UNITÀ 1Corrente elettrica

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Un'analogia con il circuito idraulicoPer comprendere facilmente il fenomeno della corrente elettrica, si può fare ricorso all’analogia tra ciò che accade in campo elettrico e quanto av-viene in campo idraulico.Su un piano vengono posti due recipienti pieni d’acqua, collegati da un tubo. I due liquidi in questa situazione risultano in perfetto equilibrio: ora, se si alza uno dei due recipienti, come nella figura di sinistra, si può notare che il liquido si riversa nel contenitore posto più in basso.Nel sistema idraulico per far scorrere l’acqua è necessario avere un dislivel-lo tra i due recipienti: più grande è la differenza di quota, maggiore sarà la velocità di scorrimento dell’acqua e questo si realizza, ad esempio, con una pompa che mantiene costante il flusso dell’acqua.In campo elettrico, questa differenza di altezza prende il nome di tensione

elettrica o differenza di potenziale (ddp) e rappresenta la condizione indispensabile per far muovere gli elettroni nel corpo conduttore. Solo in presenza di una tensione elettrica è infatti possibile ottenere il passaggio di corrente e ciò si realizza grazie all’azione di un generatore di tensione.Aumentando la differenza di potenziale, aumenta anche l’intensità della corrente elettrica nel circuito (cioè il numero di cariche che si spostano in un secondo).La corrente elettrica nel conduttore incontra sempre una resistenza, che è tipica di ciascun materiale, con conseguente rallentamento della velocità degli elettroni. Questa forza frenante è definita resistenza elettrica.

Le grandezze del circuito elettrico si esprimono con queste unità di misura:

la tensione si misura in

l’intensità della corrente elettrica si misura in

la resistenza si misura in

Nel circuito idraulico, il lavoro che il mulinello compie dipende dalla pressione generata dalla pompa e dalla quantità di acqua che circola nel circuito. Analogamente, nel circuito elettrico la quantità di lavoro compiu-ta dalla lampadina, calcolato in un secondo, prende il nome di potenza.Per calcolare la potenza si moltiplica la tensione per l’intensità della cor-rente elettrica

L’unità di misura della potenza elettrica è il

Tutti i dispositivi elettrici, compresi gli elettrodomestici, sono interessati da questo valore, che esprime, a parità di tensione a 220 V, il consumo di corrente elettrica.

I corpi conduttori e i corpi isolantiIl passaggio della corrente elettrica è legato alle caratteristiche dei materia-li. Quelli che permettono il movimento degli elettroni sono chiamati conduttori perché si lasciano attraversare facilmente dalla corrente elettri-ca. Tra i materiali conduttori vi sono l’oro, l’argento, il rame, l’alluminio, l’acqua, il corpo umano e in genere tutti i metalli.Altri materiali, invece, oppongono molta resistenza al movimento degli elettroni e sono quindi detti isolanti. Materiali isolanti sono la plastica, il vetro, il legno (solo se asciutto), la gomma, il tessuto, la carta.

1. Che cos’è l’energia elettrica? E la corrente elettrica?

2. Che cosa indicano la tensione, l’intensità di corrente e la resistenza?

3. Quali sono le loro unità di misura?4. Qual è la differenza tra corpi conduttori

e corpi isolanti?

PUNTI DI DOMANDA

Rubinetto

MulinelloFlusso d’acqua

Pompa

Differenzadi potenziale

Corrente elettrica

Lampadina

Generatoredi tensione

(pila)

Interruttore

Il rame è un ottimo conduttore della corrente elettrica per cui viene utilizzato per i cavi elettrici costituiti da decine di fili per essere più flessibili. I cavi sono rivestiti con una guaina in plastica come isolante.

