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Tag Archives: energia

Collegamenti in serie e in parallelo

In un circuito, il collegamento degli apparecchi utilizzatori si dice in serie quando sono posti uno di seguito all’altro. Un esempio sono le lampadine dell’albero di Natale. La corrente le attraversa tutte una dopo l’altra e quando se ne rompe una si interrompe il circuito. La resistenza del circuito equivale alla somma delle resistenze di ogni lampadina. L’intensità è sempre la stessa e la tensione equivale alla somma delle tensioni.

Un altro tipo di collegamento più diffuso è quello in parallelo. Tutti gli apparecchi sono collegati a una stessa linea di alimentazione, ma ciascuno per conto suo. La tensione è uguale a quella del generatore, l’intensità è uguale alla somma delle intensità circolanti in ogni apparecchio. La resistenza totale è uguale a quella di un utilizzatore da dividere per il numero di utilizzatori.

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Legge di Ohm

Ohm studiò e verificò la relazione che lega le tre principali grandezze della corrente. L’intensità della corrente che passa in un circuito è direttamente proporzionale alla tensione. Ciò significa che al crescere dell’intensità cresce anche la tensione.

L’ intensità della corrente invece è inversamente proporzionale alla resistenza del circuito. Questo perchè, aumentando la resistenza opposta dal conduttore, diminuisce la quantità di cariche che lo attraverseranno.

Il rapporto tra queste grandezze è definito dalla legge di Ohm :

I (intensità della corrente) = V (tensione) / R (resistenza)

Le formule inverse sono: V =R x I  oppure R= V/I

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Elettrodomestici a risparmio energetico

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Gli elettrodomestici che vengono usati nelle abitazioni svolgono svariate funzioni, ma tutti, hanno bisogno della corrente elettrica per funzionare. Essi a seconda dei casi la convertono in altre firme di energia.

Tra gli elettrodomestici si distinguono quelli che producono energia termica come il ferro da stiro, lo scaldabagno, il tostapane ecc.

Poi ci sono gli elettrodomestici che producono energia termica e meccanica come la lavatrice, la lavastoviglie, il frigorifero ecc.

Infine, ci sono quelli che producono solo energia meccanica come: l’aspirapolvere, il frullatore ecc.

Quando si acquista un elettrodomestico ormai è importante valutare l’efficienza energetica stabilita da una direttiva dell’Unione Europea. Vi sono quindi, 7 classi energetiche indicate con A+++, A++, A+, A, B, C, D. Quella che prevede un consumo minore è la A+++

Vediamo nello specifico alcuni elettrodomestici.

Il ferro da stiro

Il ferro da stiro ha come componente principale una piastra di duralluminio o acciaio riscaldata che passata sui tessuti stende le fibre. La trasformazione dell’energia elettrica in calore avviene grazie a una resistenza elettrica. Il ferro da stiro più diffuso è quello a vapore che possiede una serpentina per riscaldare la piastra stirante , un serbatoio per contenere l’acqua, ed emette un getto di vapore per inumidire la biancheria. Un termostato permette di regolare la temperatura.

Lo scaldabagno

Lo scaldabagno è detto anche boiler, il cui compito è quello di riscaldare l’acqua nelle nostre case. Esso è un serbatoio che contiene acqua da scaldare con le pareti coibentate. E’ collegato sia alle tubature di acqua fredda, sia dell’acqua calda. Il riscaldamento avviene grazie a una resistenza elettrica posta nel recipiente. La temperatura è regolata da un termostato.

La lavatrice e la lavastoviglie

La lavatrice funziona per mezzo di una resistenza per riscaldare l’acqua e di un motore che aziona la rotazione della biancheria. Una centralina coordina il programma scelto.

La lavastoviglie è costituita da una pompa per immettere acqua, una resistenza per scaldarla e un riscaldatore per asciugare le stoviglie.

Il frigorifero

Il frigorifero funziona utilizzando un motore (compressore)che fa espandere velocemente un gas presente in una serpentina, in passato era il freon, oggi viene usata una miscela meno inquinante. Questa reazione fisica sottrae calore riscaldando il gas che si comprime, poi viene spinto nel condensatore dove, raffreddandosi, si condensa e trasforma in liquido; quindi abbassa la temperatura all’interno dell’elettrodomestico. Un termostato controlla che la temperatura rimanga vicino ai 4° C.

Anche il congelatore funziona con lo stesso principio, ma la sua temperatura interna deve essere compresa tra -18° C e i -40°C.

