Cosa sapere dell’energia elettrica
Una grande conquista umana è stata l’energia elettrica, facile da distribuire e da utilizzare costituisce il fondamento di ogni attività: tutti la utilizzano ma pochi la conoscono ed è complesso anche definirla in termini semplici.
Gli atomi, cioè gli aggregati più piccoli della materia, sono costituiti da protoni e neutroni nel nucleo e da elettroni che ruotano attorno al nucleo come satelliti.
Gli elettroni sono le particelle che possiedono le cariche elettriche negative, mentre i protoni le possiedono positive e i neutroni sono privi di carica: l’equilibrio tra cariche elettriche positive e negative mantiene coesi gli atomi.
Le cariche elettriche degli elettroni sono le più piccole conosciute e vengono definite cariche base o quanti elettrici perché tutte le altre cariche elettriche sono multipli interi di questa base.
Definizioni
La corrente elettrica è un flusso di particelle elettriche cariche che scorrendo dentro, conduttori cioè materiali in grado di consentire il passaggio degli elettroni, genera trasferimento di energia elettrica.
Un circuito elettrico è definito come un sistema di componenti e cavi nei quali la corrente può circolare.
L’elettricità, in effetti si comporta in modo molto simile all’acqua che scorre in sistemi di tubi, definiti circuiti idraulici, e viene spesso paragonata ad essa per comportamento ma, a differenza dell’acqua, le cariche elettriche possono fluire solo in circuiti chiusi.
Se riempiamo un tubo di gomma in giardino aperto all’estremità l’acqua fluisce liberamente e possiamo utilizzarla ad esempio per innaffiare il prato ma se tentiamo di compiere un’operazione simile con lia elettrica questa, arrivata all’estremità aperta del circuito non procede oltre.
L’elettricità è comodissima e ci consente di eseguire innumerevoli compiti dall’illuminazione alle possibilità infinite dei circuiti elettrici ed elettronici che con essa possiamo alimentare, tuttavia è un energia pericolosa e va sempre trattata con rispetto come il mare bellissimo, ma anche in grado di uccidere quando viene stupidamente sottovaluto.
Non dobbiamo mai pensare di trattare l’energia elettrica con confidenza in quanto, pur diffusissima e utilissima rimane sempre pericolosa e può anche costituire un pericolo mortale.
I vari tipi di elettricità
L’elettricità può essere distribuita in forma continua, indicata con la sigla CC o DC, oppure in configurazione alternata, sigla CA o DA.
Nel caso della corrente continua le cariche elettriche scorrono sempre nella medesima direzione mentre nel secondo alternano la direzione del loro flusso, 50 (in Europa) o 60 (in USA) volte al secondo in relazione alla frequenza stabilita da chi eroga la fornitura dell’energia.
La corrente alternata è più semplice da trasportare e richiede cavi molto più piccoli quindi più facilmente maneggiabili e meno costosi: per questi motivi viene preferita a quella continua per essere trasportata e viene trasformata in corrente continua solo localmente quando i sistemi lo richiedono per utilizzarla.
La trasformazione della corrente elettrica alternata in continua serve ad alimentare i circuiti elettronici che utilizzano solo energia elettrica continua e questa trasformazione viene definita raddrizzamento.
Un sistema a diodi (elementi che lasciano fluire la corrente solo in una direzione e la bloccano nel senso opposto) costituisce il tipo di raddrizzatore più semplice e diffuso.
Se i circuiti elettronici devono essere alimentati in corrente continua trasportare elettricità alternata è molto conveniente: per trasferire corrente continua di qualche decina di V sono necessari cavi enormi da 10 o 20 mm di diametro mentre trasferire elettricità alternata di molte centinaia di V richiede cavi di 2 o 3 mm di diametro solamente.
