L'energia elettrica spiegata per via sperimentale

L'ENERGIA ELETTRICA INTRODOTTA SUBITO PER VIA SPERIMENTALE

Con questa esercitazione si vuole introdurre l’energia elettrica, di cui ancora non si è parlato e si utilizza una piccola lampada (di un proiettore da laboratorio) sulla quale si legge  6 V / 5 W che inseriamo nel circuito solito, ma per ora senza accenderla. L’alimentatore è spento e il cursore del reostato è vicino al morsetto doppio D. 

Propongo agli allievi una prova di collaudo, per verificare che ciò che è scritto sulla lampada corrisponde a verità.

Sul primo valore 6 V non ci sono dubbi. E’ la tensione di lavoro normale. Se vogliamo che la lampada faccia la sua giusta luce, la tensione  ai suoi estremi dev’essere 6 V. Se fosse minore la lampada farebbe meno luce o apparirebbe addirittura spenta e se fosse maggiore di 6 V, il suo filamento verrebbe bruciato.

Ma cosa vorrà dire 5 W ? Gli allievi sanno già dalla meccanica che il Watt è l’unità di misura della potenza meccanica. 1 W = 1 Joule / secondo e possiamo immaginare che questa lampada da un generatore a 6 V dovrebbe assorbire un’energia di 5 Joule per ogni secondo di funzionamento. Come misureremo questa energia ?

Per fare un altro piccolo passo avanti,  ricordo che la tensione  V  misurata  dal voltmetro, per definizione, è uguale al rapporto fra il lavoro ' L ' che fanno le forze elettriche per spostare una carica  ‘  q ' e la carica stessa : V = L / q.

Quindi possiamo calcolare L = V _* q.  La  d.d.p. è   6 V   (ce lo garantisce il voltmetro),  ma  come  misurare quanta carica q viene spostata attraverso il filamento  della  lampada in un dato tempo ?

 Basterebbero l'amperometro A  ed .... un contasecondi.

Infatti, dato che l'intensità di una corrente elettrica è definita come rapporto fra la carica q  che  attraversa una sezione qualsiasi   del filamento  in  un  certo tempo t ed il tempo stesso, i = q / t, possiamo ricavare  :  q = i _* t.   Quindi risulta  :  

                          L = V * q = V _* i _* t .

Utilizzeremo questa importantissima relazione per calcolare l'energia elettrica assorbita in un tempo ' t ' o meglio ancora senza misurare il tempo t, ricavando direttamente la potenza :

W = L / t = V _* i _* t / t  =  V _* i

Il contasecondi non sarà necessario.  Per controllare che la potenza nominale della lampada sia proprio 5 W , basteranno l’amperometro e il voltmetro.

Possiamo accendere la lampada e CONTROLLARE.

Ecco i risultati delle nostre misure :

V = (6 ± 0.1) V ,    i = (0.85 ± 0.01)  A  ,   W = (5.1 ± 0.1)  W

Con un errore relativo di circa il 2 % abbiamo ammesso che il costruttore della lampada ha fatto il suo dovere e il collaudo ha dato esito positivo.

Anche dei profani sanno che le lampade  che  abbiamo in casa  hanno potenze  che  vanno  dai 15 W  ai 100 W mentre lo scaldabagno (elettrico) ha una potenza che può andare dai 1000 ai 2000 W  (cioè 1 kW  e  2 kW).

Un climatizzatore  può  avere anche potenze  superiori ai  3 kW  e  può capitare che   il   limitatore di  corrente scatti, se richiediamo più di 5 kW.

Al variare della potenza, varia la corrente assorbita (dato che : W = V_* i).  Se abbiamo la necessità di utilizzare una potenza superiore, dobbiamo modificare il contratto con la Società elettrica, che ci cambierà  il  limitatore, ma ci farà pagare un po’ di più perché sulle linee dovrà mantenere una maggior corrente ed  aumenterà  anche la frazione dell'energia elettrica che si trasformerà in calore sulle linee che inevitabilmente hanno  una  resistenza elettrica.

Anziché in Joule, l'energia elettrica viene spesso espressa in  kWh  (leggi chilowattora), essendo 1 kWh = 1000 Watt _* 1 h = 1000 J/s _* 3600 s = 3.600.000 J.

L'uso del  kWh consente di esprimere l'energia elettrica con numeri  non  troppo grandi. Anche la famiglia più modesta, in 1 mese assorbe più di 1 miliardo di Joule (pari a 280 kWh).

Se una singola famiglia vuole disporre di una potenza di 5 kW,  in un edificio con 6 appartamenti si  richiedono 30 KW e in un grattacielo ?

Per produrre 1 kWh la Società elettrica deve bruciare circa 1 litro di petrolio.

Più energia elettrica assorbiamo, più inquiniamo.

La formula della potenza elettrica (W = V _* i), ci fa anche capire il motivo per cui l'energia elettrica fra due  centri abitati non troppo vicini, venga fatta viaggiare ad alta tensione. A parità di potenza W , se la tensione V  è alta, la corrente  è  più piccola e risulta così minore la frazione dell'energia elettrica trasformata in calore lungo le linee.

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