Elettricità

 


Elettricità

 

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Elettricità

 

FISICA

ELETTRICITA’

 

 

NOZIONI DI BASE:

A differenza di altri fenomeni quali la luce, la gravità e l’energia meccanica, l’elettricità non appare direttamente ai nostri sensi. In parte per tale motivo è stata scoperta molto tempo dopo.

Venivano osservati alcuni fenomeni naturali, come i fulmini o il magnetismo, ma una spiegazione scientifica tardava ad essere introdotta.

L’esplorazione di tale branca di fenomeni venne effettuata dopo le conquiste ottenute in meccanica, tra cui essenziale sarà il contributo, come vedremo, di fisici quali Joule, Newton, Galileo, Watt.

In effetti, il metodo d’indagine per i fenomeni elettrici consiste in riadattamenti opportuni delle leggi della meccanica, pertanto sarà necessario riprendere alcuni concetti propri della dinamica e della cinematica quali forza, spostamento – velocità – accelerazione, lavoro, potenza ed energia.

 

Meccanica classica:

Ricordiamo che l’argomento della meccanica è il moto, il movimento. E per quanto sembrasse ovvio e scontato affermare certi assunti fondamentali, nella loro semplicità le seguenti leggi fisiche rappresentano il substrato necessario a qualsiasi esplorazione scientifica delle realtà naturali.

Per quanto possa apparire assurdo, le incredibili conquiste della tecnologia si basano su pochissime e fondamentali unità di misura: il metro (dimensioni spaziali), il secondo (durata, tempo), il chilogrammo (peso, o come vedremo la massa) ed il litro (pratico nei liquidi).

Tali unità di misura sono divenute comuni alle varie nazioni (inglesi esclusi) costituendo il cosiddetto Sistema Internazionale SI, senza il quale sarebbero necessarie traduzioni tra i vari sistemi adottati  che rallenterebbero e renderebbero impreciso il lavoro di paragone dei risultati ottenuti dai fisici di tutto il mondo.

Introduciamo i concetti che ci serviranno tra veramente molto poco:

 

La cinematica trascura le dimensioni ed il peso di un corpo (ridotto a “punto materiale”), osservando il moto puro. Tutto parte dalle osservazioni condotte sul seguente fenomeno:

 

un corpo si può spostare     ( u.d.m. SI = metri )

in un certo tempo                ( u.d.m. SI = secondi )

 

la velocità è quindi la variazione di spazio nel tempo:

 

velocità = spazio / tempo = metri / secondo     ( o anche km/h )

 

Ma non sempre il corpo mantiene la sua velocità costante: spesso rallenta o accelera il suo moto, e tale fenomeno è visibile come una variazione di velocità sempre nel tempo:

 

accelerazione = velocità / tempo  = metri / secondi 2

 

In dinamica, tali assunti sono stati fondamentali per determinare il concetto di forza: alla domanda “cosa è responsabile di tali spostamenti?” istintivamente chiunque parla di forza motrice, ma quante in realtà sono le forze in natura, e quale è la qualità che si oppone alle forze rendendo tali e tante varietà di movimenti?

Fu il matematico e fisico Isaac Newton a fornire una risposta adeguata della dinamica: se tutti i corpi sulla terra sono attratti verso il basso da una forza che è la medesima per tutti, come mai una mela cade più velocemente di una foglia, ovvero, percorre lo stesso spazio in minor tempo?

La rivelazione sembra banale ma nasconde una grande realtà: la mela “pesa” più della foglia.

Abbiamo visto che l’unità di misura del peso è il chilogrammo, ed è stato specificato che è più corretto dire che misura la massa di un corpo, ovvero più che il peso di una persona su una bilancia che dovrebbe essere in newton, il chilogrammo definisce quanto il corpo è in grado di opporsi ad una forza (urto contro un autobus) ed eventualmente di quanti metri viene spostato da una forza, quanto accelera.

Nel caso di un signore obeso ed una vecchietta, entrambi investiti da un autobus, la massa del signore obeso accelererà di meno di quella della povera vecchietta, assorbendo parte della forza.

Pertanto ogni corpo in natura, avente una certa densità ed un certo volume sarà caratterizzato da una sua massa M, la quale, sotto l’azione di una forza F varierà la sua posizione nello spazio compiendo una accelerazione A, e nell’universo, tali misure sono tra loro proporzionali:

 

F = M x A       (u.d.m. SI: Newton)

   

Pertanto la mela è attirata a terra poichè la sua massa è nettamente inferiore a quella della terra, la luna si limita ad orbitare intorno perché la sua massa è parzialmente inferiore a quella della terra, ed inoltre, non è troppo distante da essa per sottrarsi ad un’attrazione prodotta naturalmente tra masse.

Quindi la forza che regola il moto dei pianeti è identica a quella che attira la mela verso la terra: in gioco ci sono le masse dei due corpi M1 M2, la loro distanza d (al quadrato) ed una costante G detta di gravitazione universale, uscita dai calcoli e valida fin dove si estende l’infinito.

 

F =   G  M1 M2    legge della gravitazione universale, forza di gravità.

                d2

 

Incontreremo tale formula anche quando tra breve si parlerà delle cariche elettriche.

