Cos’è l’elettricità? Cosa si intende con tensione, potenza, resistenza e intensità di corrente elettrica?

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L’elettricità

Con il termine elettricità si fa riferimento genericamente a tutti i fenomeni fisici nei quali intervengono cariche elettriche, sia ferme che in movimento.

L’energia elettrica viene definita energia secondaria, perché ottenuta da altre forme di energia

Perché l’ energia elettrica è così importante? Che vantaggi ha?

E’ facilmente trasportabile e distribuibile
Può essere ritrasformata facilmente (es: in energia meccanica)
Non produce polveri o emissioni nel luogo di consumo
E’ comoda da usare (basta premere un interruttore)

Tuttavia, ci sono degli svantaggi:

È difficile da immagazzinare
Nella trasformazione dalle fonti primarie, solo parte dell’energia diventa energia elettrica
la sua produzione a partire da fonti quali carbone e petrolio è inquinante
L’utilizzo del nucleare per la produzione di elettricità pone problemi ambientali per la produzione di scorie radioattive, nonché problemi di sicurezza

La teoria atomica per spiegare l’elettricità

Per capire l’elettricità, partiamo dalla struttura della materia: tutte le cose, tutte, sono fatte di atomi, cioè piccolissime particelle in continuo movimento.

Ogni elemento esistente in natura (il ferro, l’oro…) è caratterizzato da un atomo ben preciso.

Per descrivere gli atomi, vengono spesso usati dei modelli, che sono una semplificazione della realtà, ma ci consentono di descrivere alcune caratteristiche degli atomi.

Secondo questi modelli, gli atomi sono costituiti da

Un nucleo centrale, che ha carica positiva
Piccole particelle dette elettroni che ruotano attorno al nucleo, che hanno carica negativa

Nell’atomo, in condizioni normali, la carica totale (data dalla somma delle cariche positive e negative) è nulla.

Un principio fondamentale dell’elettricità afferma che due corpi con cariche opposte si attraggono, e due corpi con cariche dello stesso segno si respingono. Attrazione e repulsione sono manifestazioni della forza elettromagnetica.

Questo spiega perché il nucleo, che ha carica positiva, tenga legati a sé gli elettroni.

Isolanti e conduttori

In alcuni elementi, gli atomi possono perdere facilmente gli elettroni più esterni, che sono così liberi di spostarsi da un atomo all’altro. Questi tipi di materiali sono detti conduttori. Ottimi conduttori sono i metalli (i migliori sono l’argento, il rame e l’alluminio). Buoni conduttori sono i corpi umidi e le soluzioni di sali in acqua.

I materiali che non sono buoni conduttori sono detti isolanti. Alcuni esempi sono il vetro, le materie plastiche, il legno.

La tensione, o differenza di potenziale elettrico

Immaginiamo ora di avere due corpi conduttori separati, e di aver sottratto una certa quantità di elettroni ad uno di essi, per accumularli sull’altro. Per trasportare ulteriori elettroni dal primo corpo, che ora è carico positivamente, al secondo corpo, che ora è carico negativamente, dovrei vincere una forza contraria, e spendere una certa energia per riuscirci.

Si dice che tra i due corpi esiste una differenza di potenziale elettrico, o tensione, che è tanto maggiore quanto maggiori sono le cariche elettriche accumulate sui due oggetti. Questa tensione si misura in volt (V).

Se colleghiamo i due oggetti con un filo conduttore, gli elettroni in eccesso sul secondo corpo iniziano a scorrere lungo il filo per tornare sul primo corpo, e ristabilire così l’equilibrio.

La corrente elettrica

Cioè, sotto l’azione di una tensione, nel filo si stabilisce una corrente elettrica.

L’intensità della corrente elettrica si indica con I, e si misura in ampere (A).

E’ come avere due recipienti con lo stesso livello liquido, e sottrarre parte dell’acqua di un recipiente per inserirla nell’altro. Collegando i due recipienti con una tubazione, tenderebbe a ristabilirsi l’equilibrio attraverso un flusso d’acqua, che va dal recipiente con il livello maggiore al recipiente con il livello inferiore.

