L’ENERGIA ELETTRICA 

Mattia Fervari

CHE COS’È L’ELETTRICITÀ STATICA? 

L’elettricità è un fenomeno fisico della materia in cui sono presenti diverse interazioni tra particelle.  

La materia, infatti, è costituita da atomi. Questi atomi sono composti da: 

–nucleo: al cui interno sono presenti neutroni e protoni 

– elettroni: particelle che si muovono intorno al nucleo. 

Nel nucleo vi sono cariche elettriche positive + (protoni), e negative – (elettroni). Quelle positive attraggono le negative affinché l’atomo non si scomponga.  

L’atomo può essere in due condizioni:  

• neutro: se quest’ultimo ha un numero uguale di protoni e neutroni e perciò la sua carica elettrica è nulla. 
• È instabile, se perde o acquista elettroni. Gli atomi cercano quindi una nuova situazione di stabilità e per questo verranno attratti da atomi di carica opposta, ovvero con una instabilità contraria a quella dell’altro atomo. Un corpo ha elettroni in eccesso si sposterà verso un corpo con una mancanza di elettroni. Si creano dunque due principi: 
• Le cariche elettriche di segno opposto si attraggono 
• Le cariche elettriche dello stesso segno si respingono.  

CHE COS’È LA CORRENTE ELETTRICA? 

La corrente elettrica è un flusso continuo di elettroni che scorre lungo un conduttore  

Il fenomeno della corrente elettrica avviene soltanto se tra i due corpi c’è una differenza di potenziale.  

–Differenza di potenziale o tensione: è la “forza”che muove gli elettroni attraverso un conduttore producendo corrente elettrica —> si misura in VOLT  (da Alessandro Volta) tramite il Voltometro 

–intensità di corrente: quantità di cariche elettriche in un’unità di tempo. I= q/t —> AMPERE (da andrè marie Ampère) tramite l’Amperometro. 

– resistenza del conduttore: tendenza a un corpo di opporsi al passaggio di elettroni. Ogni materiale ha una resistenza: se la resistenza è poca, il materiale è un buon conduttore; se la resistenza è tanta il materiale sarà un isolante. La resistenza di un conduttore è determinata anche dalla sua lunghezza e dalla sua sezione. Se la lunghezza aumenta la resistenza sarà maggiore e viceversa. Se invece la sezione aumenta la resistenza sarà minore e viceversa. —> OHM (Da George Ohm) tramite un Ohmmetro.  

LA PILA 

La pila è uno strumento per la trasformazione di energia chimica a energia elettrica 

La prima pila è stata costruita da Alessandro Volta nel 1800. Formata da coppie di dischi di zinco e di rame impilati gli uni sugli altri e separati da n panno imbevuto da acido solforico.  

Una coppia di zinco e rame a contatto tende a reagire chimicamente (ossidoriduzione) e per questo si comincia ad avere una differenza di potenziale: -lo zinco si carica negativamente perché su di esso si accumulano elettroni  

-il disco di rame si carica positivamente per l’eccesso di protoni rispetto agli elettroni.  

-La soluzione acida detta elettrolita permette il passaggio degli elettroni 

Tra le coppie si forma differenza di potenziale. Se si uniscono il primo e l’ultimo dischetto con un filo metallico si avrà la differenza di potenziale complessiva, necessaria per far funzionare il macchinario. 

Ad oggi usiamo pile a secco, ovvero senza soluzioni acquose. Riescono a generare molta più corrente elettrica. 

IL CIRCUITO ELETTRICO 

Il circuito elettrico è un percorso chiuso cui estremi è mantenuta una differenza di potenziale in modo da avere una circolazione costante delle cariche elettriche 

In un circuito sono presenti: 

• Un utilizzatore: assorbe l’energia elettrica 
• Un generatore di energia: come una pila 
• Un conduttore elettrico: costituito da un filo metallico, comunemente il rame, che funge da passaggio per la corrente elettrica 
• Un interruttore: serve a interrompere il flusso di corrente aprendo o chiudendo il circuito. Se l’interruttore è sollevato il circuito è aperto e l’utilizzatore è inattivo. Se è abbassato il circuito è chiuso e l’utilizzatore entra in funzione.  