 

Ultime considerazioni necessarie riguardano i concetti di lavoro, potenza ed energia (cinetica e potenziale). Nessuna paura sui nomi altisonanti: è giusto che tali principi universali abbiano nomi degni della loro statura, ma ciò non toglie che sussistono di incredibile semplicità.

 

Lavoro, energia e potenza sono tra loro eternamente legate: l’energia è ciò che serve a  compiere un lavoro, e la potenza indica solo in quanto tempo il lavoro verrà effettuato. Disarmante la semplicità.

In fisica, il lavoro è il risultato di una forza per uno spostamento, e non è possibile alcun guadagno in lavoro: l’esempio calzante è quello di un operaio che trasporta un sacco da 25 kg di cemento passando per le scale fino ad un’altezza di 10 metri, ed un suo collega che alza lo stesso sacco con un argano montato sul tetto.

In termini di lavoro, entrambi hanno portato il sacco sul tetto, e per il fisico Joule, il loro dispendio energetico è pari al lavoro svolto:

 

L = F x S          =  Newton x metro   = 25 x 10 = 250 j   (u.d.m. SI : joule )

 

Non parimenti vero per il fisico Watt, il quale osserva che il primo ha impiegato 100 secondi a compiere il lavoro mentre quello con l’argano ha impiegato 10 secondi: la potenza quindi è:

 

operaio:   P = L  =  250 j      =   2,5 W   (u.d.m. SI : watt )

                      T       100 sec

 

argano:   P = L  =  250 j      =   25 W     (u.d.m. SI : watt )

                      T       10 sec

 

Appare logico che una macchina abbia maggior potenza di un organismo umano.

Le macchine meccaniche amplificano la forza umana, ma nel caso dell’argano elettrico, abbiamo subito trasceso dalla potenza meccanica alla potenza elettrica, ma nessuno si stupisca all’affermazione che entrambi i fenomeni rispondono alla stessa legge. Servirà un argano da 25W.

 

Prima di ricapitolare le formule è necessario introdurre l’energia in meccanica.

L’energia è la capacità di compiere un lavoro.

Come si arriva alla formula non può essere omesso: riprendiamo la formula del lavoro e della forza:

 

L = F x S         ;      F = M x A                quindi    L =   M x A   x S

 

L’accelerazione è una variazione di velocità nel tempo, è una media tra velocità iniziale e finale.

A sua volta la velocità è una variazione di spazio nel tempo: cosa succede se immetto tali valori:

 

L =  1  .  M  .     .   S    =     1  .  M  .   S2     =   1    M    S   2

       2               T2                    2              T2           2           T

 

Al posto di S/T siamo autorizzati a mettere la velocità V. Il risultato finale è in duplice veste il lavoro prodotto da una massa M accelerata ( la forza non è espressa direttamente ma è rapportata all’energia potenziale intrinseca di un corpo avente una determinata massa) o l’energia che tale massa produce impattando contro un’altra massa.

Non parleremo più quindi di lavoro ma di energia cinetica:

 

Ec = ½ M V2

 

Ovvero: un moscerino ha massa 0,001 e viaggia a 60 km /h. un autobus ha massa 10000 e va alla stessa velocità. L’impatto del moscerino sulla fronte di un passante rilascia una quantità di energia cinetica a malapena percepibile, l’impatto con un autobus è sensibilmente più traumatico:

 

moscerino: ½  0,001 602 = ½ 0,001 3600 = ½ 3,6 = 1,8 j

 

autobus: ½ 10000 3600 = ½ 36000000 = 18.000.000 j

 

il suono di una goccia d’acqua che cade è parte dell’energia cinetica prodotta che si disperde sottoforma di onde sonore, se quindi immaginiamo una cascata d’acqua dovuta ad un dislivello, applicando una pala a tale corrente tale da recepirne l’energia, otterremmo di nuovo un lavoro: la pala inizierebbe a girare, e collegando delle macine per schiacciare le olive o il grano otterremmo un mulino ad acqua: una macchina che lavora al posto dell’uomo e, come osservato, con molta più potenza e senza coinvolgere energie umane: l’energia è presente in natura.

 

L’energia potenziale, ultimo argomento, è in definitiva la capacità che un corpo, data la sua massa (in meccanica) di produrre energia.

Un proiettile ha sempre la stessa massa, ma se lo tiro con la mano non uccide nessuno, sparato con un’esplosione con la polvere da sparo nel fucile può abbattere un elefante, ma non riesce comunque ad attraversare una lastra di piombo, poiché ha una massa molto più pesante.

Se togliamo la velocità ed osserviamo solo il corpo, l’energia potenziale è in definitiva la sua massa, la sua capacità di opporsi alle forze e produrre energia e lavoro relativamente alle qualità fisiche osservate in meccanica con le unità di misura della meccanica.

 

Sarà semplice ora spiegare che in elettricità al posto delle quantità di massa parleremo di quantità di cariche, osservando che i principi che governano l’una e l’altra branca della fisica, sono in definitiva le medesime.

 

Fonte: http://www.webalice.it/greendog/cs/files/fisica30.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

Parola chiave google : Elettricità tipo file : doc

 

Elettricità appunti

 

Elettricità

 

 

Le proprietà elettriche della materia determinano forze di attrazione e di repulsione. Tali proprietà, raggruppate sotto il nome di elettricità, sono utilizzate nella vita di tutti i giorni, per esempio per far muovere apparecchiature (ventilatori, frullatori, rasoi elettrici, ecc.), per illuminare o riscaldare ambienti (lampadine, stufe, ecc.) e per molti altri scopi.

