energia

LA CORRENTE ELETTRICA

La corrente elettrica è un movimento di cariche elettriche elementari, cioè un flusso di elettroni . I protagonisti della corrente sono gli elettroni liberi. Indica lo spostamento complessivo delle cariche elettriche. Cioè un qualsiasi moto ordinato definito operativamente come la quantità di carica elettrica che attraversa una determinata superficie nell’unità di tempo.

CONDUTTORI ISOLANTI 

Si chiamano conduttori quei materiali all’interno dei quali gli elettroni si muovono liberamente. Si chiamano isolanti quei materiali i cui elettroni sono fortemente legati ai nuclei degli atomi.

–conduttori sono quei materiali che si lasciano attraversare con facilità dalla corrente elettrica, come i metalli (rame, alluminio, oro, argento, mercurio ecc…) le soluzioni elettrolitiche (acqua, sale) e i gas ionizzati (interno dei tubi al neon).

–isolanti sono la ceramica, il vetro, la gomma, le materie plastiche, il legno secco, l’olio e altre sostanze che impediscono il passaggio della corrente elettrica.

TRE GRANDEZZE DELLA CORRENTE (LEGGE DI OHM)

La corrente che scorre in un circuito viene definita da tre grandezze principali: gli ampere (A), i volt(V), gli ohm.

queste grandezze sono legate tra loro dalla legge di OHM, che stabilisce: l’intensità della corrente elettrica (ampere) che scorre in un conduttore aumenta al crescere della tensione (volt) e diminuisce al crescere della resistenza (ohm).

intensità di corrente (ampere): l’intensità di corrente unitaria corrisponde al passaggio di circa 6 miliardi di miliardi di elettroni al secondo attraverso una sezione del circuito e si misura in ampere.

tensione (volt): la tensione elettrica è il dislivello a cui vengono mantenuti gli elettroni e si misura in volt. Questo dislivello è creato dal generatore di corrente, che trasferisce gli elettroni nel polo negativo, prelevandoli dal polo positivo. maggiore è la tensione fornita dal generatore, più intensa è la corrente che scorre nel circuito.

resistenza (ohm): la resistenza di un conduttore è la capacità di opporsi al passaggio della corrente e si misura in ohm. la resistenza di un conduttore dipende da tre fattori:

Materiale: rame, alluminio e argento oppongono una resistenza molto piccola e sono utilizzati come fili conduttori. il tungsteno ha una resistenza molto grande.

Lunghezza: maggiore è la lunghezza del filo conduttore, più ostacoli incontrano gli elettroni nel loro spostamento e quindi la resistenza è maggiore.

Sezione: se è grande gli elettroni liberi si spostano più facilmente e quindi la resistenza è minore.

POTENZA ED ENERGIA

Delle tre grandezze principali derivano due grandezze di uso pratico: la potenza “quello che sa fare” un apparecchio, per esempio poca luce o molta luce; l’energia è il suo uso di corrente.

potenza (watt)

La potenza di un apparecchio di un apparecchio elettrico si calcola moltiplicando l’intensità della corrente (ampere) che attraversa il filamento, per la tensione (volt) alla quale è sottoposta:

watt= ampere x volt

Il watt (W) serve per indicare la potenza nei piccoli apparecchi:

il kilowatt (kW) si usa per gli apparecchi grossi

energia (wattora)

L’energia è misurata dalla sua potenza (watt) moltiplicata per il suo tempo di funzionamento (ore).

il wattora (Wh) serve per indicare il comsumo di piccoli apparecchi.

il kilowattora (kWh) si usa per i grossi apparecchi.

GENERATORI DI CORRENTE

La pila e l’accumulatore sono generatori chimici di corrente.

Quando l’apparecchio è inserito in un circuito elettrico si sviluppano, tra le piastre e il prodotto chimico, reazioni chimiche che generano una corrente continua.

L’alternatore è un generatore meccanico di corrente. All’interno contiene un magnete cilindrico che quando gira induce nel filo di rame avvolto a bobina una corrente alternata.

PILA

La pila è un generatore di corrente continua.

Una pila eroga energia per un certo periodo di tempo, poi si “scarica”, cioè non eroga più. Questo è dovuto al consumo di un elettrodo, che si corrode.

pila normale (o di Leclanché)

è il tipo comune di pila a secco, è formata da tre parti principali:

1. il contenitore cilindrico di zinco è il polo negativo (-);
2. l’elettrolita è la pasta nerastra con sali di ammoniaca che riempe il contenitore;
3. il bastoncino di carbone affondato nella pasta è il polo positivo (+).

il contenitore di plastica ha funzione isolante e lamierino ha funzione protettiva.

funzione

Quando i due poli sono collegati da un filo conduttore inizia a scorrere la corrente

pila alcalina

è una pila a lunga durata, nettamente superiore a quella normale. L’interno è identico alle altre pile come pure il voltaggio. L’interno è invece diverso, daro che contiene un altro elettrolita.

pila in serie

se si collegano in serie più pile da 1,5 V si ottengono tensioni multiple.

