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Magnetismo ed elettromagnetismo - TIPI DI MATERIALI MAGNETICI

elettrotecnica


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ALTRI DOCUMENTI

FORMULARIO MOTORE ASINCRONO TRIFASE
rilievo della curva caratteristica di magnetizzazione di un alternatore tri-fase a carico.
Interruttori differenziali
Esperienza n° 2 - rilievo della caratteristica Z=G (F) ed individuazione della frequenza di risonanza di un circuito R-L-C serie
ALTERNATORE: PROVA A VUOTO
Verifica sperimentale del principio di sovrapposizione degli effetti

Magnetismo ed elettromagnetismo


MAGNETISMO

Il magnetismo è il Ramo della fisica che studia le interazioni magnetiche tra corpi e le proprietà della materia connesse a tali fenomeni. Forze di carattere magnetico si manifestano tra cariche elettriche in movimento, quindi esiste una stretta relazione tra elettricità e magnetismo. L'apparato concettuale comune a questi due tipi di forze si chiama teoria elettromagnetica.

Recentemente l'osservazione dei fenomeni magnetici ha fornito importanti indizi per lo studio della struttura atomica della materia.

STORIA DEGLI STUDI SUL MAGNETISMO

Le proprietà magnetiche di alcuni materiali erano già note agli antichi greci, ai romani e ai cinesi: presso questi popoli infatti era conosciuta la capacità dell'ossido di ferro chiamato magnetite di attrarre limatura di ferro. Essi inoltre osservarono che una sbarretta di ferro a contatto con frammenti di magnetite si magnetizza, cioè diventa un magnete naturale: alle estremità si producono un polo nord e un polo sud magnetici. Poli simili si respingono, me 838b11i ntre poli diversi si attraggono.



L'uso della bussola per la navigazione in Occidente e le prime ricerche sul comportamento dell'ago magnetico risalgono pressoché al 1200, ma il primo studio organico dei fenomeni magnetici si trova nell'opera De magnete pubblicata nel 1600 dal fisico William Gilbert. Lo scienziato, utilizzando un ago magnetico e una calamita di forma sferica, osservò che la Terra stessa si comporta come un'enorme calamita e, attraverso una serie di esperimenti condotti con metodo scientifico, riuscì a sconfessare le nozioni scorrette sul magnetismo fino ad allora ritenute valide.

Nel 1750, il geologo John Michell inventò una bilancia con la quale mostrò che l'intensità della forza attrattiva o repulsiva tra due poli magnetici è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Successivamente Charles-Augustin de Coulomb, cui si deve la descrizione completa della forza tra cariche elettriche, verificò e sviluppò le osservazioni di Michell con gran precisione.

CALAMITE E POLI MAGNETICI

Un magnete presenta sempre due zone in cui la proprietà di attrarre si manifesta notevolmente più intensa che altrove. Queste zone sono chiamate poli magnetici.

Se prendiamo due magneti e ne avviciniamo i poli possiamo distintamente avvertire il manifestarsi di forze che possono essere di repulsione o di attrazione:


Avvicinando due magneti possono esserci due casi:

1)      Si attraggono


                                                  N      S                     N     S

2) Si respingono


                                                  S       N                     N     S

I magneti possiedono sempre due poli magnetici di tipo diverso; i poli magnetici dello stesso tipo si respingono, poli magnetici di tipo diverso si attraggono. 

Per individuare i poli magnetici è semplicemente necessario disporre attorno al magnete un po' di limatura di ferro.

TIPI DI MATERIALI MAGNETICI

Esistono diverse classificazioni dei materiali in base alle loro proprietà magnetiche.

La classificazione che distingue le sostanze in diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche è basata sulle diverse reazioni dei materiali sottoposti all'azione di un campo magnetico esterno. Quando una sostanza diamagnetica viene immersa in un campo magnetico, essa reagisce indebolendo il campo esterno con un piccolo momento magnetico diretto in verso opposto. Questo fenomeno è l'effetto macroscopico dell'induzione nel materiale di correnti elettriche atomiche, i cui singoli momenti magnetici hanno verso contrario al campo applicato. Sono molte le sostanze diamagnetiche: le più tipiche sono il bismuto metallico e alcune molecole organiche come il benzene, la cui struttura ciclica favorisce l'instaurarsi di correnti indotte.

