La corrente elettrica: continua e alternata
La corrente elettrica è un concetto fondamentale nel campo dell’elettrotecnica e della fisica, giocando un ruolo cruciale nel mondo moderno. È il movimento di cariche elettriche, solitamente in forma di elettroni, attraverso un conduttore come un filo metallico. Questo flusso di elettroni è il motore invisibile dietro l’illuminazione delle nostre case, il funzionamento dei nostri dispositivi elettronici, e la potenza dietro l’immensa rete di infrastrutture energetiche che abbracciano il globo.
La corrente elettrica può manifestarsi in due forme principali: corrente continua (DC) e corrente alternata (AC). Queste due forme di corrente differiscono nella direzione e nella modalità con cui gli elettroni fluiscono nel circuito.
La corrente continua è forse la forma più intuitiva di elettricità. In un circuito a corrente continua, gli elettroni si muovono in una direzione costante e uniforme. Questo tipo di corrente è quello che troviamo nelle batterie o nelle celle solari. È essenziale per il funzionamento di dispositivi come torce elettriche, telecomandi e molti piccoli apparecchi che richiedono una fonte di energia stabile e unidirezionale.
D’altra parte, la corrente alternata è caratterizzata da un flusso di elettroni che cambia direzione periodicamente. Questa forma di corrente è il pilastro delle moderne reti elettriche. La capacità della corrente alternata di cambiare direzione permette di trasportare l’energia elettrica su lunghe distanze in modo più efficiente rispetto alla corrente continua. Questo è uno dei motivi per cui la corrente alternata alimenta la maggior parte delle case e delle industrie nel mondo.
Oltre alla direzione del flusso, corrente continua e alternata differiscono anche per altri aspetti tecnici, come la capacità di conversione di tensione e la reattività ai vari tipi di carico. Queste differenze rendono l’una o l’altra più adatta a specifiche applicazioni. Ad esempio, mentre i dispositivi mobili si affidano a batterie che forniscono corrente continua, i grandi motori industriali sono spesso alimentati da corrente alternata.
La storia della corrente elettrica è una narrazione affascinante di scoperte, invenzioni e dibattiti scientifici. La lotta tra i sostenitori della corrente continua e quelli della corrente alternata, nota come la “guerra delle correnti“, è stata una fase cruciale nella storia dell’elettricità, con figure come Thomas Edison e Nikola Tesla che giocarono ruoli di primo piano.
La corrente elettrica continua
La corrente elettrica è definita come un flusso ordinato di particelle cariche dovuto ad una differenza di potenziale, ciò significa che le cariche si muovono tra due punti a potenziale diverso fino a riequilibrare lo stato del sistema che avrà, quindi, potenziale finale nullo.
I modelli atomici prevedono che le uniche particelle cariche in grado di “muoversi" nella e tra la materia siano gli elettroni perché sono esterni alla struttura atomica e, facendo lavoro sufficiente, possono essere liberati dal nucleo attorno al quale orbitano. Possiamo facilmente dedurre che, in un filo di rame collegato ad una differenza di potenziale come una pila, siano gli elettroni a fluire dalla zona a potenziale minore verso la zona a potenziale maggiore. In realtà, per convenzione, la direzione del flusso della corrente elettrica è opposto a quello del flusso di elettroni, come se fossero i protoni a muoversi dalla zona a potenziale maggiore verso la zona a potenziale minore, ma questo NON accade!
L’intensità di corrente è una grandezza fondamentale, vettoriale, indicata con la lettera £$I$£ o £$i$£; misura la quantità di carica che fluisce in una tratto di filo per unità di tempo £$I= \frac{\Delta Q}{\Delta t}$£; la sua unità di misura è l’Ampere (A) che equivale a Coulomb al secondo (£$\frac{C}{s}$£). L’intensità di corrente elettrica può essere espressa tramite la prima legge di Ohm come: £$I=\frac{fem}{R}$£ dove la £$fem$£ o forza elettromotrice, cioè la differenza di potenziale elettrico £$\Delta V$£ tra i due poli di una batteria quando questa non è collegata ad un circuito e non genera corrente.