Il collegamento è fatto da un polo + a contatto con il polo -.

La tensione agli estremi è pari alla somma delle tensioni.

ACCULUMATORE 

L’accumulatore è un apparecchio elettrico che, in un primo momento, assorbe energia elettrica e la accumula sotto forma di energia chimica; in un secondo tempo eroga l’energia elettrica a un utilizzatore sotto forma di corrente continua. Questo processo di carica e di scarica può essere ripetuto molte volte, perché gli elettrodi non si esauriscono.

accumulatore a piombo

1. Durante la carica l’energia elettrica provoca delle reazioni chimiche sulle piastre, che si modificano in biossido di piombo (1) e piombo spugnoso (2), cioè acquistano energia chimica.
2. Durante la scarica le reazioni avvengono in senso contrario e l’energia chimica viene erogata sotto forma di corrente continua.

MAGNETE 

Il magnete è un corpo di ferro a forma di barretta (o di ferro di cavallo ecc.) che è stato magnetizzato e genera attorno un campo magnetico. La sua forza magnetica spinge gli elettroni in una certa direzione. Per scoprire la forza magnetica devi procurarti: uno scrocchetto per porta (con un magnete forte), un cucchiaino, una lastrina di plaxiglas 10x10cm.

sentire la forza

Prendi la calamita con una mano e il cucchiaino con l’altra: se li avvicini senti la forza del magnete che attira il ferro.

i due poli

Le estremità di un magnete si chiamano poli. I poli sono sempre di nome contrario. Poli dello stesso tipo si respingono (per esempio N contro N), poli di tipo diverso si attraggono.

vedere la forza

Metti la lastrina di plastica sopra la calamita e versa sulla plastica un po’ di limatura: con alcuni colpetti alla lastrina i granelli di dispongono secondo le linee precise che vanno da un polo all’altro: sono le linee di forza del campo magnetico.

ALTERNATORE

L’alternatore è una macchina rotante che, quando gira, genera corrente alternata. Per vedere come funziona puoi aprire un dinamo da bicicletta.

motore (magnete)

è un magnete cilindrico di forza notevole: se avvicini un cucchiaino esso si “attacca” in modo tenace. Questo magnete è multipolare, cioè possiede quattro poli Nord altrnati a quattro poli Sud.

statore

sono otto piastre di ferro disposte anello. Esse sono  contatto con rocchetto, con un lunghissimo filo di rame arrotolato, dove ci sono miliardi di miliardi di elettroni liberi, capaci cioè di muoversi.

lampadina

i due capi del filo di rame sono collegati alla lampadina, con la quale formano un circuito elettrico.

funzionamento

il filo elettrico della bobina termina con un capo sulla vite che sporge in fondo con l’altro capo sulla staffa di attacco alla bici.

1. gira a mano la rotella zigrinata: la senti “legata” dalla forza del magnete, che attira le piastre di ferro.
2. falla girare a mano più veloce che puoi: questa rotazione non basta a creare corrente.
3. immagina di essere sulla bici con la rotella zigrinata collegata alla ruota: adesso il magnete gira molto veloce e la lampada si accende. Più gira veloce, più è intensa la luce prodotta.

Al massimo dei giri, questo alternatore ha una potenza di 3W e una tensione di 6V.

ENERGIA NUCLEARE

L’energia da movimento alla materia e alle particelle della materia che senza resterebbero ferme e senza vita. Senza energia nulla sarebbe in grado di muoversi, resterebbe uguale a se stesso e non ci sarebbe ne evoluzione ne tempo, non ci sarebbe la vita perché ogni forma di energia è vita.

Nel mondo sono in funzione quasi 450 reattori nucleari, di cui circa 150 solo nell’Europa occidentale. L’Italia importa oltre l’80% dell’energia che consuma, viene tratta per lo più da combustibili fossili destinati ad esaurirsi e che comunque prima di finire diventeranno molto costosi.

Se vogliamo tenere inalterato il nostro tenore di vita dobbiamo ricorrere anche alle energie alternative e fra queste l’energia nucleare; non ce ne rendiamo conto ma siamo già un paese che dipende dal nucleare, quasi tutta l’elettricità che importiamo viene prodotta da 26 reattori atomici in funzione a meno di 200 km dai nostri confini.

L’energia nucleare è l’unica tecnologia in grado di produrre elettricità su larga scala con emissioni di anidride carbonica vicine allo zero, un contributo importante nella lotta al cambiamento climatico, in secondo luogo l’energia prodotta in una centrale nucleare costa fino al 20% in meno rispetto a quella che viene prodotta nelle centrali più moderne a gas, il che vuol dire più competitività per il paese con e un più facile accesso alle energie per tutti.

