L'ENERGIA ELETTRICA - gli effetti dell'elettricità e la potenza elettrica

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INDICE

GLI EFFETTI DELL'ELETTRICITA'

Il passaggio della corrente elettrica in un conduttore può determinare delle trasformazioni energetiche, cioè il passaggio da energia elettrica ad un'altra forma di energia all’altra, note come effetti elettrici; esaminiamo i principali:


L' EFFETTO JOULE E LA POTENZA ELETTRICA



la resistenza caratteristica di ogni conduttore, della quale abbiamo parlato nel post precedente, determina, al passaggio della corrente una forma di attrito per effetto del quale il conduttore si riscalda
Questo effetto viene sfruttato in tutti quei dispositivi che utilizzano energia elettrica per produrre energia termica come: asciugacapelli, stufe, lavatrici, forni…

L’energia termica liberata al passaggio della corrente può essere misurata come prodotto dell’Intensità della corrente (I) per la Tensione (V) e prende il nome di Potenza (P).

P = I x V

L’unità di misura della Potenza è il WATT (w) 1watt= 1ampere x 1volt

Per sapere quanta energia consuma una famiglia non basta, però, conoscere la Potenza (cioè l’energia consumata dai singoli apparecchi), ma bisogna anche sapere per quanto tempo sono rimasti in funzione. Per questo motivo il consumo di energia elettrica si calcola in WATTORA pari al prodotto della Potenza per il tempo di funzionamento in ore.

L’EFFETTO LUMINOSO


Una conseguenza dell’effetto termico è l’effetto luminoso.


Quando la temperatura del conduttore diventa molto elevata, il cavo diventa incandescente e produce energia luminosa (luce). Questo principio era applicato nelle vecchie lampadine a incandescenza, nelle quali la corrente attraversava un filamento di tungsteno: un conduttore metallico ad alta resistenza che si riscaldava fino a 2.700°C diventando incandescente.
Oggi queste lampade non sono più in commercio e sono state sostituite dalle lampade a risparmio energetico (FLC): queste lampade non contengono un filamento metallico ma sono riempite con un gas che contiene vapori di mercurio. Quando il gas è attraversato dalla corrente elettrica gli atomi di mercurio si eccitano ed emettono raggi ultravioletti che, a contatto con il rivestimento interno fluorescente della lampada, si trasformano in luce visibile .

L’EFFETTO ELETTROCHIMICO

Quando la corrente elettrica attraversa un fluido provoca in esso delle reazioni chimiche; tale effetto è sfruttato dal fenomeno dell’elettrolisi.
Se immergiamo due lamine di metallo collegate ad un generatore e ad una lampadina in una soluzione di acqua e sale di cucina, ci accorgiamo che la lampadina si accende. Per favorire il passaggio della corrente è sufficiente aggiungere del comunissimo cloruro di sodio NaCl (sale da cucina).

Ciò avviene perché quando il sale si scioglie nell'acqua, le molecole di Cloruro di Sodio (NaCl) che lo formano si ionizzano, cioè si spezzano in ioni (cioè atomi  con una carica elattrica)  positivi (Na+) e ioni negativi(Cl-); lo ione positivo viene attratto dal catodo (la lamina collegata al polo negativo del generatore), mentre lo ione negativo dall’ anodo (la lamina collegata al polo positivo del generatore).
Il fenomeno descritto prende il nome di dissociazione elettrolitica e le sostanze capaci di ionizzarsi si chiamano elettroliti. Durante questo spostamento, gli elettroni della corrente elettrica vengono trasportati dagli ioni: questo passaggio di corrente prende il nome di elettrolisi.


Questo effetto chimico viene utilizzato per ricoprire oggetti con patine di metallo: l’oggetto da rivestire viene collegato al catodo e immerso in una soluzione contenente il sale del metallo da trattare, mentre all’anodo viene collegata una lastra del metallo ricoprente. Al passaggio della corrente, gli ioni metallici con carica positiva si muovono verso il catodo, ricoprendo l’oggetto di un sottile strato del secondo metallo.


APPLICAZIONI DELL'EFFETTO CHIMICO: le plie e gli accumulatori
Con il termine pila o accumulatore si intende una fonte di energia elettrica ottenuta mediante trasformazione diretta di energia chimica; essa viene utilizzata come sorgente mobile di energia elettrica.

La prima pila è stata inventata nel 1799 dal fisico italiano Alessandro Volta. Egli realizzò questo dispositivo impilando diverse coppie di dischi di zinco e di rame separati da un panno imbevuto di una soluzione elettrolitica di acido solforico (H2SO4). I due metalli a contatto con la soluzione tendono a caricarsi; lo zinco negativamente e il rame positivamente, generando una piccola differenza di potenziale. Sommando i contributi delle diverse coppie di dischi, otteniamo la differenza di potenziale della pila.

la pila di volta

Le pile moderne sono formate da da due lamine metalliche (elettrodi) di metalli diversi, immersi in una soluzione chimica (elettrolita). Per effetto delle reazioni chimiche che avvengono tra gli elettrodi e l’elettrolita un elettrodo riceverà elettroni dalla soluzione caricandosi negativamente (Catodo), l’altro cederà elettroni alla soluzione caricandosi positivamente (Anodo), determinando una differenza di potenziale. Se colleghiamo i due elettrodi con un conduttore in esso inizierà a scorrere una corrente elettrica che tenderebbe a ristabilire l'equilibrio elettrico tra i due elettrodi, ma le reazioni chimiche che hanno luogo all'interno della pila mantengono la differenza di potenziale tra i due poli e la pila continua a generare corrente.

