L’elettricità è un flusso, un movimento di cariche elettriche, ioni o elettroni.
Gli ioni si muovono in soluzioni saline, gli elettroni si muovono in conduttori solidi come i metalli.
Gli ioni in movimento si sfruttano per la zincatura di oggetti metallici (elettrolisi), gli elettroni in movimento in un conduttore come un filo di rame costituiscono la corrente elettrica.
Corrente alternata e continua
La corrente può essere alternata AC o continua CC: l’alternata è una curva sinusoidale, la continua è una retta.
Alternata AC è bidirezionale, come nelle abitazioni. Il cambio di direzione è simile a una curva sinoidale, in cui la corrente (tensione e intensità) da zero aumenta gradualmente raggiungendo il suo massimo valore per poi ridiscendere, per riprendere un nuovo ciclo salita e discesa graduale. L’alternata è più conveniente per la trasmissione di energia elettrica a grande distanza.
Continua CC è unidirezionale, come la pila o la batteria dell’auto, per cui si può segnare un polo positivo e un polo negativo. La continua si usa negli elettrodomestici, nelle automobili, nei pannelli fotovoltaici.
Carica elettrica e il Coulomb
Nella corrente elettrica il Coulomb è la carica elettrica fondamentale.
L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb (C).
1 C = 6 x 10 alla 18° elettroni.
Velocità della corrente
La spinta sugli elettroni o tensione determina la velocità della corrente elettrica.
Herz misura la velocità
La frequenza con cui la corrente alternata (l’elettrone) cambia verso è di 50 Herz (Hz) al secondo, cioè 50 volte al secondo, cioè fa 50 viaggi andata ed indietro al secondo. Anche la polarità cambia di continuo, assumendo sia valori sia positivi che negativi.
L’elettrone nella corrente continua si muove in un’unica direzione, mantenendo una polarità costante.
L’intensità elettrica e l’Ampère
L’intensità elettrica è paragonabile alla portata di un fiume, la portata di un fiume dipende dalla sezione del fiume.
Gli elettroni che attraversano un filo di rame in un secondo ci dicono la portata elettrica di un filo di rame o in altre parole l’intensità elettrica.
Quanto maggiore è la sezione del conduttore tanto minore è la resistenza, proprio come in un fiume.
Ampère misura l’intensità
L’intensità elettrica si esprime in Ampère (A).
A = C / s (n° ampère è uguale alla carica fratto il tempo), la carica elettrica degli elettroni che passano in un secondo.
Gli Ampère, cioè gli elettroni che passano in un secondo, dipendono dalla dimensione del cavo.
Un millimetro quadro di conduttore supporta 4 Ampere
Un esempio: stufa elettrica che consuma 1,5 kWatt, la corrente è a 230 Volt, significa che gli Ampere sono 1.500/230= 6,52, ora divido per 4 come mi impone la legge: 6.52/4= 1,62 mm².
In ambito casalingo il conduttore di rame ha una sezione di almeno 1,5 mm², mentre per il circuito di presa di forza motrice 2,5 mm².
Tensione elettrica
La Tensione elettrica è in un fiume la spinta dell’acqua data dalla sua pendenza.
Quanti elettroni attraversano in un secondo una sezione di filo di rame?
Il numero di cariche elettriche (elettroni o ioni) che attraversano il cavo dipende dalla spinta che hanno gli elettroni, cioè dalla tensione.
Non basta conoscere la portata di acqua del Po a Piacenza, dobbiamo sapere anche la spinta dell’acqua a monte per sapere quanta acqua passerà, perché la spinta determina la velocità di passaggio.
Nella corrente elettrica la spinta o tensione dipende dalla differenza di potenziale ai due capi del filo di rame.
Volt misura la tensione
Potenza elettrica
Quanto maggiore è la portata di un fiume (Ampère) e quanto maggiore è la spinta dell’acqua a monte (Volt), tanto maggiore è la capacità del fiume a compiere un lavoro, ad esempio la sua capacità di far girare la ruota di un mulino.
Così quanto maggiore è l’intensità elettrica (A) e la differenza di potenziale o tensione (V), tanto maggiore è la capacità di svolgere lavoro.
Nelle centrali elettriche che producono l’energia elettrica e che poi la distribuiscono attraverso la rete nazionale, l’energia è in trifase, deriva da tre generatori monofase, trasportata da tre cavi aventi la stessa tensione, che in Italia è di 400 V: 230 x radice di 3 = 400.
Il consumatore (industria-artigiano-allevatore) che ha bisogno di potenza superiore a 6 kW è ancora in trifase.
Il consumatore domestico senza troppe esigenze, che ha bisogno di potenza uguale o inferiore a 6 kW, avrà una connessione monofase. La monofase deriva dalla trifase e ha una tensione 230 V.
Watt misura la potenza
La capacità di svolgere lavoro si esprime in Watt.
W = A x V
Esempio: un cavo che porta 25 A con una spinta-tensione di 230 V, che potenza sviluppa ?
W = A x V = 25 x 230 = 5.750 W = 5,75 kW.
La potenza o capacità di lavorare è però compromessa dal fenomeno della resistenza.
Resistenza elettrica
Il fiume Po dalla sorgente alla foce incontra una resistenza data dall’alveo in cui è incanalato, resistenza che si palesa nei 13 milioni di mc di detriti che ogni anno allargano il suo delta.