VOLT (V)

WATT (W)

OHM (Ω)

AMPÈRE (A)

P = V × I

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AREA 7 Elettricità e macchine

L E Z I O N E

87. Semplici circuiti elettrici87. Semplici circuiti elettrici

I l circuito in paralleloSe si collegano le lampadine a una stessa linea di alimentazione, ma ciascuna è indi-pendente dalle altre, si realizza un circuito

in parallelo. Tutti gli utilizzatori vengono collegati alla stessa fonte di energia me-diante due fili. In questo modo ogni lam-padina è attraversata dalla stessa tensione elettrica e, anche se un utilizzatore dovesse fulminarsi, gli altri continuerebbero a fun-zionare regolarmente evitando il blocco del passaggio della corrente elettrica nell’intero circuito. Questo tipo di circuito è il più uti-lizzato nelle industrie e nelle abitazioni.

Pila da 9 V

Lampadine collegate

in parallelo

Quando si chiude il circuito con l’interrut-tore, un flusso di elettroni esce dal polo negativo del generatore, percorre tutto il circuito, passa nel filamento della lampa-dina e ritorna al polo positivo della pila, ristabilendo il numero delle cariche. Que-sto flusso di elettroni che attraversa il filo prende il nome di corrente elettrica.

Il filo elettrico utilizzato nel circuito deve avere uno spessore adeguato per evitare che si surriscaldi al passaggio della corren-te elettrica, mentre il piccolo filamento in tungsteno, posto all’interno della lampadi-na, oppone una forte resistenza al movi-mento della corrente elettrica, per cui di-venta subito incandescente a tal punto da emettere luce. Quando si apre l’interruttore il flusso di corrente elettrica si interrompe.

Il circuito elettrico è un sistema all’interno del quale passa la corrente elettrica. Gli elemen-ti indispensabili che lo costituiscono sono il generatore, il filo conduttore, l’interrutto-

re e l’utilizzatore. Il generatore fornisce l’energia, o differenza di potenziale, che permet-te il funzionamento dell’utilizzatore (nel nostro caso la lampadina).

Interruttore

Generatoredi tensione

Filo conduttore Utilizzatore

Per convenzione il senso della corrente elettrica va dal polo

positivo a quello negativo.

Flusso di elettroni

Corrente elettrica

Interruttore

Generatore Utilizzatore

Conduttore

SIMBOLI

Lampadina

Filo conduttore

Interruttore

Pila

Resistenza

I l circuito in serieSe si collegano due o più lampadine una dopo l’altra in modo che siano attraversate dalla stessa corrente, si realizza un circuito

in serie. L’inconveniente di questo tipo di circuito è che, se una di esse dovesse fulmi-narsi, l’intero circuito non funzionerebbe più perché viene interrotto il passaggio della corrente.

Pila da 9 V Lampadine collegate in serie

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UNITÀ 1Corrente elettrica

Anche i generatori che alimentano il circuito possono essere collegati in serie o in parallelo.

I l collegamento in serieCollegando tra loro alternativamente polo positivo con polo negativo si determina una tensione in uscita pari alla somma dei singoli voltaggi. Con due pile da 9 V si ot-tiene una tensione in uscita di 18 V.

I l collegamento in paralleloIn questo caso la tensione dei generatori (le pile) non si somma: due pile da 9 V forniscono una tensione in uscita di 9 V. L’intensità della corrente è invece data dal-la somma delle singole intensità. Il circuito fornisce l’energia per un tempo maggiore rispetto a una sola pila.

La legge di OhmLo scienziato tedesco Georg Simon Ohm (1789-1854) nel 1826 scoprì la relazione che lega tra loro la tensione e la corrente che attraversa un conduttore, enunciando una legge impor-tantissima e tuttora valida: “In un conduttore l’intensità di corrente elettrica è direttamente pro-

porzionale alla tensione applicata e inversamente proporzionale alla resistenza che oppone il condut-

tore”. Indicando con:• R la resistenza agli estremi del conduttore;• V la differenza di potenziale o tensione a cui è sottoposto il conduttore;• I l’intensità di corrente che attraversa il conduttore

Anche i generatori che alimentano il circuito possono essere collegati in serie o in parallelo.

