LE GRANDEZZE DELL’ELETTRICITÀ

Una corrente elettrica può essere “misurata” secondo vari parametri ovvero l’intensità, la tensione e la resistenza elettrica. La prima si misura in ampere (A), il cui nome deriva dal fisico francese Andrè Marie Ampère, ed è la quantità di cariche elettriche (q) che attraversano un conduttore in un determinato tempo (t). La formula che permette di calcolarla è: i=q/t. La tensione elettrica (anche detta differenza di potenziale o ddp) viene misurata in Volt (V), unità che prende il nome dallo scienziato italiano Alessandro Volta, grazie al voltimetro. La tensione è la “forza” che permette il flusso degli elettroni in un conduttore al fine di produrre una corrente elettrica. La resistenza elettrica è la forza frenante che una corrente incontra durante il passaggio in un conduttore e viene misurata in Ohm

RELAZIONI FRA LE GRANDEZZE

Le relazioni fra le misure dell’elettricità sono espresse dalla prima legge di Ohm:

PRIMA LEGGE DI OHM

La prima legge di Ohm dice che: l’intensità (A) in un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione (V) applicata ai suoi due capi è inversamente proporzionale alla resistenza (Ω). A= V/Ω

SECONDA LEGGE DI OHM

La seconda legge di Ohm dice che: la resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza (l) e inversamente proporzionale alla sua sezione (s) moltiplicate per la resistività. Ω= ρ x l/s

(ρ sta per la resistività del conduttore che cambia da un materiale a un altro)

Questo esperimento verifica la prima legge di Ohm, ovvero: se aumentato il voltaggio l’intensità aumenta, invece diminuisce se aumentata la resistenza

IL CIRCUITO ELETTRICO

Il circuito elettrico è formato da un generatore, solitamente una pila, un utilizzatore ad esempio un lampadina un conduttore, un cavo elettrico ed un interruttore

L’elettricità, se l’interruttore è chiuso, parte dalla pila viaggia nel conduttore e arriva all’utilizzatore dove viene consumata in questo caso per creare della luce e ritorna al generatore altrimenti, se l’interruttore è aperto, si ferma all’inizio e non viaggia per il circuito.

TIPI DI CIRCUITO

CIRCUITO IN SERIE E CIRCUITO IN PARALLELO

CIRCUITO IN SERIE

Il collegamento in serie si ha quando i consumatori (lampadine) si trovano sulla stessa, linea il problema è che se anche solo una lampadina si brucia il circuito risulta aperto e l’elettricità non fluisce a quelle dopo. ESEMPIO: le luci degli addobbi di natale.

il circuito in serie come già detto ha lo svantaggio che se un consumatore si rompe il circuito smette di funzionare ed inoltre diminuisce anche il voltaggio, nonostante ciò in alcuni casi risulta più utile di quello in parallelo.

CIRCUITO IN PARALLELO

Il circuito in parallelo è quello utilizzato normalmente nelle abitazioni in cui gli utilizzatori sono su linee diverse. In questo modo anche se uno si brucia il circuito funzionerà ugualmente.

Questo è il tipo di circuito che viene generalmente usato negli impianti elettrici perchè permette l’utilizzo anche dopo un guasto e non diminuisce il voltaggio fra un consumatore ed un altro.

L’ELETTROMAGNETISMO

L’elettromagnetismo è l’effetto magnetico della corrente elettrica, cioè quando crea un campo magnetico.

ELETTROCALAMITA

Avvolgendo un filo conduttore ad un pezzo di ferro si ottiene un solenoide che, collegato ad una batteria, ha un effetto magnetico. Cioè agisce come una calamita che funziona a comando. Se si aumentano gli spirali si ha un maggiore effetto magnetico.

L’INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

Come l’elettricità crea un campo magnetico un campo magnetico può generare elettricità.

Un campo magnetico, di una calamita ad esempio, è in grado di creare un flusso di corrente elettrica: il fenomeno prende il nome di induzione elettromagnetica.

Questo viene espresso dalla legge fisica Fraday: se c’è un oggetto con un suo campo magnetico (calamita) che attraversa una spira di conuttore (rame) ed il flusso magnetico cambia nel tempo si origina una fem (forza elettromotrice) cioè della corrente elettrica.

ENERGIE NON RINNOVABILI

Le energie non rinnovabili, sono fonti di energia generati in milioni di anni (combustibili fossili) o prima della formazione della Terra (uranio e plutonio).

Altri tipi di fonti non rinnovabili sono: petrolio, carbone, gas naturali, uranio o plutonio (quest’ultimi usati nelle centrali nucleari per la fissione nucleare).

