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1. COS’È L’ELETTRICITÀ? 

 L’elettricità è un flusso ordinario di elettroni lungo un materiale. 

La materia è costituita da molecole, che derivano dall’unione di atomi. 

Gli atomi sono formati da: 

un nucleo, posto al centro, contenente 2 tipi di particelle: neutroni e protoni. 

Gli elettroni, particelle che si muovono intorno al nucleo. 

In queste particelle si trovano le cariche elettriche: 

negative quelle degli elettroni e 

positive quelle dei protoni. 

Le cariche positive del nucleo attraggono verso di loro le cariche negative al di fuori del nucleo, grazie a una forza elettrica, che tiene insieme gli atomi. 

L’atomo: 

quando è stabile, è neutro e la sua carica elettrica è nulla. 

Se acquista o perde elettroni, viene meno la sua stabilità e cerca di ristabilire l’equilibrio.  

Un corpo che ha elettroni in eccesso(negativo) si sposterà verso un corpo che ne ha pochi (positivo) in base al principio che: 

le cariche elettriche di segno opposto si attraggono; 

le cariche elettriche dello stesso segno si respingono. 

La carica elettrica è, dunque, l’eccesso o la mancanza di elettroni. 

Se proviamo a collegare due corpi con una quantità diversa di elettroni tramite un filo metallico, per esempio di rame, gli elettroni si sposteranno, attraverso il filo, dal corpo con più elettroni, il polo negativo, chiamato catodo, a quello in cui se ne trovano di meno, il polo positivo, chiamato anodo, fino a che non si ristabilisce l’equilibrio. 

Il passaggio di elettroni attraverso il filo, chiamato flusso di elettroni, costituisce la corrente elettrica. 

1.1 MATERIALI CONDUTTORI E MATERIALI ISOLANTI  

La conduttività elettrica è la proprietà dei materiali di farsi attraversare dall’elettricità. 

I materiali possono essere conduttori o isolanti.  

I materiali conduttori hanno la capacità di farsi attraversare dalla corrente elettrica, in quanto hanno gli elettroni che non sono strettamente legati al loro nucleo e quindi riescono a muoversi con facilità(metalli come rame e alluminio). 

I materiali isolanti non hanno la capacità di farsi attraversare dalla corrente elettrica, in quanto hanno gli elettroni sono fortemente attratti dal nucleo e quindi non tendono a muoversi liberamente (materie plastiche, ceramica, vetro, legno secco). 

1.2 LE GRANDEZZE DELLA CORRENTE ELETTRICA

Le grandezze della corrente elettrica sono: la tensione, l’intensità, la resistenza, la potenza e l’energia. 

 -La tensione 

Nel cavo elettrico che collega due corpi ci può essere il flusso della corrente elettrica solo se tra di essi c’è una differenza di potenziale elettrico. Questa differenza di potenziale prende il nome di tensione. 

Se aumentiamo la differenza di potenziale, ovvero la tensione, aumenterà l’intensità della corrente. 

Quando la differenza di potenziale va in equilibrio, il passaggio di elettroni si arresta. Per mantenere questa differenza costante, in modo che la corrente continui a passare attraverso il cavo, occorre un generatore di corrente elettrica, un apparecchio, cioè, che mantenga costante la tensione tra i due corpi collegati dal cavo. 

Il primo generatore della storia è stato la pila, inventata da Alessandro Volta: è in suo onore che l’unità di misura della tensione è stata chiamata volt e si indica con la lettera V. 

– L’intensità 

L’intensità della corrente misura la quantità di elettroni che attraversano una sezione del cavo elettrico in un secondo; si misura in ampere e si indica con la lettera I. 

-La resistenza  

La resistenza del conduttore è la misura dell’ostacolo che il conduttore oppone al fluire degli elettroni. Anche se il cavo elettrico permette il passaggio degli elettroni, questo può venire influenzato da alcuni fattori: il materiale che costituisce il cavo, la lunghezza del cavo, la sua sezione. Possiamo dire che: 

-se il materiale è un buon conduttore, opporrà una minore resistenza al passaggio della corrente; 

-se il cavo elettrico è molto lungo, gli elettroni troveranno più ostacoli 

Nel loro passaggio e quindi la resistenza sarà maggiore; 

-se la sezione del cavo aumenta, ci sarà più spazio per il passaggio 

Della corrente e la resistenza diminuirà. 