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Motori e trasformatori

I motori elettrici

Il motore elettrico a corrente continua funziona mediante un magnete fisso che crea un campo magnetico all’interno del quale si trova una bobina mobile su un asse rotante. Fornendo elettricità alla bobina, essa si comporta da elettrocalamita e si mette in movimento, attratta da un magnete fisso. La bobina costituisce il rotore e il magnete lo statore. Compiuto mezzo giro la bobina si inverte. Il cambiamento della polarità è assicurato dai contatti striscianti.

Tali contatti sono collegati all’albero motore tramite degli anelli e gli forniscono corrente: in questo modo a ogni giro la polarità si inverte.

Essi possono funzionare a velocità molto variabile, pur fornendo una potenza sempre elevata. Vengono usati soprattutto per i mezzi di trasporto come tram, filobus, treni. Ma sono usati anche per piccoli apparecchi come trapani a batteria, compressori ecc.

I motori a corrente alternata sono basati sullo stesso principio, ma i contatti striscianti non sono necessari.

Sono motori che possono essere alimentati con corrente monofase o trifase. I monofase sono quelli che si possono alimentare alle prese di corrente che si trovano in tutte le case; il loro impiego è limitato agli elettrodomestici come aspirapolvere, frullatore, trapano ecc.

I motori alimentati a corrente trifase sono utilizzati nelle macchine utensili di tipo industriale. La quasi totalità dei motori trifase appartiene alla famiglia dei motori asincroni. Tali motori funzionano senza che ci sia un organo di movimento, della creazione di un campo magnetico rotante, equivalente al campo di un magnete permanente che ruoti creato nella parte fissa. Il rotore, composto da fasci di spire conduttrici, reagisce per induzione e tende a seguirlo nel suo moto.

I trasformatori

Il trasformatore, quindi, non è altro che una macchina statica, priva di organi di movimento.Essa converte una corrente alternata di una data tensione in una corrente alternata di tensione diversa.

I trasformatori sono importanti perchè rendono possibile il trasporto dell’energia elettrica dai luoghi di produzione a quelli di utilizzazione. Perchè per trasportare l’energia elettrica a distanza e non usare cavi grandi si aumenta la tensione in modo che possa viaggiare in cavi di dimensioni accettabili. Quindi la tensione viene alzata a valori enormi prima di essere inviata alle linee di trasporto. All’arrivo un trasformatore effettua l’operazione opposta cioè riabbassa la tensione. Quindi la potenza è direttamente proporzionale all’intensità e alla corrente.

I trasformatori sono utili anche per ridurre la tensione domestica di 220 volt a 9 o 12 volt utile per i trasformatori dei telefonini.

Il trasformatore è composto da un nucleo di lamine di ferro che costituisce il magnete; su di esso si trovano i due avvolgimenti indipendenti di rame isolato: quello da cui entra la corrente è detto primario, quello da cui esce è detto secondario.

La corrente alternata entra nel primo circuito, che essendo avvolto sul nucleo di ferro, crea un campo magnetico variabile. Questo campo per induzione elettromagnetica determina una corrente elettrica nel secondo avvolgimento. In base al numero di spire si varierà in modo proporzionale la tensione della corrente uscente dal secondo avvolgimento.

Risultati immagini per trasformatore

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Corrente continua e corrente alternata

La corrente continua è prodotta dai generatori (pile o accumulatori) e circuiti elettrici in cui tensione e correnti hanno valori quasi costanti nel tempo, praticamente una corrente che scorre costante nello stesso senso.

La corrente alternata è caratterizzata dal fatto che il flusso di elettroni non viaggia sempre nello stesso senso, quindi ha una tensione variabile nel tempo, il cui verso si inverte di continuo, 5o volte il secondo; quindi tensione e corrente hanno una frequenza di 50 hertz. Il tipo di andamento nel tempo di tensione e corrente è detto sinusoidale.

sinusoide

andamento corrente alternata

L’energia viene distribuita sotto questa forma perchè è facile trasformare una corrente alternata con bassa tensione ad alta tensione grazie ai trasformatori. Quindi l’energia anche per enormi distanze viene trasportata a bassa tensione per poi essere trasformata. Inoltre i circuiti che producono la corrente alternata non soffrono di problemi di corrosione elettrochimica come i circuiti in corrente continua.

La corrente indotta si ottiene quando un conduttore in movimento attraversa le linee di forza di un campo magnetico, generando così una forza elettromotrice indotta in grado di far circolare corrente. 

I generatori

I generatori elettrici nei quali la corrente viene prodotta per effetto del movimento del conduttore all’interno del campo magnetico sono detti generatori ad induzione. Esistono due tipi che generano però o corrente continua o alternata.

