una bussola. Quando in un filo di rame si fa scorrere una corrente, intorno ad esso si forma un debolissimo flusso magnetico, che viene indicato con delle linee concentriche(linee di forza). Avvolgendo un certo numero di spire, e realizzando quindi una bobina (detta anche solenoide), il flusso magnetico si rinforza. Più spire avvolgiamo, o più corrente passa, e più aumenta il flusso magnetico. Per aumentarlo ulteriormente è sufficiente inserire all'interno di questa bobina un nucleo ferroso. Si realizza così una piccola elettrocalamita che attirerà piccoli oggetti ferrosi quando verrà alimentata la bobina. Le elettrocalamite vengono utilizzate per realizzare dei relè, cioè dei commutatori in grado di chiudere o aprire i contatti meccanici.

10 Induzione elettromagnetica 9 Si dice induzione elettromagnetica la produzione di una corrente elettrica in un conduttore per azione di un campo magnetico in movimento. Il campo magnetico può essere prodotto da un magnete permanente, da un elettromagnete o anche da un conduttore percorso da corrente, e non ha alcuna importanza che il magnete stia fermo e il conduttore si muova o viceversa: ciò che conta è che il conduttore e il magnete si muovano "l uno rispetto all altro". Questo fenomeno è importantissimo perché su di esso sono basati sia i generatori di corrente elettrica (dinamo e alternatore) sia motori elettrici. Generatori e motori elettrici sono macchine elettriche rotanti, usate per convertire energia meccanica in energia elettrica o viceversa.

11 Induzione elettromagnetica - alternatore 10 Gli alternatori trasformano l'energia meccanica, prodotta ad esempio dalle turbine idrauliche, in energia elettrica, sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. L'alternatore si compone di due elementi: il rotore e lo statore. Il rotore, o induttore, viene fatto ruotare da un albero motore che gli trasmette l'energia meccanica. Il rotore è un elettromagnete che produce un campo magnetico in movimento; si compone di un supporto di lamierini di ferro attorno ai quali vengono avvolte una serie di bobine alimentate in corrente continua. Lo statore, o indotto, avvolge il rotore e ha il compito di generare energia elettrica. Esso si compone di un supporto di lamierini di ferro con bobine di filo di rame isolato nelle quali si genera, per induzione, la forza elettromotrice. Le estremità delle bobine dello statore sono collegate a collettori indipendenti che, attraverso le spazzole, immettono la corrente nella rete. Poiché ad ogni rotazione del rotore il verso della corrente si inverte, l'alternatore produce corrente alternata.

12 Induzione elettromagnetica - trasformatore 11 In un trasformatore è sempre presente un avvolgimento PRIMARIO sul quale si applica la tensione che induce ed un avvolgimento SECONDARIO dal quale si preleva la tensione indotta. La tensione alternata che preleviamo dall'avvolgimento secondario è sempre proporzionale al numero di spire avvolte. In un trasformatore possono essere presenti più avvolgimenti secondari in grado di fornire tensioni e correnti diverse.

13 Induzione elettromagnetica motore elettrico 12 I motori elettrici sono macchine che trasformano l'energia elettrica in energia meccanica. L'energia elettrica, attraverso il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, è in grado di mettere in movimento una parte rotante (rotore) che, attraverso meccanismi di vario genere, aziona macchine o altre apparecchiature. Vi sono motori elettrici che funzionano con corrente continua ed altri che funzionano con corrente alternata. Il motore elettrico a corrente continua ha il pregio di assorbire una potenza quasi costante alle diverse velocità di rotazione, ma è utilizzato solo nella trazione elettrica (tram, filovie e linee metropolitane). Il motore a corrente alternata è costruttivamente più semplice e per il suo alto rendimento viene applicato in tutti i settori industriali. Il motore a corrente alternata può funzionare come generatore di corrente.

14 Induzione elettromagnetica _sintesi 13 elettrocalamita La corrente elettrica produce un campo magnetico. trasformatore Trasforma una tensione aumentando o riducendo il voltaggio. Alternatore e dinamo Motore elettrico L energia meccanica viene trasformata in energia elettrica. Corrente alternata con l alternatore, corrente continua con la dinamo. L energia elettrica viene trasformata in energia meccanica. In pratica un motore asincrono (cioè che funziona con corrente alternata) svolge la funzione inversa dell alternatore. Negli esempi sopra citati è sempre necessaria la presenza di un CAMPO MAGNETICO

15 Effetto chimico 14 L'effetto chimico della corrente elettrica trova applicazione nel funzionamento delle pile e degli accumulatori. Pila Gli elementi essenziali che costituiscono una pila sono: due elettrodi, spesso, ma non sempre, costituiti da due metalli diversi tra loro. Uno degli elettrodi ha maggior tendenza dell altro a cedere elettroni. Questa tendenza,si chiama potenziale elettrico. Una sostanza, chiamata elettrolita (un acido, un sale o una base) che ha la caratteristica di dissociarsi spontaneamente in ioni. Se i due elettrodi fossero messi direttamente a contatto, ci sarebbe un trasferimento di elettroni tra l uno e l altro con liberazione di energia sotto forma di calore, in quanto il trasferimento avverrebbe in modo disordinato. In una pila gli elettrodi non sono posti a diretto contatto, ma sono collegati tra loro da un filo di rame lungo il quale gli elettroni fluiscono nella stessa direzione, così si ha produzione di corrente elettrica. Collegando gli elettrodi con il filo di rame si turba però l equilibrio che c è a circuito aperto, basato sulla prevalenza di elettroni di un elettrodo rispetto all altro. Perché la corrente elettrica possa continuare a fluire è necessaria la presenza dell elettrolita, che ha il compito di assicurare il flusso di cariche tra gli elettrodi anche all interno della soluzione, ripristinando così le condizioni di equilibrio.