L’elettricità e le fonti di energia

Lezione del corso di Storia della Tecnologia 19/05/2005Filippo Nieddu

L’elettricità

Studiare l'elettricità significa prendere in esame tutti i fenomeni fisici nei quali sono presenti cariche elettriche, sia in moto che in quiete.

Possiamo suddividere lo studio dell'elettricità in tre grandi categorie:

– elettricità atmosferica, che studia i fenomeni collegati al campo elettrico esistente nell'atmosfera

– elettricità animale, che studia le manifestazioni elettriche relative all'attività dei tessuti viventi.

– elettrologia, che studia i fenomeni elettrici e magnetici e comprende anche lo studio della struttura della materia.

L’elettrologia

Fanno parte dell'elettrologia: – elettrostatica, che studia i fenomeni relativi a cariche elettriche in

quiete in determinati punti dello spazio e le azioni che queste esercitano.

– elettrodinamica classica, che studia il moto dei corpi materiali elettricamente carichi, che ora è completata dalla:

elettrodinamica quantistica, che interpreta su basi quantistiche i fenomeni elettromagnetici dell'infinitamente piccolo connessi al moto di elettroni e protoni.

elettrodinamica relativista classica, che studia le interazioni fra particelle cariche e campi elettrici e magnetici, quando la velocità delle particelle si avvicina a quella delle onde elettromagnetiche e della luce.

– elettromagnetismo (interazioni fra i campi elettrici e magnetici);– elettrotecnica (applicazioni dei fenomeni elettrici e magnetici);– elettronica (moto degli elettroni, utilizzazione e produzione).

Altre ramificazioni “elettriche”

Esistono poi altre tre ramificazioni che provengono da altre scienze:

– elettrochimica, che proviene dalla chimica e studia le interazioni fra energia elettrica e chimica.

– elettroacustica, che proviene dall'acustica e studia la trasformazione dell'energia elettrica in segnali acustici e viceversa.

– elettrofisiologia, che proviene dalla fisiologia e studia i rapporti fra elettricità ed organismi viventi.

Applicazioni tecniche dell'elettricità alla medicina hanno fatto nascere altre branche come:

– Elettrocardiografia, che registra ed interpreta l'attività elettrica del cuore.

– Elettroencefalografia, che registra ed interpreta l'attività elettrica del cervello.

La conducibilità

Lo scienziato inglese Stephen Gray, al termine dei suoi esperimenti sull'elettrizzazione per contatto e per induzione, enunciò, nel 1729, il concetto di materiali isolanti e conduttori, la cui esatta terminologia sarà però introdotta più tardi, nel 1740, dal francese Jean Théophile Desaguiliers.

Ulteriori accurati studi sui materiali isolanti e conduttori vengono svolti, verso nel 1759, dal matematico tedesco Ulrich Theodor Aepinus.

I materiali isolanti, come le resine, lo zolfo, il vetro, la seta, la gommalacca, la mica, e loro composti, o gli oli, non trasmettono l'elettricità perché i nuclei e gli elettroni dei loro atomi non possono variare il loro stato di equilibrio elettrico.

Negli atomi delle sostanze metalliche sono presenti i cosiddetti "elettroni liberi“.

L’elettrochimica

La scoperta della pila da parte di Alessandro Volta ha avuto un'enorme importanza, poiché essa è una sorgente continua di potenza elettrica a bassa tensione (sicura).

La pila di Volta stabilì una netta relazione fra fisica e chimica, dando il via a nuovi campi di ricerca ed aprendo la strada all'elettrochimica. La scoperta di Volta destò uno scalpore paragonabile alla scoperta del reattore nucleare nel XX sec..

La scoperta della pila viene resa nota da Volta con una memoria del 20 marzo 1800, che fa seguito ad una sua lettera a Sir Joseph Banks, emerito protettore delle scienze, nella quale scrive che il suo "elettromotore" è: "..una sorta di bottiglia di Leida debolmente carica, ma di immensa capacità, giacché può fornire elettricità continuamente."

Le basi della pila di Volta

Dal 1792, fra Volta e lo scienziato bolognese Luigi Galvani è nata una lunga diatriba: Galvani, studioso dell'elettricità animale, a seguito delle sue famose esperienze sulle rane, asseriva che i loro muscoli ed i nervi subivano una "irritazione" da parte del fluido elettrico.

La pila servì a Volta per dimostrare che l'elettricità rilevata nella rana da Galvani era dovuta, come dallo stesso Volta scoperto nel 1795, allo stabilirsi di una corrente elettrica quando due conduttori metallici diversi venivano a contatto fra di loro e con un conduttore liquido.

La macchina di von Guericke

Nel 1663 appare, per merito del fisico tedesco e borgomastro di Magdeburgo, Otto von Guericke, la prima macchina elettrostatica a strofinio, in grado di produrre elettricità statica.

• La prima macchina in grado di produrre elettricità statica fu concepita soltanto per dare una dimostrazione delle energie cosmiche. Era costituita da una sfera di zolfo misto a carbonato di potassio, fatta ruotare rapidamente, che, se strofinata dalla mano dell'operatore, diveniva luminosa al buio, attirando una piuma e respingendola a contatto avvenuto.

