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Unità 14 - Produzione, trasformazione e impieghi dell'energia elettrica

Premessa: gli argomenti di questa unità riguardano principalmente l'elettrotecnica e verranno solo accennati. Alcuni contenuti saranno presentati diversamente rispetto al libro di testo.

L'energia elettrica è utilizzata per far funzionare gran parte dei dispositivi e delle macchine che utilizziamo perché:

Naturalmente ci sono anche degli inconvenienti:

1 La produzione di energia elettrica

La quasi totalità dell'energia elettrica viene prodotta dagli alternatori, macchine elettriche rotanti che trasformano energia meccanica in elettrica. Gli alternatori possono essere azionati da:

L'energia elettrica può essere prodotta anche da fonti rinnovabili con:

ma, perlomeno in Italia, il fabbisogno energetico è garantito principalmente dalle centrali termoelettriche.

Gli alternatori generano energia sotto forma di corrente alternata. Ai morsetti di queste macchine è presente un sistema di tensione trifase che si manifestano grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La figura 7c può illustrarne il principio di funzionamento:

Dall'alternatore parte una linea trifase - cioè con tre conduttori sotto tensione - e l'energia prodotta può essere trasportata e distribuita alle utenze.

2 Trasferimento dell'energia elettrica

L'energia elettrica viene generata in grandi quantità nelle centrali elettriche lontano dalle utenze che la utilizzeranno. Allora occorre:

Per trasportare in maniera efficiente l'energia si usa il sistema di tensione trifase in corrente alternata. Il sistema trifase, anche se più complicato, risulta infatti più conveniente rispetto a quello monofase presente nelle nostre abitazioni. L'alternata invece permette di utilizzare i trasformatori, che non funzionano in corrente continua.

Il trasformatore trasforma energia elettrica in altra energia elettrica ma con valori di tensione e corrente diversi. Con un trasformatore si può:

I trasformatori sono fondamentali nella distribuzione dell'energia elettrica dove:

Con i trasformatori è possibile realizzare entrambe le cose trasportando e distribuendo l'energia elettrica con diversi livelli di tensioni (vedi figura 11):

Il passaggio da un livello di tensione all'altro si effettua con i trasformatori posti:

La figura 9 mostra come è fatto un trasformatore monofase. Su un circuito magnetico in ferro sono avvolti due circuiti elettrici, il primario con tensione più elevata e il secondario con tensione più bassa. Alimentando il primario si genera in campo magnetico che, cambiando nel tempo, produce una tensione indotta sul secondario. I due valori di tensione sono legati tra loro da una costante detta rapporto di trasformazione (o rapporto spire n) che non è altro che il rapporto tra il numero di spire dei due circuiti. Con una formula:

`V_1/V_2=N_1/N_2=n`

3 Utilizzo dell'energia elettrica

L'energia elettrica viene impiegata per far funzionare dispositivi molto diversi tra loro. Tra i dispositivi statici - che non hanno parti in movimento - possiamo citare:

Gli attuatori più importanti sono invece i motori elettrici, macchine che trasformano energia elettrica in energia meccanica. La potenza meccanica in uscita viene trasmessa ad un carico (ad esempio un ruota, una puleggia, una pompa) attraverso un albero che ruota a una certa velocità ω imprimendogli una certa coppia C:

`P=C omega [W]`

dove la velocità è espressa in radianti al secondo3) e la coppia in Newton per metro.

Esistono varie tipologie di motori elettrici:

Il principio di funzionamento di tutti questi motori si basa sull'elettromagnetismo e sui fenomeni già discussi nell'unità 2. Nei motori in continua (figura 21) ad esempio:

In base all'applicazione occorre scegliere il motore con le caratteristiche giuste. Sintetizzando si può dire che:

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1)
in questa categoria rientrano anche le centrali nucleari
2)
in questo modo si spreca meno energia per effetto Joule, si hanno minori cadute di tensione (la tensione alla fine di una linea elettrica è sempre minore di quella in partenza) e si utilizza meno materiale per le linee elettriche (la dimensione dei cavi dipende dalla tensione)
3)
conoscendo la velocità n in giri al minuto quella in radianti al secondo si calcola moltiplicando per 2π e dividendo per 60