CIRCUITO IN SERIE: 

In un circuito in serie sono presenti due o più utilizzatori disposti in successione. Entrambe le lampadine sono attraversate dallo stesso flusso di corrente, la luminosità è minore di quella che avrebbero se fossero singolarmente presenti in un circuito, poiché l’energia si distribuisce in ognuna di esse.

CIRCUITO ELETTRICO IN PARALLELO:  

In un circuito elettrico in parallelo due o più componenti sono collegati in modo da avere le estremità in comune 

Il flusso che raggiunge gli utilizzatori non è lo stesso per tutti e due, perché esso si suddivide in più rami per poi riunirsi dopo aver attraversato i componenti. La tensione agli estremi resta invariata, ma la durata delle batterie è maggiore rispetto a quella con le batterie in serie 

Gli impianti elettrici sono costruiti da un insieme di circuiti in parallelo. In questo modo i diversi apparecchi posso funzionare contemporaneamente e in modo indipendente. 

LA PRIMA LEGGE DI OHM 

L’intensità di corrente (i) in un conduttore è direttmente proporzionale alla tensione (ddp) applicata ai suoi due estremi e inversamente proporzionale alla resistenza (R) da esso offerta 

I=ddp/R R=i•ddp   

LA SECONDA LEGGE DI OHM 

La resistenza elettrica (R) di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza (l) e inversamente proporzionalealla sua sezione (s) 

R=p•l/s 

In un cavo elettrico la corrente elettrica incontra più resistenza se la lunghezza del cavo aumenta e la sezione del cavo diminuisce. p sta per resistività di un conduttore, ovvero il materiale di cui è fatto il filo

GLI EFFETTI DELLA CORRENTE ELETTRICA  

EFFETTO JOULE O EFFETTO TERMICO: 

Il passaggio di corrente elettrica è sempre seguito da uno sviluppo immediato di calore, perché l’energia elettrica si trasforma in termica. Il calore aumenta sia all’aumentare di intensità sia all’aumentare di resistenza. L’effetto Joule (da James Prescott Joule) è il principio di funzionamento della stufa elettrica, del phon del ferro da stiro, etc… 

EFFETTO LUMINOSO: 

Con la corrente elettrica si può produrre energia luminosa. In una lampadina a incandescenza la corrente elettrica riscalda un filo di tungsteno (ha molta resistenza), in modo che esso a temperature molto elevate produca luce. L’energia elettrica vene trasformata in energia luminosa per il 10%. Il resto viene disperso in calore 

EFFETTO CHIMICO: 

L’effetto chimico della corrente è sfruttato dal fenomeno dell’elettrolisi. 

Se immergiamo due lamine di metallo collegate ad un generatore e ad un utilizzatore all’interno di una bacinella d’acqua distillata, ci accorgiamo che la lampadina non si accende. Per favorire il passaggio della corrente è sufficiente aggiungere del comune cloruro di sodio NaCl (sale da cucina). Ciò avviene perché l’acqua distillata non favorisce il passaggio della corrente. Quando noi aggiungiamo il sale, esso si discioglie nell’acqua e le molecole si scindono in ioni positivi (Na+) e ioni negativi (Cl-), cioè si ionizzano; lo ione positivo viene attratto dal catodo (la lamina o elettrodo collegata al polo negativo del generatore), mentre lo ione negativo dall’ anodo (la lamina o elettrodo collegata al polo positivo del generatore).
Il fenomeno descritto prende il nome di dissociazione elettrolitica e le sostanze capaci di ionizzarsi si chiamano elettroliti. 

IL MAGNETISMO E LA LEGGE DI FARADAY

Andrea Cecere

Si definisce magnetismo la proprietà che ha la capacità di attrarre materiali ferrosi, per esempio, un minerale naturale è la magnetite, ma esistono anche magneti artificiali che hanno la forma di una barra o di ferro di cavallo.

Questi magneti hanno particolari caratteristiche:

I poli magnetici hanno il potere di attrazione alle due estremità e non al centro, i due poli vengono chiamati polo Nord e polo Sud magnetico.

