ENERGIA E POTENZA ELETTRICA Scuola Secondaria di Primo Grado “Francesco Netti” Santeramo in Colle ENERGIA E POTENZA ELETTRICA Realizzazione a cura del Prof. Francesco Porfido docente di Tecnologia

Cos'è l'energia? Il lavoro è una importante grandezza usata nella fisica meccanica, e si definisce come il prodotto (scalare) tra lo spostamento di un corpo e la forza che è stata necessaria applicare al corpo durante tale spostamento. Immaginiamo di avere un oggetto di massa m = 1 Kg all'altezza di s = 2 metri da terra. La forza gravitazionale (Fp) che lo attrae verso il pavimento è pari al prodotto della massa per l'accelerazione gravitazionale terrestre (che vale 9,8 m/s²): Fp = m a ovvero: Fp = 1 kg x 9,8 m/s² = 9,8 N Se noi lo teniamo in mano, applichiamo ad esso una forza uguale e contraria a quella gravitazionale, che lo tiene fermo. Lo spostamento è quindi nullo, quindi il lavoro (la forza Fp per lo spostamento) è pari a zero. Se però lo lasciamo cadere, esso sarà soggetto solo alla forza di gravità Fp, e cadrà verso il basso fino a raggiungere il pavimento, e il lavoro che deriva da ciò è pari a: L = Fp x s = 9,8 N x 2 m = 19,6 Nm = 19,6 J ed è pari all'energia spesa per compierlo; infatti quell'energia l'abbiamo fornita noi, con i nostri muscoli, alzando l’oggetto; facendogli così acquistare una forma di energia detta, nella fisica meccanica, "potenziale gravitazionale". In fisica, l'energia è definita come la "capacità di un sistema di compiere un lavoro". Nel sistema S.I., l'unità di misura dell'energia è la stessa del lavoro, il Joule (J), che equivale al "Newtonmetro“ (Nm). Altre unità di misura abbastanza comuni sono la caloria (cal) ed il wattora (Wh) 1 cal = 4,186 J 1Wh = 3.600 J m L = F x s s Fp F Fp

un filo conduttore percorso da corrente si riscalda Energia elettrica Analizziamo ora l’energia necessaria per mantenere il moto delle cariche in un circuito elettrico, cioè attraverso una resistenza. Le cariche si muovono all’interno di un conduttore sotto l’azione di un campo elettrico; tale campo elettrico accelera gli elettroni liberi per un breve periodo aumentando la loro energia cinetica; ma gli elettroni non si muovono liberamente perché urtano varie volte contro gli ioni del reticolo cristallino del conduttore. In questo modo l’energia assorbita dal campo elettrico si trasforma in energia termica del conduttore. In altre parole:  un filo conduttore percorso da corrente si riscalda  Siano: L  il lavoro elettrico (fornito dalla batteria), V  la tensione ai capi della resistenza R, I   l’intensità di corrente, t   la durata temporale considerata del flusso di corrente (intervallo di tempo), q   la carica trasportata durante il tempo t. Allora, per il trasporto di una quantità di carica  q attraverso una sezione qualsiasi del conduttore c’è bisogno di un lavoro L = q V e poichè q/t è l'intensità di corrente, I, si ha che:   L’energia elettrica è una delle più diffuse e utilizzate forme di energia. L’energia elettrica è generata da un altro tipo di energia, ad es. termica (combustibili vari), energia potenziale (idrica), energia cinetica e pressione (eolica), lavoro meccanico, energia chimica, solare, fissione nucleare e (forse un giorno) fusione nucleare. Essa si può trasformare a sua volta in altri tipi di energia. L = V I t =E

Il contatore elettrico Energia elettrica L’apparecchio che è in grado di misurare l’energia consumata è: Il contatore elettrico Una lampadina, alimentata da una tensione V e da una intensità di corrente I, in funzione per un certo tempo t, consuma una energia: Se V = 1 Volt I = 1 Ampere t = 1 ora L’Energia consumata è : E = 1 Wh essendo una unità di misura molto piccola si usa un multiplo il : 1 kWh =1000 Wh Rete elettrica E = V x I x t kWh Contatore Interruttore limitatore di potenza Utenze elettriche

Perciò la prima lampadina è più potente della seconda. Cos'è la potenza? Immaginiamo di avere una lampadina accesa per un intervallo di tempo t = 10 h. Leggiamo sul contatore l’energia consumata durante il suo funzionamento E = 1kWh. Ci chiediamo qual è il consumo unitario (cioè riferito ad 1 ora) ? Diremo che la lampadina ha una potenza di 0,1 kW ovvero di 100 W. Supponiamo di avere un’altra lampadina accesa per un intervallo di tempo t = 20 h. Leggiamo sul contatore l’energia consumata durante il suo funzionamento E = 0,8 kWh. Qual è il consumo orario ? Diremo che la lampadina ha una potenza di 0,04kW ovvero di 40 W. Perciò la prima lampadina è più potente della seconda. 1 kWh 10 h La potenza misura la quantità di energia nell'unità di tempo, ovvero la potenza è data dal rapporto tra una certa quantità di energia ed il tempo necessario a produrla/consumarla. P = Nel sistema internazionale, la sua unità di misura è il "Joule al secondo" (J/s) detto anche Watt (W). Altre unità di misura della potenza sono il cavallo vapore (CV, in Italia). 1 CV = 735 W E : t = 1 : 10 = 0,1 kW per ogni ora di funzionamento L 0,8 kWh — t 20 h E : t = 0,8 : 20 = 0,04 kW per ogni ora di funzionamento

Potenza Se un utilizzatore è percorso da una corrente continua e ai suoi morsetti è applicata una tensione V, la sua potenza assorbita è: Nel caso delle resistenze per le quali vale la legge di Ohm V=R∙i questa equazione può anche essere espressa nelle due forme: oppure La potenza si misura in Watt (W). Energia L'energia assorbita da un utilizzatore, oppure erogata da un generatore è data dal prodotto della potenza per il tempo in cui viene assorbita/erogata: Se la potenza è espressa in watt e il tempo in secondi, allora, l'energia si esprime in joule [ J ]. Spesso l'energia viene espressa in multipli del joule; l'unità usata più di frequente è il kwh (chilowattora) che rappresenta la potenza di un kW erogata per il tempo di un'ora: 1kWh = 103 Wh   1 h = 3 600 s risulta essere:  1kWh = 103 3600 Ws  = 3 600 000 = 3,6 ∙ 106 J  

Rendimento di un generatore Effetto Joule In una resistenza l'energia elettrica assorbita si trasforma in calore. L'unità di energia termica più usata è la chilocaloria [ kcal ] che rappresenta l'energia che deve essere somministrata ad 1 kg di acqua per elevarne la temperatura di 1°C (da 14° a 15°). La chilocaloria corrisponde a 4186 J    Rendimento di un generatore Per rendimento di un generatore si intende il rapporto fra la potenza erogata dal generatore ai suoi morsetti e quella generata. Considerando il disegno seguente, dove con rg si indica la resistenza interna al generatore E : potenza erogata potenza generata