18 V

9 V

La corrente elettrica è generata dal movimento degli elettroni in un filo metallico. Il verso convenzionale della corrente elettrica va dal polo positivo a quello negativo, anche se gli elettroni (–) si spostano verso i protoni (+) dell’atomo vicino.

possiamo ricavare la formula per calcolare l’intensità:

da cui si ricavano le formule inverse:

La resistenza aumenta o diminuisce in funzione del materiale usato per formare il conduttore ed è inversamente proporzionale alla sezione (ciò vuol dire che all’aumento della sezione diminuisce la resistenza) e diretta-mente proporzionale alla lunghezza del filo.

Elettrone libero

Flusso convenzionale della corrente elettrica

ConduttoreAtomo

GRANDEZZA

Carica elettrica

Tensione elettrica (V)

Resistenza (R)

Intensità (I)

Potenza (P)

DEFINIZIONE

Proprietà della materia che sta all’origine di tutti i fenomeni elettromagnetici.

Differenza di potenziale elettrico o tensione in un circuito.

Ostacolo al passaggio della corrente.

Quantità di cariche che attraversano la sezione di un filo conduttore in un certo tempo.

Prodotto tra la differenza di potenziale e l’intensità della corrente.

UNITÀ DI MISURA

coulomb (C)

volt (V)

ohm (Ω)

ampère (A)

watt (W)

I = V/R

V = R ⋅ IR = V/I

1. Che cos’è il circuito elettrico?

2. Quali sono i diversi tipi di circuito elettrico?

3. Che cosa afferma la legge di Ohm?

PUNTI DI DOMANDA

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AREA 7 Elettricità e macchine

I generatori chimici sono particolari dispositivi in grado di produrre energia elettrica per effetto di reazioni chimiche. Ne fanno parte le pile o batterie, che una volta terminata la propria carica non sono più riutilizzabili e vengono get-tate, e gli accumulatori o batterie ricaricabili, che posso-no essere sottoposti a una serie di ricariche.

Le pileLe moderne pile, pur sfruttando il principio della pila di Volta, non utilizzano più una soluzione elettrolitica liqui-da, bensì un impasto gelatinoso o un elettrolito solido, così da evitare pericolose fuoriuscite di liquido.

Sul mercato sono presenti differenti tipi di pile che, a volte, prendono il nome dal metallo e dall’elettrolito usato:• le pile zinco-carbone, o pile Leclanché sono costituite

da una barretta di grafite (polo positivo) e da un cilin-dro di zinco (polo negativo), al cui interno è introdotta la soluzione elettrolitica;

• le pile alcaline utilizzano come elettrolito composti di metalli alcalini. Durano di più e si corrodono meno ri-spetto a quelle in zinco-carbone. Soddisfano le esigenze energetiche di piccoli elettrodomestici e di dispositivi portatili a basso assorbimento;

• le pile all’ossido di argento e le pile al litio non

ricaricabili sono caratterizzate da dimensioni mol-to ridotte e dalla forma a bottone. Vengono usate per orologi da polso, calcolatrici tascabili e piccoli dispo-sitivi elettronici.

L E Z I O N E

88. Generatori chimici88. Generatori chimici

La pila di Volta

La prima pila fu costruita nel 1799 da Alessandro Volta (1745-1827), che ottenne la corrente elettrica alternando dischetti di zinco e rame, separati da un panno imbevuto di una soluzione elettrolitica, cioè una sostanza che può con-durre elettricità. Collegando il primo disco di zinco posto

sulla parte inferiore con il disco di rame posto all’estremità opposta si crea la corrente elettri-ca. Il fenomeno si spiega perché i due metalli si comportano in modo differente: lo zinco, infatti, cede gli elettroni al rame e si ha così un

addensamento di cari-che positive da una par-te e negative dall’altra, che generano la diffe-renza di potenziale ne-cessaria per la creazione della corrente elettrica.