Adesso che abbiamo definito l’intensità di corrente, possiamo spiegare cos’è la corrente continua. Una corrente si definisce continua se non varia di intensità e di verso nel tempo, cioè scorre univocamente da un punto ad un altro del circuito. Per produrre una corrente continua bisogna sviluppare un flusso di carica per cui serve lavoro e quindi una differenza di potenziale elettrico, perciò, perché una corrente mantenga un flusso costante, bisogna mantenere una differenza di potenziale costante agli estremi della batteria.
Facciamo un esempio. La batteria del nostro cellulare è un accumulatore di carica che, quando colleghiamo il nostro dispositivo alla presa, aumenta la differenza di potenziale tra i due punti di connessione della batteria, quelle sezioni di rame che bisogna incastrare nella parte apposita del dispositivo. Quando la batteria è carica, i due punti di connessione agli estremi del circuito del cellulare (i “dentini" di rame del dispositivo) sono sottoposti alla massima differenza di potenziale che possono sopportare. Utilizzando il cellulare, la batteria tende a scaricarsi, cioè, la differenza di potenziale a cui è sottoposta tende a diminuire fino ad azzerarsi quando il telefono si spegne! L’unico modo per riaccenderlo è metterlo in carica cosicché venga fornita energia sufficiente alla batteria per mantenere la differenza di potenziale che fa fluire corrente nel cellulare e farlo funzionare.
La corrente elettrica alternata
La corrente alternata è prodotta da dei dispositivi chiamati alternatori composti da spire conduttrici che ruotano in un campo magnetico. Una spira è un oggetto di forma solitamente regolare di materiale conduttore. Per la legge di Faraday-Neumann-Lenz, la rapidità di variazione del flusso di campo magnetico attraverso una superficie conduttrice come una spira genera una £$fem$£ tale che: £$fem= \frac{\Delta \Phi(\vec B)}{\Delta t}$£ per cui si genera una corrente proporzionale alla rapidità di variazione del flusso di campo magnetico e alla resistenza £$I=\frac{\Delta \Phi(\vec B)}{\Delta t \cdot R}$£. Il flusso di £$\vec B$£ attraverso una superficie dipende dal seno dell’angolo con cui il campo magnetico vi incide, per cui la corrente prodotta nella spira in rotazione oscillerà in modo continuo tra un valore £$i$£ e un valore £$-i$£ cambiando di “direzione" secondo una funzione sinusoidale di periodo £$T= \frac {2\pi}{\omega}$£ dove £$\omega$£ è la velocità angolare della spira. Per questo definiamo la corrente generata da un alternatore “alternata", perché cambia effettivamente di polarità secondo l’angolo di incidenza del flusso di campo magnetico attraverso la spira in rotazione!
La corrente alternata che oggi percorre le reti elettriche in tutto il mondo fu brevettata dallo scienziato e inventore di origine serba Nikola Tesla verso la fine del 1800. La sua invenzione era destinata a rivoluzionare l’impiego e la diffusione dell’energia elettrica a livello mondiale, ma non senza resistenza.
Corrente continua o corrente alternata: come riconoscerle
A fine Ottocento l’elettricità era una novità assoluta che prometteva di cambiare per sempre la vita dell’umanità. All’Esposizione Mondiale di Parigi del 1881 moltissime invenzioni riguardanti l’elettricità erano state presentate e accolte dallo stupore generale. Tra i massimi nomi in questo campo svettava Thomas Edison, inventore e imprenditore statunitense che aveva fondato la General Electric, azienda distributrice di corrente continua per l’illuminazione pubblica e pochi privati abbienti.
Sull’altro lato del “ring" si schieravano Nikola Tesla, scienziato e inventore serbo, e George Westinghouse, anch’egli inventore, e imprenditore statunitense. Westinghouse aveva acquistato i brevetti di Tesla sulla corrente alternata e fondato la Westinghouse Electric convincendo lo scienziato serbo a collaborare nella progettazione delle macchine per la compagnia in cambio di finanziamenti per altre sue ricerche e un ricco stipendio. L’arrivo sul mercato energetico di una nuova azienda impensierì alquanto Edison che aveva già conosciuto Tesla in precedenza. Lo scienziato serbo, appena sbarcato in America, aveva cercato il famoso inventore Thomas Edison per illustrargli i suoi progetti e lavorare per lui come apprendista, ma l’inventore americano snobbò il giovane Tesla e le sue idee spingendolo a dimettersi.