Se avviciniamo due calamite con lo stesso polo le due calamite si respingono sia Nord che Sud, invece se uniamo due poli opposti le calamite si uniranno, quindi si attraggono i poli inversi.

Il campo magnetico di una calamita è attorno e forma gli ovali, in questo campo i materiali ferrosi si attrarranno, invece gli ovali sono chiamati linee di forza del campo magnetico e escono dal polo Nord e rientrano nel polo Sud.

Michael Faraday era un fisico e chimico britannico che ha contribuito in maniera determinante allo studio dell’elettromagnetismo dell’800.

La legge di Faraday descrive il fenomeno dell’induzione elettromagnetica: Faraday a scoperto che se aumentiamo il numero delle spirali e la velocità della calamita la luminosità sarà più intensa, se invece le spirali e la velocità della calamita diminuiscono la luminosità sarà molto meno intensa.

LA DINAMO

Un esempio di induzione elettromagnetica è la dinamo che funziona grazie al rullo zigrinato verso la ruota che mette in movimento un piccolo albero che trasmette il movimento rotatorio della ruata ad una calamita, in questo caso la calamita è l’induttore.

Intorno alla calamita è posto il circuito indotto composto da una barretta di acciaio attorno alla quale è avvolto un filo di rame, gli estremi del filo sono collegati uno al telaio della bicicletta e l’altro alla lampadina.

Il magnete all’interno della dinamo ha i poli Nord e Sud che si oppongono e quando il magnete si muove al muoversi della ruota i poli si spostano rapidamente, creando un campo magnetico che taglia le spire di rame e per il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, si crea una corrente elettrica continua che si trasmette alla lampadina.

LA CENTRALE IDROELETTRICA

Alessandro Matti

Descrizione
La centrale idroelettrica è un impianto per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile. Essa è costituita da un insieme di opere di ingegneria idraulica e da una serie di macchinari elettrici accoppiati opportunamente con lo scopo di ottenere energia elettrica sfruttando il movimento di grandi masse d’acqua.

La centrale idroelettrica converte l’energia cinetica dell’acqua in energia elettrica.
L’energia che si ottiene è pulita in quanto la centrale non produce emissioni nocive per l’ambiente.

Funzionamento

In una moderna centrale idroelettrica l’acqua viene convogliata in condotte artificiali, filtrata per eliminare eventuali impurità solide che potrebbero danneggiare i macchinari a valle e, grazie alla velocità imposta da un salto di quota, utilizzata per azionare una turbina che converte l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica. La turbina è collegata attraverso l’albero al rotore di un generatore che converte infine l’energia meccanica in energia elettrica.

      

Esistono moltissime tipologie di turbine, ognuna con le sue peculiarità ed adatta a lavorare in specifiche condizioni ambientali:

turbine VLH (Very Low Head): per salti bassissimi
turbine a coclea: per portate bassissime anche con presenza di detriti
turbine Francis: dislivelli medi
turbine Pelton: grandi dislivelli
turbine Kaplan: piccoli dislivelli e flussi variabili
turbine Turgo : per flussi altamente variabili
ecc.

In base alle caratteristiche di posizione e moto dell’acqua in ingresso possiamo classificare le centrali idroelettriche come segue:

-Centrali ad acqua fluente: sono centrali che sfruttano la naturale portata di un fiume. L’acqua viene convogliata in un canale di derivazione (non una condotta forzata) e attraverso questo inviata alle turbine. In questo tipo di centrali la portata utilizzata coincide in ogni istante con la portata disponibile nel corso d’acqua. Sono adatte quindi a fiumi con portata generosa e regolare.

-Centrali a bacino: in questo caso l’acqua viene immagazzinata in un bacino di raccolta bloccando il naturale corso di un fiume con uno sbarramento detto diga oppure utilizzando dei bacini naturali già esistenti come i laghi. Grazie a delle condotte forzate l’acqua scorre verso le turbine. Questa tipologia è molto utile perché, diversamente dalle centrali ad acqua fluente, l’acqua può essere dosata a seconda dell’esigenza;

-Centrali ad accumulazione: hanno un bacino di raccolta anche a valle. Di notte quando il bisogno di energia elettrica è minore oppure utilizzando una fonte di energia esterna, grazie ad un sistema di pompaggio, l’acqua viene riportata nel bacino di raccolta allo scopo di generare maggior energia elettrica il giorno seguente oppure per accumulare energia.