La resistenza, si misura in ohm (dal nome del fisico tedesco George Ohm che l’ha scoperta) e si indica con la lettera R. 

– La legge di Ohm  

Ohm ha studiato una relazione tra l’intensità (ampère), la tensione (volt) e la resistenza (ohm). In base a questa relazione ha ricavato 2 leggi. 

La prima legge di Ohm (I=V/R) dice che: 

-l’intensità è direttamente proporzionale alla tensione; all’aumentare dell’una, aumenta anche l’altra e viceversa 

-l’intensità è inversamente proporzionale alla resistenza, al diminuire dell’una, l’altra cresce. 

La seconda legge di Ohm (R=p•l/s) dice che: 

-la resistenza è direttamente proporzionale alla lunghezza del filo conduttore; all’aumentare dell’una, aumenta anche l’altra e viceversa 

-la resistenza è inversamente proporzionale alla sezione del filo conduttore, al diminuire dell’una, l’altra cresce. 

– La potenza 

La potenza di un’apparecchiatura elettrica di dimensioni casalinghe (phon, macchina per caffè, lampadina, ecc.) si misura in watt. La potenza di una lampadina, si calcola moltiplicando la tensione (espressa in volt) che alimenta il circuito elettrico (nelle nostre case è di 220 volt) per l’intensità di corrente (in ampere) che lo attraversa. 

Per gli  apparecchi di una certa potenza si usa il multiplo del watt, il chilowatt. 

-l’energia 

Dal contatore della luce si può leggere: 

– qual è l’energia elettrica consumata in un dato momento; 

– quanta energia è stata consumata da quando è stato installato l’impianto elettrico fino a quel momento. 

Le bollette della fornitura di energia elettrica dicono qual è stato il consumo in watt nel tempo, consumo che si esprime in chilowattora (kWh). 

1.3 IL CIRCUITO ELETTRICO

 COM’È FATTO UN CIRCUITO ELETTRICO? 

Un circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola la corrente elettrica. 

Un apparecchio che produce elettricità si chiama generatore, se invece la consuma per svolgere un lavoro, si chiama utilizzatore. Per costruire un circuito elettrico è necessario collegare: 

– una pila da 4,5 volt, che è un generatore di corrente;  

– una lampadina da 1,5 watt con il suo porta-lampadina, che è l’utilizzatore;  

– due pezzi di filo elettrico, che sono i conduttori.  

In questo modo la lampadina si accende e per poterla spegnere, senza scollegare i fili e senza far scaricare la pila, serve un interruttore, il pulsante di plastica (isolante) il cui scopo è aprire o chiudere il circuito elettrico ogni volte che lo si preme.  Quando la luce è spenta, il circuito è aperto; quando si attiva l’interruttore il circuito si chiude mettendo a contatto le parti scollegate del conduttore e facendo passare la corrente che accende la luce. 

Il cortocircuito avviene quando un cavo elettrico è usurato, o se una spina o una presa sono difettose.  

In questo caso se si è ancora in tempo, bisogna staccare subito la corrente e chiamare un tecnico. È raccomandabile non toccare i cavi con i fili scoperti con le mani, perché c’è il rischio di rimanere fulminati. 

 COME FUNZIONA UNA PILA?  

Una pila o batteria è un piccolo contenitore dentro al quale si verifica una reazione chimica che libera elettroni.  

La più comune è quella del tipo zinco-carbone.  

Su tutte le batterie è evidenziata la posizione dei due poli:  

il positivo (indicato con il segno +);  

il negativo (indicato con il segno -). 

La pila è formata da tre elementi:  

1. lo zinco (il polo negativo);

2. l’elettrolito (pasta composta da cloruro d’ammonio cloruro di zinco);

3. una barretta di carbone (il polo positivo).

Nel momento in cui i due poli sono collegati, si attiva una reazione chimica nella quale l’elettrolito toglie allo zinco cariche positive, facendolo diventare il polo negativo della pila. Il flusso delle cariche si dirige verso la barretta di carbone, creando la corrente. Fino a quando le reazioni chimiche non consumano lo zinco la pila continua a funzionare. 

Alessandro Volta costruì la prima pila: sovrapponendo alcuni dischi di zinco e di rame alternati a dischi di carta imbevuti di acqua salata e collegando un filo elettrico ai due poli (uno di zinco e l’altro di rame), produsse un flusso di corrente. 

