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LA CORRENTE ELETTRICA

La corrente elettrica è un flusso di elettroni che passa per un conduttore 

L’intensità di corrente elettrica si indica con una I maiuscola ed è assunta come grandezza fondamentale nel sistema internazionale. La sua unità di misura è l’ ampere e da essa si ricava l’ unità di misura della carica elettrica, il coulomb, che corrisponde alla quantità di carica trasportata con intensità pari a 1 Ampere nell’ unità di tempo di 1 secondo (1C=1A •1S). 

L’intensità della corrente elettrica viene generalmente misurata con l’amperometro 

La corrente elettrica costituisce una grandezza fisica di fondamentale importanza nella tecnologia legata alla teoria dei circuiti, all’elettrotecnica ed all’elettronica, avendo un grande numero di applicazioni come ad esempio il trasporto di energia elettrica oppure di informazioni tramite segnali (ad esempio nelle comunicazioni). 

L’energia elettrica, se si eccettua l’elettricità atmosferica dei fulmini e il potenziale debolmente negativo della Terra, non è una fonte di energia primaria sulla Terra per cui deve essere prodotta per trasformazione a partire da una fonte di energia primaria, risultando così una fonte di energia secondaria. Il processo di trasformazione, a rendimento sempre inferiore al 100%, avviene all’interno di centrali elettriche. In queste, escludendo il fotovoltaico. 

Altro elemento del quale non si poteva fare a meno per produrre energia elettrica è l’acqua, in forma liquida o di vapore, ma sempre ad alta pressione, allo scopo di far girare le turbine ad un numero di giri tale da produrre in maniera il più possibile costante la corrente alternata per mezzo dell’alternatore. 

ELETTROMAGNETISMO 

è la parte della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica e il loro legame prende il nome di elettromagnetismo. 

L’elettromagnetismo ha anche un campo elettromagnetico (il quale è costituito dalla combinazione del campo elettrico e quello magnetico che viene generato da una distribuzione di corrente e carica elettrica variabili nel tempo) che si propaga nello spazio sotto forma di onda elettromagnetica che viaggia alla velocità della luce. 

STORIA 

Questa teoria è stata iniziata nel 1800 dall’osservazione di 2 fenomeni: 

-elettricità 

-magnetismo 

Che prima di ciò venivano studiati separatamente. L’elettricità fù scoperta in seguito all’attrazione e repulsione della carica elettrica (dopo aver notato che se i 2 poli, positivo e negativo, sono uguali si respingono invece se si contrappongono si attraggono). 

A partire da questo fatto è possibile affermare che un corpo carico elettricamente produce nello spazio un campo elettrico tale che se introduciamo una carica questa ne risente. 

Parallelamente, il magnetismo fù stato scoperto molto prima anche dai cinesi grazie al minerale come la magnetite. 

COME SI CONCLUDE? 

Dopo aver continuato gli esperimenti di altri studiosi si arrivò ad una conclusione: 

-se la forza è fra i due fili che scorrono nello stesso verso è attrattiva, invece è repulsiva quando scorrono in versi opposti. Fu chiaro allora che l’unica sorgente del campo magnetico sono cariche in moto, ovvero una corrente elettrica. 

CURIOSITÁ 

L’ elettricità che arriva nelle nostre case e che viene utilizzata a scopi industriali è corrente alternata prodotta nelle centrali elettriche da generatori elettrici chiamati alternatori. 

L’ALTERNATORE

L’alternatore è una macchina elettrica rotante basata sulla legge fisica dell’induzione elettromagnetica, che converte l’energia meccanica fornita dal motore primo in energia elettrica sotto forma di corrente alternata. Questo processo, denominato conversione elettromeccanica dell’energia, coinvolge la formazione di campi magnetici che agiscono come mezzo intermedio. La conversione elettromeccanica dell’energia è molto efficiente, con rendimenti normalmente prossimi al 95%.La rete elettrica è, per la maggior parte, alimentata da alternatori, poiché tali generatori costituiscono il mezzo di conversione di energia presente nelle principali centrali elettriche. 

IMPIEGHI DELL’ALTERNATORE

Sono molti gli utilizzi degli alternatori, che vengono impiegati in quasi tutte le centrali di produzione di energia elettrica le quali poi la trasformano in modo da consentirne il trasporto e la distribuzione per uso industriale e domestico. Il procedimento che alimenta meccanicamente l’albero dell’alternatore è simile a tutte le tipologie di centrali e si basa su una turbina o un motore endotermico. In questo caso rientrano quelle in grado di sfruttare l’energia potenziale, come le centrali idroelettriche, o l’energia termica del vapore, come le termoelettriche, le geotermiche e le termonucleari. 