CARBONE

Il carbone è una sostanza naturale che si forma dopo milioni di anni principalmente grazie ai batteri anaerobi che trasformano  la cellulosa del legno in carbone fossile.

Tra i vari tipi di carbone ci sono:

-l’antracite

-la litantrace

-la lignite

-la torba

Nonostante esso sia un combustibile fossile, il carbone rimane ancora la fonte di energia più utilizzata.

PETROLIO

Il petrolio è un liquido naturale oleoso formato principalmente da una miscela di idrocarburi e composti chimici formati da idrogeno e carbonio.

Si forma dopo milioni di anni quando la materia organica e i detriti minerari si depositano ed i microrganismi eliminano tutte le sostanze facendo prevalere il carbonio.

Esso è maggiormente presente nella penisola arabica e si ricava dai giacimenti petroliferi, che possono essere in superficie, sotterranei o sotto al mare.

Il petrolio è usato principalmente per produrre gas, benzine, cherosene, gasolio, olio lubrificante, olio combustibile, bitume ed altri residui, ma prima di essere impiegato nella produzione di sostanze deve subire una fase di raffinazione nelle raffinerie.

GAS NATURALE

Il gas naturale (metano) è composto da idrocarburi allo stato gassoso che fuoriescono dal sottosuolo.

Si iniziò ad usarlo solo negli anni Settanta quando si trovò il modo per trasportarlo.

Viene trasportato principalmente attraverso gasdotti (o metanodotti) e navi cisterna.

Si impiega principalmente nella produzione di energia elettrica, usi industriali, carburante, riscaldamento e nelle cucine.

CENTRALI ELETTRICHE

Una centrale elettrica è un impianto industriale dedicato alla produzione di energia elettrica tramite la trasformazione di una fonte di energia primaria. La macchina utilizzata viene mossa da 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. Una centrale elettrica è classificata in base alla fonte energetica che trasforma, principalmente si hanno la centrale termoelettrica, la centrale idroelettrica, la centrale nucleare, la centrale solare, la centrale eolica e la centrale geotermoelettrica.

ALTERNATORI 

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. 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. 

L’ ENERGIA NUCLEARE

L’energia nucleare (o energia atomica) è un tipo di energia usato nelle centrali nucleari. Si ottiene grazie a reazioni nei nuclei atomici di elementi chimici radioattivi come l’uranio.

La fissione nucleare è un elemento fondamentale per la produzione di energia nucleare, dato che determina una reazione che libera enormi quantità di energia.

LE CENTRALI NUCLEARI

La centrale nucleare (o centrali atomica) è un impianto industriale in cui l’energia nucleare viene trasformata in energia termica ed elettrica. Essa è formata da reattori nucleari e un fluido termovettore. Le principali sostanze usate sono: l’uranio-235, il plutonio-239 e l’uranio-238.

Il funzionamento e la sicureazza di una centrale nucleare è determinato da diverse parti ovvero: un sistema di alimentazione a vapore ed un sistema di raffreddamento.

Le centrali atomiche, nonostante producano enormi quantità di energia sono estremamente pericolose, infatti, ci sono stati diversi incidenti che sono costati la vita ad innumerevoli persone, come ad esempio l’incidente a Chernobyl nel 1986, l’incidente a Fukushima nel 2011 causato da un terremoto e da uno tsunami.

CENTRALE TERMOELETTRICA

La centrale termoelettrica è la tipologia di centrale più diffusa nel pianeta. Il funzionamento si basa su un elemento combustibile (olio combustibile, carbone o gas, ma anche biomassa, biogas o combustibile derivato da rifiuti CDR) che viene bruciato in modo da sviluppare calore; questo calore viene trasmesso a una caldaia, nella quale circola acqua ad alta pressione (l’acqua deve subire una serie di trattamenti al fine di essere purificata e filtrata per non danneggiare gli impianti), tale acqua viene così trasformata in vapore raggiungendo temperatura elevata. Il vapore viene convogliato verso delle macchine rotanti denominate turbine a vapore nelle quali il vapore si espande convertendo il proprio contenuto entalpico in energia meccanica. Collegati all’albero in rotazione di tali turbine vi sono gli alternatori i quali convertono l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

                               Le energie rinnovabili 

Sono energie rinnovabili tutte quelle che non compromettono e non danneggiano le risorse naturali che l’uomo mette a disposizione, queste energie sono inoltre inesauribili, perché una volta che vengono utilizzate si rigenerano.  

Le principali fonti di energia rinnovabile sono: l’energia solare (che prende energia dal sole), l’energia eolica (che prende energia dal vento), l’energia geotermica (che prende energia dalla terra), l’energia delle maree, l’energia idroelettrica, l’energia dall’idrogeno e l’energia dei rifiuti. 