Quando mettiamo in moto elettricamente un attrezzo trasformiamo energia elettrica in lavoro; quando illuminiamo una stanza si trasforma energia elettrica in energia luminosa; quando riscaldiamo un ambiente l'energia elettrica è trasformata in calore, ecc.

Cerchiamo le origini di questa energia elettrica, cominciando a studiare le forze elettriche o elettrostatiche.

 

 

ELETTRIZZAZIONE

 

1) Elettrizzazione per strofinio

Se strofiniamo una penna con un panno di lana si può notare che la penna acquista la capacità di attrarre corpuscoli molto leggeri (per esempio dei pezzettini di carta). La stessa cosa avviene strofinando un pezzo di pellicola trasparente per alimenti, un oggetto di ambra o di ebanite, una bacchetta di gomma o di plastica. Si dice che tali corpi sono stati elettrizzati per strofinio.

Un modo molto efficace per notare se un oggetto è elettrizzato è quello di appendere un pezzettino di sughero o di legno molto leggero a un filo di seta e avvicinare a esso l'oggetto elettrizzato. In questo modo si può vedere che anche i materiali vetrosi (vetro, porcellana) strofinati con una pezza di seta, si elettrizzano (per il vetro l’effetto è difficile da osservare).

 

 

Attrazione tra una bacchetta di plastica elettrizzata

e un pezzetto di legno appeso a un filo di seta

 

 

Elettrizzazione positiva (o vetrosa) e elettrizzazione negativa (o resinosa)

Adesso supponiamo di elettrizzare per strofinio una striscia di pellicola trasparente per alimenti e poi una penna. Tenendo la striscia trasparente sospesa da un'estremità avviciniamogli la penna senza metterli in contatto: noteremo che la striscia sarà respinta dalla penna.

Strofiniamo nuovamente la striscia di pellicola. Stavolta avviciniamogli una bacchetta di vetro, elettrizzata strofinandola con della seta. Noteremo in questo caso una leggera attrazione tra la pellicola di plastica trasparente e la bacchetta di vetro.

Tutto ciò significa che esistono due tipi di elettrizzazione: quella resinosa (tipica della plastica, gomma, ambra, ebanite,…) e quella vetrosa (vetro, porcellana,...). Si può anche dire che questi corpi elettrizzati hanno acquistato carica elettrica. Nel caso dell'elettrizzazione resinosa si dice che si tratta di carica negativa, mentre nel caso di elettrizzazione vetrosa si parla di carica positiva.

Gli oggetti che sono elettrizzati con cariche dello stesso tipo (o segno) si respingono. Quelli elettrizzati con cariche di segno opposto si attraggono.

Oggi è noto che anche nelle parti più piccole di cui sono costituiti gli elementi, cioè negli atomi, vi sono sia cariche positive (i protoni dei nuclei atomici) che cariche negative (gli elettroni che si muovono negli orbitali intorno al nucleo). Mediamente la carica positiva eguaglia quella negativa, e quindi i corpi sono generalmente neutri, cioè con carica totale nulla. Però, con certi sistemi, come per esempio strofinando, si può creare un eccesso di cariche positive o negative negli oggetti, o in parti di essi. E' così che gli oggetti si elettrizzano. Per esempio, per strofinio si trasferiscono elettroni dalla lana alla plastica, e quindi la plastica si carica negativamente.

 

2) Elettrizzazione per contatto

Tocchiamo con le dita il pezzetto di legno appeso al filo di seta, in modo da scaricarlo, nell'eventualità in cui fosse elettrizzato. Avviciniamo al pezzetto di legno una penna elettrizzata per strofinio. Il pezzetto di legno, essendo un corpo leggero, viene attratto, come succedeva con i pezzetti di carta. Se però mettiamo in contatto il pezzetto di legno con la penna, dopo il contatto esso sarà respinto. Questo avviene perché una parte delle cariche (negative) della penna sono passate, per contatto, al legnetto. Adesso, essendo i due copri dotati di carica dello stesso segno essi si respingono. Questo tipo di elettrizzazione è detta per contatto.

 

 

3) L'elettroscopio a foglie e l'elettrizzazione per induzione

L'elettroscopio a foglie è costituito da due lamine metalliche leggerissime (un tempo si utilizzavano foglie di oro) sovrapposte e sospese verticalmente a una estremità di un'asta di metallo. L'altra estremità dell'asta è a forma di sfera e il tutto è sorretto da un supporto (di vetro) chiuso per evitare che le foglie siano mosse da correnti d'aria.

La presenza di un corpo elettrizzato in vicinanza della sfera dell'elettroscopio fa divaricare le foglie. Questo avviene perché le lamine acquistano entrambe cariche dello stesso segno. Ciò è dovuto al fatto che avvicinando, per esempio, un oggetto carico negativamente, gli elettroni (negativi) dell'elettroscopio sono respinti dall'oggetto e si concentrano nella zona in cui ci sono le foglie metalliche. Queste, avendo acquistato cariche dello stesso si segno si respingono tra loro. Nel caso in cui alla sfera dell'elettroscopio viene avvicinato un corpo carico positivamente gli elettroni dell'elettroscopio migrano verso l'estremità sferica e le foglie rimangono entrambe con un eccesso di carica positiva; anche in questo caso, avendo la stessa carica, le lamine si respingono e si divaricano.

