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Lelettricità e le fonti di energia

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

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Lelettricità

• 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.

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Lelettrologia

• 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).

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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.

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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.

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Lelettrochimica

• 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."

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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.

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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.

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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.

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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.

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Lelettroforo

• 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.

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Lebanite

• 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 lebanite 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. Lebanite 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.

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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
  1,60210-19J (joule), ossia 1,6310-20kgm.
• Macchine di questo tipo possono generare tensioni
  sino a 100 Volt.

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Linduzione 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 "luno
  rispetto allaltro". Questo fenomeno è
  importantissimo perché su di esso sono basati sia
  i generatori di corrente elettrica (dinamo e
  alternatore) sia motori elettrici.

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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.

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Faraday e lelettromagnetismo

• 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'elettromagnetis
  mo. 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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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I motori elettrici

• L'energia elettrica, attraverso linduzione
  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.

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Il petrolio / 1
23
Il petrolio / 2
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(No Transcript)
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Riferimenti bibliografici essenziali

• Charles SINGER (ed.), Storia della tecnologia,
  Torino Bollati Boringhieri, 1995
• http//www.physics.ohio-state.edu/kagan/phy367/P3
  67_articles/Oil/chron.html
• http//www.oilnergy.com/1onymex.htm