     L’energia eolica  

L’energia eolica ottiene l’energia elettrica dall’energia del vento: ottenuta dai movimenti dell’aria calda e dell’aria fredda. Un altro elemento che influisce sugli spostamenti d’aria e sulla loro potenza è il territorio; infatti, il vento risulta essere più forte nelle zone di pianura ed in mare aperto.  

     Le centrali eoliche 

Le grandi eliche che si vedono molto frequentemente (soprattutto nelle zone di campagna), in realtà non sono altro che aereogeneratori: hanno un’altezza che varia dai 40 ai 60 metri per imbrogliare meglio l’energia del vento. La torre che sostiene l’apparecchiatura è fissata al terreno attraverso fondamento molto resistenti (cemento armato), in modo tale che non ci siano né oscillazioni, né un ribaltamento della struttura. L’elica, chiamata anche rotore è formata da 3 pali fatte di vetro, le quali possono girare anche ad una velocità di oltre 200km/h. Il movimento del rotore viene trasformato in energia elettrica dal generatore, che è contenuto nella navicella, che si trova in cima alla torre. La corrente passa dai cavi al cavidotto, per poi arrivare al trasformatore che invia la corrente utilizzabile alla rete pubblica. 

Le pale sono dotate di: un moltiplicatore di giri, che è utile quando il movimento dei rotori non è sufficiente per produrre energia, di un sistema di sicurezza frenante che serve quando il vento è troppo forte. 

I generatori eolici a seconda delle dimensioni e della potenza si dividono in piccoli, che arrivano ai 50 chilowatt e grandi generatori, che arrivano oltre ai 500 chilowattora. 

Un insieme di aereogeneratori collegati tra di loro forma le “fattorie del vento” che formano un vero e proprio parco eolico.  

L’energia prodotta dal generatore viene ricevuta da una rete di collegamento che la invia ad una stazione che la raccoglie. A questo punto un trasformatore converte la corrente a medio voltaggio in corrente ad alta tensione.  

Dato che i parchi eolici spesso sono formati da decine di aereogeneratori e perciò coprono diversi km quadrati spesso si preferisce installare i parchi eolici offshore: in mezzo al mare.                          

CENTRALE IDROELETTRICA

Le centrali idroelettriche, insieme alle centrali termoelettriche sono state le prime tipologie di centrali messe in uso. Il principio di funzionamento di queste si basa sull’utilizzo dell’energia cinetica dell’acqua, al fine di produrre corrente elettrica. Le centrali idroelettriche si suddividono in due tipologie:

• Ad acqua fluente;
• A caduta (o bacino);

Le prime sfruttano l’energia cinetica delle acque fluviali o di getti naturali d’acqua molto forti come le cascate o i torrenti (energia idroelettrica), convogliate in particolari turbine idrauliche messe in rotazione dal flusso dell’acqua. Collegate all’albero rotante delle turbine vi sono gli alternatori che trasformano l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

Le seconde sfruttano l’energia potenziale di notevoli masse d’acqua poste ad altezza maggiore rispetto a quella di presa (si parla in tal caso di ‘invaso’, naturale o artificiale creato tramite dighe). L’energia potenziale dell’acqua viene trasformata in energia cinetica facendo confluire l’acqua in condotta forzata. L’acqua viene poi fatta confluire come nel caso precedente in turbine collegate ad alternatori producendo così energia.

CENTRALI GEOTERMICHE

La centrale geotermoelettrica è basata sullo sfruttamento del calore della Terra. Infatti, scendendo in profondità, possiamo avvertire un notevole aumento di temperatura. Questo avvenimento è maggiormente accentuato nelle zone influenzate dal calore vulcanico. Un esempio è l’Islanda, che deve gran parte dell’energia prodotta ai geyser presenti nel territorio.

CENTRALE SOLARE

L’energia solare è l’energia, termica o elettrica, che viene prodotta dalle radiazioni solari. Queste, arrivate sulla Terra, vengono trasformate in energia da parte di vari pannelli, che si distinguono in 3 tipi:

• Pannelli solari termici: Sfruttano i raggi del sole per riscaldare un liquido, contenuto nel pannello, che rilascia del calore. Può essere di 2 tipi: a circolazione naturale e a circolazione forzata. Il primo funziona senza la presenza di pompe o componenti elettriche, a differenza del secondo in cui il serbatoio di acqua viene montato separatamente dal pannello.
• Pannelli fotovoltaici: Sfruttano dei semiconduttori che producono energia elettrica se colpiti dalla luce. L’elemento principale di questi pannelli è la cella fotovoltaica, che funziona come una batteria.
• Pannello a concentrazione: Sfrutta una serie di specchi parabolici disposti linearmente che permettono la concentrazione dei raggi solari in un solo punto.

FINE