L’energia elettrica deriva dal movimento di una carica elettrica ed è comunemente chiamata semplicemente “elettricità”. In definitiva, ha la sua origine nella forza elettromagnetica: una delle quattro forze fondamentali della natura e quella responsabile del comportamento degli oggetti caricati elettricamente. L’energia elettrica è il risultato dell’interazione di particelle subatomiche con questa forza. L’elettricità si manifesta in fenomeni naturali come i fulmini ed è essenziale per la vita a un livello fondamentale. La capacità degli esseri umani di generare, trasmettere e immagazzinare elettricità è cruciale per l’industria moderna, la tecnologia e, nella maggior parte dei paesi, la vita domestica.
L’origine dell’energia elettrica
Esistono due tipi di cariche elettriche, chiamate positive e negative. Se due oggetti caricati elettricamente vengono avvicinati l’uno all’altro, sperimenteranno una forza. Se le cariche sono le stesse, entrambe positive o entrambe negative, la forza agirà per allontanare gli oggetti l’uno dall’altro. Se hanno cariche diverse, si attraggono a vicenda. Questa repulsione o attrazione è nota come forza elettromagnetica e può essere sfruttata per creare un flusso di energia elettrica.
Gli atomi sono costituiti da un nucleo contenente protoni con carica positiva, con elettroni con carica negativa che orbitano attorno ad esso. I protoni normalmente rimangono nel nucleo, ma gli elettroni possono spostarsi da un atomo all’altro, permettendo loro di fluire attraverso materiali, come i metalli, che conducono elettricità. Un luogo con un eccesso di elettroni sui protoni avrà una carica negativa; un posto con un deficit avrà una carica positiva. Poiché le cariche opposte si attraggono, gli elettroni fluiranno da un’area caricata negativamente a un’area carica positivamente, se consentito, creando una corrente elettrica.
Utilizzo dell’energia elettrica
L’elettricità è utile sia di per sé che come mezzo per trasferire energia su lunghe distanze. È essenziale per vari processi industriali, telecomunicazioni e Internet, computer, televisori e molti altri dispositivi di uso comune. Può anche essere convertito in altre forme di energia per l’uso in una varietà di altre applicazioni.
Quando una corrente elettrica scorre attraverso un conduttore, genera una certa quantità di calore. La quantità generata dipende da quanto bene il materiale conduce l’elettricità. Un buon conduttore, come il rame, produce molto poco. Per questo motivo, i fili e i cavi di rame sono comunemente usati per trasmettere elettricità: quando si produce calore, si perde energia, quindi un buon conduttore riduce al minimo la perdita di energia. I materiali che conducono meno bene l’elettricità producono più calore, quindi tendono ad essere utilizzati in stufe elettriche, cucine e forni, per esempio.
L’energia elettrica può anche essere convertita in luce. Le prime luci ad arco dipendevano da una scarica elettrica attraverso un piccolo spazio per riscaldare l’aria fino al punto in cui si illumina, lo stesso principio dei fulmini. Successivamente, è stata introdotta la lampadina a filamento: questa si basa sulla corrente che fa sì che un filo sottile e arrotolato emetta una luce incandescente. Le moderne lampadine a risparmio energetico fanno passare una corrente ad alta tensione attraverso un gas sottile, provocando l’emissione di luce ultravioletta, che colpisce un rivestimento fluorescente per produrre luce visibile.
Quando un materiale conduttore, come un filo di rame, viene spostato in un campo magnetico, viene generata una corrente. Al contrario, una corrente che scorre attraverso un filo, se sperimenta un campo magnetico, produrrà movimento. Questo è il principio alla base di un motore elettrico. Questi dispositivi sono costituiti da una disposizione di magneti e bobine di filo di rame tale che quando una corrente scorre attraverso il filo, viene prodotto un movimento di rotazione. I motori elettrici sono ampiamente utilizzati nell’industria e in casa, ad esempio nelle lavatrici e nei lettori DVD.
Misurazione dell’energia elettrica
L’energia si misura in joule, termine che prende il nome dal fisico James Prescott Joule. Un joule è all’incirca la quantità di energia necessaria per sollevare un peso di una libbra (0.45 chilogrammi) per una distanza verticale di nove pollici (22.9 cm). Tuttavia, di solito è più conveniente pensare all’elettricità in termini di potenza, che è energia divisa per il tempo, o per la velocità con cui scorre. Questo dà l’unità forse più familiare del watt, che prende il nome dallo scienziato James Watt. Un watt equivale a un joule al secondo.
Ci sono un certo numero di altre unità che si riferiscono all’elettricità. Il coulomb è l’unità di misura della carica elettrica. Può essere considerato come una quantità di elettroni – 1.6 x 1019 – poiché tutti gli elettroni hanno la stessa carica, molto piccola. L’ampere, solitamente abbreviato in “amp”, è l’unità di misura della corrente elettrica, ovvero il numero di elettroni che scorrono in un dato lasso di tempo. Un amplificatore equivale a un coulomb al secondo.
Il volt è l’unità di forza elettromotrice, o la quantità di energia che viene trasferita per unità di carica, o coulomb. Un volt equivale a un joule di energia trasferita per ogni coulomb di carica. La potenza, in watt, è equivalente a volt moltiplicati per ampere, quindi una corrente di cinque ampere a 100 volt sarebbe equivalente a 500 watt.
Generazione di energia elettrica
La maggior parte dell’elettricità è generata da dispositivi che convertono il movimento rotatorio in energia elettrica, utilizzando lo stesso principio di un motore elettrico, ma al contrario. Il movimento di bobine di filo all’interno di un campo magnetico produce una corrente elettrica. Comunemente, il calore, spesso generato dalla combustione di combustibili fossili, viene utilizzato per produrre vapore che alimenta una turbina per fornire il movimento rotatorio. In una centrale nucleare, l’energia nucleare fornisce il calore. L’energia idroelettrica utilizza il movimento dell’acqua per gravità per azionare la turbina.
L’elettricità generata nelle centrali elettriche è generalmente sotto forma di corrente alternata (AC). Ciò significa che la corrente inverte costantemente la sua direzione, molte volte al secondo. Per la maggior parte degli scopi, l’AC funziona bene, ed è così che l’elettricità raggiunge la casa. Alcuni processi industriali, tuttavia, richiedono corrente continua (DC), che scorre in una sola direzione. Ad esempio, la produzione di alcune sostanze chimiche utilizza l’elettrolisi: la scissione di composti in elementi o composti più semplici utilizzando l’elettricità. Ciò richiede corrente continua, quindi queste industrie richiederanno la conversione da CA a CC o avranno la propria alimentazione CC.
È più efficiente trasmettere elettricità attraverso linee elettriche a tensioni più elevate. Per questo motivo gli impianti di generazione utilizzano dispositivi chiamati trasformatori per aumentare la tensione di trasmissione. Questo non aumenta l’energia o la potenza: quando si alza la tensione, la corrente si riduce e viceversa. La trasmissione di elettricità a lunga distanza avviene a molte migliaia di volt; tuttavia, non può essere utilizzato nelle case a queste tensioni. I trasformatori locali riducono la tensione a circa 110 volt negli Stati Uniti ea 220-240 volt in Europa, per le forniture domestiche.
L’elettricità per piccoli dispositivi a bassa potenza è spesso fornita da batterie. Questi usano l’energia chimica per generare una corrente elettrica relativamente piccola. Generano sempre una corrente continua, e quindi hanno un terminale negativo e uno positivo. Gli elettroni fluiscono dal terminale negativo al terminale positivo quando un circuito è completato.