Il comportamento paramagnetico riguarda materiali i cui atomi e le cui molecole sono per loro natura dotati di un momento magnetico proprio. In presenza di un campo magnetico esterno, i singoli momenti magnetici atomici tendono ad allinearsi lungo la direzione del campo applicato, rinforzandolo. I materiali paramagnetici contengono solitamente metalli di transizione o elementi delle terre rare, i cui atomi sono caratterizzati dalla presenza di elettroni spaiati. I fenomeni paramagnetici nei non-metalli dipendono generalmente dalla temperatura; più precisamente, l'intensità del momento magnetico indotto è inversamente proporzionale alla temperatura. Ad alte temperature infatti l'allineamento dei momenti magnetici atomici della sostanza lungo la direzione del campo magnetico è ostacolato dal moto vibrazionale di agitazione termica degli atomi stessi.

Una sostanza si dice ferromagnetica se è in grado di conservare un momento magnetico anche una volta rimosso il campo magnetizzante. Questo effetto è il risultato di una forte interazione tra i momenti magnetici atomici della sostanza. I materiali ferromagnetici sono divisi in piccole aree chiamate domini; all'interno di ogni dominio i momenti magnetici sono allineati in un'unica direzione. In presenza di un campo magnetico esterno i domini, che normalmente hanno un'orientazione casuale, si allineano secondo la direzione del campo applicato, determinando la magnetizzazione del materiale. L'energia spesa per smagnetizzare il materiale ferromagnetico magnetizzato si manifesta in un ritardo nella risposta, detto isteresi.

Al di sopra della cosiddetta temperatura di Curie, dal nome del fisico francese Pierre Curie che studiò il fenomeno nel 1895, i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà. Per il ferro metallico la temperatura di Curie è di circa 770 °C.

CAMPO MAGNETICO

Il campo magnetico è lo spazio attorno ad un magnete dove si manifestano la forze magnetiche.

Come si riconosce un campo magnetico?                  

Per riconoscere un campo magnetico è necessario un aghetto magnetico.

L'aghetto:

·         E' costituito da 2 punte (N e S)

·         Subisce un momento (due forze che lo fanno ruotare) fino a che si ferma per inerzia. Nel punto A c'è un campo magnetico diretto secondo l'asse NS. per convenzione il verso va da S a N.

                                               N                                     S


Se metto l'aghetto magnetico tra i due poli del magnete a forma di ferro di cavallo, noto che in qualunque posizione esso sia, si dispone sempre nello stesso modo

CONCLUDO che:

·        dalla parte dove l'aghetto ha il polo N, nel magnete c'è il polo S; dall'altra parte c'è il polo N del magnete

·        il campo magnetico si disegna con linee di forza parallele; il campo è UNIFORME.

Quindi:

Si chiama polo Nord di un magnete quello che si orienta verso il polo nord geografico, mentre si chiama polo Sud il polo opposto del magnete, cioè quello che si orienta verso il polo sud geografico.

CAMPO MAGNETICO TERRESTRE

Il fatto che il polo Nord di un ago magnetico sia rivolto verso il Nord terrestre dimostra, che la Terra stessa si comporta come un magnete, i cui poli Nord e Sud, sono in prossimità rispettivamente del Sud e del Nord geografici. William Gilbert (1544-1603) costruì un magnete a forma di sfera, detto Terrella, osservò che un ago magnetico sulla superficie della Terra ha un comportamento analogo a quello di un ago magnetico sulla superficie della Terrella. L'orientazione di un ago magnetico determinata dalla Terra s'interpreta ammettendo che la Terra, come ogni magnete, genera nello spazio circostante un campo magnetico, detto campo magnetico terrestre. I poli magnetici sono spostati rispetto all'asse terrestre di circa 11°. Il piano verticale passante per l'asse di un ago magnetico, libero di ruotare intorno a un asse verticale, nella posizione di equilibrio forma col piano del meridiano terrestre, nel punto considerato, un angolo che prende il nome di declinazione magnetica. Inoltre un ago magnetico, libero di ruotare intorno ad un asse orizzontale, nella posizione di equilibrio, si dispone in modo che il suo asse formi col piano orizzontale un certo angolo, detto inclinazione magnetica. Gli angoli di declinazione e di inclinazione magnetica variano sia col tempo che con la posizione della superficie terrestre. Le variazioni più importanti sono le "inversioni" del campo magnetico scoperte studiando il magnetismo fossile (con periodicità irregolare il campo inverte la sua polarità). Le cause sono sconosciute, secondo alcune teorie il fenomeno è da ricondursi alle correnti di convezione, ma su come avvenga non esiste alcun dato.

