Che cos'è l'energia elettrica?

L'energia elettrica deriva dal movimento di una carica elettrica e viene comunemente definita semplicemente "elettricità". Alla fine, ha la sua origine nella forza elettromagnetica: una delle quattro forze fondamentali della natura e quella responsabile del comportamento di 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 fondamentale per l'industria moderna, la tecnologia e, nella maggior parte dei paesi, la vita domestica.

L'origine dell'energia elettrica

Esistono due tipi di carica elettrica, chiamata positiva e negativa. Se due oggetti caricati elettricamente si avvicinano l'uno all'altro, sperimenteranno una forza. Se le cariche sono le stesse - sia positive che entrambe negative - la forza agirà per allontanare gli oggetti gli uni dagli altri. Se hanno cariche diverse, si attrarranno l'un l'altro. 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 caricati positivamente, con elettroni caricati negativamente in orbita attorno ad esso. I protoni normalmente restano inseriti nel nucleo, ma gli elettroni possono spostarsi da un atomo all'altro, consentendo loro di fluire attraverso materiali, come i metalli, che conducono l'elettricità. Un posto con un eccesso di elettroni rispetto ai protoni avrà una carica negativa; un posto con un deficit avrà una carica positiva. Poiché le cariche opposte si attraggono a vicenda, gli elettroni scorreranno da un'area caricata negativamente a una caricata positivamente se consentito, creando una corrente elettrica.

Utilizzando 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 attraversa 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 pochissimo. Per questo motivo, i fili e i cavi di rame sono comunemente usati per trasmettere elettricità: quando viene prodotto calore, l'energia viene persa, quindi un buon conduttore minimizza 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, ad 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 brilla - lo stesso principio del lampo. Successivamente è stata introdotta la lampadina a filamento: questo si basa sulla corrente che fa brillare un filo sottile a spirale bianco-caldo. Le moderne lampadine a risparmio energetico trasmettono 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 fluisce attraverso un filo produrrà movimento se sperimenta un campo magnetico. Questo è il principio alla base di un motore elettrico. Questi dispositivi consistono in una disposizione di magneti e bobine di filo di rame in modo 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 in lavatrici e lettori DVD.

Misurazione dell'energia elettrica

L'energia è misurata in joule, un termine che prende il nome dal fisico James Prescott Joule. Un joule è approssimativamente la quantità di energia richiesta per sollevare un peso di una libbra (0,45 chilogrammi) ad una distanza verticale di 22,9 cm. Tuttavia, di solito è più conveniente pensare all'elettricità in termini di energia, che è energia divisa per il tempo o per la velocità con cui scorre. Questo dà l'unità forse più familiare del watt, dal nome dello scienziato James Watt. Un watt equivale a un joule al secondo.

Esistono numerose altre unità relative all'elettricità. Il coulomb è l'unità di carica elettrica. Può essere considerato come una quantità di elettroni - 1,6 x 10 ¹⁹ - poiché tutti gli elettroni hanno la stessa carica, molto piccola. L'ampere, di solito abbreviato in "amp", è l'unità di corrente elettrica, o il numero di elettroni che scorrono in un dato periodo 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 che viene trasferito per ogni coulomb di carica. La potenza, in watt, equivale a volt moltiplicata per gli amplificatori, quindi una corrente di cinque amp a 100 volt equivarrebbe a 500 watt.

Generazione di energia elettrica

La maggior parte dell'elettricità è generata da dispositivi che convertono il movimento di rotazione in energia elettrica, usando 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 di rotazione. In una centrale nucleare, l'energia nucleare fornisce il calore. L'energia idroelettrica utilizza il movimento dell'acqua sotto gravità per guidare 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, AC funziona bene ed è così che l'elettricità raggiunge la casa. Alcuni processi industriali, tuttavia, richiedono corrente continua (CC), che scorre in una sola direzione. Ad esempio, la produzione di determinati prodotti chimici utilizza l'elettrolisi: la scissione di composti in elementi o composti più semplici mediante 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 la tensione viene aumentata, la corrente viene ridotta 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 e 220-240 volt in Europa, per le forniture domestiche.

L'elettricità per piccoli dispositivi a bassa potenza è spesso fornita da batterie. Questi usano 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 a quello positivo quando un circuito è completato.