Questa enorme differenza dà l’idea di quanto sia più semplice trasferire corrente alternata che solo al momento di essere utilizzata viene raddrizzata cioè trasformata, inoltre la corrente alternata è ottima per il trasporto su lunghe distanze grazie ai trasformatori, che permettono di aumentare la tensione annullando le perdite causate dal lunghi trasferimenti che causano cadute di tensione cioè diminuzioni a volte importanti nella tensione di partenza.
Oltre a scorrere sempre in un unica direzione la corrente continua è costante nel tempo con una frequenza pari a 0 Hz mentre quella alternata possiede una forma ad onda sinusoidale o a volte quadrata o triangolare.
La corrente continua è stabile, ideale per l’elettronica e facilmente immagazzinabile in comuni batterie oltre a non possedere frequenza generando meno interferenze nelle applicazioni; purtroppo è meno adatta alla distribuzione e al trasporto efficiente dell’energia ma la facile trasformazione della tensione tra continua e alternata e viceversa permette di utilizzare entrambi i tipi nelle reti elettriche sfruttandone i vantaggi specifici di ognuna.
La corrente alternata non è stabile, non può essere immagazzinata e spesso crea interferenze elettromagnetiche in certi circuiti elettronici.
Ulteriori differenze fra DC e AC
Quando in un circuito la corrente continua incontra una resistenza questa è proporzionale alla tensione (V) e inversamente proporzionale all’intensità (A), attraversa un condensatore come un elemento aperto e viene bloccato da un corto circuito da un induttore o bobina di induzione.
Nel caso della corrente alternata le resistenze diventano impedenzae complesse R=ZR, i condensatori ZC=1jωC dipendono anche dalla frequenza e le bobine di induzione ZL=jωL permettono filtraggio, risonanza e accoppiamento capacitivo/induttivo con comportamenti che dipendono sempre dalla frequenza e che sono essenziali per l’elettronica analogica e la trasformazione della potenza.
La corrente continua è più pericolosa a parità di tensione perché possiede sempre un valore diverso da zero e quindi genera contrazioni muscolari continue e archi elettrici più stabili che rendono più difficile staccarsi dal contatto accidentale e può causare ustioni interne profonde e molto pericolose anche se non visibili, ma anche la corrente alternata è pericolosa in modo diverso perché la sua frequenza di 50–60 Hz interferisce con il ritmo cardiaco generando fibrillazione ventricolare anche se crea archi meno stabili e pericolosi.
Gli archi elettrici possono generare temperature fino a 20.000 °C, fondere il metallo, creare luce intensa che danneggia la vista e causare traumi e ustioni senza contare i danni collaterali come incendi di materiale anche ignifugo per le elevatissime temperature raggiungibili.
La pericolosità della corrente alternata dipende dalla sua intensità:
- sino a 1 mA genera una sensazione di formicolio fastidiosa
- 5 mA danno una scossa percepibile, ma si riesce ancora a lasciar andare il punto di contatto
- 10–15 mA generano una contrazione muscolare dolorosa con blocco dei muscoli
- 15–20 mA rendono impossibile staccare la mano dal punto di contatto
- 30 mA iniziano il rischio di fibrillazione ventricolare che diviene rapidamente molto alto
- intorno a 75–100 mA è quasi certo l’arresto cardiaco con danni gravi ai tessuti
- oltre 1 A → vengono generate anche gravi ustioni interne ed esterne e carbonizzazione
La protezione efficace deve essere inferiore alla soglia di 30 mA, preferibilmente con salvavita differenziali di sensibilità pari a 10 mA e periodicamente verificati con il circuito di test loro proprio.
Se il pericolo è l’intensità della corrente (I) questo viene aumentato dalla tensione (V) e ridotto dalla resistenza (R) del corpo: applicando la legge di Ohm abbiame I=V/R con R che a pelle asciutta vale 20.000–50.000 Ω, ma scende a 500–1.000 Ω con la pelle bagnata o sudata si riduce a pochi < 200 Ω con la pelle danneggiata da ferite o abrasioni oppure immersa in acqua: < 300 Ω
Quindi anche tensioni relativamente basse (50–60 V) possono diventare estremamente pericolose in ambienti umidi o quando simao in acqua.