Il fenomeno che dà origine al campo magnetico terrestre è ancora un mistero, ma sono state formulate diverse ipotesi:

·      La prima sostiene che il nucleo ferroso si comporti come un'enorme calamita. Questa ipotesi è stata scartata poiché si è dimostrato sperimentalmente che una sostanza ad una temperatura caratteristica (punto di Curie, caratteristica di ogni sostanza) perde le sue caratteristiche magnetiche. La temperatura di Curie del ferro è  950 °C circa, molto inferiore alla temperatura che si ritiene abbia il nucleo.

·      Un'altra ipotesi è quella che riconduce il fenomeno magnetico ad un movimento di cariche elettriche che generano un campo magnetico (effetto Oersted). Per fornire un flusso elettrico sufficiente a generare il campo geomagnetico, l'interno della terra dovrebbe avere una conducibilità elettrica alta come quella dei metalli, e l'unica parte della terra che potrebbe forse avere una tale conducibilità elettrica è il nucleo. Il nucleo terrestre, quindi, oltre che come buon conduttore di corrente elettrica deve funzionare come generatore di corrente elettrica. Perché ciò si realizzi è necessario che il nucleo sia formato da un materiale che si lasci attraversare facilmente dalla corrente, come lo sono i metalli, che il materiale del nucleo sia allo stato liquido e che sia mantenuto in agitazione, perché è questo rimescolamento che crea l'energia per mantenere il campo.

ELETTROMAGNETISMO

Fin ora è stato spiegato come un campo magnetico si possa creare con l'intervento di un magnete.

Con le teorie dell'elettromagnetismo si potrà vedere come un campo magnetico si possa creare anche con l'uso della corrente elettrica.

Questa teoria, che l'elettricità e il magnetismo sono proprietà della materia collegate tra loro, è stata sperimentata dallo scienziato danese H.C.Oersted, che nel 1819 osservò che un filo conduttore percorso da corrente elettrica esercita una forza su un ago magnetico posto nelle vicinanze.

Questa prima scoperta portò ad ulteriori studi da parte degli scienziati Ampère, Arago, fino a Faraday che, nel 1831, scoprì che una variazione del campo magnetico che investe un conduttore può indurre in esso una corrente elettrica.

Ecco un piccolo esempio:


una corrente elettrica genera intorno a sé un campo magnetico.                         

Si può determinare il verso del campo magnetico con la cosiddetta

"regola della mano destra": disponendo il pollice nel senso che indica        

il verso della corrente, le dita indicano il polo nord dell'ago.

Se cambia il verso della corrente che scorre nel filo si osserva che

la sua direzione non cambia dato che l'ago ruota di un angolo di 180°.         

Per aumentare l'effetto magnetico prodotto da una corrente si avvolge su un cilindro di ferro un filo conduttore protetto da una guaina di materiale isolante per evitare il corto circuito: si ottiene così una bobina. Quando la spire del circuito sono percorse da corrente elettrica le estremità della bobina diventano i poli di un elettromagnete.   

Le linee di forza ottenute dal passaggio della corrente all'interno del filo, possono essere rappresentate anche nella seguente figura, che mostra il modo pratico di individuare il verso delle linee magnetiche:

chiudendo la mano destra con le dita mignolo, anulare, medio ed indice nel senso della corrente convenzionale, il pollice indica il verso positivo delle linee di forza magnetica, in altre parole il polo Nord.

LEGENDA:

corrente uscente

corrente entrante

 

La scoperta di Oersted è di grande importanza perché mette in luce la relazione che esiste tra elettricità e magnetismo, cioè, quando le cariche elettriche sono in movimento danno origine anche ad un campo magnetico.

