È una forza fondamentale della natura che alimenta praticamente tutti gli aspetti della vita moderna, dall’illuminazione e dal riscaldamento delle nostre case e dei nostri edifici all’alimentazione dei nostri veicoli e dell’elettronica. È una forma di energia che ha rivoluzionato il mondo. È una parte fondamentale della vita moderna, alimentando qualsiasi cosa, dagli elettrodomestici e l’illuminazione ai trasporti e alle apparecchiature mediche. Comprendere e capire il funzionamento della corrente elettrica diventa un aspetto fondamentale per permetterci di comprendere meglio i costi dell’energia in bolletta ed essere più consapevoli sull’utilizzo di quest’ultima.
Di seguito una spiegazione chiara e completa per capire cos’è e come funziona la corrente elettrica di casa, andando a parlare anche di intensità elettrica e delle modalità per generarla e misurarla.
Cos’è la corrente elettrica?
Con il termine Corrente Elettrica andiamo ad indicare lo spostamento delle cariche elettriche negative (quelle che vengono definite elettroni) all’interno di un conduttore, generalmente metallico. Un esempio pratico di un conduttore (filo) può essere quello della classica lampadina (ad incandescenza – no Led) dove è presente, al suo interno, un filo. Quel filo, metallico – generalmente di Tungsteno, è quello che noi indichiamo come conduttore. Il conduttore viene attraversato da cariche elettriche, gli elettroni. La prima cosa che viene spontanea da chiederci è quindi: esiste carica elettrica all’interno di un conduttore? La risposta è sì, la materia è fatta di molecole, le molecole sono fatte di atomi e gli atomi sono fatti di carica elettrica (elettroni). Queste cariche elettriche nel conduttore non sono mai ferme ma si muovono in maniera disordinata.
Se vado invece a valutare la velocità, per un certo verso, all’interno del conduttore vediamo che il valore è zero. Questo è dovuto al fatto che non vi è presenza di corrente elettrica. Se noi colleghiamo il nostro conduttore ad una batteria, allora quella batteria creerà un flusso di corrente elettrica. Il flusso di corrente elettrica è dovuto al fatto che si crea una differenza di potenziale. Il flusso produrrà un movimento di cariche. Gli elettroni inizieranno a muoversi per mantenere il sistema in equilibrio e compensare questa differenza di potenziale. Il movimento delle cariche elettriche dipende da dove è presente il difetto di carica (polo positivo) rispetto all’eccesso di carica (polo negativo). Le cariche elettriche (elettroni) si sposteranno quindi dal polo negativo in cui esiste un eccesso di elettroni, verso il polo positivo, dove c’è invece una carenza.
Convenzionalmente il verso della corrente elettrica è stato definito all’inverso; dobbiamo quindi pensare al verso della corrente elettrica dal polo positivo a quello negativo e non il contrario. Il verso della corrente elettrica è quindi inverso al movimento degli elettroni con una spinta che dipende dalla differenza di potenziale, conosciuta come tensione ed espressa in volt (V).
Da qui si capisce il concetto di Corrente Elettrica: è un movimento ordinato di cariche all’interno di un conduttore.
Grandezze fisiche
Parlando di Corrente elettrica, esistono delle grandezze fisiche che la caratterizzano: una di queste grandezze si chiama Intensità di corrente.
Intensità di corrente
L’intensità di corrente è una grandezza fisica fondamentale, una delle sette grandezze del sistema internazionale. L’intensità è una grandezza unitaria perché è il rapporto tra due grandezze fisiche. L’intensità di corrente è il rapporto tra la quantità di carica che passa attraverso la sezione di un conduttore e il tempo impiegato per attraversarla.
L’intensità di corrente si indica con la lettera i e l’unità di misura utilizzata è l’Ampere (A). Per rendere l’idea 1 Ampere corrisponde a 10-19 elettroni al secondo che passano in una data sezione di un conduttore…stiamo parlando quindi di circa 6 miliardi di elettroni.
