Quando pensiamo alla parola "elettricità", ci viene in mente tutta quella serie di apparecchi che ci aiutano nelle nostre faccende domestiche e non.
Essa ci permette di fare un sacco di cose: ascoltare della musica, lavorare al computer, avere luce anche quando il sole è tramontato, guardare la televisione e tante altre cose.
Ma vediamo più da vicino e concretamente in che cosa consiste questo tipo di energia.
Immaginiamo di prendere un atomo e di osservarne le caratteristiche. Esso è formato da un nucleo, cioè da un insieme di protoni (particelle elementari a carica positiva) e di neutroni (particelle elementari prive di carica); intorno al nucleo orbitano gli elettroni (particelle elementari a carica negativa) a velocità altissima. Una domanda sorge spontanea: perché gli elettroni non sfuggono mai via dal nucleo, visto che girano intorno ad esso vorticosamente? Perché le cariche di segno opposto (elettroni e protoni) si attraggono e quindi compensano la forza centrifuga.
Ora, per spiegare come si forma questa energia, immaginiamo di avere una batteria,
un filo conduttore e una lampadina. Colleghiamo con il cavo elettrico la lampadina
alla batteria e ovviamente essa si accende illuminando l'ambiente. Cerchiamo di
capire cos'è successo: per un effetto chimico causato dalle reazioni interne alla
batteria, alcuni elettroni hanno cominciato a fluire dal polo negativo del generatore
di corrente (nel nostro caso la batteria) verso quello positivo. Come sappiamo, due
cariche di segno opposto si attraggono e quindi, quando abbiamo costruito il suddetto
circuito elementare, non abbiamo fatto altro che creare la strada ideale agli elettroni
(presenti nel polo negativo) per tornare al polo positivo. Durante il loro percorso
gli elettroni incontrano il sottile filamento della lampada e, con il loro attrito,
lo surriscaldano fino a farlo diventare incandescente e quindi molto luminoso.
Il parametro principale che condiziona l'essere conduttore o isolante un materiale
è la presenza o meno di elettroni "liberi" nelle orbite più esterne. Un elettrone
è "libero" quando lo sforzo che serve per farlo sfuggire all'attrazione del nucleo
del suo atomo non è molto forte. Il fatto che un atomo possieda o meno elettroni liberi
è dovuta alla conformazione stessa dell'atomo di ogni particolare elemento chimico.
Materiali come il legno, plastica, stoffa, gomma, vetro, olio e molte altre sostanze
sono composte da atomi con pochi elettroni "liberi" (e quindi meno elettroni che possono
sfuggire creando la "differenza di potenziale"), o addirittura nessuno. Al contrario,
elementi come il ferro, il rame, lo zinco ed in generale tutti i metalli possiedono molti
elettroni "liberi", quindi più facilmente spostabili. Ecco perché i metalli sono buoni
conduttori.
Per spiegare le tre grandezze principali della corrente, proverò a fare qualche analogia con l'idraulica che tutti conosciamo.
Prendiamo come esempio un normale tubo per innaffiare il giardino: la portata dell'acqua
che passa attraverso di esso dipende, a parità di velocità, dal diametro del tubo.
Parallelamente, in elettronica, la portata o intensità della corrente dipende dal
diametro del filo di rame che si usa: "la massima intensità di corrente applicabile
su di un cavo elettrico è proporzionale al diametro di questo."
La tensione elettrica o "differenza di potenziale" è il dislivello elettrico
in cui vengono mantenuti gli elettroni e può essere paragonata a una sorgente d’acqua:
se proviene da 1 m di altezza, la pressione non sarà molta, in quanto potremo irrigare
la sola zona circostante. Se l'acqua provenisse direttamente da un serbatoio posto a
varie decine di metri dal suolo, la pressione ci consentirebbe di irrigare il terreno
per un vasto raggio.
La resistenza (unità di misura “ohm”)
La resistenza elettrica di un materiale è la sua capacità di opporsi al passaggio degli
elettroni. Nei nostri esempi idraulici, possono essere paragonate a delle strozzature nel tubo,
in quanto queste oppongono una “resistenza” al passaggio dell’acqua.
Le tre variabili che determinano questo parametro possono essere il materiale,
la lunghezza e il diametro. I materiali conduttori vengono usati per costruire cavi
elettrici perché hanno una bassa resistenza. Altri come il tungsteno o la grafite
vengono usati per costruire delle resistenze calibrate, e per produrre calore,
come nelle stufe.
Questi tre valori sono legati tra di loro con una semplice scrittura.