Le macchine elettrostatiche per strofinio

La macchina elettrostatica è basata sempre sul principio dello strofinio di corpi isolanti che, ora sappiamo, muta lo stato di equilibrio elettrico degli atomi di quei corpi.

Negli anni seguenti le macchine elettrostatiche a strofinio subirono molti perfezionamenti; fra i più significativi citiamo l'adozione di una sfera di vetro da parte di Hawksbee, nel 1705, ed il potenziamento realizzato con un conduttore metallico da Georg Mattias Bose (1710-1761), nel 1744.

Altri perfezionamenti poi furono l'introduzione di cuscinetti di sfregamento ad opera di Johann Heinrich Winkler (1703-1770), sempre nel 1744; la grossa macchina di John Cuthbertson (1743-1806) e Martinus van Marum (1750-1837) del 1784, con dischi in vetro di 165cm di diametro, in grado di produrre 300 scariche al minuto (circa 60kV), e così via.

La macchina di Giuseppe Belli

Le macchine elettrostatiche sono state del solo tipo a strofinio sino al 1831, anno in cui l'italiano Giuseppe Belli realizzò la prima macchina ad induzione, sfruttante il fenomeno dell'elettrizzazione mediante induzione, derivata dall'elettroforo, inventato nel 1775 da Alessandro Volta, di cui ripeteva, con un movimento continuo, il processo di induzione.

L’elettroforo

Il principio di funzionamento dell'elettroforo è il seguente: il piatto Pe di ebanite è caricato negativamente, e quando si avvicina il piatto metallico Pm, sorretto da un'impugnatura isolante Mi, su di esso vengono indotte cariche elettriche, positive sul lato vicino al piatto Pe e negative sull'altro lato. Dato che da Pe non vengono sottratte cariche durante il processo di induzione, Pm può essere ricaricato più volte e si può accumulare, in un apposito ricevitore, una grande quantità di carica. Una macchina ad influenza che ha avuto una notevole diffusione è stata quella realizzata nel 1890 dall'italiano G.Bonelli.

L’ebanite

L' ebanite è un materiale ottenuto nel secolo scorso da Charles Goodyear, sottoponendo la gomma a un prolungato processo di vulcanizzazione. Alcuni articoli fabbricati con ebanite furono esposti nel 1851 al Crystal Palace di Londra. Si tratta di un composto a mezza strada fra le materiale plastiche vere e proprie e la gomma naturale. Durante il prolungato processo di vulcanizzazione si incorporava nella massa dal trenta al cinquanta per cento di zolfo, ottenendo un composto caratterizzato da un elevato potere dielettrico, notevole resistenza ai prodotti chimici, con una certa durezza e rigidità fino a temperature dell'ordine di cinquanta gradi centigradi e con aspetto brillante e lucente. Per molti anni l‘ebanite contrastò il passo, in molte applicazioni, alla celluloide e alle resine fenoliche. Era fornito in semilavorati estrusi, successivamente lavorati all'utensile, oppure stampato per compressione con stampi a due impronte. L‘ebanite ebbe un grande successo nell'industria delle penne stilografiche. Per moltissimi anni fu usata nei separatori per batterie elettriche, ricevitori telefonici, telaietti per lastre fotografiche, bocchini per fumatori e come materiale per odontotecnica.

Le macchine elettrostatiche per induzione

Le macchine elettrostatiche oggi non vengono più usate, se non per dimostrazioni di laboratorio, ad eccezione di una macchina ad induzione, molto sofisticata, inventata nel 1929 dall'americano R.J.Van de Graaff.

Questo generatore elettrostatico viene impiegato per alimentare acceleratori elettrostatici con tubi ad alto vuoto per la produzione di fasci di particelle cariche con grandissime energie, dell'ordine di decine di megaelettronivolt, per ricerche nucleari o per emissione di raggi X.

Tanto per avere un'idea dell'energia di cui sopra, 1 elettronevolt (eV) è eguale a 1,602·10-19J (joule), ossia 1,63·10-20kgm.

Macchine di questo tipo possono generare tensioni sino a 100 Volt.

L’induzione elettromagnetica

Si dice induzione elettromagnetica la produzione di una corrente elettrica in un conduttore per azione di un campo magnetico in movimento. Il campo magnetico può essere prodotto da un magnete permanente, da un elettromagnete o anche da un conduttore percorso da corrente, e non ha alcuna importanza che il magnete stia fermo e il conduttore si muova o viceversa: ciò che conta è che il conduttore e il magnete si muovano "l’uno rispetto all’altro". Questo fenomeno è importantissimo perché su di esso sono basati sia i generatori di corrente elettrica (dinamo e alternatore) sia motori elettrici.

Il campo magnetico

Nel dicembre del 1819 il danese Hans Christian Oersted si accorse che, ad ogni passaggio di corrente in un filo percorso da una corrente elettrica, in una bussola, casualmente vicina al filo, si verifica un'improvvisa deviazione dell'ago magnetico.