I generatori di corrente continua, erogano una corrente che gira sempre nello stesso senso, anche se con valore variabile. Nelle spire di questi generatori la corrente indotta cambia direzione di marcia, ma con opportuni accorgimenti si può ottenere una corrente pulsante di valore variabile ma unidirezionale. I generatori di corrente continua sono chiamati dinamo.

La dinamo è una macchina che produce corrente elettrica continua. E’ costituita da tre parti fondamentali: l’induttore, cioè un magnete che è la parte fissa, usato per generare un campo magnetico; l’indotto, cioè un filo di rame isolato e avvolto intorno al nucleo di ferro che costituisce la parte mobile e che viene fatto ruotare automaticamente; il collettore e le spazzole, il primo è formato da due mezzi anelli metallici che sono collegati agli estremi del filo di rame, le seconde sono formate da lamine poste a contatto con essi che insieme costituiscono il dispositivo di raccolta della corrente elettrica indotta.

I generatori di corrente alternata sono gli alternatori, essi sono composti da una parte fissa, chiamata induttore, e da una parte rotante. L’induttore, formato da magneti, ha la funzione di generare il campo magnetico. L’indotto, posto nella parte che ruota, ha la funzione di raccogliere il flusso di corrente generato. Tale corrente verrà prelevata da due contatti, chiamate spazzole.

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Il magnetismo

Il termine magnetismo deriva dal nome di un minerale del ferro che si trova in natura: la magnetite. Questo minerale è chiamato anche calamita naturale che ha la proprietà di attrarre alcuni metalli come ferro, nichel, cobalto ed altri. Il campo magnetico è lo spazio intorno alla calamita, nel quale esercita la sua attrazione che si manifesta con le linee di forza.

I campi magnetici sono creati in genere dallo spostamento di cariche elettriche che si muovono tutte nella stessa direzione e nello stesso verso. In un materiale anche in assenza di corrente elettrica, possono esistere microscopici campi magnetici, dovuti ai singoli elettroni che ruotano intorno al proprio nucleo. Questo campo a seconda della forza può essere o meno visibile.

Agli estremi della calamita è concentrata la maggiore forza magnetica, questi sono i poli magnetici chiamati Nord e Sud. Poli opposti si attraggono, poli uguali si respingono.

Esistono anche magneti artificiali, costituiti da barrette di materiale ferroso sottoposte a un trattamento di magnetizzazione.

Magnetismo ed elettricità sono la manifestazione di un’unica forza, la forza elettromagnetica, quindi sono strettamente collegate tra loro.

Una corrente elettrica è in grado di generare un campo magnetico, infatti, se si prende un filo conduttore avvolto a spirale (solenoide)e le sue estremità le si collegano ad una pila, questo verrà attraversato da corrente elettrica, e si genererà un campo magnetico; se si introduce in questo campo magnetico una barretta di ferro allo stato puro, la forza del campo aumenta e il metallo si magnetizza, manifestando ai suoi estremi diverse polarità. L’effetto si interrompe con l’esaurirsi del passaggio di corrente. Questo dispositivo è un magnete artificiale chiamato elettrocalamita, è usato per gli interruttori, i campanelli ecc.

Il campanello elettrico è un esempio di elettrocalamita. In esso l’attrazione esercitata dall’elettrocalamita fa muovere una lamina metallica alla quale è fissato un martelletto che batte su una campana. Se l’elettrocalamita viene magnetizzata e smagnetizzata per varie volte di seguito il martelletto batterà rapidamente producendo il trillo.

Un altro fenomeno che lega elettricità e magnetismo è linduzione elettromagnetica. Il fisico inglese Faraday scoprì che, come la corrente produce un campo magnetico, allo stesso modo da un campo magnetico variabile si può generare una corrente. Essa prende il nome di corrente indotta. La tensione e la corrente saranno tanto più forti quanto più forte è la variazione di campo magnetico. Tale effetto è alla base di tutte le macchine che trasformano energia meccanica in energia elettrica.

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La pila

Le pile sono dei generatori elettrici che utilizzano reazioni chimiche per ottenere energia elettrica.

Una pila è formata da due elementi metallici, per esempio di rame e zinco (detti elettrodi), immersi in una soluzione chimica (detta elettrolito), per esempio acqua e acido solforico.

Per effetto elettrochimico , tra i due elettrodi si stabilisce una tensione elettrica, in quanto, si verifica un passaggio di elettroni tra lo zinco e il rame, per cui il rame assume carica negativa e lo zinco assume carica positiva. Se tra i due elettrodi si pone un filo conduttore, in esso inizia a scorrere una corrente elettrica. Questa corrente si mantiene nel tempo grazie alle reazioni chimiche che avvengono tra i metalli degli elettrodi e l’elettrolito, gli elettrodi sono continuamente riforniti di cariche.