LINK SCIENZE

energetiche di piccoli elettrodomestici e di dispositivi

al litio non

orologi da polso, calcolatrici tascabili e piccoli dispo-

Pile zinco-carbone e pile alcaline

Polo positivo

Polo negativo

Le piastre sono immesse in una soluzione di acqua e acido solforico.Piastra di

biossido di piombo (polo positivo)

Piastra di piombo

spugnoso (polo negativo)

Lamina di separazione

› L’accumulatore al piombo L’accumulatore al piombo

Se si collegano i due poli della pila a un circuito elettrico, si ottiene al suo interno una migrazione di cariche elettriche, che prende il nome di cor-

rente elettrica. La tensione elettrica generata tra i due metalli che com-pongono la pila è in genere tra 1 e 2 V; per ottenere tensioni maggiori vengono collegate in serie più pile uguali. Dopo qualche tempo le reazioni che avvengono nella pila cessano e la pila si scarica.

Gli accumulatoriTra le pile esistono alcune tipologie costruite in modo diverso: facendo scor-rere una corrente elettrica fra i poli nel verso opposto rispetto a quello gene-rato dalla pila, al suo interno si provoca una reazione chimica in grado di accumulare energia, cioè cariche elettriche. Questi generatori sono chiamati accumulatori o batterie ricaricabili.L’accumulatore più diffuso è quello al piombo, utilizzato sulle automobi-li per avviare il motore, ma trova applicazione anche per mettere in funzio-ne sistemi di emergenza nei casi in cui viene a mancare l’erogazione di energia fornita dalla rete elettrica.

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UNITÀ 1Corrente elettrica

CITTADINANZA ATTIVA

Smaltire pile e accumulatori esausti

Al termine del loro ciclo vitale, pile e accumulatori diventano pericolosi se non vengono smaltiti correttamente. Al loro in-terno, infatti, contengono metalli pesanti come piombo, cromo, cadmio, rame, zinco e mercurio, che li rendono ma-teriali altamente inquinanti per il terreno, per le falde acqui-fere e, se bruciati, per l’atmosfera. Si rende necessario, quin-di, effettuare la raccolta differenziata.Inoltre, tramite alcune fasi di riciclo, è possibile recuperare da pile e accumulatori alcuni metalli preziosi che possono essere riutilizzati per garantire altri cicli produttivi, il che concorre a salvaguardare le riserve minerarie, l’ambiente e a contenere le spese per la loro estrazione.

Oggi sono disponibili accumulatori al nichel-cadmio, leggeri, ermetici e con le stesse dimensioni delle pile stilo (AA) o ministilo (AAA), che ven-gono utilizzati per alimentare dispositivi elettrici ed elettronici. Una carat-teristica degli accumulatori al nichel-cadmio è l’effetto memoria ovvero, se vengono caricati ripetutamente prima che si scarichino, col tempo perdo-no la capacità di ricaricarsi al massimo.

Gli accumulatori agli ioni di l it ioGli accumulatori agli ioni di litio (chiamati anche Li-ion) sono batterie ricaricabili comunemente utilizzate nell’elettronica per computer portatili, telefoni cellulari e macchine fotografiche; recentemente hanno trovato impiego anche nell’alimentazione di utensili e attrezzi elettrici come tra-

pani, tosaerba o soffiatori. Possiedono un buon rapporto potenza-peso e hanno il vantag-gio di non essere soggetti all’effetto memoria.Un problema delle batterie Li-ion è che presentano un degrado progressivo a partire dal momento della fabbricazione anche se non vengono utilizzate, indipendentemente dal numero di cicli di carica e scarica. Per evitare danni irre-versibili, le batterie Li-ion non vanno mai scaricate sotto una certa tensione. Va ricordato, inoltre, che tali batterie possono essere pericolose se impiegate impropriamente e, se vengono danneggiate, potrebbero persino esplodere.

Pile esauste: sono le pile ormai consumate che non funzionano più.