IL COMBUSTIBILE 

Nei reattori si utilizza uranio a basso arricchimento, un prodotto che si ottiene dopo una lavorazione complessa. Si comincia con l’estrazione del minerale di uranio dai giacimenti sotterranei o di superficie si prosegue poi con i processi di raffinazione, si ottiene il così detto Yellow cake, si passa al processo di arricchimento. Il livello di arricchimento dell’uranio per la  produzione energetica è molto basso quindi è impossibile usarlo a fini limitari, alla fine del processo si ottiene una miscela che contiene la percentuale di uranio più adatta per ottenere la fissione, da questa sostanza si producono delle vere e proprie pastiglie di combustibile nucleare e non sono radioattive finché non avviene la reazione nucleare e che vengono utilizzate nei reattori racchiuse in speciali tubi metallici. Il reattore è il cuore di una centrale nucleare ma anche il reattore ha un suo cuore ed è il così detto nocciolo che contiene gli elementi di combustibile nucleare utilizzati per la fissione.à

LA REAZIONE 

Il processo di fissione avviene quando un neutrone viene fatto scontrare con un nucleo di uranio, a questo punto il nucleo si separa in due o più frammenti liberando a sua volta altri neutroni e una grande quantità di energia. Il processo di ripete innescando e e mantenendo così una reazione a catena che genera calore dentro gli elementi di combustibili. La reazione a catena è controllata costantemente regolando il livello di inserimento nel nocciolo delle così dette barre di controllo costituite da materiali che assorbono i neutroni, una volta inserite nel nocciolo le barre intercettano i neutroni liberi riducendo il numero di reazioni a catena e di conseguenza il reattore fino allo spegnimento dell’impianto nel caso di inserimento completo. I tubi contenenti il combustibile, le barre di controllo e i sistemi di comando di questi elementi sono racchiusi all’interno di una struttura di acciaio ad alta resistenza chiamata “vesse”

I REATTORI

Esistono vari tipi di reattore. I reattori si classificano in base al tipo di combustibile utilizzato, al tipo di moderatore, che la sostanza che si usa per rallentare i neutroni e per ottimizzare la reazione, e al sistema di raffreddamento in generazione del vapore, utilizzato per azionare le turbine e gli alternatori che producono l’energia elettrica. Le centrali più diffuse sono quelle ad acqua leggera, light water reactor (LWR) dove i modelli di reattore possono essere di due differenti tipi, entrambi raffreddati e moderati ad acqua, quelli detti boiling water reactor (BWR) in cui l’evaporazione dell’acqua avviene nello stesso recipiente che contiene il combustibile e quelli chiamati presserat water reactor (PWR) in cui per produrre vapore si utilizza un circuito idraulico diverso da quello che contiene l’acqua di raffreddamento. La tecnologia dei reattori PWR è la più diffusa al mondo, a questa categoria appartengono anche i nuovi reattori EPR che sono quelli di recente sviluppati in Francia, questi reattori grazie alla presenza di due circuiti idraulici separati, primario e secondario, garantiscono che il vapore con cui vengono azionate le turbine non viene ma a contatto con il combustibile nucleare e quindi non contiene prodotti radioattivi.

I RIFIUTI

Durante il suo normale funzionamento una centrale nucleare produce una certa quantità di composti radioattivi, i quali restano sigillati all’interno degli elementi di combustibile. Questi rifiuti sono divisi in tre categorie a seconda del loro tempo di decadimento e cioè il tempo che serve riportarle il loro livello di radioattività sotto le soglie della radioattività naturale. La prima categoria è a bassa attività il cui tempo di decadimento può arrivare a 20-30 anni, si tratta di circa il 90% del totale dei rifiuti, c’è poi la categoria della media attività , questi rifiuti hanno un tempo di decadimento di circa 300 anni, si tratta di componenti utilizzati in fase di esercizio o derivanti dallo smantellamento delle vecchie centrali. Infine abbiamo i rifiuti ad alta attività il cui tempo di decadimento può arrivare alle migliaia di anni, si tratta o di combustibile esaurito oppure dei residui dei cicli di riprocessa mento.

LA SICUREZZA

Tutte le centrali vengono gestite secondo procedure standardizzate a livello mondiale, diversi organismi sovranazionali hanno il compito di verificare continuamente il rispetto dei livelli di sicurezza, di garantire la circolazione delle esperienze e delle comunicazioni e di assistere le aziende nell’applicazione degli standard migliori per quanto riguarda l’organizzazione e la tecnologia. La sicurezza è il criterio guida, ecco perché i nuovi reattori EPR sono protetti da una doppia struttura di cemento armato con pareti spesse più di 1 metro, la struttura esterna è progettata per resistere anche all’impatto di un aereo di linea. Negli impianti EPR i sistemi di sicurezza sono addirittura quadruplicati e assolutamente indipendenti l’uno dall’altro ciò proprio per prevenire e correggere anche i potenziali errori umani e guasti di strumentazione. Questo ci dimostra come in ogni fase di vita dell’impianto, che è progettato per funzionare 60 anni, vengono adottate tutte le misure tecniche e organizzative necessarie per controllare in qualsiasi circostanza il funzionamento del reattore e la gestione delle scobie nel rispetto e salute dei cittadini e dell’ambiente.