Le reazioni consumano le sostanze nella pila, l’elettrodo negativo cede in genere ioni metallici positivi alla soluzione e si corrode. Ad un certo punto le reazioni chimiche, e la corrente generata, cessano. La pila è scarica.

La tensione generata da una pila è compresa tra 1 e 2 volt; quando occorrono tensioni superiori si ricorre alle batterie di pile collegate in serie.

Le pile reversibili, cioè che una volta scaricate si possono caricare sono dette batterie.

La pila a secco

La pila a secco, anche detta pila Leclanchè oppure pila zinco-carbone. E’ costituita da un contenitore cilindrico di zinco (elettrodo negativi) e da un nucleo centrale di carbone (elettrodo positivo) circondato da una pasta di manganese e grafite . L’elettrolito che nelle pile precedenti era una soluzione liquida, in queste pile è una soluzione concentrata di cloruro di ammonio e cloruro di zinco inglobati in un materiale inerte.

Il contenitore di zinco spesso è rivestito da un lamierino, per impedire ogni fuoriuscita di liquido, quando lo zinco si sia corroso.

Un altro tipo di pila, che ormai è più diffusa, è la pila alcalina che utilizza come elettrolito un metallo alcalino, di solito idrossido di potassio; a parità di dimensioni ha una capacità circa doppia, ma è anche più costosa.

La batteria

La batteria quindi è un accumulatore. Gli elettrodi sono uno di piombo e l’altro di ossido di piombo, mentre l’elettrolito è acido solforico diluito. Durante la carica della batteria , gli ioni positivi si depositano sul catodo, mentre sull’anodo si depositano gli ioni negativi. Quando l’accumulatore viene collegato al circuito esterno, restituisce l’energia che aveva accumulato con lo spostamento degli ioni, i quali ritornano al punto di partenza generando una corrente elettrica di senso inverso.

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Effetti della corrente elettrica

La corrente che circola nei conduttori produce una serie di fenomeni ed effetti che sono di notevole importanza.

  • Effetto termico, chiamato anche effetto joule, un conduttore attraversato da corrente si riscalda, perchè gli atomi della corrente urtano con quelli del conduttore, fanno attrito, e sviluppano calore, che può essere più o meno intenso a seconda della natura del materiale. Tale effetto viene sfruttato in tutte le apparecchiature che devono generare calore come: stufe, ferri da stiro, saldatrici ecc.
  • Effetto chimico, sciogliendo dei sali o degli acidi in acqua pura si provoca l’idrolisi, un fenomeno in cui le molecole vengono scisse in due parti. Una di esse, arricchendosi di un elettrone, assume carica negativa (ione negativo), mentre l’altra, che perde un elettrone, assume carica positiva (ione positivo). Il fenomeno consiste nella migrazione degli ioni positivi verso il catodo (polo negativo) e nella contemporanea migrazione degli ioni negativi verso l’anodo (polo positivo).Diversamente dagli altri conduttori, il passaggio di cariche elettriche non avviene sotto forma di semplici elettroni ma di ioni, cioè atomi elettricamente positivi o negativi.
  • Effetto luminoso, si verifica in un conduttore ad alta resistenza quando viene percorso da corrente elettrica. In questo caso essendo la resistenza elevata la potenza che si dissipa per effetto termico è talmente elevata da provocare un’emissione luminosa. Tale fenomeno è usato dalle lampade ad incandescenza.
  • Effetto magnetico, è determinato dal fatto che il passaggio di corrente elettrica lungo un conduttore crea un campo magnetico. Il fisico danese ha scoperto questo fenomeno notando l’ago di una bussola mutava drasticamente la sua direzione quando si trovava vicino ad un conduttore nel quale passava della corrente elettrica.
  • Effetto fisiologico, si verifica in quanto i tessuti biologici sono conduttori di corrente. Toccando con le mani un conduttore percorso da corrente non isolato, o comunque toccando una parte in tensione si produce una contrazione muscolare più o meno intensa nota come scossa.

