Proseguo nel trasferimento nel mio blog dei miei post di Elettrotecnica su Facebook, che avevano lo scopo di vedere se qualcuno fosse interessato ad una divulgazione tecnica. Come detto si trattava di una rivisitazione del Corso di Elettrotecnica di Base che avevo scritto 23 anni fa. L'idea era quella, dato il target, di usare nel testo il meno possibile formule matematiche, da inserire solo in una scheda grafica di accompagnamento. Ma il target è praticamente inesistente.
Non so se qui possa interessare a qualche nuovo iscritto. Ad ogni modo mi sforzo di tenere in vita questo spazio. Purtroppo non ho molte cose tecniche nuove ed interessanti da proporre, quindi riciclo le poche che possedevo (...forse...spero almeno) :-(

Energia

L’energia, concetto fondamentale della fisica, non è semplice da definire in modo generale. Si può dire che indica la proprietà di un sistema di provocare un cambiamento come, ad esempio, esercitare su un corpo una forza e spostarlo. Il prodotto della forza per lo spostamento nella direzione della forza è chiamato lavoro, per cui si può anche dire che l’energia rappresenta la possibilità di in sistema di produrre lavoro.

L’energia si manifesta in molte forme: meccanica, termica, chimica, elettrica, nucleare. Non esiste un valore assoluto per l’energia di un sistema. Essa è un valore relativo rispetto ad un riferimento al quale si può attribuire arbitrariamente il valore nullo. Del resto il valore assoluto non ha interesse.

I fenomeni fisici comportano variazioni di energia ed esiste un principio fondamentale nella fisica, il primo principio della termodinamica, che afferma che rimane costante l’energia totale del sistema chiuso, cioè non interagente con altri sistemi, in cui essi avvengono. È il principio di conservazione dell’energia che si può anche descrivere con il “nulla si crea e nulla si distrugge ma tutto si trasforma” attribuito a Lavoisier, il quale lo enunciava come principio di conservazione della massa.

Einstein ha però dimostrato, con la sua famosa equazione, che massa ed energia si equivalgono: una massa corrisponde ad un’energia pari al prodotto della massa per il quadrato della velocità della luce.
Per descrivere ed interpretare una trasformazione non è necessario considerare tutti i tipi di energia presenti, ma solo quelli che variano. Ad esempio, per un sasso che cade al suolo non è necessario considerare la sua energia chimica o nucleare, che possiede, ma solo l’energia meccanica.
L’energia meccanica è la somma di energia potenziale ed energia cinetica.

L’energia potenziale di un sistema è determinata dalla configurazione o dalla posizione che quel sistema ha nel campo di forze a cui esso è sensibile. Un campo di forze è una porzione di spazio in cui in ogni punto è presente una forza che agirà su un oggetto posto in quel punto e che sia sensibile a quella forza. Ad esempio, il campo gravitazionale è lo spazio che circonda una massa la quale produce in ogni punto una forza che può agire su un’altra massa. Qualsiasi massa produce un suo campo gravitazionale per cui il campo gravitazionale effettivo è la composizione dei campi gravitazionali di tutte le masse presenti in quello spazio, quindi anche di quella in esame. Com’è intuitivo però, se una massa è enormemente maggiore delle altre in pratica il campo gravitazionale effettivo è praticamente quello da essa prodotto.

È detta potenziale in quanto il corpo o sistema che la possiede la può trasformare ad esempio in un lavoro. Nel caso in cui il sistema sia il sasso, la sua energia potenziale, assumendo arbitrariamente che essa sia nulla quando è al suolo, è data dal prodotto della sua massa per la sua altezza dal suolo e per l’accelerazione di gravità corrispondente al punto in cui si trova che si può considerare costante nelle situazioni più comuni.
L’accelerazione di gravità è la forza di gravità agente sull’unità di massa. Questa energia potenziale è detta gravitazionale in quanto dipende dalla forza di gravità. Se è libero di muoversi, quindi se non c’è un’altra forza che equilibra la gravità, il sasso cade al suolo e mano a mano che scende, diminuendo la distanza dal suolo, diminuisce l’energia potenziale fino a che essa diventa nulla al suolo. Contemporaneamente però, aumenta la sua energia cinetica, energia legata alla velocità, matematicamente data dalla metà del prodotto della sua massa per il quadrato della velocità. In ogni istante del moto la somma dell’energia potenziale e della energia cinetica è costante: questo è il principio di conservazione dell’energia. Dopo l’impatto con il suolo anche la velocità, quindi anche l’energia cinetica si annulla. Per il suddetto principio però l’energia non può scomparire, ma solo trasformarsi: essa si trasforma infatti integralmente in energia termica. L’energia termica di in corpo è legata alla velocità delle particelle che compongono i corpi considerati, quindi è una energia cinetica. In pratica nell’urto con il suolo l’energia cinetica del sasso si trasferisce alle particelle di sasso e suolo aumentandone la velocità di vibrazione, ciò che corrisponde ad un aumento della temperatura. Anche durante il moto si dovrebbe tenere conto che parte dell’energia potenziale di partenza si trasforma in energia termica per l’attrito con l'aria. Nei calcoli che di solito si fanno però si possono apportare delle semplificazioni ignorando le trasformazioni che possono ritenersi trascurabili.
Oltre alla gravitazionale esistono numerose altre energie potenziali.