La potenza di un impianto idroelettrico (dimensione della centrale) dipende quindi contemporaneamente dalla velocità e dalla quantità per unità di tempo dall’acqua che fluisce nella turbina ovvero da questi due fattori:

1. Salto: dislivello tra le quote di ingresso e di uscita dell’acqua dall’impianto che determina la velocità del fluido
2. Portata: massa d’acqua che fluisce attraverso l’impianto nell’unità di tempo.

Possiamo quindi classificare le centrali idroelettriche anche per il salto in metri (h) che sfruttano come:

-a bassa caduta: h < 20 𝑚
-a media caduta: 20 𝑚 ≤ h ≤ 100 𝑚
-ad alta caduta: : 100 𝑚 < h ≤ 1000 𝑚
-ad altissima caduta: h > 1000 𝑚

e in base alla portata espressa in 𝑚3/𝑠 (Q):
-piccola portata: 𝑄 < 10 𝑚3/𝑠
-media portata: 10 𝑚3/𝑠 ≤ 𝑄 ≤ 100 𝑚3/𝑠
-grande portata: 100 𝑚3/𝑠 < 𝑄 ≤ 1000 𝑚3/𝑠
-altissima portata: 𝑄 > 1000 𝑚3/𝑠

Infine la dimensione della centrale espressa dalla sua potenza elettrica massima producibile misurata in Watt (P) distingue le centrali in:

-microimpianti: 𝑃 < 100 𝐾𝑊
-mini-impianti: 100 𝐾𝑊 ≤ 𝑃 ≤ 1 𝑀𝑊
-piccoli impianti: 1 𝑀𝑊 < 𝑃 ≤ 10 𝑀𝑊
-grandi impianti: 𝑃 > 10 𝑀𝑊.

Le più grandi centrali idroelettriche del mondo sono del tipo a bacino e sono le seguenti:
-Diga delle Tre Gole Cina 22,5 GW
-Diga di Itaipú Brasile  14,0 GW
-Diga di Xiluodu Cina 13,9 GW

Quella italiana più potente è invece la centrale Luigi Einaudi di tipo ad accumulazione che si trova nel comune di Entracque in provincia di Cuneo. Essa sfrutta l’acqua immagazzinata in due dighe, che generano un salto di 1048 𝑚 e una portata di 156 𝑚3/𝑠, per produrre una potenza massima pari a 1410 MW:

a) Diga Luigi Einaudi Italia 1,4 GW

Le nazioni che producono più energia con centrali idroelettriche sono nell’ordine Cina (370 GW), Brasile (109 GW) e Stati Uniti (103 GW). L’Italia è undicesima (22 GW) davanti a paesi come Germania, Spagna, Austria e Svizzera.

Vantaggi e svantaggi

Le centrali idroelettriche, come qualsiasi fonte di energia, presentano sia vantaggi che svantaggi.

Vantaggi:
Si tratta di un’energia rinnovabile e pulita in quanto non produce emissioni;

Una delle soluzioni più sostenibili è il mini-idroelettrico, che si sta diffondendo molto, soprattutto in Italia. Non necessita della costruzione di dighe, ma utilizza invece l’acqua corrente, riducendo perciò l’impatto ambientale;

Una centrale idroelettrica è più economicamente conveniente di una centrale nucleare o a carbone. Dopo la costruzione della centrale stessa, i suoi costi di mantenimento sono molto più bassi rispetto agli esempi sopraccitati.

L’energia elettrica non si può immagazzinare in grandi quantità, ma l’acqua sì. Questo consente di utilizzare le centrali idroelettriche come accumulatori per quelle fonti energetiche rinnovabili (in primis fotovoltaico ed eolico) che hanno produzioni altamente variabili nel tempo;

Possono essere attivate/disattivate in poco tempo, aprendo le saracinesche idrauliche. In questo modo si rivelano particolarmente adatte nelle situazioni in cui è necessaria energia in breve tempo.