• In questi grandi alternatori, l’energia elettrica è prodotta a livelli di tensione nell’ordine di migliaia di volt, solitamente trifase alla frequenza di 50 Hertz (60 negli Stati Uniti e in pochi altri Paesi). La velocità di rotazione è costante, è funzione delle caratteristiche costruttive della macchina e del motore primo al quale è accoppiata, ed è indipendente dal carico; al crescere o al diminuire di questo (ovvero degli utilizzatori collegati) non varia la velocità di rotazione, ma per mantenerla invariata è necessario aumentare o diminuire la portata della forza che lo fa muovere, questo perché ogni utilizzatore collegato aumenta la resistenza opposta al moto (forza contro-elettromotrice). 

Grazie alla capacità raggiunta dall’industria elettronica nella miniaturizzazione dei componenti, l’alternatore ha progressivamente sostituito la dinamo nella produzione di energia elettrica nelle automobili ed in tutti gli altri veicoli a motore. Esso ha la funzione di mantenere carica la batteria, necessaria all’avviamento del motore ed alimentare tutte le funzioni elettriche di bordo. Poiché non esiste un mezzo per immagazzinare energia elettrica in corrente alternata, è presente un ponte raddrizzatore che ha la funzione di trasformarla in continua e consentirne così accumulo nella batteria. Anche nelle biciclette si è imposto l’uso di un piccolo alternatore, in sostituzione della dinamo, per alimentare i dispositivi di illuminazione. 

STORIA

Negli anni 1830 Faraday mise a punto il primo generatore elettromagnetico di corrente elettrica (dinamo e alternatore). Joseph Henry, aveva perfezionato un elettromagnete di particolare potenza permettendo in tal modo la trasmissione dell’energia elettrica a grande distanza. 

LE ENERGIE RINNOVABILI

Le fonti di energia rinnovabile sono fonti energetiche non soggette ad esaurimento perché naturalmente reintegrate in una scala temporale umana tramite processi fisici, come avviene per la luce solare, il vento, il ciclo dell’acqua, le maree, le onde e il calore geotermico, o chimici, come avviene per la biomassa. Le energie rinnovabili trovano applicazione nella produzione di energia elettrica, nel riscaldamento e raffrescamento degli ambienti e nei servizi di trasporto. 

ENERGIA IDROELETTRICA

Tra le più antiche fonti rinnovabili utilizzate si trova certamente l’energia idroelettrica, che è una fonte di energia pulita e rinnovabile ricavata dalla forza delle acque. 

ENERGIA GEOTERMICA

L’energia geotermica è l’energia generata per mezzo di fonti geologiche che posseggono elevata temperatura ed è considerata una forma di energia rinnovabile. Si basa sullo sfruttamento del calore naturale presente all’interno della Terra, prodotto naturalmente a causa del continuo processo di decadimento nucleare di elementi radioattivi quali l’uranio, il torio e il potassio, contenuti nell’interno terrestre. Questa energia viene trasferita alla superficie terrestre per conduzione tra le rocce, attraverso i movimenti convettivi del magma o tramite le acque circolanti in profondità. Le acque sotterranee, venendo a contatto con le rocce ad alte temperature, si riscaldano e in alcuni casi di alta temperatura e adeguate pressioni possono passare allo stato di vapore acqueo. 

ENERGIA SOLARE

L’energia solare ha molti vantaggi poiché è inesauribile, è una risorsa d’immediata reperibilità, è pulita perché ci arriva attraverso i raggi del Sole. La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è enorme, circa diecimila volte superiore a tutta l’energia usata dall’umanità nel suo complesso. L’energia solare può essere utilizzata per generare elettricità (fotovoltaico) o per generare calore (Il solare termico) 

ENERGIA EOLICA

L’energia eolica è il prodotto della trasformazione dell’energia cinetica del vento in altre forme di energia (elettrica o meccanica). Viene per lo più convertita in energia elettrica tramite centrali eoliche. Per sfruttare l’energia del vento vengono utilizzati gli aerogeneratori. Il principio è lo stesso dei vecchi mulini a vento ossia il vento che spinge le pale; in questo caso, il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso a un generatore che produce elettricità.

ENERGIA DA BIOMASSE 

Da materiali di scarto di origine organica, di natura vegetale e animale, è possibile ottenere una fonte di energia pulita immediatamente utilizzabile. Ai sensi della legislazione comunitaria sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili, con il termine “biomassa” deve intendersi “la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”. 