Quella elastica, a esempio: si pensi ad una molla. Se compressa od allungata applicando una forza essa acquista energia potenziale che dipende dalla deformazione, precisamente dal suo quadrato oltre che dal tipo di molla di cui si tien conto con la costante di elasticità.
Ci sono poi altre energie potenziali: quella chimica, dovuta alle forze che legano gli atomi nelle molecole, oppure quella nucleare dovuta alle forze che tengono insieme protoni e neutroni nel nucleo. L’energia dei combustibili fossili è una energia potenziale chimica. I fossili sono idrocarburi cioè molecole in cui sono legati carbonio ed idrogeno. Nel processo di combustione tali legami si rompono formandone altri con l’ossigeno e liberando energia termica e luminosa.
L’energia potenziale elettrica è invece quella posseduta dalle cariche elettriche all’interno di un campo elettrico generato da una determinata distribuzione di cariche.

Il campo elettrico in ogni punto è definito dalla forza che agisce sull’unità di carica.

Se le cariche nel campo elettrico possono muoversi, danno origine ad una corrente elettrica e trasformano la loro energia potenziale in energia cinetica. La corrente elettrica dà origine ad un campo magnetico. Il campo magnetico si manifesta come una forza su una carica in movimento che agisce perpendicolarmente alla direzione della velocità. La forza specifica che lo definisce è quella applicata perpendicolarmente ad ogni metro di conduttore percorso dalla corrente di un ampere ed è detta induzione magnetica. Il campo magnetico rende disponibile una energia che chiameremo magnetica e che si può interpretare come energia intrinseca della corrente. Trasformando l’energia magnetica si può ottenere energia meccanica. Vale anche il viceversa. Su questa bilaterale catena di trasformazioni si basano le macchine elettriche usando l’energia magnetica come mezzo intermedio di trasmissione: i motori trasformano l’energia elettrica in energia meccanica, i generatori l’energia meccanica in energia elettrica . La corrente elettrica produce anche altri fenomeni come luce e calore o reazioni chimiche a seconda dei corpi in cui si stabilisce. È la forma di energia più flessibile che ha però il difetto di non esistere in natura come fonte di energia potenziale direttamente disponibile. Occorre costruire macchine che in tempo reale devono fornire l’energia elettrica richiesta, trasformandola da altre fonti come i combustibili fossili (nelle centrali termoelettriche) o l’energia gravitazionale di acqua accumulata in appositi bacini (nelle centrali idroelettriche) o da materiali fissili (nelle centrali nucleari) o dalla radiazione solare (negli impianti fotovoltaici) o dal vento (nelle centrali eoliche) o dall’energia chimica di batterie. L’energia di una massa data dalla famosa equazione di Einstein citata non è considerata una energia potenziale perché non dipende dalla configurazione della massa rispetto ad un campo di forze, ma è una energia intrinseca della massa stessa.
L’unità di misura dell’energia nel sistema internazionale è il joule [J] che è il prodotto di newton [N] unità di misura della forza per il metro [m] unità di misura delle lunghezze.

Potenza

La velocità a cui avviene la trasformazione di energia è la potenza.

Essa è perciò data la rapporto tra la quantità di energia trasformata e l’intervallo di tempo in cui questa trasformazione avviene.

La sua unità di misura nel sistema internazionale è chiamata watt [W] ed è il rapporto tra il joule, unità di misura dell’energia ed il secondo, unità di misura del tempo.
La potenza è dunque una caratteristica di un sistema, che chiamiamo macchina, che ci dice quanta energia può essere trasformata in un certo tempo quando la macchina funziona ad una determinata potenza.

La potenza dichiarata per una macchina, detta potenza nominale, è la potenza che la macchina potrebbe sviluppare costantemente per un tempo indeterminato. La potenza reale impiegata può variare nel tempo, e la potenza per calcolare l’energia messa in gioco nell’intervallo di tempo considerato, eseguendo il prodotto con l’intervallo di tempo stesso, è la potenza media.
Il joule, unità di misura dell’energia, quindi può anche essere detto watt per secondo.

Molto comune è la misura dell’energia proprio con questo nome questa dicitura per l’unità, generalmente con i suoi multipli: il wattora[Wh], che significa un watt moltiplicato per un’ora e il kilowattora [kWh], che sono mille wattora.

Il kWh indica l’energia trasformata da una macchina quando funziona per un’ora alla potenza di mille watt. Poiché in un’ora ci sono 3600 secondi, il kWh corrisponde a 3.600.000 joule.
Molto spesso, troppo a dir la verità, nei servizi giornalistici, anche ben fatti per tutto il resto, si fa confusione tra potenza ed energia.

Se una macchina non è in funzione, qualunque sia la sua potenza, non mette in gioco alcuna energia. Ciò che si paga nelle bollette elettriche sono i kWh consumati, non i kW! Purtroppo non si pagano solo quelli ma ci sono altre voci più o meno chiare che le fanno di parecchio salire, ma questo è un altro discorso. Solo al momento dell’acquisto della macchina, della sua installazione o di un contratto di fornitura si paga tanto più quanto maggiore è la potenza, ma l’energia che sarà consumata dipenderà poi dal tempo di funzionamento e dalla potenza media agente in quel tempo.

Link al post su Facebook