HiW: How it Works? L’elettricità.

How it Works – Come funziona? Una domanda che un vero nerd© che si rispetti si pone spesso, chiedendosi come il mondo che lo circonda funzioni e vada avanti. Con questa piccola rubrica voglio illustrare in maniera semplice il funzionamento di ciò che ci sta attorno e ormai diamo per scontato oppure di cose che abbiamo visto raramente, chiedendoci “Come diamine farà a funzionare?”

Come primo capitolo ho pensato di partire dalla base più base, descrivendo il funzionamento di una delle risorse più sfruttate e usate degli ultimi cento anni: l’elettricità. Senza di essa il mondo moderno non esisterebbe, saremmo ancora fermi al 1880 quando tutto andava (gloriosamente, lasciatemelo dire) avanti grazie alla forza bruta della meccanica leggera e pesante. L’elettricità è tutta intorno a noi: nell’aria, nei computer e negli smartphones, muove automobili e treni, ma come fa a fare tutto e soprattutto, come viene generata?

IT’S SCIENCE TIME!

Partiamo dalla base, la domanda fondamentale: Cos’è l’elettricità? Innanzitutto occorre specificare, perché con elettricità si intendono un mucchio di fenomeni legati alla forza elettromagnetica, noi parleremo quindi di Corrente elettrica/Tensione elettrica. Una corrente elettrica è un moto ordinato di cariche elettriche, ossia la quantità di cariche elettriche che attraversa una determinata superficie in un lasso di tempo. Per semplificare il concetto ci riferiremo alla cariche elettriche parlando di Elettroni, ossia le particelle subatomiche con carica negativa che compongono lo strato esterno delle atomi. Gli elettroni sono, nella stragrande maggioranza dei casi, i portatori veri e propri delle cariche, le particelle che muovendosi “spostano” la corrente.

Quando si parla di corrente elettrica ci si riferisce ad essa con il nome di Intensità, abbreviato I, la cui unità di misura nel Sistema Internazionale sono gli Ampere. Se guardassimo alla corrente elettrica come a un fiume, potremmo paragonarla alla portata del fiume, ossia la quantità d’acqua che scorre in esso ogni secondo.

In secondo luogo viene la Tensione elettrica, chiamata anche Differenza Di Potenziale (Abbr. D.D.P.) nota ai più come Voltaggio, abbreviato V. Voltaggio in onore di Alessandro Volta, il fisico italiano (anche stampato sulle banconote da 10.000 lire) che inventò il primo generatore elettrico: la Pila di Volta. La DDP è ciò che in un circuito chiuso mantiene in movimento gli elettroni, facendo si che essi si spostino continuamente, generando un flusso di corrente. Anche qui possiamo fare un paragone con il sopracitato fiume: il voltaggio può essere rappresentato come la forza con cui si muove l’acqua.

Ma queste due componenti rappresentano solo i 2/3 di quello che ci serve conoscere, il loro prodotto infatti genera la terza e ultima unità di misura che ci serve conoscere: la potenza, detta anche (impropriamente) wattaggio. La potenza, abbreviata P, porta l’unità di misura chiamata Watt (abbr W). Per fare un esempio comune, la potenza massima erogabile dall’impianto elettrico è di circa 3000W (3kW), se moltiplicate infatti 220 volt (la tensione che esce dalle prese di casa) per 15 ampere otterrete 3300W. Ovviamente sono calcoli bruti, ci sono molte più cose da tenere in conto, a partire dal fatto che la tensione di casa è A) alternata (vedremo in seguito) e B) non sempre a 220V precisi.

Un semplice esempio di circuito chiuso.

Qui sopra vediamo un esempio pratico che potrebbe benissimo essere una torcia elettrica casalinga. Una batteria collegata ad una lampadina (chiamata anche carico) mostra il modo in cui la corrente si muove dal polo positivo, da energia alla lampadina e poi completa il suo percorso tornando al polo negativo. Se supponiamo che ai due capi di quella batteria si generi una DDP pari a 9V continui e un’emissione di corrente (chiamati Ampere Ora nelle batterie) pari a 3A allora significa che potrà fornirci al massimo una potenza di 27 Watt.

Ok ok tutto bellissimo, ma non ci hai ancora spiegato come viene generata!