Quanti elettroni trasporta in un secondo una corrente di 1 A? Un numero così grande, che è più facile da scrivere che da leggere: 6˙250˙000˙000˙000˙000˙000!

Ma torniamo ai nostri due corpi: non appena viene ristabilito l’equilibrio, la corrente elettrica e la tensione si annullano.

Se collego un generatore tra i due oggetti, cioè un dispositivo capace di mantenere costante la tensione tra i due corpi a spese di una certa energia, la corrente continua.

Ho realizzato un circuito elettrico elementare, e questo è il suo schema elettrico

L’analogia idraulica

Per capire meglio il funzionamento di un circuito elettrico, possiamo paragonarlo ad un impianto idraulico.

Gli elettroni si spostano dal polo negativo al polo positivo come in un sistema di vasi comunicanti il flusso d’acqua scorre da un serbatoio con livello più alto ad uno con livello più basso.

Il generatore può essere paragonato ad una pompa idraulica che mantiene costante la differenza di livello dell’acqua tra i due recipienti. Come la pompa mantiene costante il dislivello tra i due serbatoi spingendo l’acqua da quello con livello più basso a quello con livello più alto, così il generatore spinge gli elettroni dal polo positivo a quello negativo per mantenere costante la differenza di potenziale.

Se nella realtà la corrente elettrica consiste in un flusso di elettroni che si muovono da un oggetto con carica negativa ad uno con carica positiva, per convenzione invece si considera la corrente elettrica come un flusso di cariche positive che si muovono dall’oggetto con carica positiva a quello con carica negativa.

L’elettricità

La Legge di Ohm afferma che la corrente che passa in un filo conduttore e la tensione alle estremità del filo sono direttamente proporzionali: la corrente aumenta all’aumentare della tensione.

Indicando con V la tensione e con i la corrente, la legge di Ohm in formula diventa:

V (volt) = R (ohm) x I (ampere)

R è la resistenza del filo conduttore, che si misura in Ohm. E’ la resistenza che il filo oppone al passaggio della corrente. A parità di tensione V, più alta è la resistenza, minore sarà la corrente che riesce a passare. La resistenza dipende da vari fattori, tra i quali il materiale di cui il filo è costruito. Ad esempio, l’argento e il rame hanno una bassissima resistenza.

Cosa succede quando gli elettroni fluiscono all’interno di un circuito elettrico sotto l’azione di un generatore? Succede che si libera energia. In che forma? Beh, dipende da cosa noicolleghiamo al circuito.

Nel caso di un motore elettrico, l’energia si trasforma prevalentemente in energia meccanica,
Nel caso della resistenza di un forno, in energia termica

La potenza

La grandezza che indica l’energia liberata per unità di tempo è la potenza, che si misura in watt.

Un’importante legge dell’elettrotecnica ci dice che la potenza liberata P è data dal prodotto tra la tensione V ai capi del conduttore e la corrente I che lo percorre

P (watt) = V (volt) x I (ampere)

Facciamo un esempio:

Il valore di tensione elettrica presente negli impianti delle comuni abitazioni è pari a circa 220 volt. Gli apparecchi domestici sono collaudati per funzionare fino a una questa tensione.

Tendenzialmente, possiamo schematizzare l’impianto elettrico di casa, e quindi le nostre prese di corrente, con un generatore che fornisce una tensione di 220 V, ed i nostri apparecchi domestici con circuiti che oppongono una certa resistenza R al passaggio della corrente elettrica.

Esercizi

Supponiamo di accendere una stufetta da 750 W. Quale sarà la corrente I che scorre all’interno della resistenza della stufetta?

Ricordando che P (watt) = V (volt) x I (ampere), si ricava che la corrente sarà quel numero che, moltiplicato per 220 dà come risultato 750. La formula inversa con cui ricavarla, pertanto, è

I = P/V = 750 / 220 = 3.4 A

Quanto vale la resistenza della stufetta?

Ricordando la legge di Ohm: V (volt) = R (ohm) x I (ampere) dalla formula inversa si ricava che:

R = V/I = 220/3.4 = 64,7 Ω

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