Questo tipo di elettrizzazione è detta elettrizzazione per induzione.

 

 

Elettroscopio a foglie.


LA CORRENTE ELETTRICA

 

Conduttori e isolanti

L'elettrizzazione per induzione dell'elettroscopio avviene perché l'asta è fatta di metallo, che permette la migrazione delle cariche. Un materiale in cui le cariche si possono muovere facilmente è chiamato conduttore di elettricità (o di corrente). In caso contrario, cioè quando le cariche non si possono muovere da una parte all'altra del corpo, si hanno materiali isolanti. I metalli sono buoni conduttori di elettricità. Infatti, ad esempio i fili elettrici sono fatti di rame che, insieme all'argento, è uno dei migliori conduttori di elettricità. Il legno, la gomma, la plastica, il vetro, la ceramica sono invece esempi di materiali che sono dei cattivi conduttori, cioè che sono isolanti  elettrici. Una curiosità da notare è che, generalmente, i buoni conduttori di elettricità sono anche buoni conduttori di calore.

I fili della corrente vengono rivestiti di plastica o gomma per evitare che toccandoli si possa prendere la scossa. Questa corrisponderebbe al passaggio di una grande quantità di cariche elettriche (elettroni) dal filo al nostro corpo.

Per evitare che la corrente elettrica trasportata dai fili passi ai pali e si disperda a terra, i fili sono tenuti da oggetti di vetro o porcellana (spesso di colore bianco) che fungono da isolanti, oppure si utilizzano pali di legno.

 

 

Differenza di potenziale elettrico

Per capire il concetto di differenza di potenziale, consideriamo un corpo sospeso a una certa altezza. Come sappiamo esso è dotato di una certa energia potenziale. Grazie a ciò, esso è capace di compiere lavoro, perché a causa della forza di gravità (o campo gravitazionale) il corpo può cadere fino al suolo, dove avrà energia potenziale nulla. Si può anche dire che è stato compiuto lavoro grazie a una differenza di potenziale (d.d.p.) tra il punto in cui l'oggetto si trovava sospeso (dove c'era una certa energia potenziale) e il suolo (dove l'energia potenziale è minore).

Nel caso precedente è la forza di gravità a determinare il movimento di caduta del corpo.

Nel caso delle cariche elettriche, è la forza elettrica (per esempio quella di attrazione tra cariche opposte) che causa il loro movimento, anziché la forza gravitazionale. La differenza di potenziale che permette il moto delle cariche elettriche (per esempio attraverso un filo di rame o attraverso l'asta dell'elettroscopio) è chiamata differenza di potenziale elettrico. Analogamente al caso della caduta di un corpo, anche durante il movimento delle cariche tra un punto a potenziale più alto e un punto a potenziale più basso è compiuto lavoro.

Dunque, affinché avvenga il movimento di cariche è necessario avere una d.d.p. elettrica. Per esempio, per far circolare delle cariche, cioè dell'elettricità, in un filo è necessario che tra gli estremi del filo ci sia un generatore di d.d.p.

 

 

Analogia tra la d.d.p. gravitazionale e la d.d.p elettrica.

 

Una pila è un esempio di generatore di d.d.p. Essa permette il passaggio della corrente elettrica. E' la corrente elettrica che ci permette di accendere una lampadina.

La differenza di potenziale si misura in volt (V). Maggiore è il numero di volt (o voltaggio) maggiore è il lavoro che la corrente può compiere.

Le normali pile cilindriche forniscono ciascuna una d.d.p. di 1,5 V. Le pile piatte forniscono 4,5 V. La corrente delle nostre case è a 220 V.

 

 

Intensità di corrente

Così come l'acqua scorre attraverso un tubo dai punti più in alto ai punti più in basso, analogamente la corrente elettrica è un flusso di cariche che passano attraverso un conduttore andando dal polo positivo del generatore (potenziale elettrico maggiore) al polo negativo (potenziale elettrico minore). Questo flusso, dal polo positivo al polo negativo, stabilisce il verso di circolazione della corrente elettrica, come se si trattasse di cariche positive in movimento, attratte dal polo negativo. Nella realtà, sono gli elettroni (negativi) le uniche cariche che possono muoversi in un filo conduttore, ed essi circolano in senso opposto, cioè dal polo negativo al polo positivo.

Maggiore è il numero di cariche che passano in un certo tempo, maggiore è l'intensità di corrente. L'intensità di corrente si misura in ampere (A).

 

Il passaggio di corrente.

 

 

La resistenza elettrica

Abbiamo detto che la corrente elettrica in un filo consiste in un flusso di elettroni. Questo flusso avviene a causa della d.d.p. creata da un generatore (per esempio una pila).

Il movimento di ogni elettrone è in realtà molto disordinato perché l'elettrone si muove tra gli atomi del reticolo cristallino. Gli urti, la tendenza degli elettroni a rimanere intorno ai nuclei e l'agitazione termica, rallentano questo flusso di elettroni. La resistenza elettrica è la diminuzione del flusso di cariche elettriche.

