(8) L'Energia ElettricaCircuiti ChiusiC'è una grande differenza tra il modo in cui usiamo l'acqua e quello in cui usiamo l'elettricità. Nella realtà l'acqua entra nelle nostre case lungo tubazioni, più o meno come l'elettricità entra mediante fili. Tuttavia, l'acqua viene usata in molti modi diversi – cucinare, lavare, scaricare i rifiuti, innaffiare le piante, aggiungere umidità all'aria. Mentre le tubazioni di scarico ne portano almeno una parte fuori, il modo in cui essa si allontana non è proprio un'immagine speculare del modo in cui essa arriva. Il modo in cui l'elettricità si allontana è in sostanza un'immagine speculare del modo in cui essa arriva. In verità, in un impianto elettrico domestico una estremità è "messa a terra" collegandola alle condutture d'acqua e/o a pali metallici nel terreno, ma ciò viene fatto per ragioni di sicurezza, come discusso altrove. L'impianto di per sé è simmetrico: i fili di "fase" che portano la corrente in casa, ricoperti di isolante nero o marrone, vanno sempre di pari passo con fili "neutri" che la riportano nuovamente fuori, ricoperta di isolante blu chiaro. La carica elettrica entra ed esce con la stessa velocità. Come si vedrà, è piuttosto difficile conservare più di piccole quantità di carica elettrica. Ciò che la corrente fornisce, tra il suo andare e venire, è l'energia.
Da ricordare:
Quanto vale la Potenza?Quanta potenza W – cioè, quanta energia al secondo – si ottiene da una tale ruota idraulica? Potremmo supporre che sia proporzionale a F, la quantità d'acqua che fluisce attraverso di essa ogni secondo: raddoppiando F si raddoppia la potenza. Potremmo anche ipotizzare che sarebbe proporzionale alla caduta di pressione P = P1 – P2 che aziona la ruota. Così con k un qualche fattore costante di proporzionalità, che dipende dall'efficienza della ruota idraulica e anche dalle unità in cui F, P e W sono misurate. L'efficienza può essere ignorata se W è uguale a tutta la potenza prodotta, la potenza utile estratta dalla ruota, più la potenza dissipata dall'attrito tra la macchina e l'acqua, che si trasforma in calore. (Per maggiori informazioni su "ruote Pelton" azionate dall'acqua, vedere qui.) Per le ruote idrauliche, la formula di cui sopra è solo un'ipotesi – W potrebbe non essere proporzionale a P ma essere ottenibile da una qualche espressione complicata che include P. La formula analoga per la potenza trasportata da correnti elettriche, tuttavia, vale esattamente. Se W uguaglia tutta la potenza (si veda sopra) e vengono usate le unità comuni, il fattore k non è necessario e otterremo Se I viene misurata in ampere e V in volt, allora W viene misurata in watt (e ora sappiamo anche il motivo per cui si usa la lettera W). Quanto vale un watt? Esso viene definito come 1 joule al secondo (si veda qui per ulteriori informazioni sul joule: per sollevare di 10 centimetri un chilogrammo ci vuole circa un joule). Per confronto, 746 watt sono pari a un Cavallo Vapore (CV), e l'erogazione della ventola elettrica sul soffiatore del vostro forno è pari a 1/4 o 1/3 di CV. Un atleta è in grado di fornire circa 0,1 CV e un cavallo... in realtà, la resa costante del cavallo medio è di soli 0,7 CV. L'unità è stata introdotta dall'inventore scozzese della macchina a vapore moderna (nel 1769), James Watt, che ha anche introdotto il concetto di "potenza". Le prime macchine di Watt sostituirono i cavalli che facevano funzionare le pompe per rimuovere l'acqua dalle miniere, e nel misurare il rendimento di un cavallo, l'uomo del Watt lavorò molto duramente. La luce solare che cade perpendicolarmente su un metro quadrato, trascurando le perdite dovute all'atmosfera, trasporta circa 1360 watt ("la costante solare"). L'assorbimento e la riflessione possono dimezzare tale quantità, e il fatto che la luce del sole può arrivare obliquamente può dimezzarla ulteriormente, ma ancora – c'è un sacco di energia nella luce del sole! Anche con celle solari la cui efficienza è solo del 10-15%, i raggi del sole sono già la fonte preferita per alcuni utenti isolati dall'elettricitą. Il problema principale è il costo elevato delle celle solari, più comunemente (ma non esclusivamente) fatte di singoli cristalli di silicio, accuratamente "accresciuti" a partire dal materiale fuso. La formula di cui sopra vale per qualsiasi produzione di energia ottenuta dall'elettricità. Una lampadina da 100 watt, per esempio, utilizza 100 watt di potenza per riscaldare un filamento sottile, che irradia poi parte di essa come luce visibile (e la maggior parte di essa come "raggi di calore" infrarossi). Se tale lampada è collegata a un circuito di 220 volt di casa (o più verosimilmente, ad una corrente alternata (AC) con una certa tensione media di 220 volt), allora la corrente I che scorre attraverso di essa soddisfa la relazione 100 watt = 220 volt × I ampere Dividendo ambo i membri per 220 abbiamo che I vale circa 0,45 ampere. Una tipica lampada a tubo fluorescente con analoga emissione luminosa consuma solo 40 W (40 watt), il che la rende molto più efficiente, anche se si includono i pochi watt in più consumati dalla bobina del reattore della lampada. Un tubo fluorescente compatto che sostituisce una lampadina da 100 watt consuma solo 23 W, perché il suo circuito ausiliario è ancora più efficiente. Da ricordare:
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