La corrente continua di Edison era già stata un enorme passo avanti in campo energetico, ma presentava molti difetti:
- non permetteva la trasmissione a grandi distanze per via della dispersione energetica lungo i cavi
- poteva rifornire di elettricità solo zone limitrofe alla centrale, perciò richiedeva più o meno una centrale ogni 3 km quadrati!
- la corrente prodotta non poteva essere trasformata, cioè non si poteva cambiare voltaggio per adattarla a diversi utilizzi, perciò ogni apparecchio elettrico doveva avere un voltaggio compatibile alla corrente distribuita, se no non poteva essere collegato alla rete
- il voltaggio standard di 110 V per le lampadine ad incandescenza dell’epoca non poteva rispondere alle esigenze delle nuove industrie
- dato che la corrente non poteva essere trasformata, servivano più linee a voltaggi diversi; ciò comportava costi altissimi per i clienti ed Edison stesso che doveva commissionarne la costruzione
La novità della corrente alternata presentava possibilità molto allettanti e il prestigio acquisito dalla figura di Tesla contribuiva ad accrescere l’interesse. I vantaggi che la corrente alternata poteva vantare rispetto alla corrente continua erano:
- il minore dispendio energetico per la produzione
- la possibilità di alzare la tensione e diminuire la corrente nei cablaggi per arginare le perdite energetiche nel trasporto su lunghe distanze
- l’adattabilità a qualsiasi fabbisogno attraverso i trasformatori che potevano alzare la tensione per il trasporto minimizzando la corrente e quindi la dispersione per resistenza e poi abbassandola ad un livello sicuro prima di essere recapitata ai clienti
- la corrente poteva viaggiare attraverso un’unica linea e essere trasformata solo quando l’impianto ricevente lo richiedeva.
La guerra delle correnti elettriche
La Seconda Rivoluzione industriale richiedeva che si decidesse quale delle due tecnologie si dovesse usare per rifornire di energia elettrica le grandi industrie che sarebbero prosperate negli anni a venire, corrente continua o corrente alternata?
Fu così che scoppiò la disputa che sarà poi definita la “guerra delle correnti" che vide fronteggiarsi Tesla, sostenitore della corrente alternata, e Edison, sostenitore della corrente continua. In realtà dietro queste due grandi personalità si annidava una schiera di investitori tesi per le sorti dei milioni di dollari che avevano destinato alle rispettive idee.
Si susseguirono una serie di colpi bassi e diffamazioni, soprattutto da parte di Edison e i suoi sostenitori, che cercavano di screditare l’idea altrui. Tesla, senza dubbio esuberante ed eccentrico, fu attaccato più volte personalmente sui giornali tanto che la sua immagine e la sua carriera di inventore ne avrebbero risentito negli anni successivi. I sostenitori della corrente continua, non essendo riusciti a presentare dei vantaggi validi della loro idea, effettuavano esperimenti assurdi sugli animali per dimostrare che la corrente alternata era un pericolo per chi la utilizzava.
Quando Tesla introdusse nuovi generatori, trasformatori, motori, fili e luci per i sistemi a corrente alternata alla Westinghouse Electric, nel dicembre del 1887, fu chiaro che il futuro della distribuzione di corrente sarebbe stata la corrente alternata. Curioso è il fatto che Edison, sconfitto dalla corrente alternata di Tesla, investì somme considerevoli in questa tecnologia e nelle nuove centrali a corrente alternata assicurandosene il monopolio nella maggior parte nel Nord America. In questo modo Edison si costruì una fama fittizia di padre della corrente alternata quando in realtà sfruttò semplicemente le sue abilità imprenditoriali di investitore.
Le idee esuberanti e visionarie di Tesla, scelte economiche poco felici e la campagna diffamatoria subita durante la guerra delle correnti affossarono il nome dello scienziato e inventore serbo tanto da non riconoscergli neanche la paternità della corrente alternata. La storia non è sempre clemente con i suoi grandi.
Il vero merito per il progresso nel campo della distribuzione e nell’utilizzo di energia elettrica alternata da cui derivano le grandi tecnologie del mondo come lo conosciamo oggi va a Nikola Tesla.