È anche possibile affermare che la forza magnetica agisce solo sulle cariche elettriche in movimento, infatti, come una carica elettrica in un campo magnetico non è soggetta ad alcuna forza, le cariche elettriche ferme non esercitano alcuna azione nei confronti di un magnete.

Una grandezza importantissima nell'argomento "magnetismo" è certamente l'intensità della forza magnetica;

A parità di corrente e di campo magnetico, tale intensità dipende dalla direzione relativa della corrente e del campo: la forza è infatti massima quando la direzione della corrente e quella del campo magnetico sono perpendicolari tra loro ed è nulla quando sono parallele.

Perciò l'intensità della forza magnetica è direttamente proporzionale all'intensità di corrente (I) ed alla lunghezza (l) del tratto di conduttore immerso nel campo magnetico:

F= B*I*l

Il simbolo B, indica l'intensità dell'induzione magnetica. È una grandezza vettoriale che misura l'effetto del campo e perciò viene anche chiamata intensità del campo magnetico.

Questa legge si può anche scrivere così:

               F 

B=

               I*l  

Ciò permette anche di definire l'unità di misura dell'induzione magnetica, stabilita dal Sistema Internazionale:

la Tesla (T), in onore del fisico croato N.Tesla; un campo magnetico ha intensità 1T quando esercita una forza di 1N su un filo lungo 1m, disposto perpendicolarmente alla direzione del campo e percorso dalla corrente elettrica di 1A 

Le interazioni tra cariche possono essere di due tipi:

  1. Se le cariche sono statiche ci si deve riferire alla legge di Coulomb ed al concetto di campo elettrico.
  2. Se le cariche sono in movimento, si aggiunge un'interazione che è di natura magnetica e perciò si parla di forze elettromagnetiche.   

LA FORZA ELETTROMOTRICE INDOTTA

Gli studi di M..Faraday hanno portato allo sviluppo di tecnologie che hanno migliorato la vita quotidiana della società. Ciò è divenuto possibile attraverso la costruzione di generatori elettromagnetici, cioè macchine elettriche che producono forza elettromotrice indotta.

L'induzione elettromagnetica è un fenomeno fisico che consiste nella comparsa di una corrente elettrica all'interno di un circuito conduttore immerso in un campo magnetico, ogni volta che si verifica una variazione del flusso del campo attraverso il circuito stesso. Il flusso del campo magnetico rappresenta il numero di linee di forza che attraversano una data superficie nell'unità di tempo; dipende da una parte dall'intensità, dalla direzione e dal verso del campo magnetico, dall'altra dall'estensione della superficie e dalla sua orientazione nello spazio. Aumentando o riducendo l'intensità del campo, spostando i magneti che lo producono, o variando l'orientazione nello spazio del circuito conduttore, si producono variazioni del flusso attraverso la superficie racchiusa dal circuito che "inducono" la nascita di una corrente elettrica, detta per questo corrente indotta.

Si può conseguentemente dire che la forza elettromotrice indotta è una forza che mantiene una differenza di potenziale all'interno di un conduttore, permettendo il flusso della corrente elettrica; viene prodotta per induzione elettromagnetica, vale a dire attraverso la variazione del flusso di un campo magnetico mediante una bobina mobile, si misura in volt, la stessa unità di misura con cui si esprime la differenza di potenziale, o tensione. In un generatore ideale, il valore della forza elettromotrice f coincide esattamente con la differenza di potenziale misurata ai morsetti.

In sintesi: variando l'intensità del campo magnetico in cui è immerso un circuito si provoca in esso una forza elettromotrice indotta.

Facciamo un nuovo esempio:

Si prenda una spira di forma rettangolare che ruota con velocità costante in un campo magnetico di intensità uniforme. La spira costituisce il circuito immerso nel campo magnetico ed occorre aver chiaro che, a causa della rotazione della spira, l'intensità del campo magnetico che l'attraversa cambia continuamente: l'intensità è infatti massima quando il piano della spira è perpendicolare alla direzione del campo e diminuisce durante la rotazione fina ad annullarsi quando il piano della spira è parallelo alla direzione del campo.