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Le misure elettriche

Le principali grandezze che definiscono la corrente elettrica sono:

  • l‘intensità di corrente, rappresenta la quantità di cariche elettriche che passano attraverso una sezione di filo in un secondo. L’unità di misura è l‘ampere (A) e lo strumento di misura è l’amperometro;
  • la tensione elettrica, detta anche differenza di potenziale, si misura in volt(V) mediante uno strumento chiamato voltmetro.Essa è il lavoro che il generatore deve compiere per spostare al suo interno una quantità di cariche elettriche, cioè la spinta che mette in moto gli elettroni;
  • la resistenza elettrica, dipende dalla sezione del filo attraverso cui passa la corrente, più è ampio il tubo nel quale si spostano gli elettroni, quindi la resistenza è minore; dalla lunghezza, infatti gli elettroni incontrano più ostacoli se il percorso da fare è più lungo; dal materiale, infatti, il rame, l’argento e l’alluminio oppongono una bassa resistenza, invece il tungsteno ha una resistenza molto alta. La resistenza viene misurata in ohm, lo strumento di misura è l’ohmetro. Per comodità, voltmetro, amperometro e ohmetro sono spesso racchiusi in un unico strumento: il tester;
  • la quantità di elettricità, rappresenta la quantità di elettricità che si sposta con la tensione di 1 volt compiendo il lavoro di 1 joule;
  • la potenza elettrica, è l’energia erogata in un secondo. L’unità di misura della potenza è il watt.La potenza di qualsiasi apparecchio elettrico si calcola moltiplicando l’intensità della corrente che attraversa il suo filamento per la tensione alla quale è sottoposto. Quindi rappresenta la quantità di energia elettrica consumata nell’unità di tempo.

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La corrente elettrica

La corrente elettrica è un qualsiasi moto ordinato di cariche elettriche definito operativamente come la quantità di carica elettrica che attraversa una determinata superficie nell’unità di tempo.

La corrente elettrica , quindi, è formata da cariche elettriche elementari che sono presenti in tutte le sostanze, ma se non si verificano delle situazioni idonee a farle muovere restano all’interno degli atomi di cui fanno parte.

Per capire l’elettricità bisogna quindi studiare la materia.Tutte le sostanze possono essere suddivise in molecole, che conservano le stesse proprietà della sostanza di partenza. A loro volta le molecole sono formate da particelle ancora più piccole chiamati atomi.

Ogni atomo è costituito da una parte centrale, detta nucleo, costituito da protoni e neutroni. I protoni sono carichi positivamente, invece, i neutroni sono neutri, quindi il nucleo è elettricamente positivo. Attorno al nucleo ruotano particelle chiamate elettroni che hanno carica negativa. Essi poichè sono attratti dal nucleo che è di carica opposta non si allontanano mai dal nucleo.

Negli atomi di molti metalli può succedere che gli elettroni delle orbite esterne siano attratti dal nucleo di atomi vicini, quindi tali elettroni si sposteranno da un atomo all’altro. Questo a sua volta cederà un elettrone a un altro atomo generando così un flusso continuo di elettroni: la corrente elettrica.

 

In un generatore gli elettroni grazie a delle forze interne vengono spinti verso il polo dove si crea un’abbondanza di cariche negative, diventando così il polo negativo. Di conseguenza sull’altro polo si crea un’abbondanza di cariche positive, diventando così il polo positivo. Così si crea un equilibrio tra l’attrazione esistente tra il polo positivo e gli elettroni che tenderebbero a tornare indietro e la forza elettromotrice (forza del generatore) , che li mantiene ammassati sul polo negativo.

Il circuito elettrico

Il circuito è un percorso costituito da un conduttore nel quale passa la corrente elettrica. Se in esso non ci sono interruzioni, il circuito si dice chiuso; se il circuito viene interrotto, staccando un contatto, si ha un circuito aperto e la corrente non può circolare.

Un circuito elettrico è composto da:

  • un generatore di corrente, ha la funzione di produrre l’energia elettrica grazie alla trasformazione dell’energia chimica di pile, o attraverso la trasformazione dell’energia meccanica prodotta dalla dinamo;
  • conduttori, sono realizzati con i metalli che favoriscono il passaggio della corrente elettrica;
  • utilizzatore, è un apparecchio che è in grado di trasformare la corrente elettrica in altre forme di energia. Sono utilizzatori la lampadina, un elettrodomestico ecc.;
  • interruttore, ha la funzione di consentire o interrompere il passaggio di corrente.

Se si usa un conduttore (materiale capace di farsi attraversare da un flusso di elettroni) per collegare due corpi che posseggono carica differente e che si trovano ad avere una differenza di potenziale elettrico diverso da zero, gli elettroni tendono ad attraversare il conduttore per raggiungere l’equilibrio, quindi il flusso di elettroni è la corrente elettrica.

Lo spostamento degli elettroni viene favorita dall’energia fornita dagli accumulatori di elettricità come le pile o dai generatori, come la dinamo.

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