Un’altra resistenza è il vorticoso cozzarsi fra loro delle molecole d’acqua.
Nel cavo elettrico, gli elettroni urtano gli ioni positivi del conduttore e così rallentano la loro corsa: maggiore è la resistenza e minore è il passaggio di corrente elettrica cioè di energia.
I fattori della resistenza elettrica sono la resistività del conduttore (Ohm), la spinta o tensione (Volt) e la portata o intensità (ampère).
Aumentando il voltaggio (spinta-tensione) aumenta la resistenza elettrica, e aumentando gli ampère (portata-intensità) diminuisce la resistenza elettrica, ma gli elettroni non sono neutri ma hanno carica, si respingono fra di loro e si comprimono in uno spazio piccolo, per cui una sezione trasversale del conduttore troppo piccola ha una resistenza aumentata.
R Resistenza = tensione / intensità = V / A
La resistenza totale dipende infine anche dalla lunghezza del filo.
Se il conduttore è un metallo e la temperatura sale, la resistenza aumenta, negli altri conduttori diminuisce.
Il contrario della resistenza è la conduttività.
Ohm misura la resistività
La resistenza elettrica specifica di un materiale si dice resistività.
Ohm sta per omega per metro: Ω·m,
è la resistività di un conduttore lungo 1 m con sezione di 1 m²:
a 20°C: Ag 1.6 x 10^-2, Cu 1.68 x 10^-2, Au 2.3 x 10^-2, Fe 0,13, acqua marina 0.2, acqua potabile 20, carta è 10^14, vetro 10^16, porcellana 10^19.
| 1 m² | 1 mm² |
| 1,7 x 10^-8 Ω·m | 1.68 x 10^-2 Ω·mm |
L’argento è meno resistivo del rame, ma il conduttore più usato è il rame, perché la scelta del conduttore dipende anche dai costi. Per le linee elettriche con sezione maggiore si usa l’alluminio, perché rispetto al rame pesa e costa di meno. La terra o il legno intrisi d’acqua sono dei conduttori.
La formula fisica per calcolare la resistenza elettrica (ρ) di un materiale è:
ρ= (R∙A) /L =
= resistenza del materiale x area trasversale del conduttore in metri quadrati / lunghezza del conduttore in metri.
Caduta di tensione
A causa della resistenza, lungo un cavo si osserva una caduta di tensione che è possibile calcolare con la legge di Ohm.
Per gli impianti di illuminazione c’è una caduta del 3%, in tutti gli altri casi del 5%.
Riscaldamento o effetto Joule
Una conseguenza della resistenza è il riscaldamento del conduttore o effetto Joule.
Gli elettroni, urtando gli ioni positivi del conduttore, cedono un po’ di energia, che causa il riscaldamento del conduttore. L’aumento della temperatura aumenta la resistenza.
L’effetto Joule è conseguenza della potenza dissipata, perché qualsiasi circuito elettrico perde energia.
Quando un conduttore è attraversato dall’energia elettrica, si scalda. Bisogna evitare che il calore prodotto non superi la capacità di sopportazione della guaina isolante del cavo, che per una guaina in PVC è di 70°C, e per altre guaina è di 90°C.
L’effetto Joule è alla base delle classiche lampadine ad incandescenza (efficienza luminosa del 2%), interruttore magnetotermico, fusibile, forno elettrico, asciugacapelli, scaldabagno elettrico. I motori elettrici migliori con avvolgimenti in rame perdono fino al 50% dell’energia in calore, maggiore efficienza si può ottenere con i superconduttori.
Piccolo impianto elettrico
La potenza è necessaria per l’illuminazione 1 kW, elettrodomestici TV, frigorifero, lavatrice 3 kW, climatizzatori e forni elettrici 3 kW ciascuno. Nelle stanze vanno installati una presa per la corrente ogni 5 mq, e 1-2 punti luce per ogni stanza.
Colore deli fili della corrente
La guaina in gomma che riveste i fili di rame sono di tre colori: Nero o Marrone, Blu e Verde o Verde/Giallo.
Nero o Marrone è l’alimentazione in corrente alternata (AC) o linee attive, al suo interno scorre l’onda sinusoidale a 50 Hz e 220 Volt. Se l’interruttore generale della corrente è attivo, toccandolo si prende una brutta scossa.
Blu è il cavo neutrale. In genere non è rischioso, ma se l’impianto è vecchio può essere pericoloso.
Verde o Verde/Giallo è il cavo di messa a terra o di protezione: scaricare a terra le possibili perdite elettriche dell’impianto, evita il rischio di rimanere folgorati.
I professioni usano testano con un tester cercafase che identifica i fili senza correre rischi.
Produzione energia elettrica
La centrale termoelettrica trasforma l’energia chimica del carbone, gas, petrolio: in energia termica.
I calore scalda l’acqua, genera vapore, aumenta la pressione, aziona una turbina: l’energia termica si trasforma in energia meccanica.
Un rotore in movimento genera elettricità: energia elettrica che viene trasferita poi alla rete elettrica nazionale.
Il motore a combustione dell’automobile è una piccola centrale, con l’alternatore trasforma l’energia meccanica prodotta dal motore in energia elettrica alternata.
Nei pannelli fotovoltaici viene prodotta continua CC. La luce solare colpisce una cella che libera elettroni di continuo. La corrente continua può essere utilizzata direttamente o convertita in alternata AC tramite un inverter.