L’energia nascosta

Nel precedente articolo abbiamo compreso cos’è la corrente elettrica paragonando un circuito elettrico ad un semplice sistema idraulico:

Come promesso dobbiamo ora conoscere le altre due grandezze elettriche fondamentali per studiare dei semplici circuiti elettronici, che sono la tensione e la resistenza. Prima di fare questo abbiamo bisogno però di una premessa.

 

Se scriviamo su wikipedia la parola energia, troveremo la seguente definizione:

“l’energia è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema fisico di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto.”

L’energia perciò è una grandezza fisica e la sua unità di misura è il Joule [J].  Secondo la wiki-definizione essa rappresenta la capacita di compiere lavoro,  ed il lavoro è anch’esso una grandezza fisica che si misura in Joule.

Mentre altre grandezze sono facilmente intuibili e comprensibili (pensiamo alla lunghezza, al tempo o alla velocità) queste due grandezze sono “difficili da immaginare”. Faccio un esempio, se appoggio un libro su un tavolo e poi lo spingo fino al bordo per farlo cadere, io vedo il libro in movimento, capisco che c’è l’azione di una forza (la forza di gravità) che lo fa muovere (cadere) fino al pavimento. Ho percepito la presenza di una forza che ha innescato un movimento, senza aver studiato alcuna legge fisica diciamo che sono riuscito a comprendere cosa è avvenuto.

Con l’energia ed il lavoro invece il discorso è diverso, immaginiamo sempre il libro di prima appoggiato sul tavolo e questa volta senza spingerlo per farlo cadere. Il libro è li fermo, immobile, nessuno, fatta eccezione per il tavolo, lo sta toccando. Il libro possiede un’energia? In molti vedendolo fermo potrebbero rispondere di no, ma se pensiamo al fatto che se non ci fosse il tavolo il libro cadrebbe, allora forse potremmo immaginare la presenza di una forma di energia, nascosta ma pur sempre energia, che sarebbe in grado (se non ci fosse il tavolo) di far muovere il libro verso il basso. Chi da’ questa energia al libro? La risposta è la legge gravitazionale, e cioè quella legge fisica che afferma che due corpi si attraggono a seconda della loro massa e distanza, ed il libro viene attratto dalla terra tramite quella che nel gergo comune viene chiamata “forza di gravità”.

Perciò il libro appoggiato sul tavolo potrebbe muoversi grazie a questa forza, sarebbe cioè potenzialmente in grado di compiere un lavoro spostandosi dal tavolo al pavimento. Il libro perciò possiede una forma di energia che non vediamo, chiamata energia potenziale. Una volta che il libro è caduto possiede però ancora un’energia potenziale (ma inferiore) perché è ancora attratto dalla terra e se non ci fosse il pavimento potrebbe ancora cadere, magari arrivando al piano inferiore, e così via.

Perciò l’energia potenziale è maggiore se l’oggetto si trova più distante (in alto) dalla terra, e man mano che l’oggetto (nel nostro caso il libro) riduce la sua altezza l’energia potenziale diminuisce.

Con questo esempio abbiamo un’idea di ciò che accade riuscendo così a percepire la presenza di questa energia che è nascosta ai nostri occhi ed alla nostra comprensione. Il discorso in realtà è più articolato, c’è in gioco l’energia cinetica (cioè quella legata al corpo in movimento) e ci sono in gioco altri principi della fisica tra cui quello della conservazione dell’energia di un sistema (l’energia complessiva del sistema descritto in figura difatti non scompare c’è solo una trasformazione da energia potenziale in cinetica) ma per il nostro scopo è sufficiente comprendere l’esistenza dell’energia potenziale.

Torniamo ora al nostro sistema idraulico di prima.

 

L’acqua presente nel serbatoio in alto ha un’Energia potenziale e quando il rubinetto si apre, l’acqua comincia a scendere compiendo un lavoro, esattamente come il libro nell’esempio precedente. La pompa idraulica compirà nuovamente un lavoro per riportare l’acqua in alto e così via. Ma anche nel circuito elettrico avviene qualcosa di analogo infatti il generatore (la batteria) non fa altro che separare le cariche (che vorrebbero ricongiungersi per effetto della forza elettrica, un po’ come l’acqua che vuol cadere attratta dalla forza gravitazionale) e per separare queste cariche il generatore compie un lavoro. Perciò le cariche presenti sul polo positivo avranno anch’esse un’energia potenziale ma di tipo elettrico. Se l’interruttore resta aperto non c’è flusso di cariche e la corrente è nulla, ma se l’interruttore si chiude le cariche elettriche cominciano a scorrere nel conduttore dando luogo alla corrente elettrica. Pertanto per esserci una corrente elettrica ci dovrà essere questa differenza di energia potenziale tra due punti connessi tra di loro con un conduttore.

Introduciamo ora la seconda grandezza che ci interessa e che si chiama tensione elettrica chiamata anche solamente tensione o differenza di potenziale (d.d.p.).

La tensione (d.d.p.) è la quantità di lavoro necessario per separare le cariche elettriche di segno opposto, questa grandezza si misura in Volt [V].  Si ha una tensione di 1 Volt quando si sposta una carica di 1 Coulomb da un punto all’altro di un circuito compiendo il lavoro di un Joule.

Se un generatore sposta un maggior numero di cariche dal suo polo negativo a quello positivo, compie maggiore lavoro e la tensione è maggiore. Perciò quando osserviamo la pila del nostro telecomando ferma sul tavolo, dobbiamo sapere che c’è un’energia potenziale dovuta alla forza gravitazionale, e che c’è anche un’energia elettrica dovuta al fatto che ci sono delle cariche presenti sui suoi poli dotate di energia potenziale elettrica, e più sono i Volt della pila più cariche pronte a muoversi sono presenti sui due poli.

Ora immaginiamo il sistema idraulico un po’ diverso ad esempio questo in figura:

Anche in questo caso l’analogia tra i due sistemi quello idraulico e quello elettrico è evidente, la corrente elettrica ( cioè il flusso di liquido da un punto all’altro) è presente solo se c’è una differenza di potenziale cioè una tensione. Nel sistema idraulico la tensione potrebbe essere paragonata alla pressione, o meglio alla differenza di pressione esercitata dall’acqua nei due recipienti.

Una seconda grandezza importante e legata al generatore (pompa idraulica) è invece la potenza. La potenza è infatti il lavoro che è in grado di svolgere il generatore nell’unità di tempo, nel caso idraulico potrebbe essere intesa come la capacità della pompa idraulica di portare acqua più velocemente da una parte all’altra. La potenza elettrica P si misura in Watt [W] ed è data dal prodotto della tensione per la corrente, P = V x I.

Un generatore con potenza più elevata riesce perciò a mantenere la differenza di potenziale necessaria per far scorrere la corrente richiesta, come una pompa idraulica con potenza più elevata riesce a mantenere il livello di acqua costante nel serbatoio a sinistra quando si apre il rubinetto e scorre un certo flusso di liquido.

Se osserviamo il sistema idraulico possiamo inoltre intuire che se la tensione aumenta anche la corrente aumenta, ma la corrente dipende solo dalla tensione?  La risposta è no, perché la corrente dipende anche dal conduttore, come nel sistema idraulico il flusso dell’acqua dipende anche dalle dimensioni del tubo che collega i due serbatoi. Entra perciò in gioco una terza grandezza chiamata resistenza, che grazie ad una legge semplice e fondamentale dell’elettronica,lega con una formula tensione, corrente e resistenza. Ma per ora è meglio fermarsi qui, ne parleremo al prossimo articolo.

Grazie,

 

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