L’elettricità e le fonti di energia
Lezione del corso di
Storia della Tecnologia
19/05/2005
Filippo 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:
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–
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:
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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:
–
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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:
–
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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:
–
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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.ohiostate.edu/~kagan/phy367/P367_articles/Oil/chron.html
http://www.oilnergy.com/1onymex.htm