Pile esauste

PAROLE DELLA TECNOLOGIA

1. Che cosa sono i generatori chimici?

2. Qual è la differenza tra pila e accumulatore?

3. Che cosa sono gli accumulatori agli ioni di litio?

PUNTI DI DOMANDA

Gli accumulatori agli ioni di litio

Il grande interesse verso gli accumulatori agli ioni di litio è dovuto al fatto che le case automobilistiche si stanno orientando verso questa alternativa per l’immagazzinamento dell’energia necessaria al funzionamento dei motori elettrici del futuro. La tecnologia agli ioni di litio, infatti, permetterebbe all’auto di percorrere distanze più lunghe con un ridotto peso dell’auto.Le batterie a base di litio, tuttavia, presentano un problema: l’approvvigionamento della materia prima per la loro realizzazione. Il litio è infatti disponibile in natura in quantità li-mitata e richiede processi di estrazione particolarmente complicati e costosi; inoltre, il mercato è in mano a pochissimi produttori.

NUOVE TECNOLOGIE

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AREA 7 Elettricità e macchine

La dinamoQualunque conduttore, se percorso da corrente elettrica, genera un campo magnetico attor-no a sé. Se, viceversa, si muove un conduttore all’interno di un campo magnetico, in questo inizia a circolare una corrente, la quale cessa nel momento in cui si interrompe il movimen-to. Questa caratteristica è alla base della costruzione dei generatori di energia elettrica.La dinamo è una macchina elettrica usata per convertire l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica sotto forma di corrente continua.Per ottimizzare la produzione il rotore deve ruotare ad almeno 600 giri al minuto.

1 StatoreÈ costituito da un magnete

fisso che produce un campo magnetico permanente con

un polo Nord e un polo Sud.

2 All’interno dello statore vi è il rotore costituito da lamierini di ferro dolce, su cui è presente un avvolgimento di sottili fili isolati di rame. Il rotore, quindi, si trova immerso nel campo magnetico prodotto dallo statore.

5 La tensione viene prelevata sul collettore mediante due spazzole.

3 Per la legge di Faraday, in un conduttore che si muove in un campo magnetico nasce una forza elettromotrice indotta.

4 Facendo ruotare il rotore nel campo magnetico, si genera una tensione.

› La dinamo

Tensione (V)

Tempo

Tensione (V)

O

Periodo

Tempo

I tipi di tensione

La tensione continua, indipendentemente dal suo valore, ha la caratteristica di mantenere inalterata la polarità nel tempo, e quindi la corrente elettrica che si genera scorre sempre nello stesso senso. In un diagramma cartesiano è rappresentata con una riga continua.Un tipico esempio è la debole tensione generata dalle batterie e dagli accumulatori, sui qua-li è possibile individuare il polo positivo e quello negativo.La tensione continua con bassi valori (2-50 V) è utilizzata per alimentare quasi tutti i disposi-tivi elettronici, come computer portatili, telefoni cellulari o fotocamere digitali.

Nella tensione alternata monofase sia la polarità sia il senso di movimento cambiano con-tinuamente nel tempo. Viene rappresentata con un’onda sinusoidale e il tempo impiegato da un’intera sinusoide per ripetersi identica prende il nome di periodo.La tensione alternata a 220 V, utilizzata nelle abitazioni, ha una frequenza di 50 Hz. Oltre che per l’illuminazione, è utilizzata per alimentare gli elettrodomestici, i computer desktop, i tele-visori e, tramite dispositivi come il trasformatore, anche diversi altri apparecchi elettronici.

La tensione trifase è un tipo di tensione alternata con tre fasi, sfasate di un terzo di periodo una dall’altra. Per il trasporto necessita di tre cavi più un cavo di terra. Viene impiegata per il trasporto dell’energia sugli elettrodotti e viene utilizzata quasi esclusivamente nel settore in-dustriale, ad esempio per alimentare i motori trifase a 380 V.

Tensione (V)

O

Periodo

Tempo

L E Z I O N E

89. Generatori elettromeccanici e trasformatori89. Generatori elettromeccanici e trasformatori

Induzione: è il fenomeno per il quale un corpo vicino a un altro modifica le sue iniziali proprietà; ne è un esempio la magnetizzazione.