La corrente genera calore nei tessuti Q=I^2R proporzionalmente all’intensità elevata al quadrato e alla resistenza, con resistenze elevate che in questo caso peggiorano la situazione.
Le ustioni interne possono essere molto gravi peggiorate dalla loro non visibilità dall’esterno e correnti elevate possono carbonizzare i tessuti con conseguenze ancora peggiori.
Proteggersi significa utilizzare circuiti protetti da interruttori differenziali (salvavita) da 30 mA o più sensibili (10 mA); evitare sempre di toccare impianti sotto tensione staccando la corrente prima di eseguire manutenzioni; usare guanti e arnesi isolanti certificati in ambienti asciutti; evitare sempre di toccare cavi scoperti e apparecchi elettrici con mani bagnate o umide o sudate; utilizza solo componenti, prese e impianti conformi alle normative di riferimento.
I parametri della corrente
La corrente elettrica è definita dalla tensione e dall’intensità: la prima descrive la differenza di carica tra due punti mentre l’intensità definisce la quantità di cariche che si spostano.
Utilizzando un paragone idraulico, la tensione può essere pensata come un dislivello: l’acqua cadendo da punti di maggiore altezza arriva a terra con maggiore forza e un dislivello più grande significa maggiore forza potenziale, mentre l’intensità della corrente è invece simile alla portata idraulica con un tubo più grande che trasporta ed eroga maggiori portate cioè quantità di acqua.
La tensione si misura in Volt (simbolo V), l’intensità in Ampere (simbolo A) e queste due grandezze descrivono la corrente elettrica.
Valori piccoli di tensione e intensità sono innocui ma valori più grandi sono molto pericolosi: provocano danni, incendi, bruciature e soprattutto possono interferire con i segnali elettrici debolissimi che controllano il nostro cuore alterandone il funzionamento sino a risultare mortali.
Per questa ragione è fondamentale non toccare mai circuiti in tensione che possono trasmettere scariche elettriche o scosse anche minime.
Piccole correnti elettriche, come quelle delle comuni batterie, sono innocue ma sopra i 50V per gli uomini l’organismo può essere danneggiato.
Inspiegabilmente le donne sono più resistenti e possono, a volte, sopportare sino a 90V di tensione elettrica.
Questi limiti vengono alterati in ambienti umidi, come il bagno, la cucina, ecc. o quando la pelle è bagnata perché in questi casi la corrente diviene pericolosa anche a voltaggi molto bassi.
Nei cantieri per la realizzazione di gallerie, nei quali ristagna molta umidità, possono essere utilizzati solo sistemi elettrici con tensioni inferiori a 24V e anche questi sistemi normalmente inoffensivi vanno gestiti con estrema attenzione da personale qualificato e specializzato.
In casa la stanza da bagno è un ambiente a rischio nel quale devono essere utilizzati sistemi elettrici solo con molta attenzione e cautela.
Quando la pelle è bagnata o addirittura immersa in acqua anche un contatto con una tensione modesta diviene pericolosissimo e addirittura mortale.
Il diffusissimo caricatore USB che utilizziamo ormai in molte occasioni preleva corrente dalla rete domestica alternata a 230 Volt e la trasforma in corrente continua a 5 Volt per caricare il telefono e alimentare dispositivi senza pericolo.
I piccoli 5Vcc sono assolutamente innocui, mentre i 230 Vca sono molto pericolosi ma trasportare energia elettrica ad alta tensione in forma alternata è molto conveniente quindi a noi non resta che fare molta attenzione quando usiamo gli alimentatori, i trasformatori o qualsiasi altro dispositivo alimentato direttamente da corrente alternata.