La possiamo definire con la formula:
i = Δq / Δt (le unità di misura dei vari elementi sono: coulomb per la quantità di carica, i secondi per il tempo e gli Ampere per l’intensità)
Tensione di corrente
La tensione di corrente o tensione elettrica, è una grandezza fisica proporzionale alla quantità di energia richiesta per muovere una carica elettrica tra due punti nello spazio. È l’energia necessaria a spostare una carica elettrica unitaria dal punto a al punto b. In un generatore elettrico, la tensione è la forza che ‘sposta’ le cariche elettriche e le mette in movimento nel circuito.
La possiamo definire con la formula:
V = W / Q
Da questa formula possiamo dire quindi che la tensione è il rapporto tra l’energia (W) fornita alla carica elettrica per spostarla tra due punti e la quantità della carica elettrica (Q) stessa.
Differenza tra Tensione continua e Tensione alternata
Come la corrente elettrica (lo vedremo nei prossimi paragrafi) anche la tensione può essere alternata o continua. La tensione continua è costante nel tempo; è anche detta tensione stazionaria ed è solitamente fornita da una batteria. Si indica con la lettera V maiuscola (costante). La tensione alternata varia nel corso del tempo. Può essere fornita da un generatore elettrico. Si indica con la lettera v minuscola (variabile).
Cosa possiamo misurare con intensità e tensione?
L’intensità e la tensione permettono di determinare altre caratteristiche della corrente elettrica. Il prodotto tra queste due ci dà la potenza che viene espressa in Watt. Una seconda caratteristica che possiamo desumere è il consumo di energia elettrica espressa in kWh, che non è altro che il prodotto tra potenza per il tempo (un’ora).
Densità di corrente
Parlando di intensità di corrente, dobbiamo introdurre un altro concetto: quello di densità di corrente. La densità di corrente è definibile come una certa intensità di corrente che passa attraverso una sezione, fratto il valore della sezione. Mentre l’intensità si misura in Ampere, la densità si misura A/mq2.
La densità segue da un punto di vista della direzione e del verso il verso e direzione della velocità di flusso delle cariche.
Corrente continua e corrente alternata
Temi molto importanti quando parliamo di corrente elettrica sono la corrente elettrica continua e quella alternata.
La corrente continua è quella corrente dove l’intensità (di corrente) non cambia nel tempo ma rimane stabile. In realtà piccolissime variazioni sono sempre presenti ma sono veramente di poca importanza.
Quella invece presente nelle nostre case è la corrente alternata. Da cosa si differenzia da quella continua? In questo caso, nella corrente elettrica alternata, il movimento delle cariche elettriche non è lineare nel tempo ma varia; ha un andamento di tipo sinusoidale. Varia quindi passando da un campo positivo ad uno negativo e viceversa e queste variazioni sono molte. Se dovessimo quantificarle, potremmo dire che sono circa 50 ogni secondo. (anchor 1)
La cosa importante è che, nella corrente elettrica alternata, la quantità di carica varia nel tempo, non rimane costante.
Ma perché utilizziamo a casa la corrente alternata? Il sistema elettrico presente nelle nostre case è progettato per funzionare con corrente elettrica alternata trifase a 50Hz (vi ricordate le variazioni quante erano?)
Il fatto che questa corrente sia ‘Trifase’, indica che l’elettricità viene trasportata attraverso 3 conduttori, tra i quali vi è una determinata tensione con la curva sinusoidale che compie 50 cicli ogni secondo.
Quali sono i benefici di utilizzare la corrente alternata? Principalmente sono di tipo economico…il ‘trasporto’ dell’elettricità, soprattutto per lunghe distanze è più efficiente ed economico con la corrente elettrica alternata.
Quando invece parliamo di produzione di corrente elettrica le cose cambiano. La produzione avviene sempre generando elettricità in corrente elettrica continua. Questa viene convertita tramite apposite apparecchiature in corrente alternata, gli inverter.
Gli inverter sono strumenti che permettono di utilizzare l’energia prodotta da un impianto, come ad esempio un impianto fotovoltaico, in corrente elettrica alternata.
