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?
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
• 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.
m
L=Fxs
s
Fp
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:
F
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
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".
Energia elettrica
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.
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 = V I t =E
Energia elettrica
Una lampadina, alimentata da
una tensione V e da una
intensità di corrente I, in
funzione per un certo tempo
t, consuma una energia:
• L’apparecchio che è in grado di misurare
l’energia consumata è:
Il contatore elettrico
Rete elettrica
E=VxIxt
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
kWh
Contatore
Interruttore
limitatore di
potenza
Utenze elettriche
Cos'è la potenza?
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.
L
P= —
t
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
1 kWh
10 h
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) ?
E : t = 1 : 10 = 0,1 kW per ogni ora di funzionamento
Diremo che la lampadina ha una potenza di 0,1 kW ovvero di 100 W.
0,8 kWh
20 h
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 ?
E : t = 0,8 : 20 = 0,04 kW per ogni ora di funzionamento
Diremo che la lampadina ha una potenza di 0,04kW ovvero di 40 W.
Perciò la prima lampadina è più potente della seconda.
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
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