Svantaggi:
L’impianto necessita di essere tenuto spesso sotto controllo;

Per i grandi impianti l’impatto ambientale (distruzione di habitat, modifica del paesaggio) può essere considerevole;

Una centrale idroelettrica non può essere costruita in qualsiasi posto: devono verificarsi alcune condizioni di base, come la vicinanza ad un fiume di sufficiente portata o la possibilità di creare un dislivello tra il bacino di raccolta e le turbine.

Gli svantaggi delle centrali idroelettriche riguardano comunque principalmente quelle di grandi dimensioni, che hanno la sfortuna di creare maggior impatto ambientale, mentre quelle più piccole non presentano le stesse problematiche. Con i dovuti accorgimenti e controlli anche la pericolosità o gli effetti negativi sull’ambiente possono comunque essere ridotti.

CENTRALE NUCLEARE: RISORSA NON RINNOVABILE

Andrea Paganuzzi

L’energia nucleare è basata sulle reazioni a catena che possono essere sostenute dai cosiddetti materiali fissili attraverso i neutroni. Noti materiali di questo tipo sono il plutonio e l’uranio.

Si tratta di una delle forme di produzione di energia più recenti. Nel secolo scorso, infatti il problema di assicurare sempre maggiori quantità di energia allo sviluppo industriale, spinse l’uomo a ricercare fonti alternative al petrolio e al carbone. L’uranio è un metallo non molto abbondante sulla crosta terrestre; se il suo nucleo viene bombardato con un neutrone si spezza in due nuclei più leggeri, il bario e il cripton. Da questa reazione, chiamata fissione nucleare, ossia scissione del nucleo, si liberano una notevole quantità di energia e altri neutroni, che vanno a loro volta a colpire altri atomi di uranio. Si origina così una reazione a catena che, una volta innescata, libera quantità sempre maggiori di energia.

La parte centrale di un reattore è il cosiddetto nocciolo: qui avviene la fissione del combustibile nucleare sagomato in barre. Le barre sono immerse in una sostanza che agisce da moderatore e rallenta i neutroni responsabili della reazione: per quanto possa sembrare strano, infatti, i neutroni lenti sono molto più efficaci di quelli veloci nell’innescare la fissione. I moderatori di velocità più utilizzati sono la grafite e l’acqua, meglio se acqua pesante, cioè non formata da idrogeno e ossigeno ma da deuterio (isotopo dell’idrogeno con massa atomica doppia) e ossigeno.

Tutto intorno al nocciolo del reattore ci sono tubi dove scorre acqua. Il liquido, riscaldato dal calore prodotto durante la fissione, viene trasformato in vapore ad alta temperatura. Il vapore poi è adoperato per far ruotare le turbine del generatore di corrente della centrale. I generatori di vapore delle centrali nucleari sono dispositivi analoghi a quelli che si trovano nelle centrali eletrriche alimentate da petrolio e carbone e sono collegati a un alternatore per produrre energia elettrica.

Neutroni, uranio, e prodotti di fissione sono radioattivi e quindi potenzialmente dannosi per gli esseri viventi. Il reattore, perciò, è racchiuso in contenitori di acciaio e piombo che servono per schermare le radiazioni e poi sistemato in robuste strutture di cemento armato.

Per evitare che la reazione divenga incontrollata e l’impianto si trasformi in una vera e propria bomba esistono sistemi di regolazione che tengono sotto controllo il numero di neutroni presenti, istante per istante, nel nocciolo. A questo scopo, in genere, si usano barre di cadmio che vengono opportunamente abbassate all’interno del nocciolo; queste barre servono per assorbire i neutroni e rallentare la reazione quando ve ne è bisogno. Oltre ai PWR (Pressurized water reactors), i “reattori ad acqua in pressione”, che usano acqua per trasferire il calore generato dalla fissione, ci sono anche gli AGR (Advanced gas reactors), i “reattori avanzati raffreddati a gas”, che sfruttano invece un gas, l’anidride carbonica, per scambiare calore.