ENERGIA MARINA

Con energia marina s’intende l’energia racchiusa in varie forme nei mari e negli oceani. Può essere estratta con diverse tecnologie e, a oggi, sono stati sperimentati diversi sistemi e alcuni sono già in uno stadio precommerciale. Tramite particolari tecniche, si sfruttano le potenzialità offerte dal mare quali il moto ondoso, il movimento dell’aria al di sopra delle onde, le maree o la differenza di temperatura tra il fondo e la superficie. L’impiego di questa fonte, comunque, è ancora abbastanza complicato e al momento piuttosto costoso. 

ENERGIA NON RINNOVABILI

Le energie non rinnovabili, o più propriamente fonti di energia non rinnovabili, anche dette semplicemente fonti non rinnovabili, sono fonti di energia che in natura si sono generate nell’ordine dei milioni di anni per quanto riguarda i combustibili fossili, o prima della formazione del pianeta Terra per quanto riguarda i materiali fissili (uranio e plutonio), al contrario di quelle rinnovabili, che vengono reintegrate naturalmente in un periodo di tempo relativamente breve; per questo motivo, una volta terminate, le fonti non rinnovabili non saranno nuovamente disponibili nella scala umana dei tempi. 

Sono fonti di energia non rinnovabile le seguenti: 

• il carbone; 

• il petrolio; 
• il gas naturale; 
• gli elementi fissili usati per la realizzazione della fissione nucleare, quali l’uranio ed il plutonio. 

IL PETROLIO

Il petrolio è un combustibile liquido, dal colore che può variare da bruno-nero a giallastro, composto principalmente da una miscela complessa di idrocarburi, e da piccole quantità di composti azotati, ossigenati, solforati e misti; esso deriva dalla decomposizione di sostanze organiche animali e vegetali ad opera di batteri anaerobici in ambienti marini, sotto coperture sedimentarie, avvenuta nel corso di decine di milioni di anni. Si trova in giacimenti petroliferi nel sottosuolo, quindi per l’estrazione è necessario attuare trivellazioni del terreno. 

Il petrolio (dal termine tardo latino petroleum, composto da petra “roccia”, e oleum “olio”, cioè “olio di roccia”) è una miscela liquida di vari idrocarburi, in prevalenza alcani, che si trova in giacimenti negli strati superiori della crosta terrestre, ed è una fonte primaria energetica della modernità. 

Chiamato anche oro nero, è un liquido viscoso, infiammabile, di colore che può variare dal nero, che è il più frequente, al marrone scuro. È detto greggio oppure grezzo, il petrolio che viene estratto dai giacimenti, prima di subire qualsiasi trattamento per trasformarlo in prodotto lavorato. 

Dal punto di vista chimico, il greggio è un’emulsione di idrocarburi (cioè composti chimici le cui molecole sono formate da idrogeno e carbonio) con acqua ed altre impurità. 

ESTRAZIONE

Abitualmente il greggio viene sottoposto ad un primo trattamento direttamente sul posto in cui viene estratto dal sottosuolo. L’acqua e le componenti minerali sono le prime ad essere separate, prima di inviare il petrolio alla raffinazione, principalmente tramite distillazione o metodi gravitativi, cicloni, ecc. L’acqua separata solitamente ha un certo contenuto di sali disciolti (principalmente cloruro di sodio) e non è utilizzabile per scopi agricoli, industriali o civili, quindi quasi sempre viene reiniettata nel sottosuolo entro l’acquifero del giacimento, per mantenerne la pressione e quindi tenere stabile la produzione petrolifera, oppure in livelli rocciosi permeabili, che quindi l’assorbono facilmente, individuati nel sistema geologico in cui si trova il giacimento. 

TRASPORTO

Successivamente all’estrazione, il petrolio viene trasportato per mezzo di oleodotti o petroliere fino al sito in cui verrà svolta la raffinazione.Ciascuna petroliera può trasportare una quantità di petrolio che varia in genere da 100.000 a 3 milioni di barili. Nel caso di trasporto via terra, si può pompare il petrolio attraverso gli oleodotti oppure è possibile utilizzare dei vagoni ferroviari progettati appositamente per tale uso. 

