Energia elettrica

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L'energia elettrica è una forma di energia legata a forze e campi di origine elettrica, ovvero che coinvolge il movimento di cariche elettriche.

Indice

1 Energia potenziale elettrostatica
2 Energia elettrostatica nei dielettrici
3 Centrali elettriche
4 Glossario Essenziale
5 Voci correlate

[modifica] Energia potenziale elettrostatica

Si parla di energia potenziale elettrostatica o energia elettrostatica quando ci si riferisce all'energia necessaria a portare un sistema di cariche elettriche in una ben precisa configurazione spaziale. Essa può essere riferita ad una distribuzione discreta e continua di cariche.

Energia elettrostatica per un sistema di cariche discrete

Partiamo dal calcolo del lavoro di un sistema di cariche discrete nello spazio. Esso si definisce come l'integrale su una traiettoria l di una forza $\vec F$ per uno spostamento infinitesimo $d \vec s$ :

$W = \int_{l} \vec F \cdot d\vec s$

Nel nostro caso la forza è quella elettrica. Per disporre nello spazio la prima carica elettrica $q 1$ non si compie lavoro: $W 1 = 0$ . Per portare la seconda e le successive, tenendo conto della prima:

$W_2 = \frac{q_1 q_2}{4\pi\epsilon_0 r_{12}}$

$W_3 = \frac{q_1 q_3}{4\pi\epsilon_0 r_{13}} + \frac{q_2 q_3}{4\pi\epsilon_0 r_{23}}$

$W_n = \frac {1}{2} \sum_{i,j = 1}^{n} \frac{q_i q_j}{4\pi\epsilon_0 r_{ij}}$

dove senza il termine 1/2 si conterebbe due volte il lavoro per $r i j$ e per $r j i$ . Se riconosciamo il potenziale elettrico dividendo le due sommatorie:

$W_n = \frac {1}{2} \sum_{i = 1}^{n} q_i \cdot \sum_{j = 1}^{n} \frac {q_j}{4\pi\epsilon_0 r_{ij}} = \frac {1}{2} \sum_{i = 1}^{n} q_i \cdot V_i$

Dunque l'energia potenziale elettrostatica:

$U_e = \frac {1}{2} \sum_{i = 1}^{n} q_i \cdot V_i$

Energia elettrostatica per un sistema di cariche continue

In questo caso è facilmente generalizzabile l'espressione precedente:

$U_e = \frac {1}{2} \int_{v} dq \cdot V = \frac {1}{2} \int_{v} \rho \cdot V \cdot dv$

dove v è il volume entro cui è racchiusa la carica elettrica.

[modifica] Energia elettrostatica nei dielettrici

Il calcolo dell'energia elettrostatica quando siamo in presenza di dielettrici è praticamente uguale a quella nel vuoto discussa sopra; nel caso discreto:

$U_e = \frac {1}{2} \sum_{i = 1}^{n} q_i \cdot V_i$

e nel caso continuo:

$U_e = \frac {1}{2} \int_{v} \rho \cdot V \cdot dv = \frac {1}{2} \int_{v} \vec \nabla \cdot \vec D \cdot V \cdot dv$

dove si è utilizzata la prima equazione di Maxwell nel caso dei dielettrici: $\vec \nabla \cdot \vec D = \rho$ .

[modifica] Centrali elettriche

Il processo di trasformazione avviene all'interno di centrali elettriche.In queste, escludendo il fotovoltaico, qualunque altra sia la fonte da cui si intende generare energia, tre sono le macchine indispensabili allo scopo che si vuole ottenere:

1-Turbina

2-Alternatore

3-Trasformatore.

Altro elemento del quale (prima dell'avvento dei generatori eolici e dei materiali detti semiconduttori, primo per tutti il Silicio, in grado di convertire senza intermediazioni la radiazione solare direttamente in corrente continua) non si poteva fare a meno per produrre energia elettrica é l'acqua (H₂O), in forma liquida (come nelle centrali idroelettriche) o di vapore (nelle centrali termoelettriche, geotermoelettriche, a fissione nucleare ed a solare termodinamico), ma sempre ad alta pressione, cioé tale da riuscire a far girare le turbine ad un numero di giri tale da produrre in maniera il più possibile costante la corrente continua che diviene alternata passando per l'alternatore.

L'utilizzo di acqua che, in quasi tutti i casi, deve essere riscaldata fino a divenire vapore presenta due ordini di problemi fondamentali e che saranno sempre più pressanti in questo inizio millennio. Essi si possono riassumere nei seguenti:

- Reperibilità dell'acqua (tale problema non si pone o é molto ridotto nel caso delle centrali idroelettriche, che però non si costruiscono più, almeno in Italia);

- Inquinamento termico della risorsa "acqua calda" che, se non viene recuperata in impianti di teleriscaldamento, viene dispersa in atmosfera sotto forma di vapore acqueo, quindi a temperatura molto prossima ai 100 gradi Celsius, oppure reimmessa nei recipienti (laghi, fiumi, mare) da cui é di solito prelevata (quando non attinta addirittura dagli acquedotti) a diversi gradi centigradi di temperatura superiore a quella prelevata prima di essere avviata al processo.

[modifica] Glossario Essenziale

Corrente elettrica: è un movimento continuo di cariche elementari cioè un flusso di elettroni (elettrodinamica).

Intensità di corrente:A (Ampere), l'intensità di corrente è la quantità di elettroni che passa in un determinato periodo di tempo attraverso una determinata sezione di un punto.

Tensione:V (Volt), è la differenza di potenzialità di un dislivello elettrico in cui vengono mantenuti gli elettroni. Maggiore è la tensione, maggiore è l'intensità.

Resistenza:Ω (Ohm), la resistenza rappresenta la capacità di un materiale di opporsi al passaggio della corrente. Questa grandezza dipende soprattutto dal tipo di materiale utilizzato: il rame, il metallo, l'argento oppongono una resistenza minima, vengono quindi utilizzati come conduttori.

Potenza:W (Watt), la forza di un apparecchio elettrico. Per misurare l'energia utilizzata si usa il kWh (chilowattora). La legge di Ohm I=V/R esprime che l'intensità della corrente aumenta al crescere della tensione e diminuisce al crescere della resistenza.