Nei corpi che sono conduttori di elettricità, le cariche riescono a spostarsi da un punto all'altro piuttosto facilmente. Quindi la resistenza è piccola. Nei corpi che sono cattivi conduttori di elettricità (o isolanti) gli elettroni si spostano con molta difficoltà, e quindi solo con grandi d.d.p. si può ottenere un buon flusso di cariche, cioè una buona intensità di corrente elettrica.

La resistenza elettrica si misura in ohm (W). Un tratto di circuito elettrico dotato di una certa resistenza si indica con il simbolo:

 

 

Leggi di Ohm

 

Prima legge di Ohm

Consideriamo un tratto di filo. Supponiamo che tra i suoi estremi vi sia una certa d.d.p. (chiamata anche tensione) che indicheremo con V. Questa d.d.p. tende a far muovere le cariche elettriche attraverso il filo, cioè a far circolare una certa intensità di corrente i. Maggiore è la d.d.p. tra gli estremi del filo e maggiore sarà il numero di cariche elettriche che passano in un certo tempo (cioè maggiore risulterà l'intensità di corrente). In molti conduttori, al raddoppiare di V raddoppia i, cioè V ed i sono direttamente proporzionali.

 

Un tratto di circuito.

 

Quindi, il loro rapporto è costante. La costante di proporzionalità è il valore della resistenza R, cioè:

 


        (R = costante)

 

Se si mantiene costante la d.d.p. V, raddoppiando la resistenza R si dimezza l’intensità di corrente i, cioè i ed R sono inversamente proporzionali: in questo caso il loro prodotto è costante (R · i = V , con V costante).

Questi fatti sono riassunti nella prima legge di Ohm:

la d.d.p. V agli estremi di un filo conduttore è direttamente proporzionale all'intensità di corrente i; l’intensità i è inversamente proporzionale alla resistenza R:

 


V = R · i

 

Seconda legge di Ohm

La resistenza R dipende innanzitutto dal tipo di materiale, cioè dal fatto che si utilizzino buoni conduttori (resistenza molto piccola) o cattivi conduttori (resistenza molto grande).

Inoltre, la resistenza di un tratto di circuito è minore se il filo è più grosso, cioè se la l'area S della sezione è maggiore, perché così è più facile avere un buon flusso di elettroni. Al contrario, data una certa sezione S del filo, la resistenza aumenta se il filo è più lungo, perché saranno maggiori gli ostacoli al passaggio degli elettroni.

Indicando con S l'area della sezione del filo, e con l la sua lunghezza, quello che abbiamo detto si riassume nella seconda legge di Ohm:

la resistenza di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione:

dove r (“rho”) è la costante di proporzionalità, il cui valore dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore.r è chiamata resistenza specifica (o resistività) del materiale. Il rame, che è un ottimo conduttore, ha una resistività molto più bassa di quella della grafite, che è un conduttore piuttosto cattivo.

 

Sezione e lunghezza di un tratto di circuito.

 

 

EFFETTO JOULE

 

Lampadina

Una lampadina altro non è che un contenitore di vetro, in cui c'è il vuoto (o un gas inerte), e un filo di tungsteno (filamento), che è un materiale ad elevata resistività. Il filamento è molto sottile, e inoltre è attorcigliato in modo da essere molto lungo. In questo modo, per la seconda legge di Ohm il filamento avrà una resistenza molto alta. Ciò significa che il passaggio di cariche attraverso il filamento è reso molto difficoltoso. La conseguenza di ciò è che a causa degli urti e del moto disordinato delle cariche la temperatura del filo aumenta: le cariche, rallentando, perdono energia cinetica che si trasforma in energia termica del filamento. Questo effetto, per cui l'elevata resistenza fa crescere la temperatura del tratto di circuito, è chiamato effetto Joule. Un corpo ad elevata temperatura diventa incandescente, cioè emette luce. In  definitiva una parte dell'energia cinetica delle cariche elettriche è dissipata in calore e luce. E' su questo principio che funzionano le lampadine e le stufe elettriche.

L'energia dissipata per effetto Joule in luce e calore nell'unità di tempo (cioè la potenza) è data dalla formula:

 

P = V ×  i

Oppure

P = R ×  i 2

 

Ricordiamo che la potenza si misura in watt (W). Quindi, i watt di una lampadina rappresentano la potenza dell'energia termica e luminosa della lampadina.

 

 

 

CIRCUITI ELETTRICI

 

Componenti di circuito e circuiti elettronici

Un circuito elettrico è costituito da conduttori, resistenze e generatori raccordati in modo tale che si possa avere il passaggio di corrente elettrica.

Altri componenti di un circuito sono i condensatori e i diodi. Essi sono realizzati in modo tale da determinare il passaggio di corrente solo in condizioni particolari, o di produrre correnti variabili. Quando questi componenti sono introdotti in grande quantità per scopi complessi (radio, televisioni, altoparlanti, etc.) si parla più appropriatamente di circuiti elettronici.

Nei circuiti elettronici, alle vecchie valvole (diodi, triodi, etc.) sono stati da tempo sostituiti i transistor e i circuiti integrati, componenti elettronici equivalenti a grandi quantità di componenti elementari (diodi, triodi, etc.) resi possibili grazie alle moderne tecnologie di miniaturizzazione. Senza di esse un walkman avrebbe le dimensioni di un armadietto.