TRASFORMAZIONE

Dopo il processo di estrazione, il petrolio viene trasportato verso stabilimenti, dove avvengono le operazioni di trasformazione che permettono di produrre a partire dal grezzo petrolifero una serie di prodotti di uso comune. Le operazioni attraverso le quali il grezzo petrolifero viene trasformato sono molteplici e di diversa natura. Noi ci soffermeremo principalmente sul CRACKING DEL PETROLIO che sono dei Processi industriali ai quali vengono sottoposte varie frazioni petrolifere provenienti dalla distillazione del petrolio  greggio allo scopo di spezzare le molecole idrocarburiche più grandi (a maggior peso molecolare) e ottenere miscele di idrocarburi più leggeri (a minor peso molecolare). 

Queste sono tutte le tipologie di prodotti ad uso comune: 

IL CARBONE

Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile o roccia sedimentaria estratto da miniere sotterranee o a cielo aperto, o prodotto artificialmente. La formazione del carbone risale a circa 345 milioni di anni fa, quando un clima caldo e umido e un’elevata concentrazione di CO2 favorirono la crescita di alberi giganti: dopo la loro morte, provocata da inondazioni, si veniva a creare un ampio strato di legname, che non veniva degradato a causa dell’assenza di funghi e batteri specifici ancora non sviluppati, coperto poi da vari strati di altri sedimenti che lo sottoponevano a pressioni elevate e all’assenza di ossigeno. Questo continuo processo ha portato alla formazione di quelli che conosciamo come carboni fossili. 

È un combustibile pronto all’uso, formatosi entro rocce sedimentarie di colore nero o bruno scuro. È composto principalmente da carbonio e contiene tracce di idrocarburi, oltre a vari altri minerali assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. L’inizio del suo massiccio sfruttamento è spesso associato alla Rivoluzione industriale, e ancora oggi rimane un combustibile importante: viene prodotta usando il carbone un quarto dell’elettricità mondiale. 

ESTRAZIONE

sono due principali metodi di estrazione del carbone: Il primo consiste nell’estrazione a cielo aperto, qualora il giacimento di carbone non si trovi troppo in profondità. Lo scavo e la successiva estrazione producono elevate quantità di polvere, che danneggiano la salute degli operai, nonché quella della flora e fauna limitrofa. Il secondo metodo si utilizza quando il giacimento si trova in profondità. In tali casi, la miniera è sotterranea e al chiuso. Naturalmente, in tal caso, gli effetti nocivi dell’estrazione del materiale rimangono circoscritti ai manovali che operano esclusivamente nella miniera. 

TRASPORTO

Generalmente il carbone lavato viene trasportato dalla miniera alle centrali termoelettriche tramite mezzi gommati, per brevi distanze, mentre per grandi distanze il trasporto, avviene, mediante treni, chiatte o navi. 

UTILIZZO

Il carbone è utilizzato come materia prima energetica anche per la produzione dei carburanti sintetici ( liquefazione del carbone) e del gas di città ( gassificazione del carbone ). A questi utilizzi si aggiunge l’impiego del carbone per generare calore in ambiente domestico ( riscaldamento ) e per cucinare. 

IL GAS

E’ formato da idrocarburi allo stato gassoso ed è estratto da sottoterra. 

TRASPORTO

Viene trasportato nei gasdotti allo stato gassoso e allo stato liquido in navi cisterna. 

UTILIZZO

Viene utilizzato per il riscaldamento delle persone, in industrie e in produzione di energia. 

ENERGIA NUCLEARE

L’energia nucleare, o energia atomica, è l’energia liberata dalle reazioni nucleari e dal decadimento radioattivo sotto forma di energia elettromagnetica e cinetica. Questa energia è sfruttata da numerose tecnologie nucleari e ha una particolare rilevanza nel settore energetico, infatti comunemente ci si riferisce all’energia nucleare come a quella liberata in modo controllato nelle centrali nucleari per la produzione di energia elettrica. 

Generalmente l’enegia nucleare avviene per un processo di fissione nucleare e quindi grazie ad atomi di uranio, e il quale uranio viene estratto dalle miniere. 

COSA E’ UNA CENTRALE ELTTRICA

Una centrale elettrica è un impianto industriale dedicato alla produzione di energia elettrica tramite la trasformazione di una fonte di energia primaria. La macchina dedicata alla conversione dell’energia è solitamente un generatore elettrico costituito da un alternatore mosso da un motore, fanno eccezione degli impianti fotovoltaici. Per la gestione dell’impianto nella centrale è presente la strumentazione di controllo che generalmente contiene anche il trasformatore necessario alla trasmissione dell’energia elettrica in alta o altissima tensione. 

COME E’ FORMATA UNA CENTRALE ELETTRICA

In breve una centrale elettrica è formata da un alternatore, un magnete e bobina e infine da un solenoide. Questa è più o meno lo scheletro di qualsiasi centrale elettrica ma ne esistono diverse: centrali idroelettriche, nucleari, geotermoelettriche, eoliche, solari e fotovoltaiche. 