In questo caso ai poli della spira si crea una tensione alternata, cioè una forza elettromotrice che cambia il suo verso con una frequenza uguale a quella del moto circolare della spira. La variazione nel tempo del valore della tensione alternata è descritta da una curva caratteristica chiamata sinusoide.

Questo è il principio sul quale funzionano i generatori elettrici di tensione alternata, chiamati alternatori, che consentono di realizzare la trasformazione di energia meccanica in energia elettrica, infine, le macchine capaci di realizzare la trasformazione di energia elettrica in energia meccanica sono chiamate motori elettrici.   

Per spiegare meglio i rapporti e le relazioni tra le varie grandezze precedentemente spiegate, si prenda in esame il principio del generatore:

Un conduttore giacente sul piano del disegno, è immerso, per la lunghezza l, in un campo magnetico le cui linee di forza sono perpendicolari al piano del disegno con verso entrante (x).

Se si sposta il conduttore trasversalmente, con una velocità costante perpendicolare alla sua lunghezza ed alle linee di forza magnetiche, si può rilevare ai suoi capi una differenza di potenziale, la forza elettromotrice indotta E, proporzionale al prodotto della lunghezza del conduttore per la velocità. La costante di proporzionalità è una proprietà del campo magnetico e del mezzo nel quale esso si sviluppa.

LA PRODUZIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA

L'energia elettrica che viene distribuita e utilizzata nelle abitazioni e nelle industrie, viene prodotta nelle centrali elettriche mediante gli alternatori di potenza, sono macchina elettriche capaci di generare potenza elettrica molto elevata. L'energia prodotta può essere trasportata anche a grandi distanze. Per trasportare energia è necessario modificarne il valore della tensione mediante i trasformatori.

La centrale elettrica un impianto industriale piuttosto complesso formato da un insieme di apparecchiature comprendente alcune macchine motrici, generalmente turbine, ciascuna delle quali aziona un alternatore. La maggior parte dell'energia elettrica prodotta nel mondo è generata con turbine a vapore alimentate a carbone, olio combustibile, gas naturale o mediante energia nucleare; in misura minore con turbine idrauliche (che in Italia però sono ancora prevalenti) o con motori a combustione interna, di solito diesel.

Una di questi componenti è la turbina, Macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l'energia cinetica di un fluido in movimento. L'elemento essenziale della turbina è la girante, o rotore, che può essere costituita da un'elica o da una ruota dotata di alette o pale variamente profilate. L'energia meccanica acquisita dalla girante viene poi trasmessa a un albero motore che viene utilizzato per azionare una qualsiasi macchina, un compressore, un generatore elettrico o un'elica. Si distinguono tre tipi principali di turbine: idrauliche, a vapore e a gas. Un tipo particolare di turbina a gas è la turbina a vento, detta anche aerogeneratore o aeromotore. Attualmente la maggior parte dell'energia elettrica mondiale viene prodotta da generatori azionati da turbine.

le centrali elettriche si differenziano a seconda del tipo di energia che utilizzano per mantenere in movimento la turbina. Queste fonti possono essere rinnovabili e non rinnovabili.

CENTRALI IDROELETTRICHE

L'energia idroelettrica è una forma di energia ottenuta mediante la caduta d'acqua attraverso un dislivello; è una risorsa naturale, disponibile ovunque esista un considerevole flusso costante d'acqua. Attualmente lo sfruttamento dell'energia idraulica richiede costruzioni estese che includono bacini artificiali, dighe, canali di derivazione, e l'installazione di grandi turbine e di generatori elettrici (vedi Produzione di energia elettrica). La produzione di energia idroelettrica richiede un grande investimento di capitali, e non è pertanto economicamente conveniente in regioni che dispongono di carbon fossile o di petrolio a relativamente basso prezzo; tuttavia, non va sottovalutato che il costo del combustibile necessario per alimentare un impianto termoelettrico è maggiore del costo di funzionamento di un impianto idroelettrico. Inoltre, le crescenti preoccupazioni ambientali, che stanno focalizzando l'attenzione sulle fonti di energia rinnovabili, hanno recentemente fatto aumentare l'interesse per questo tipo di energia.

Le centrali idroelettriche sfruttano l'energia potenziale gravitazionale  dell'acqua contenuta in un bacino posto ad un'altezza maggiore di quella in cui si trova la turbina.