A seguito di ciò, pochi mesi dopo, lo scienziato francese Jean Francois Dominique Arago eseguì un altro esperimento: collocò in vicinanza di un filo conduttore della limatura di ferro ed osservò come essa venga attratta dal filo per tutto il tempo che è percorso da una corrente.

Il campo magnetico è prodotto da una forza, detta "magnetomotrice", e tanto essa è maggiore, tanto è più intenso il campo magnetico, ossia è maggiore il numero delle linee di forza nella superficie unitaria.

Faraday e l’elettromagnetismo

Le relazioni tra elettricità e magnetismo costituirono il problema fondamentale nell'opera di Michael Faraday, che pose le basi teoriche e formulò le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo. Nel 1831, Faraday scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica producendo correnti elettriche mediante variazioni di campi magnetici e spiegò il fenomeno introducendo il fondamentale concetto di linee di forza.

Maxwell e le onde elettromagnetiche

Dai lavori di Faraday prese le mosse J. C. Maxwell, che, nel fondamentale Treatise on Electricity and Magnetism (1873, Trattato di elettricità e di magnetismo), condensò tutta la teoria in sei equazioni che collegavano in un unico edificio l'elettricità, il magnetismo e l'ottica e introducevano il concetto di onda elettromagnetica. H. Hertz, in seguito, verificò le ipotesi teoriche di Maxwell e riuscì a produrre onde elettromagnetiche che, come la luce, potevano essere riflesse, rifratte e polarizzate, aprendo la via allo sviluppo delle radiotelecomunicazioni.

Generatori e motori elettrici

Sono macchine elettriche rotanti, usate per convertire energia elettrica in energia meccanica o viceversa. In particolare, le macchine che trasformano energia elettrica in energia meccanica sono dette motori elettrici, quelle che eseguono l'operazione inversa sono invece chiamate generatori elettrici.

Il funzionamento delle macchine elettriche rotanti si basa su due fenomeni fisici correlati. Il primo è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, scoperto da Michael Faraday: se un conduttore si sposta in un campo magnetico, o più precisamente, se varia il flusso concatenato con il conduttore, in quest'ultimo è indotta una corrente elettrica. Il secondo fenomeno fu invece osservato per la prima volta nel 1820 dal fisico francese André-Marie Ampère: un conduttore percorso da corrente e immerso in un campo magnetico è sottoposto a una forza che dipende dalla geometria del sistema.

I generatori elettrici a corrente alternata: gli alternatori L'alternatore è composto da due elementi: il

rotore e lo statore. Il rotore è fatto ruotare da un albero motore che gli trasmette l'energia meccanica.

Il rotore è un elettromagnete che produce un campo magnetico in movimento; si compone di un supporto di lamierini di ferro attorno ai quali sono avvolte una serie di bobine alimentate in corrente continua. Lo statore avvolge il rotore e ha il compito di generare energia elettrica.

Lo statore si compone di un supporto di lamierini di ferro con bobine di filo di rame isolato nelle quali si genera, per induzione, la forza elettromotrice. Poiché ogni rotazione del rotore il verso della corrente si inverte, l'alternatore produce corrente alternata.

I generatori elettrici a corrente continua: le dinamo Al contrario dell'alternatore, nella dinamo il

rotore genera la corrente e nello statore si trova l'elettromagnete ad anello. Nella dinamo ogni anello è composto da due mezzi anelli indipendenti, detti commutatori, che nel movimento rotatorio si scambiano continuamente le spazzole. Ogni spazzola  riceve sempre corrente nello stesso verso producendo così corrente continua.

La dinamo è stata il primo generatore di corrente elettrica. Le principali applicazioni si hanno nella rete elettrica per tram e filobus.La dinamo è meno usata dell'alternatore perché l'energia elettrica prodotta non può essere trasformata in alta tensione e trasmessa con costi convenienti come avviene con la corrente alternata.

I motori elettrici L'energia elettrica, attraverso l’induzione

elettromagnetica, è in grado di mettere in movimento una parte rotante (rotore) che attraverso meccanismi di vario genere aziona macchine o altre apparecchiature. Vi sono motori elettrici che funzionano con corrente continua ed con corrente alternata.

Il motore elettrico a corrente continua ha il pregio di assorbire una potenza quasi costante alle diverse velocità di rotazione, ma è utilizzato solo nella trazione elettrica (tram, filovie e linee metropolitane).

Il motore a corrente alternata è costruttivamente più semplice  e per il suo alto rendimento viene applicato in tutti i settori industriali. Il motore a corrente alternata può funzionare come generatore di corrente.

Il petrolio / 1

Il petrolio / 2

Riferimenti bibliografici essenziali

Charles SINGER (ed.), Storia della tecnologia, Torino : Bollati Boringhieri, 1995

http://www.physics.ohio-state.edu/~kagan/phy367/P367_articles/Oil/chron.html

http://www.oilnergy.com/1onymex.htm