IL CANNOCCHIALE DI GALILEO MODULO: Miniature energetiche Docente esperto: Angela Corso Docente Tutor: Maria Paola Purrone

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Lucrezia Gasparini
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Programmazione dei Fondi Strutturali 2007/2013 Obiettivo F Azione 3 Iniziative dei centri contro la dispersione scolastica Realizzazione di prototipi di

1 Progetto F.O.R. RENDE: Formazione, Orientamento, Riqualificazione. Il territorio in rete: osservare i fattori di rischio per progettare e realizzare percorsi formativi efficaci codice nazionale: F-3-FSE Programmazione dei Fondi Strutturali 2007/2013 Obiettivo F Azione 3 Iniziative dei centri contro la dispersione scolastica Realizzazione di prototipi di azioni educative in aree di grave esclusione sociale e culturale, anche attraverso la valorizzazione delle reti esistenti IL CANNOCCHIALE DI GALILEO MODULO: Miniature energetiche Docente esperto: Angela Corso Docente Tutor: Maria Paola Purrone 1

2 L ENERGIA Tutti gli oggetti che ci circondano sono il risultato di una trasformazione dovuta all energia Il legno dei mobili, i tessuti, esistono grazie all energia solare che ha permesso alle piante di crescere I materiali in metallo esistono grazie all energia elettrica che ha consentito l estrazione dei metalli da una miniera e poi di modellarli negli oggetti che noi usiamo Poi ci sono oggetti che non solo contengono energia ma la trasmettono: la lampadina trasmette luce, il frigorifero freddo, la lavatrice movimento. Noi stessi siamo frutto di trasformazioni di energia: il nostro carburante è il cibo che a sua volta è frutto di trasformazioni energetiche. 2

3 Da dove proviene l energia della Terra? Tutto in natura è strettamente collegato, vi sono legami non solo terrestri,ma cosmici e la maggior parte delle energie che usiamo sulla terra provengono proprio dallo spazio dal Sole innanzitutto che è responsabile direttamente o indirettamente dell energia idroelettrica, quella del vento, del carbone come risultato della crescita delle piante, o del petrolio come risultato della decomposizione di organismi vegetali ed animali. Quanto all energia nucleare, anch essa è frutto di un evento cosmico moltolontanoquellocheintornoa15-20 milionidianni facreòconuna grande esplosione tutta la materia dell universo sottoforma di atomi 3

4 Cos è l energia Il calore, la luce, l elettricità, il movimento, il suono, la potenza nucleare sono aspetti di una stessa cosa: l energia L uomo usa energia in tutte le sue attività ed è alla costante ricerca di fonti dato che ne consuma in continuazione L energiaèlacapacitàchehauncorpodiprodurrelavoro L energia non si distrugge, ma si trasforma All inizio l uomo usava solo l energia che gli consentiva il suo corpo, poi iniziò a costruire arnesi che gli permettevano di sfruttare meglio la propria energia, quindi iniziò a sfruttare l energia prodotta dagli animali Quando scoprì il fuoco capì che poteva ottenere energia sottoforma di calore e più tardi inventò delle macchine che sfruttavano al meglio questa energia(le macchine a vapore) Algiornod oggilaprincipalefontedienergiaèilpetrolio 4

Trasformazione dell energia Un tipo di energia può essere trasformata in un altra, ma non si può creare energia dal nulla, per ottenere un tipo di energia bisogna averne un altra.

5 Trasformazione dell energia Un tipo di energia può essere trasformata in un altra, ma non si può creare energia dal nulla, per ottenere un tipo di energia bisogna averne un altra. La maggiore fonte di energia sulla quale possiamo contare è il Sole che, oltre a riscaldare, è responsabile della formazione dei venti, delle precipitazioni, della formazione di laghi e di fiumi che con la caduta delle loro acque alimentano le centrali idroelettriche e consentono la produzione di energia elettrica, sua volta l energia elettrica può essere trasportata e trasformata in luce, calore o movimento. Così l energia solare si è trasformata in calore, il calore in movimento, il movimento in elettricità e l elettricità in diversi tipi di energia. 5

6 DALL ENERGIA LUMINOSA ALL ENERGIA ELETTRICA 6

semiconduttore, molto spesso silicio, opportunamente trattata. Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali i cosiddetti drogaggi.