Per mezzo di apposite condotte, l'acqua viene fatta cadere verso la centrale e così acquista energia cinetica: in questo modo la forza dell'acqua riesce a fare il lavoro necessario per mettere e mantenere in movimento le turbine idrauliche.

La fonte iniziale di energia, detta anche, fonte primaria, delle centrali idroelettriche è rinnovabile ma il suo impiego indica, come detto sopra, vari problemi.

Il disegno qui sopra rappresenta una diga; La diga è uno sbarramento posto lungo un corso d'acqua che ne blocca il normale flusso in modo da creare una riserva utilizzabile, ad esempio per la produzione di energia elettrica. In una centrale idroelettrica l'acqua proveniente da una condotta forzata aziona una turbina; quest'ultima trasforma l'energia potenziale e cinetica del flusso in energia meccanica che alimenta i generatori di corrente. L'elettricità prodotta viene quindi inviata a un trasformatore e, attraverso le linee di trasmissione, a una sottostazione che la distribuisce all'utenza.

CENTRALI TERMOELETTRICHE

In questo tipo di centrali la fonte primaria di energia è l'energia chimica contenuta nei combustibili fossili (carbone, gasolio, gas metano): il calore di combustione viene utilizzato per produrre vapore acqueo ad alta temperatura e ad alta pressione e quindi è molto ricco di energia termica.

In questo caso le turbine sono macchine termiche che trasformano l'energia interna del fluido in energia cinetica di rotazione della turbina. I combustibili fossili sono fonti primarie d'energia non rinnovabili ed inoltre la loro combustione produce sostanze che inquinano in diversi modi l'atmosfera.

CENTRALI ELETTRICHE NUCLEARI

L'energia nucleare è un tipo di energia che si produce nella fissione o nella fusione di nuclei atomici. La quantità di energia che si può ricavare dal nucleo è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene nelle trasformazioni chimiche, che coinvolgono solo la zona più esterna dell'atomo.

Fino al 1800 circa il combustibile principale era il legno, che permetteva dunque di utilizzare l'energia solare immagazzinata dagli alberi nel corso della loro vita. Con l'avvento della rivoluzione industriale, l'uomo ha iniziato a utilizzare combustibili fossili, come il carbone e il petrolio, anch'essi, in ultima analisi, riserve di energia solare immagazzinata nel tempo. Quando viene bruciato un combustibile fossile, ad esempio il carbone, gli atomi di idrogeno e di carbonio del carbone si combinano con quelli di ossigeno presenti nell'aria, e producono anidride carbonica e acqua; in questa reazione chimica viene prodotta una quantità di calore che corrisponde a circa 6500-9500 kcal/kg (o 1,6 kilowattora/kg). È questa la resa tipica di una reazione chimica, che deriva da trasformazioni della struttura elettronica dell'atomo. Una parte di questa energia termica viene assorbita dal combustibile stesso, mantenendolo a una temperatura tale da rendere possibile la prosecuzione della reazione.

STATO

PRODUZIONE NEL 1995*
(TWh**)

USA

705,7

Francia

377,3

Giappone

287,8

Germania

154,1

Canada




100,3

Russia

98,7

Regno Unito (1994)

89,5

Ucraina

70,5

Svezia

69,9

Corea del Sud

64,0

Spagna

55,4

Belgio

41,4

Taiwan

35,3

Svizzera

24,8



* Sono elencate soltanto le produzioni superiori a 20 Twh.

** 1 terawattora (TWh) = 1012 Wh

Fonte: International Atomic Energy Agency (IAEA)

Produzione d'energia nucleare nel mondo

In questo tipo di centrali, la fonte primaria è costituita dell'energia nucleare, cioè dall'energia che si ottiene per effetto della trasformazione nucleare precedentemente spiegata.

Tale energia è utilizzata per produrre vapore, così come avviene nelle centrali termoelettriche e perciò si parla anche di centrali termonucleari.

In molti impianti termonucleari si usa come combustibile un materiale che contiene una percentuale relativamente alta di un isotopo di uranio, il cosiddetto uranio-235, che dà luogo alla reazione di fissione nucleare, reazione che viene fatta avvenire in modo controllato.