PAROLE DELLA TECNOLOGIA

Qualunque conduttore, se percorso da corrente elettrica, genera un campo magnetico attor-

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UNITÀ 1Corrente elettrica

L'alternatorePer produrre energia elettrica di elevata potenza generalmente si impiegano gli alternatori. L’alternatore è una macchina elettrica rotante, che trasforma l’energia meccanica di rotazio-ne in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.

Osservando il comportamento dei fari di una bicicletta è possibile capire come funziona un alternatore. L’alternatore è costituito da un magnete cilindrico fatto girare dalla rotella zigrinata che si appoggia alla ruota. Le spire di filo di rame, avvolte su un nucleo di lamierini di ferro, sono collegate con un capo alla lampadina e con l’altro al telaio metallico della bicicletta. Quando la ruota gira, gira anche il magnete e, per induzione elettromagnetica, nelle spire si crea una tensione che fa accendere la lampadina. Più si pedala, più la lampadina si illumina; se ci si ferma, la lampadina si spegne.

A seconda delle potenze in gioco le modalità di costruzione degli alterna-tori possono essere diverse: l’induttore può essere costituito da un magne-te fisso oppure da avvolgimenti di filo; allo stesso modo, anche il rotore può essere costituito da un magnete fisso o da avvolgimenti di filo avvolti su lamierini di ferro dolce.Il principio di funzionamento di ogni tipologia di alternatore, comunque, è simile a quello della dinamo.Gli alternatori di grosse dimensioni, azionati dalla forza dell’acqua o mes-si in movimento da turbine, sono impiegati nelle centrali elettriche per produrre energia elettrica. In diversi settori gli alternatori hanno sostituito la dinamo e vengono im-piegati, ad esempio, sulle biciclette per accendere i fari o nelle autovetture per caricare la batteria. In questo caso l’uscita dell’alternatore passa attra-verso un raddrizzatore, che trasforma la tensione alternata in tensione continua.

I motori a corrente continua e alternataIl fenomeno dell’induzione elettromagnetica è alla base anche del funzio-namento del motore elettrico, cioè un dispositivo che permette di trasfor-mare l’energia elettrica in un movimento rotatorio. Tutti i dispositivi elet-trici, dal piccolo giocattolo al grande impianto industriale, sono dotati al loro interno di un motore elettrico.

I motori a corrente continuaLa dinamo è una macchina elettrica reversibile: se si fornisce una tensione al rotore tramite due spazzole, il dispositivo si comporta come un motore elettrico. I motori a corrente continua, detti motori sincroni, hanno la caratteristica di ruotare a velocità costante. Quelli di piccola potenza sono utilizzati per azionare elettroutensili, elettrodomestici a batteria e i moto-rini dei radiocomandi. I motori a corrente continua di elevata potenza, invece, sono impiegati nel settore dell’automazione e per il finanziamento di mezzi di trasporto elettrici come treni, metropolitane e tram.

I motori a corrente alternataSpesso i motori hanno sia il rotore sia lo statore a filo avvolto, e sono chiamati anche motori universali perché possono essere alimentati con una tensione continua o alternata. Questi motori hanno dimensioni compatte, un’alta velocità di rotazione, di circa 3 000 giri al minuto, e un buono spunto iniziale. Trovano quindi largo impiego nei piccoli elettro-domestici usati in modo intermittente, in particolare dove è richiesta un’alta velocità di rotazione: ad esempio, frullatore, aspirapolvere, asciu-gacapelli, lavatrice, trapano. Lo svantaggio è dato dalla presenza del col-lettore a lamelle, con la conseguente usura delle spazzole che ne compro-mette l’affidabilità.Nelle applicazioni industriali i motori a corrente alternata monofase sono poco usati, mentre trovano largo impiego quelli alimentati con tensione trifase, anche di grosse dimensioni.

In alto un motore a corrente alternata di tipo universale, quindi con collettore e spazzole (non presenti nell’immagine). In basso un motore a corrente alternata di tipi a induzione, questo tipo di motore non presenta collettore o spazzole. Nello statore sono presenti gli avvolgimenti del circuito di alimentazione che creano un campo magnetico rotante in grado di trascinare il rotore.

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