7 La cella fotovoltaica La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica. Il dispositivo elementare capace di operare tale conversione della radiazione solare in una corrente elettrica è la cella fotovoltaica, un dispositivo costituito da una sottile fetta di materiale semiconduttore, molto spesso silicio, opportunamente trattata. Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali i cosiddetti drogaggi. Inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurità, cioè atomi di boro e fosforo, si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica. Questa si crea quando la cella, le cui due facce sono collegate ad un utilizzatore, è esposta alla luce. 7

8 Cosa ci serve a) b) c) 3 celle fotovoltaiche cavetti di connessione una lampadina 8

9 Cosa fare e cosa vedere Il dispositivo, detto anche fotopila o batteria solare, è in grado di trasformare per effetto fotoelettrico direttamente l'energia delle radiazioni luminose in energia elettrica. Nella zona di contatto (giunzione) tra i due semiconduttori esiste un campo elettrico, dovuto alla diversa natura dei due materiali: quando la zona di contatto è colpita da luce solare, cioè da fotoni, vengono emessi elettroni (quelli più esterni degli atomi di silicio) che il campo elettrico sospinge nello strato n; per ogni elettrone che si libera, si forma contemporaneamente una carica positiva che, sempre a causa del campo elettrico, viene sospinta nello strato p. Collegando con un circuito esterno i due strati, si avrà una circolazione di elettroni, cioè una corrente elettrica continua, tra n e p. Il rendimento massimo teorico della trasformazione di energia solare in energia elettrica è del 32%. Le cellule fotovoltaiche attualmente disponibili hanno un rendimento del 10% circa, ma sono allo studio celle avanzate con rendimenti molto maggiori. La prima batteria solare fu realizzata nel

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11 Processo fotovoltaico L effetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta nel 1839 dal fisico francese Antoine Becquerel ( ), il quale realizzò la prima pila fotovoltaica. Essa era costituita da un cilindro di vetro contenente una soluzione di nitrato di piombo, nella quale erano immersi un anodo di piombo e un catodo di ossido di rame. Egli notò che tra i due elettrodi si stabiliva una differenza di potenziale soltanto se la pila veniva sottoposta a radiazione luminosa. Lo stesso fenomeno avviene anche in una giunzione pn opportunamente drogata e viene sfruttato attualmente per convertire l energia luminosa del sole direttamente in energia elettrica. Una cella solare è costituita dalla giunzione tra un materiale semiconduttore drogato di tipo n e un materiale semiconduttore drogato di tipo p. Di seguito vengono descritte le principali caratteristiche dei materiali semiconduttori. 11

12 Giunzione pn L elemento più utilizzato nella costruzione delle celle solari è il silicio, che appartiene al quarto gruppo del sistema periodico degli elementi. Un atomo di silicio possiede, in condizioni normali, 14 elettroni e la sua configurazione elettronica è: 1s² 2s² 2p² 3s² 3p². Di conseguenza vi sono 4 dei 14 elettroni che si trovano nella banda di valenza. In un cristallo di silicio puro ogni atomo è legato in modo covalente ad altri 4 atomi. Per realizzare giunzione pn è necessario introdurre nel silicio una determinata quantità di atomi appartenenti al terzo o al quinto gruppo del sistema periodico degli elementi, in modo da ottenere due zone differenti, una con un numero di elettroni insufficiente, l altra con un numero di elettroni eccessivo. Questo trattamento viene detto drogaggio e la quantità delle impurità introdotte è dell ordine di una parte per milione. Generalmente si utilizzano il boro (terzo gruppo) ed il fosforo (quinto gruppo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni). In particolare, gli elettroni presenti nel silicio tipo n si diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p, viceversa le lacune della zona di tipo p si spostano nella zona di tipo n, dando origine alla regione di contatto alla zona di svuotamento: il silicio tipo n si carica positivamente mentre quello di tipo p si carica negativamente. 12

13 Questo spostamento di carica crea, nella zona di svuotamento, un campo elettrico dell ampiezza di pochi micrometri. Illuminando la giunzione p-n si generano delle coppie elettrone lacuna in entrambe le zone n e p. Nel silicio di tipo p vi è un eccesso di lacune che tendono ad assorbire gli elettroni per cui il numero di elettroni liberi è relativamente basso, ma la loro velocità è molto elevata. Nel silicio di tipo n, invece, vi sono poche lacune e di conseguenza molti più elettroni liberi, ma con un valore medio di energia per ogni elettrone molto più basso. Gli elettroni del silicio di tipo p che, nel loro moto casuale, arrivano alla giunzione, possono attraversare la zona di carica spaziale, arrivando al silicio del tipo n. Gli elettroni a bassa energia del silicio, invece, non sono in grado di attraversare la barriera a causa della loro bassa energia. In questo modo si crea una differenza di potenziale di circa 0,5 Volt tra le due zone; quindi, se si connette la giunzione p-n con un carico si otterrà un flusso di elettroni dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. È importante che lo spessore dello strato n sia tale da garantire il massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione. 13

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