Si tratta di impianti molto sofisticati e ad alto rischio a causa della pericolosità del "combustibile" radioattivo che utilizzano e dei problemi connessi alla conservazione delle scorie nucleari, i prodotti altamente tossici e radioattivi della reazione di fissione nucleare. Anche in questo caso si utilizza una fonte primaria di energia non rinnovabile.

PROBLEMI CONNESSI

L'utilizzo di questo tipo di energia ha portato però a numerosi problemi, in quanto La preoccupazione pubblica nei confronti dell'energia nucleare si fonda su due ragioni ben precise: la prima è l'elevato livello di radioattività (disintegrazione spontanea di nuclei atomici, con emissione di particelle subatomiche e di onde elettromagnetiche), che accompagna tutte le fasi del processo nucleare, dalla reazione iniziale fino allo smaltimento dei rifiuti; la seconda è che i materiali oggi diffusi per alimentare i reattori nucleari possono facilmente trasformarsi in armi nucleari (Ordigni esplosivi progettati per liberare energia nucleare su grande scala. La prima bomba atomica, che fu sperimentata il 16 luglio 1945 nei pressi di Alamogordo, nel New Mexico, rappresentava un tipo completamente nuovo di esplosivo artificiale).

.

Negli anni Cinquanta e Sessanta l'energia nucleare fu vista come una forma di energia economica, disponibile e poco inquinante. La possibilità di trovare una fonte alternativa all'uso dei combustibili fossili suscitò l'interesse sia dell'industria energetica, attenta alla riduzione del costo dell'elettricità, sia degli ecologisti, che vedevano un'opportunità di salvaguardare l'ambiente dall'inquinamento atmosferico causato dalle comuni centrali elettriche. Cionondimeno, nell'opinione pubblica, cessato l'entusiasmo iniziale, maturarono le prime riserve sull'energia nucleare e nel corso di pochi anni si verificò un brusco rallentamento dei progetti di realizzazione di nuove centrali, anche grazie all'attività di informazione e sensibilizzazione svolta da parte dei movimenti contrari allo sfruttamento delle reazioni nucleari. Numerosi governi hanno approvato severe regole di sicurezza per confronti degli impianti nucleari, al fine di salvaguardare la salute dei cittadini: la Svezia ha deciso di limitare al numero di dieci i reattori in funzione, l'Austria ha concluso il suo programma nucleare; per contro, Gran Bretagna, Francia, Germania e Giappone stanno invece potenziando i loro impianti nucleari.

L'Italia, in seguito al referendum del novembre 1987, ha bloccato la realizzazione e l'installazione di nuove centrali nucleari sul suolo nazionale e ha sospeso l'attività di quelle già funzionanti.

Vediamo meglio i meccanismi di fissione e di fusione:

  

Sia dalle reazioni di fissione (scissione di un nucleo pesante in due nuclei leggeri), che da quelle di fusione (combinazione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante) si può ricavare energia nucleare. In entrambi i casi, infatti, si sprigiona un'energia pari alla differenza tra l'energia di legame dei nuclei prodotti e quella dei reagenti. La fusione è difficile da ottenere in laboratorio a causa della repulsione elettrica che allontana i due nuclei interagenti, ma a differenza della fissione non presenta il problema delle scorie radioattive.

Il seguente grafico, mostra in quale percentuale vengono trattate le scorie radioattive:

da questo schema risulta facilmente comprensibile che soltanto il trattamento dell'uranio porta al quasi completo riciclo dell'elemento, mentre per il plutonio solo l'1% viene riciclato e lo 0% dei prodotti di fissione viene riciclato e le scorie vengono immagazzinate o addirittura seppellite!

Esistono anche altri modi per produrre energia elettrica, interessanti poiché sfruttano fonti rinnovabili e presentano molti meno problemi di inquinamento:

CENTRALI GEOTERMICHE

Questo tipo di energia si ricava sfruttando il vapore prodotto dall'acqua che si riscalda negli strati profondi della Terra.

CENTRALI SOLARI

L'energia solare è un'energia raggiante prodotta nel Sole per effetto di reazioni nucleari, e trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica.