Intensità = Tensione / Resistenza che in forma abbreviata si scrive I = V / R
Utilizzando una batteria, un filo conduttore, e un oggetto metallico come un chiodo,
si può costruire un piccolo elettromagnete. Quando un cavo elettrico viene percorso
da una corrente, attorno di se si crea un piccolissimo campo elettromagnetico. Se
noi lo avvolgiamo attorno ad un supporto metallico (quale un chiodo), “induciamo”
il campo elettromagnetico del filo nel supporto metallico: questo diventa una calamita
(o più propriamente un elettromagnete). Ora proviamo ad avvicinare il chiodo ad un
altro oggetto metallico e vediamo che i due si attirano con forza. Dopo aver scollegato
i due capi del filo, questa forza cessa, ma non del tutto. Questo trattamento lo subiscono
le punte dei cacciaviti che devono trattenere la vite con una debole forza finche non si
arriva nel punto desiderato. Questo principio viene usato anche dallo sfasciacarrozze dove
una gru, appositamente equipaggiata, colloca sopra l’auto da demolire un elettromagnete:
a questo punto l’operatore alimenta la bobina e la macchina viene attirata dal magnete.
L’operatore posiziona la macchina nel punto più adatto e quindi toglie la corrente.
A seconda del materiale usato come “base” per gli avvolgimenti è possibile ottenere magneti
temporanei (cioè che non attraggono più dopo aver tolto la corrente dall’avvolgimento)
oppure permanenti (cioè che continuano ad avere un certo magnetismo residuo anche dopo
che è stata tolta la corrente).
E’ uno strumento usato per trasformare l’energia meccanica (una rotazione)
in energia elettrica. Esso è sostanzialmente costituito da una parte mobile
(rotore) ed una parte fissa (statore). La parte mobile, girando sotto l’azione
di forze esterne, produce un campo magnetico variabile che passa attraverso
le bobine avvolte nello statore. Questo campo magnetico variabile che attraversa
le bobine dello statore, grazie al fenomeno fisico dell’ ”induzione magnetica”,
produce una corrente elettrica ai capi della bobina stessa.
E’ bene precisare una cosa che forse non tutti sanno; più corrente si richiede
ad un generatore, più potenza è necessaria a farlo girare! In altre parole,
se ad un alternatore si applicano due lampadine anziché una, lo sforzo da
compiere per farlo girare sarà doppio.
Concettualmente legato al generatore è il motore elettrico.
Si può affermare che questo dispositivo ha veramente influenzato
la nostra epoca; basta guardarsi intorno per vederne una miriade,
anche negli oggetti di uso comune. Di motori elettrici ne esistono
migliaia di tipi diversi: dal “micromotore” presente in certi trapani
da dentisti, fino al “megamotore” che spinge i sottomarini e le portaerei
a propulsione nucleare. Concettualmente un motore non differisce molto da
un generatore, se non per il fatto che in questo caso è il motore a fornire
energia meccanica, ed a consumare energia elettrica (l’esatto contrario di
quanto non faccia un generatore). E’ interessante notare che i primi motori
elettrici erano costruttivamente identici ai generatori; solo con il perfezionarsi
delle conoscenze umane e della tecnologia sono comparsi sul mercato decine e
decine di tipologie diverse di entrambi i dispositivi, ognuno con proprie
caratteristiche peculiari, studiate in funzione di scopi ed applicazioni molto precise.
Un esempio classico di ciò è la robotica: da quando questa disciplina si è affermata
in ambito industriale, sono stati progettati vari tipi di motori (es: motori passo-passo,
motori “brushless”) idonei a controllare tutti i movimenti tipici dei
robot industriali, con estrema precisione, velocità e potenza.
Il trasformatore di tensione è una macchina che permette di cambiare i valori
di tensione della sola corrente alternata. Esso è composto da un nucleo a forma
di prisma a base rettangolare cavo nel centro con un altro prisma rettangolare
più piccolo. In due lati opposti vengono avvolti da due spire di filo sottile
di rame smaltato (quindi isolato). Se inseriamo i due capi della prima bobina
nella rete, dove scorrono 220 Volt alternati, nella seconda otterremo una tensione
che si può facilmente ottenere con una proporzione di questo tipo:
Tensione bobina 1 : Spire bobina 1 = Tensione bobina 2 : Spire bobina 2
I trasformatori hanno moltissimi campi di applicazione. Nelle centrali dell’ Enel
vengono usati per alzare al tensione nei tragitti lunghi e per riabbassarla poi
in prossimità dei nostri impianti elettrici: ciò viene fatto perché la trasportare
energia elettrica ad alta tensione riduce le dispersioni lungo i conduttori.
Il trasformatore si trova anche in moltissimi elettrodomestici ed apparecchiature
elettroniche perché questi oggetti necessitano di tensioni di alimentazione più basse.