 

 

Circuito aperto e chiuso

Affinché si abbia il passaggio di corrente elettrica è necessario che il circuito sia “chiuso”. L’”apertura”  del circuito consiste nella presenza di uno spazio tra due tratti di conduttori. Attraverso questo spazio non è possibile (in normali condizioni) il moto degli elettroni (resistenza infinita), e quindi non si ha passaggio di corrente. Un sistema che interrompe un circuito ma che può richiuderlo, è chiamato interruttore.

Per evidenziare il passaggio di corrente si può inserire nel tratto di circuito interessato una lampadina oppure un opportuno strumento di misura di intensità di corrente (amperometro).

 

 

Scintilla

In alcuni casi, attraverso lo spazio che interrompe un circuito si può verificare una scintilla. Essa consiste in certe manifestazioni luminose e sonore associate a un intenso e improvviso passaggio di cariche elettriche (in aria si tratta perlopiù di soli elettroni) tra i due tratti di circuito. Ciò può essere possibile se la differenza di potenziale tra i due tratti di circuito è molto elevata e l’aria è umida. In tal caso, se i tratti di circuito sono molto vicini l’aria può condurre corrente. I fenomeni di eccitazione e ionizzazione degli atomi interposti tra i due conduttori danno luogo all’emissione di luce e di suoni. Questi fenomeni terminano nell’istante in cui ai due tratti di circuito si siano accumulate cariche di segno opposto in quantità tale da compensare la d.d.p. responsabile della scarica.

 

 

Collegamento di generatori in serie.

Per ottenere una elevata d.d.p. si può:

  • utilizzare un generatore di elevata d.d.p.
  • collegare in serie i vari generatori.

Nel secondo caso la d.d.p. totale è data dalla somma delle d.d.p. dei generatori utilizzati.

 Per collegare in serie dei generatori basta collegare il polo positivo (+) del primo generatore al polo negativo (-) del secondo, quello positivo del secondo a quello negativo del terzo, e così via, come indicato nella seguente figura nel caso del collegamento di pile:

 

 

Pile collegate in serie.

 

 

Resistenze in serie

Mettendo dei pezzi di filo di diversa resistenza uno dopo l'altro la resistenza totale R aumenta. Precisamente se indiciamo con R1, R2, … le resistenze collegate in serie, si ha:

 

R = R1+ R2 + …


Energia, ambiente, società

 

Energia e società

Lo sviluppo della civiltà è sempre stato associato all’impiego dell’energia, cioè a quella “cosa” immateriale che è la capacità a compiere lavoro: è necessaria energia per il trasporto, per costruire, per riscaldare, per illuminare, ecc.

In natura l’energia si trova sotto varie forme. Da una parte è necessario realizzare dei sistemi che permettano di estrarla (per esempio un mulino a vento permette di estrarre l’energia cinetica del vento). Dall’altra, è necessario trasformare l’energia nelle forme più utili (per esempio il calore della caldaia di un treno a vapore doveva essere trasformato in energia cinetica del treno).

Entrambi questi aspetti, estrazione e trasformazione, richiedono lo sviluppo di tecniche che possono essere anche molto elaborate e complesse.

Il primo principio della termodinamica, che è una forma del principio di conservazione dell’energia, ci assicura che l’energia non si può perdere, ma purtroppo nemmeno può essere creata dal nulla.  L’energia può essere trasformata da una forma all’altra.

D’altra parte il secondo principio della termodinamica afferma che non è possibile realizzare una macchina termica in grado di trasformare tutto il calore di una caldaia in lavoro meccanico: una parte rimarrà calore, per esempio a causa degli attriti, o se ne andrà in altre forme di energia.

L’uomo ha il conforto del primo principio della termodinamica, ma nei processi di trasformazione dell’energia deve sempre lottare con il secondo principio per limitare al massimo le dissipazioni. L’attrito è solo un esempio di queste dissipazioni. La resistenza elettrica (che poi è sempre dovuta a una forma di attrito che si oppone al movimento delle cariche elettriche) è un altro esempio: se non esistesse resistenza elettrica nei fili, tutta l’energia prodotta in una centrale elettrica sarebbe utilizzata nelle nostre case, senza doverne perdere molta per strada per effetto Joule. Comunque, se non esistesse resistenza elettrica nessuna lampadina potrebbe mai accendersi e nessuna stufa elettrica riscaldare… E se non esistesse attrito non potremmo camminare: scivoleremmo come su una pista di ghiaccio!

 

 

I combustibili fossili [tratto dall’Amaldi]

 

La nostra automobile, per funzionare, consuma benzina o gasolio. Qualcuno ha modificato la propria auto in modo che funzioni con il metano. Gasolio e metano sono anche usati per il riscaldamento delle nostre abitazioni.

Il petrolio (dal quale derivano benzina e gasolio) e il metano, insieme con il carbone, hanno un’origine comune: sono combustibili fossili. Ciò significa che si sono formati, nel corso di milioni di anni, a partire dai resti di antichi organismi che sono rimasti sepolti in un ambiente privo di ossigeno. Non per niente, sia il carbone (che è un minerale solido), sia il petrolio (che è liquido), sia il metano (che è un gas) sono estratti dal sottosuolo.

Sebbene l’uso dei combustibili fossili è relativamente semplice, il loro utilizzo crea due problemi molto gravi: l’inquinamento ambientale e l’esaurimento delle riserve.