L'intensità della radiazione solare, cioè la quantità di energia che il Sole irraggia ogni secondo su 1 cm2 di superficie terrestre, è detta costante solare; il suo attuale valore, calcolato quando la Terra si trova a una distanza media dall'astro, è 1,37 × 106 erg s-1 cm-2 (1,97 cal/cm2 al minuto) ma sembra variare dello 0,2% in trent'anni. Questa stima tuttavia prevede che l'atmosfera sia assolutamente trasparente alla radiazione, mentre gli effetti di assorbimento e di dispersione riducono molto l'ammontare di energia effettivamente disponibile.

Osserviamo dal disegno come avviene:

Riscaldamento solare

I collettori a pannello utilizzano l'energia solare per riscaldare un fluido termovettore, come ad esempio l'acqua. Dopo aver assorbito calore passando attraverso tubi a serpentina collocati nel pannello, il fluido restituisce l'energia assorbita, da utilizzare per i diversi impieghi domestici, attraverso uno scambiatore; infine il fluido viene nuovamente convogliato nel pannello per mezzo di una pompa, in modo da chiudere il ciclo.

Alcuni sistemi a energia solare prevedono che le strutture degli edifici vengano progettate in modo da sfruttare l'energia raccolta sia per il riscaldamento che per il raffreddamento. Ad esempio, in questa casa uno "spazio solare" funge da collettore di calore in inverno (con gli schermi solari aperti) e da intercapedine in estate (a schermi chiusi). Le cisterne d'acqua servono a incamerare durante il giorno il calore necessario durante la notte.

CENTRALI EOLICHE

L'energia eolica è l'energia cinetica posseduta dai venti, ovvero dalle masse d'aria in movimento nell'atmosfera, ma che viene comunemente utilizzata anche per indicare l'energia, elettrica o meccanica, che può venire prodotta da questa, dopo conversione mediante un apparecchio opportuno. Tale energia risulta dalla forza esercitata dal vento sulle pale di un'elica, montata su un albero rotante, che a sua volta è collegato a sistemi meccanici, che possono servire per macinare il grano o per pompare l'acqua, o a un aerogeneratore, che trasforma l'energia meccanica in elettrica.

L'energia eolica è una fra le più antiche forme di energia: i persiani utilizzavano turbine eoliche ad asse verticale già nel VII secolo: servivano a irrigare i terreni coltivati e a macinare il grano. In origine, la ruota che sosteneva le pale dell'elica era orizzontale, fissata su un albero verticale. Il sistema, benché poco efficace, si diffuse in Cina e in gran parte dell'Oriente, e apparve in Europa, inizialmente in Francia e in Inghilterra, all'inizio del XII secolo.

Le turbine eoliche iniziarono a essere utilizzate per la produzione di elettricità verso la fine del XIX secolo, in Danimarca, dove sono ancora oggi largamente diffuse: funzionavano da piccoli generatori per fornire elettricità a ristrette comunità rurali. Negli anni Trenta, con la diffusione delle linee elettriche di trasporto, furono costruite turbine di potenza maggiore, che potevano rifornire di energia zone più vaste.

Le macchine più diffuse erano quelle ad asse verticale, benché poco efficaci, e vennero perciò gradualmente soppiantate da quelle ad asse orizzontale. Recentemente però il sistema ad asse verticale è stato ripreso e perfezionato, ed è oggi utilizzato per turbine che producono una potenza elettrica inferiore a 50 kW.

Il disegno rappresenta degli aerogeneratore, ovvero dei moderni tipi di mulino a vento:

Per finire voglio precisare che la produzione di energia è un processo molto dispendioso, per cui, per poter utilizzare l'energia è necessario stipulare un contratto a pagamento direttamente proporzionale al consumo.

L'unità di misura normalmente utilizzata per l'energia elettrica è il Kilowattora (kWh). L'energia di un Kilowattora è quella prodotta in 1h con una potenza di 1kw.

La tariffa relativa ai consumi di energia elettrica viene comunemente riferita ai Kilowattora.

La potenza assorbita dagli elettrodomestici per il funzionamento è espressa in watt o in kilowatt. Con questo valore è possibile calcolare l'energia necessaria per il funzionamento dell'apparecchio per un certo intervallo di tempo:

E = P * rt







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