 Esistono molti tipi di pile, differenti tra loro per la natura dei metalli usati negli elettrodi e dell’elettrolita; per l’alimentazione di apparecchi portatili si utilizzano le pile a secco, nelle quali l’elettrolita è inglobato in una pasta e non una soluzione in modo che non possa scorrere e fuoriuscire.


PILE A SECCO (o PILE LECLANCHÉ)
Sono le pile più comuni in commercio, dette anche zinco-carbone in quanto i due elettrodi sono costituiti da queste due sostanze: il contenitore cilindrico è in zinco e funge da elettrodo negativo, il nucleo centrale è di carbone, funge da elettrodo positivo ed è ricoperto da una pasta gelatinosa di biossido di manganese che è l’elettrolita. Una variante delle pile a secco sono le pile alcaline nella quali l’elettrolita è una pasta di idrossido di potassio. Hanno durata fino a tre volte superiore delle pile zinco-carbone.


PILE AL MERCURIO
Utilizzate per far funzionare apparecchi di piccole dimensioni (orologi, calcolatrici…) sono dette comunemente PILE A BOTTONE per via della loro forma circolare e piatta. Gli elettrodi sono in ossido di mercurio e polvere di zinco, chiusi in un involucro di acciaio, mentre l’elettrolita è una pasta di idrossido di potassio. Hanno una durata superiore a quelle delle pile alcaline.



ACCUMULATORI e PILE RICARICABILI
Il sistema di gran lunga più diffuso ancor oggi per l’avviamento elettrico dei veicoli a motore è la batteria al piombo. Parliamo propriamente di batteria perché si tratta di un sistema elettrochimico costituito da tre, sei o più pile uguali (chiamate anche elementi) collegate in serie

Si tratta di pile che hanno un funzionamento reversibile: durante la fase di ricarica della batteria agli elettrodi del sistema avvengono i processi opposti a quelli che avvengono durante la fase di produzione di energia elettrica (detta fase di scarica); in questo modo si riformano l’acido solforico e le sostanze che costituiscono gli elettrodi. Nel processo di ricarica l’energia elettrica viene pertanto accumulata come energia chimica nella batteria e per questa ragione le batterie vengono anche chiamate accumulatori. Purtroppo, però, il processo elettrolitico di ricarica può coinvolgere anche le molecole di acqua; in questo caso i gas prodotti a lungo andare ostacolano il deposito di ioni sugli elettrodi durante la fase di scarica: è questo uno dei motivi che porta nel tempo all’esaurimento della batteria, cioè all’impossibilità di ricaricarla.

 Un particolare tipo di batterie sono quelle agli ioni di litio utilizzate per laptop, smartphone e alcune auto elettriche.
L’EFFETTO ELETTROMAGNETICO
Il magnetismo è la capacità che hanno alcuni corpi di attirare metalli ferrosi (come il ferro, l'acciaio e tutte le leghe di ferro).  Quando questa caratteristica è di origine naturale parliamo di magneti, se invece è ottenuta artificialmente parliamo di calamite; i metalli ferrosi, infatti, possono essere magnetizzati e, in particolare, l'acciaio è detto magnete artificiale permanente perché una volta magnetizzato conserva questa caratteristica per sempre.

Una caratteristica che accomuna tutti i magneti (naturali e artificiali) è che essi possiedono due parti, (dette poli) nelle quali la capacità di attirare materiali è più intensa; si indica con polo Nord il polo positivo e con polo Sud il polo negativo. Poli opposti si attraggono, mentre poli uguali si respingono. Spezzando in più parti una calamita, ogni singola parte presenterà sempre un polo nord e un polo sud.

il magnetismo - mappa concettuale

Quando un conduttore è attraversato da corrente elettrica genera un campo magnetico diventa cioè in grado di attrarre materiali ferrosi così come fa un magnete. Questo effetto è dovuto al movimento delle cariche elettriche, gli elettroni, che si muovono tutte nella stessa direzione.
il rapporto tra campo elettrico e campo magnetico

Tale effetto può essere amplificato avvolgendo a spirale un filo conduttore (detto solenoide o bobina) e collegando le sue estremità ad un generatore. Se introduciamo una barretta di ferro all’interno della bobina, quando questa viene percorsa dalla corrente elettrica la barretta si magnetizza e diventa in grado di attrarre piccoli pezzetti di ferro come fosse una calamita.

schema di una elettrocalamita

La barretta metallica così magnetizzata prende il nome di elettrocalamita e il suo campo magnetico (cioè la porzione di spazio nella quale si registra l’effetto del magnetismo) è direttamente proporzionale al numero degli avvolgimenti del solenoide (dette anche spire) e all’intensità della corrente che lo attraversa, mentre è inversamente proporzionale alla lunghezza del solenoide.

una potente elettrocalamita utilizzata per sollevare rottami ferrosi


IL CAMPANELLO ELETTRICO


Il campanello elettrico (ad esempio quello del cambio dell’ora a scuola...) è un’applicazione pratica dell’elettrocalamita; esso è costituito da una elettrocalamita comandata a distanza, il cui effetto di attrazione serve per far muovere un’asta su un estremo della quale è posto un martelletto.
Il circuito è realizzato in modo che, schiacciando il pulsante, si fa scorrere corrente elettrica nel solenoide, attivando così l'elettrocalamita la quale attira la lamina flessibile fino a che il martelletto batte contro la campana. Quando questo succede, però, si apre il circuito e la corrente cessa di circolare, con la conseguenza che il solenoide lascia cadere l’asta richiudendo il circuito e consentendo la ripetizione del ciclo che genera la successione di suoni caratteristica della campanella di fine lezione.