Vi sono poi delle batterie che non si esauriscono, chiamate accumulatori o batterie ricaricabili. La più conosciuta è la batteria piombo-acido che si trova in tutte le automobili.

IL COLLEGAMENTO IN PARALLELO E IL COLLEGAMENTO IN SERIE

Le lampadine (le utilizzatrici) si possono collegare alla batteria in due modi diversi: in parallelo e in serie. 

Il collegamento in parallelo è quello del circuito elettrico usato nelle abitazioni, dove è possibile attivare un solo utilizzatore (per esempio, accendere un solo elettrodomestico) senza dover attivare tutti gli altri.  

Il collegamento in serie si ha quando il circuito si chiude e tutti gli utilizzatori si attivano, ovvero tutte le lampadine si accendono. Ma se una delle lampadine si brucia, il circuito si apre, facendole spegnere tutte, come succede con le luci dell’albero di Natale.  

1.4 GLI EFFETTI DELLA CORRENTE ELETTRICA  

Il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore produce diversi effetti: l’effetto termico (Joule), l’effetto luminoso, l’effetto chimico e l’effetto magnetico. 

 L’EFFETTO JOULE O EFFETTO TERMICO 

Il passaggio di corrente elettrica in un filo conduttore sviluppa calore perché l’energia elettrica si trasforma in energia termica: questo fenomeno è detto effetto Joule.  

Infatti l’energia elettrica diventa energia termica, a causa della resistenza. 

Il calore aumenta sia all’aumentare dell’intensità della corrente sia all’aumentare della resistenza. 

L’effetto Joule (dal nome del fisico inglese James Prescott Joule) è il principio di funzionamento della stufa elettrica, del phon, del forno elettrico e del tostapane. 

 L’EFFETTO LUMINOSO  

In una lampadina a incandescenza la corrente elettrica riscalda un sottile filamento di tungsteno a una temperatura molto elevata fino a farle emettere luce.  

L’energia elettrica viene trasformata in energia luminosa per circa il 10%: il restante 90% viene disperso sotto forma di calore.  

 L’EFFETTO CHIMICO 

Se immergiamo due barrette di grafite in una soluzione elettrolitica e le colleghiamo a un generatore di corrente continua (una batteria d’automobile), gli ioni positivi si dirigeranno verso la barretta che corrisponde al polo negativo, mentre quelli negativi si dirigeranno verso quella che corrisponde al polo positivo. Questo tipo di effetto è molto utilizzato in alcuni processi industriali che prevedono il rivestimento metallico di oggetti: la cromatura, la doratura, la zincatura. 

 L’EFFETTO MAGNETICO

L’elettromagnetismo è l’effetto magnetico della corrente elettrica.  

Avvicinando l’ago di una bussola a un conduttore in cui vi è passaggio di corrente, la corrente elettrica crea un campo magnetico, perché l’ago della bussola si sposta e si mette in posizione perpendicolare al filo. 

Avvolgendo un filo conduttore a spirale a una barra di ferro, otteniamo un solenoide: se lo colleghiamo a una batteria e lo avviciniamo a dei pezzi di ferro, il solenoide si comporta come una calamita e attira i pezzi di ferro. Poiché funziona a comando, questa calamita è chiamata elettrocalamita. 

2. SCHEMA GENERALE CENTRALI ELETTRICHE     ALTERNATORE ED ELETTROMAGNETISMO 

 2.1 FUNZIONAMENTO GENERALE

Prendiamo l’esempio di una centrale termo-elettrica. Il combustibile viene bruciato e il vapore mette in funzione la turbina che alimenta l’alternatore che distribuirà l’energia nei cavi per il trasporto fino alle nostre case. 

Il processo di funzionamento è pressoché uguale, cambia la fonte di energia e di conseguenza la turbina. 

2.2 L’ALTERNATORE

L’alternatore ha il compito di produrre l’energia elettrica per alimentare la centrale; è un generatore di corrente alternata, ossia che varia nel tempo. Al suo interno contiene un magnete (quindi il campo magnetico) e un conduttore (bobina o spira). La spira ruota all’interno del campo magnetico e agli estremi è collegata a due collettori che trasmetteranno la corrente ai cavi per il trasporto.