Rispondere a questa domanda in modo semplice è piuttosto arduo, ma ci si prova. Il componente principale tramite il quale si produce energia elettrica è l’alternatore. Un alternatore è una macchina elettrica molto simile al motore di una lavatrice, solo che funziona al contrario. Al suo interno si trovano due parti; una fissa e l’altra mobile. Quella fissa (statore) è composta da un numero ben definito di avvolgimenti di rame, strettamente chiusi attorno a delle lamine di ferro. La parte mobile (rotore) invece è costituita da un numero sempre specifico di elettromagneti, i quali ruotando indurranno una corrente elettrica negli avvolgimenti di rame. Non c’è un modo semplice per spiegare l’induzione elettromagnetica, ma si può dire che il rapido alternarsi delle polarità del campo magnetico (+ – + – + -…) spinge gli elettroni presenti nel rame a muoversi, generando un flusso di corrente.

I metodi per mettere in movimento gli alternatori sono molto semplici: collegare il rotore ad una turbina e metterla in rotazione con il metodo più efficiente possibile (vapore generato da calore, acqua corrente, turbine eoliche…) oppure si può ricorrere ai pannelli fotovoltaici, i quali generano piccole DDP se esposti alla luce del sole.

Alternatori di inizio novecento.

Hai parlato di corrente continua,è qualcosa di particolare?

A dire il vero si, molto particolare. Nel mondo dell’energia elettrica ci sono due grosse distinzioni, le quali determinano anche due grandi campi di utilizzo della stessa. Stiamo parlando della distinzione fra corrente continua e corrente alternata. La prima è quella che ci forniscono pile e batterie, una corrente lineare e come dice il nome, continua. Fino al 1880 circa era la più usata, Edison stesso la promuoveva e sfruttava per alimentare le sue lampadine, almeno fino a quando Tesla nel 1888 non lo scalzò (con non pochi problemi) dal trono, con l’invenzione della corrente alternata. Fondamentalmente la corrente continua aveva diversi svantaggi, fra i quali la difficoltà nell’essere trasmessa a grandi distanze, la difficoltà nel costruire le dinamo e la loro inefficienza.

La corrente alternata, a differenza di quella continua, non è regolare, ma pulsa nel tempo in modo regolare, alternandosi fra pulsazioni positive e negative. In soldoni è come se la corrente alternata cambiasse di segno con regolarità, più precisamente 50 volte al secondo (50 Hz per europa, asia e africa). Grazie ad una maggiore semplicità ed efficienza degli alternatori, unita al fatto che poteva (grazie ai trasformatori) essere trasportata per distanze enormi con perdite minuscole, la corrente alternata diventò ben presto lo standard mondiale, in uso ancora adesso.

Grafico che illustra vari tipi di corrente. Continua rosso e alternata in verde.

Ovviamente la corrente continua non ha solo svantaggi, essendo possibile conservarla in batterie e accumulatori tutt’ora viene utilizzata in ogni genere di dispositivo mobile e non, automobili e computer portatili. Grazie alle tecnologie odierne si possono utilizzare alternatori per produrre corrente alternata, la quale poi verrà resa continua grazie a circuiti particolari (raddrizzatori) e accumulata nelle batterie.

Ho sentito parlare molte volte di corto circuito, ma cosa significa di preciso? 

Un circuito sotto tensione, casalingo, industriale o che altro, deve avere sempre almeno al suo interno un “carico” che ne limiti il passaggio di corrente. Se si prende un cavo semplice e lo si collega fra i due poli di una presa (don’t try this at home!!!) si ha ai capi dello stesso una tensione quasi nulla e una resistenza elettrica praticamente pari a zero, consentendo quindi il passaggio di quantità elevatissime di corrente, la quale per effetto Joule (un conduttore attraversato da una corrente elettrica disperde energia sotto forma di calore in funzione dell’intensità della corrente stessa) raggiungerà temperature elevatissime, sino alla diretta fusione del cavo.

Ovviamente un circuito normale contiene migliaia di componenti, quindi il problema non si pone, ma bisogna sempre tener conto che la corrente elettrica cerca sempre la via a minor resistenza elettrica da percorrere, se quindi per poca attenzione o casualità si viene a creare una possibilità di corto circuito, questa verrà sicuramente sfruttata, causando anche gravi danni.

Direi quindi che come prima infarinatura nel mondo dell’elettricità è abbastanza. Senza andare troppo nello specifico ho cercato di illustrare come potevo (non sono un professore, sigh) i principi di funzionamento dei questa energia e le sue principali caratteristiche. Chi lo sa, magari un giorno un nuovo HiW illustrerà qualcosa di più specifico, per ora stay tuned e seguiteci per nuovi articoli!