Nota bene: molte delle apparecchiature presenti nelle nostre abitazioni, come il classico Notebook, funzionano a corrente elettrica continua; in questo caso l’alimentatore del nostro Notebook trasformerà nuovamente la corrente elettrica da alternata a continua.
Come viene prodotta la corrente elettrica?
Parlare di produzione di corrente elettrica non è propriamente corretto. L’Energia non si produce ma si trasforma da una fonte in un’altra. Segue la legge della conservazione di Lavoisier: “Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”.
La corrente elettrica viene ‘prodotta’ nelle centrali elettriche utilizzando varie risorse, tra cui carbone, petrolio, gas naturale, energia nucleare e fonti di energia rinnovabile come solare ed eolica.
Nelle centrali termiche il generatore è azionato dal calore generato dalla combustione del combustibile, mentre nelle centrali nucleari il calore è generato dalle reazioni nucleari. In questi casi parliamo di energia termoelettrica in quanto l’energia termica prodotta dalla combustione aziona turbine le quali alimentano degli alternatori.
Le fonti energetiche rinnovabili, come il solare e l’eolico, non inquinano e sono considerate le più rispettose dell’ambiente. L’energia solare viene generata utilizzando celle fotoelettriche che convertono la luce solare in elettricità. Per quanto riguarda invece gli impianti eolici, viene adoperata l’energia del vento per azionare delle pale collegate ad un rotore. Le turbine eoliche generano elettricità sfruttando l’energia cinetica del vento. Il movimento delle pale fa muovere il rotore che mette in funzione un generatore che converte tale movimento in corrente elettrica.
Efficienza e conservazione
L’efficienza è un aspetto critico della generazione e del consumo di corrente elettrica. Tecnologie come centrali elettriche avanzate, reti intelligenti ed elettrodomestici ad alta efficienza energetica hanno contribuito a ridurre gli sprechi e ad aumentare l’efficienza.
Il risparmio energetico è un modo efficace per ridurre il consumo di corrente elettrica. Semplici misure come lo spegnimento di luci ed elettrodomestici quando non sono in uso, l’utilizzo di apparecchi ad alta efficienza energetica e l’installazione di illuminazione ad alta efficienza energetica possono ridurre significativamente il consumo di corrente elettrica. Tecnologie come i sistemi di stoccaggio dell’energia e le reti intelligenti svolgeranno un ruolo essenziale nel garantire energia affidabile e sostenibile. I sistemi di accumulo di energia, come le batterie agli ioni di litio, possono immagazzinare l’energia generata da fonti rinnovabili e renderla disponibile per l’uso quando necessario. Le reti intelligenti consentiranno alle utility di monitorare e controllare il flusso di corrente elettrica, garantendo una fornitura stabile e affidabile.
Misurazione della corrente elettrica
Come precedentemente indicato, la corrente elettrica o meglio, la sua intensità viene misurata con l’unità di misura dell’Ampere (A). Lo strumento che ci consente quindi di misurare la corrente elettrica è l’amperometro. Spesso però abbiamo necessità di fare misurazioni più sensibili dell’ordine dei milliampere per la corrente elettrica…in questo caso lo strumento ideale è il galvanometro.
La tensione elettrica viene invece misurata con il Voltmetro, strumento in grado di misurare la differenza di potenziale tra due punti (es. i poli della presa di corrente).
Ma per l’energia che utilizziamo tutti i giorni nelle nostre case? Beh, in ogni casa è presente un contatore elettrico. Il contatore è uno strumento avanzato che permette di misurare il consumo di elettricità per l’abitazione. Il consumo viene indicato con i kWh.
Conclusione
La corrente elettrica ha cambiato il mondo in modi che solo poche centinaia di anni fa non si sarebbero potuti immaginare. È un elemento critico della vita moderna, che alimenta tutto, dai servizi essenziali come gli ospedali alle tecnologie di intrattenimento e comunicazione. Comprendere le basi dell’elettricità è fondamentale per chiunque. Mentre continuiamo la transizione verso le fonti energetiche rinnovabili, la generazione di elettricità efficiente e sostenibile diventerà sempre più importante per ridurre le emissioni di gas a effetto serra e combattere il cambiamento climatico.