L’alternatore è a sua volta messo in movimento da una turbina, che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica; in base ai diversi tipi di centrali troveremo una turbina idraulica, eolica o a vapore. Avremo quindi le centrali idro-elettriche, le centrali eoliche le centrali termo-elettriche e le centrali geo-termiche (ricavano l’energia dai gas nel sottosuolo).

L’alternativa all’uso dell’alternatore è il fotovoltaico.

2.3 LA LEGGE DI FARADAY 

Alla base del funzionamento dei generatori di corrente impiegati nelle centrali elettriche (alternatori) ci sono gli studi dello scienziato inglese Michael Faraday che, nel 1831, ha scoperto il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, ovvero la capacità di un campo magnetico di produrre un flusso di corrente elettrica. Se varia il flusso di un campo magnetico nel tempo si produce una forza elettromagnetica indotta (ovvero creata dal campo magnetico). Il flusso varia se si fa ruotare la spira immersa nel campo magnetico. 

3. CENTRALI CHE UTILIZZANO ENERGIA RINNOVABILE 

3.1 CHE COS’E’ L’ENERGIA RINNOVABILE?

Sono energie rinnovabili quelle che non compromettono e non danneggiano le risorse offerte dalla natura a disposizione dell’uomo. Queste energie, dopo ogni utilizzo, si rigenerano e quindi sono inesauribili. L’esempio più comune è quello dell’ENERGIA SOLARE: la Terra è continuamente irradiata dall’energia prodotta dal Sole e noi possiamo utilizzarla o no.  

3.2 ESEMPIO DI CENTRALE ELETTRICA DI TIPO RINNOVABILE

Un esempio energia rinnovabile è quella eolica, che è prodotta dalle correnti dei venti. L’energia eolica trasforma l’energia cinetica del vento in energia elettrica. Le caratteristiche del territorio influiscono sugli spostamenti dell’aria e sulla potenza. Il vento è forte dove non ci sono ostacoli, per esempio nelle pianure o al mare. Le eliche più grandi e che si notano più spesso sono gli aerogeneratori: sono alti circa 40/60 m per controllare l’energia del vento senza ostacoli. La torre che sostiene l’impianto è fissata nel terreno tramite fondamenta di cemento armato, che impedisce il movimento. L’elica è costituita da 3 pale di vetro che sono in grado di girare fino a 200 km/h. Il movimento del rotore si trasforma in energia elettrica grazie al generatore, contenuto nella navicella, una cabina collocata in cima alla torre. Dal generatore la corrente passa attraverso i cavi del cavidotto e arriva al trasformatore che invia la corrente resa utilizzabile alla rete pubblica.  

3.3 I PARCHI EOLICI 

Esistono due tipologie di parco eolico, differite dall’installazione delle stesse sulla terraferma o sul mare. La prima viene detta on-shore e la sua progettazione è fatta principalmente su zone all’aperto come rilievi collinari, zone montuose. La seconda, chiamata off-shore, viene posta sull’area marina nei pressi di zone costiere. Questi parchi sono realizzati con turbine eoliche, montate su una piattaforma galleggiante e vengono utilizzate per la dissalazione dell’acqua marina, la produzione di energia elettrica, la produzione di vettori energetici quali metanolo e idrogeno. Le turbine possono essere installate anche in siti marini ad elevata profondità, in mare aperto e ad ampio sfruttamento dei venti costieri. L’eolico off-shore è più stabile, fornisce più energia e possiede un minor impatto visivo, tuttavia i costi di realizzazione e manutenzione sono notevolmente più alti. 

4. COSA SONO LE RISORSE NON RINNOVABILI?

petrolio, il carbone e il gas naturale, che l’uomo estrae dal sottosuolo, sono combustibili fossili, cioè materiali che vengono bruciati per produrre energia. Essi sono fonti non rinnovabili di energia perché destinate, prima o poi, a esaurirsi. Inoltre, la loro combustione produce fumi molto inquinanti.

4.1 UN’ESEMPIO DI CENTRALE DI RISORSA NON RINNOVABILE?

Un esempio di centrale di risorse non rinnovabili è la centrale petrolifera. Una piattaforma petrolifera è un’imponente struttura utilizzata per l’esplorazione di aree marine in cui sono locati potenziali giacimenti di idrocarburi. Allo stesso tempo le piattaforme vengono utilizzate anche per la perforazione di pozzi petroliferi, nel caso sia stata provata l’esistenza del giacimento.