VANTAGGIO E SVANTAGGIO DELLE DIVERSE CENTRALI

Centrali termoelettriche: generalmente le centrali termoelettriche erogano grandi potenze, dell’ordine delle centinaia o migliaia di MW (1000000 W) e costituiscono la spina dorsale del sistema di produzione dell’energia elettrica ma i residui della combustione dei combustibili generano una quantità elevata di prodotti inquinanti come i fumi non respirabili, il particolato fine, gli ossidi di zolfo e azoto e gli idrocarburi aromatici, che possono essere dispersi nell’ambiente. 

Centrali idroelettriche: Il principale vantaggio delle idroelettriche è che, una volta costruite, offrono energia a costi molto competitivi e non richiedono combustibili o materie prime; sono una fonte di energia totalmente rinnovabile e di fatto illimitata ma soprattutto le centrali a caduta, che richiedono un intervento edilizio di enormi proporzioni per la realizzazione di laghi artificiali per fungere da invasi, hanno un impatto ambientale di grandi proporzioni, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell’impatto visivo ed estetico. 

Centrali nucleari: Questa tipologia di centrali produce un’elevatissima potenza per metro quadrato occupato dall’impianto e con un costo del kWh prodotto, se si esclude il costo di smaltimento scorie, più o meno uguale a quello delle centrali a carbone (che è attualmente la tecnologia economicamente più conveniente), rappresentando quindi una valida soluzione alla dipendenza dai combustibili fossili ma le rigide norme di sicurezza rendono la costruzione di queste centrali costosa e lenta, anche per la variabilità nel tempo delle stesse norme. Una rottura dei sistemi di contenimento e di refrigerazione della centrale, potrebbe portare alla dispersione nell’ambiente di materiale radioattivo: tale rischio, praticamente assente per le centrali più recenti, è ancora in minima parte presente per le centrali più vecchie tuttora operative nel mondo. 

Centrali geotermoelettriche: Una volta costruite le tali centrali sono estremamente pulite in quanto sfruttano un riscaldamento termico del tutto naturale e non hanno, quindi, scorie o residui atmosferici (a parte gli stessi gas provenienti dal sottosuolo), nemmeno bisogno di combustibile ma tali centrali hanno elevati costi di manutenzione dovuti alla composizione delle acque provenienti dal sottosuolo, che sono ricche di sali disciolti e creano depositi ed incrostazioni. Spesso si trovano giacimenti geotermici anche molto grandi, ma a temperatura di 80/90 gradi, troppo bassa e non utilizzabile con le tecniche attuali; un possibile sfruttamento di questi giacimenti è per il teleriscaldamento domestico. 

Centrali eoliche: Come per le centrali solari quelle eoliche non hanno residui, scorie o bisogno di combustibile. Il vento è un elemento naturale, quindi l’unica spesa è l’installazione e la manutenzione ma le centrali eoliche per produrre quantità di energia apprezzabili devono essere costituite da un numero consistente di generatori eolici, che devono essere distanziati per poter sfruttare il vento e per evitare un affollamento che sarebbe sgradevole. 

Centrali solari: Da questa fonte di energia, non ci sono emissioni inquinanti o residui, non è necessario il trasporto di combustibili, non si producono scorie. Esclusi i costi di costruzione e manutenzione, si produce energia senza bisogno di materie prime, in quanto la luce solare è un elemento naturale ma questo tipo di centrali richiedono una superficie di esposizione solare di dimensioni elevate, che aumenta in funzione della potenza che si vuole produrre. Ovviamente, producono solo se sottoposte a buon irraggiamento solare; gli impianti più moderni, infatti, prevedono di stoccare il fluido ad alta temperatura in appositi serbatoi isolati, che permettono di far funzionare le turbine non solo durante la notte ma con una autonomia di alcuni giorni in caso di cattivo tempo. 

Centrali fotovoltaiche: Questo tipo di centrali richiede una bassa manutenzione dato che non sono dotate di complessi impianti ma solamente dal pannello fotovoltaico che vanno periodicamente puliti ed orientati in direzione del Sole. Rappresenta, inoltre, una fonte di energia “pulita”, dato che non produce alcun tipo di emissione o impatto ambientale, esclusi quelli necessari alla realizzazione dell’impianto stesso di produzione ma il principale svantaggio del solare fotovoltaico è dovuto alla non prevedibilità della quantità di energia disponibile per l’immissione in rete.