Si ritiene che le attuali riserve di petrolio possano durare ancora non più di 100-150 anni. Purtroppo quasi tutte le fonti energetiche che utilizziamo sono, come i combustibili fossili, non rinnovabili. Con questo termine si indicano tutte le fonti energetiche destinate a esaurirsi in un intervallo di tempo più o meno breve.

 

Le fonti energetiche rinnovabili [estratto dall’Amaldi]

 

L’energia solare e l’energia eolica  (cioè del vento) sono i due esempi più noti di fonti energetiche rinnovabili. Con questo termine si indica una fonte di energia che sia disponibile praticamente per sempre.

 

L’energia solare

Solo una minima parte dell’energia che giunge dal Sole è utilizzata direttamente dall’uomo. Una buona parte viene utilizzata in modo indiretto: tutto ciò che cresce sulla Terra sfrutta l’energia del Sole, per cui quando mangiamo o ci riscaldiamo, bruciamo legna nel camino, non facciamo altro che avvantaggiarci dell’energia solare che mesi o anni prima era giunta sulla Terra.

I due dispositivi più comuni che permettono di utilizzare in modo diretto l’energia del Sole sono i pannelli solari e le celle fotovoltaiche.

I pannelli solari sono dispositivi che sfruttano il calore che proviene dal Sole per riscaldare acqua o altri liquidi che scorrono in apposite condutture. La luce del Sole, incide su una piastra scura, che quindi assorbe calore e che si trova al di sotto di una lastra di vetro. Il vetro ha la proprietà di intrappolare l’energia dei raggi solari riflessi dalla lastra scura posta all’interno del pannello, sotto il vetro. A contatto con la lastra scura si trovano le condutture a serpentina in cui scorre l’acqua, che viene così riscaldata, potendo raggiungere temperature tra 50 °C e 90 °C. Essa può quindi essere utilizzata per impieghi domestici.

Le celle fotovoltaiche sono dispositivi costituiti da materiali semiconduttori  di elettricità (come il silicio) che hanno la proprietà di ricavare energia elettrica direttamente dalla luce solare. Le celle fotovoltaiche sono ancora troppo costose per essere utilizzate su ampia scala. Diventano convenienti quando servono per produrre energia elettrica in luoghi in cui non giungono le normali linee elettriche.

 

L’energia eolica

A partire dal 1100 in Europa l’energia eolica è stata utilizzata per macinare il grano o per sollevare l’acqua per mezzo di mulini a vento.

Attualmente l’uso più diffuso dell’energia eolica consiste nella generazione di energia elettrica per mezzo di opportuni generatori. Un generatore eolico contiene un alternatore, ed è simile alla “dinamo” della bicicletta: trasforma energia cinetica in energia elettrica.

Inconvenienti dell’energia eolica, oltre che la relativamente bassa efficienza, sono l’inquinamento acustico e le interferenze elettromagnetiche con le trasmissioni radio e televisive, che possono essere evitate utilizzando pale in vetroresina.

 

L’energia geotermica

L’energia geotermica è una fonte rinnovabile che sfrutta il calore che si trova all’interno della Terra.

Nelle regioni in cui il calore interno fuoriesce in superficie, come avviene nei soffioni boraciferi, nelle sorgenti termali o nei geyser, le acque sotterranee riscaldate dalle rocce ad alta temperatura, possono essere estratte per il riscaldamento domestico (come accade, per esempio, in Islanda) o per produrre energia elettrica. In Italia dal 1904 opera un’importante centrale elettrica geotermica a Larderello (in provincia di Pisa).

I problemi tecnici che si incontrano sono la rarità dei siti geotermici e la presenza di sostanze disciolte nelle acque geotermiche (zolfo, mercurio, boro) che costituiscono un pericolo per l’ambiente e per la salute dell’uomo.

 

 

L’energia nucleare

 

L’energia nucleare proviene da certi materiali che, pur essendo rari, come l’uranio, sono necessari in quantità talmente ridotta da non essere destinati a un esaurimento in tempi anche molto lunghi.

Le reazioni nucleari sono quei fenomeni, che possono produrre o assorbire energia attraverso processi di trasformazione dei nuclei atomici. Esse sono da distinguere dalle reazioni chimiche, che invece interessano solo la struttura elettronica esterna dell’atomo.

Le reazioni nucleari avvengono a energie molto grandi o in condizioni molto particolari.

Dei due possibili tipi di reazioni nucleari, a fissione e a fusione, solo la fissione nucleare è attualmente impiegata per la produzione di energia elettrica.

La fusione nucleare, su cui sono riversate molte speranze per un futuro ancora lontano, si verifica in natura nei centri delle stelle. Solo a livello sperimentale si è riusciti a produrre reazioni di fusione nucleare controllate (cioè non esplosive).

 

Fissione nucleare

La fissione nucleare (o scissione nucleare) avviene quando, per esempio, un nucleo atomico di uranio-235 è colpito da un neutrone e si divide in due nuclei atomici più leggeri. La somma delle masse dei nuclei prodotti è un po’ inferiore della massa del nucleo iniziale di uranio. Questo difetto di massa si è trasformato direttamente in energia secondo la relazione di Einstein:

 

E  =  m× c2

 

(c = 300.000 km/sec è la velocità della luce).

La relazione di Einstein afferma che una massa m può “sparire” trasformandosi in energia E.

 

 

Schema della fissione nucleare dell’uranio.

 

 

Nella scissione nucleare, oltre ai nuclei atomici prodotti dal bombardamento di neutroni si liberano altri neutroni, che a loro volta possono contribuire a scindere altri nuclei di uranio. Il processo, chiamato reazione a catena, avviene in maniera incontrollata nelle bombe atomiche. Avviene invece in maniera controllata nelle centrali nucleari, dove il flusso dei neutroni viene limitato da barre di controllo costituite di grafite.

I problemi connessi con l’impiego dell’energia nucleare di fissione sono:

  • possibilità di incidenti nucleari, con la liberazione di sostanze radioattive;
  • smaltimento delle scorie radioattive prodotte nelle centrali.

In Italia, un referendum ha bloccato la produzione di energia nucleare già dalla fine degli anni ’80.

 

 

Fusione nucleare

A lunga scadenza, la fonte che molti esperti pensano sia la più promettente per le centrali da migliaia di megawatt è la fusione nucleare.

Sia ha fusione nucleare quando, sotto particolari condizioni di temperatura, due nuclei atomici si uniscono per formarne uno più grande. Questo tipo di reazioni si verifica in natura soltanto nei centri delle stelle, dove la temperatura raggiunge valori di decine di milioni di gradi, per via dell’enorme pressione esercitata verso il centro dal peso di tutti gli strati stellari sovrastanti. Nel nucleo del Sole la temperatura è di 15 milioni di gradi. A questa temperatura gli atomi sono completamente ionizzati, cioè hanno perso i loro elettroni. La materia risulta quindi formata da nuclei atomici liberi e da elettroni anch’essi liberi, cioè non più orbitanti intorno ai nuclei.

Ricordando che i nuclei degli atomi sono formati da protoni, aventi carica elettrica positiva, e da neutroni, aventi carica elettrica nulla (neutri), risulta che la carica di ogni nucleo atomico è positiva, quindi i nuclei atomici tendono a respingersi e generalmente non si uniscono. Se però si hanno temperature estremamente elevate, l’agitazione termica nel materiale è talmente violenta che due nuclei, urtandosi violentemente, possono superare la repulsione e fondersi tra loro. Questo processo porta alla nascita di un nuovo nucleo formato da più protoni. Quindi, mediante le reazioni di fusione nucleare si ha la trasformazione di elementi leggeri in elementi più pesanti.

Nel Sole, come in tutte le stelle, l’elemento più abbondante è l’idrogeno (H). Esso ha numero atomico Z=1, cioè è formato da un solo protone (più, eventualmente, un neutrone: in tal caso si ha l’isotopo dell’idrogeno chiamato deuterio). Ebbene, nel centro del Sole si verificano reazioni nucleari che a partire da quattro protoni (cioè nuclei di idrogeno) producono nuclei di elio (He) (e in più delle particelle molto strane e quasi prive di massa chiamate neutrini). Queste reazioni nucleari sono esoenergetiche, cioè sviluppano energia verso l’esterno. E’ così che il Sole emette la sua energia. Quest’energia è prodotta, come nelle reazioni di fissione nucleare, a spese di una piccola quantità di massa, secondo la relazione di Einstein

E  =  m× c2.

Lo schema della cosiddetta reazione protone-protone (o reazione p-p), come viene chiamata quella sopra descritta, è il seguente:

 

Schema della reazione protone-protone.

 

 

p + p + p + p    à    passi intermedi   à   He + 2 neutrini + energia

 

cioè, 4 protoni, attraverso varie reazioni nucleari intermedie, si fondono alla fine in un unico nucleo di elio (formato da 2 protoni e 2 neutroni), con l’emissione di 2 neutrini e di energia (sotto forma di raggi gamma). Nel nucleo solare si verificano ogni secondo miliardi di reazioni protone-protone, e quindi si produce un’enorme quantità di energia.

 

Centrali a fusione nucleare e bombe H

Questo tipo di reazioni, se si riuscisse a realizzare in maniera controllata sulla Terra, garantirebbe la produzione di enormi quantità di energia a partire da elementi abbondanti e senza prodotti inquinanti. Purtroppo gli sforzi dei fisici non hanno ancora dato risultati utilizzabili, e soltanto in certi laboratori è stato possibile ottenere la fusione nucleare, ma solo di piccolissime quantità di materia. Il problema è quello di ottenere la temperatura di milioni di gradi necessaria per innescare le reazioni di fusione nucleare e di realizzare dei sistemi in grado di contenere del materiale a queste incredibili temperature.

In maniera incontrollata la reazione di fusione nucleare è realizzata nelle bombe H (o bombe all’idrogeno), ancora più potenti delle bombe atomiche basate sulla fissione nucleare dell’uranio.

 

Einstein scoprì quindi che il principio di conservazione della massa non è sempre rigorosamente valido. Invece è sempre valido il principio di conservazione dell’energia, tenendo presente l’equivalenza tra massa ed energia data dalla E = m × c2.

 

La prima reazione controllata fu ottenuta a Chicago nel 1942 dall’equipe di scienziati guidati dall’italiano Enrico Fermi.

 

Fonte: http://www.webalice.it/giumar69/appunti/Elettr.doc

Sito web: http://www.webalice.it/giumar69

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