<<La corrente elettrica è uno dei più “spirituali” tra i fenomeni Fisici>>
Giovanni Papini in “GOG”

L’elettrotecnica è lo studio della corrente elettrica e dei fenomeni ad essa associati e quindi lo studio delle applicazioni in cui essa viene trasportata e convertita.
Il successo del “vettore corrente” è dovuto all’intrinseca longevità da esso presentata:

• Elevata efficienza (rendimenti tendenti all’unità) nel trasporto (linee) e nella conversione in altre forme energetiche (meccanica, luminosa, termica);
• Relativa semplicità (per la conoscenza tecnico-scientifica dell’essere umano) di conversione (produzione e utilizzazione);
• Reversibilità (“Exergia”);

Nella Storia

Il fenomeno elettrico ha sempre affascinato l’essere umano, attribuendone la violenza all’ira degli Dei.

Già nel 1752 però, Benjamin Franklin dimostrò che i fulmini non sono altro che “scariche elettriche” tra nuvole e tra nuvole e terreno. Lo dimostò con il suo celebre esperimento dell’ “aquilone e la rana”.

La Disciplina vera è propria, nell’accezione moderna, nasce nel 1800 con l’invenzione della Pila da parte di Alessandro Volta. La pila infatti consentiva di accumulare un quantitativo di energia elettrica sufficiente allo svolgimento di esperimenti.

L’antenata della Pila di Volta fu la “Cella galvanica” (1780). Luigi Galvani è tra i padri di quella che oggi viene definita “Elettrochimica”: una reazione chimica (ossidoriduzione) fornisce corrente elettrica. Trasformazione da energia chimica ed elettrica (e viceversa). Galvani condusse molti esperimenti tra cui quello sulla stimolazione elettrica dei tessuti muscolari.

Osservò come una rana, nonostante decapidata e scuoiata, se sottoposta a stimolazione elettrica mostri delle contrazioni muscolari.

Questi esperimenti portarono all’aperto contrasto tra Volta e Galvani stesso. Galvani, infatti, sosteneva l’esistenza dell'”elettricità animale”, ovvero ipotizzava che la corrente elettrica fosse “intrinseca” ai sistemi biologici. Che i corpi biologici fossero capaci di accumulare energia elettrica, come una Bottiglia di Leida.
Volta invece sosteneva che i muscoli reagissero solamente ad una sollecitazione esterna, ovvero che funzionassero da “elettroscopio”.

Il principio proposto da Volta è il seguente: il “fluido elettrico” torna ad una condizione di equilibrio iniziale a fronte di una “tendenza” ad espandersi. Tale tendenza prende il nome di “tensione elettrica”: l’unità di misura della tensione,infatti, è il “Volt” [V].

Il nipote di Galvani, Giovanni Aldini, ripropose il medesimo esperimento della rana ma su cadaveri umani. Dovette trasferirsi in Inghilterra, ove era prevista anche la pena di morte per impiccagione, dunque senza decapitazione, potendo reperire “cadaveri integri”. Nel 1803 eseguì uno dei suoi esperimenti in pubblico, collegando il corpo umano ad una grande pila riuscendo a far muovere il cadavere. Sembra che il suo assistente morì di infarto la notte stessa a causa del terrore causatogli dall’esperimento: Aldini infatti bramava di poter “riportare in vita” i morti grazie all’elettricità. Questo ispirò (insieme agli esperimenti di Galvani) la scrittrice Mary Shelley per la scrittura del romanzo Frankenstein.

Nel 1825 Georg Ohm rese pubblica quella che era la sua convinzione, ovvero che la corrente che attraversa certi materiali è poporzionale alla differenza di potenziale elettrico su di essi applicata:

è sicuramente di ispirazione rammentare che il Padre di Ohm, che introdusse i figli alla Scienza, fu totalmente autodidatta.

Nel 1833 Samuel Hunter Christie inventò un dispositivo per la misura delle resistenze elettriche, in seguito perfezionato da Charles Wheatstone, da cui prende il nome: ponte di Wheatstone.

Il ponte di Wheatstone è costituito da due rami formati a loro volta da due resistenze in serie. Una è la resistenza incognita, le altre tre sono note. Si varia (sempre con valori noti) una delle resistenze fino a che un galvanometro (strumento che traduce il passaggio di corrente elettrica in movimento magnetico) “segna zero”, la resistenza incognita può essere calcolata grazie a delle formule matematiche aventi per input solo il valore delle resistenze note.

Ipotizzando che le Resistenze R1 ed R2 siano note, R3 sia variabile tra valori noti, si vuole ricavare il valore di R4:

La tensione V0 è nulla (galvanometro che “segna zero”) se vale la seguente relazione:

Tale dispositivo misura pertanto lo “squilibrio” tra i due rami. Se si facesse uno studio dell’errore, si noterebbe che l’incertezza della tensione non contribuisce all’incertezza del risultato. Risulta dunque un metodo di misura molto accurato (è evidente che le tolleranze delle resistenze note devono essere più piccole possibile).

Lo studio dell’Elettrotecnica è, storicamente, lo studio dei circuiti elettrici a parametri concentrati, ovvero sistemi le cui dimensioni fisiche sono decisamente più piccole se comparate con le lungheze d’onda delle grandezze fisiche che lo interessano.

Tali circuiti hanno portato lo scienziato Gustav Robert Kirchhoff a considerazioni sulla conservazione della carica e dell’Energia: Leggi di Kirchhoff.

In un nodo, la somma algebrica delle correnti deve essere pari a zero (Prima legge di Kirchhoff), altrimenti vi sarebbe “accumulo”.

La seconda legge di Kirchhoff afferma invece che, dato un circuito elettrico, la sommatoria algebrica delle tensioni (f.e.m. e cadute di tensione) lungo un qualsiasi percorso chiuso, partendo da un nodo e tornando al nodo stesso, deve essere nulla. Il campo elettrico è dunque un campo conservativo.

Va rammentato inoltre il suo contributo nello studio delle “reti” intese come entità matematiche. Partendo da una rete, conoscendo il numero di rami e di nodi, è possibile calcolare il numero di configurazioni radiali da essa estraibile.

La legge di Michael Faraday , conosciuta anche come “legge dell’induzione elettromagnetica” (1831) introduce il concetto di conversione “a e da” altre altre forme di energia basato sul concetto di “moto”.

La forza elettromotrice “e” (f.e.m.) è pari alla variazione di flusso magnetico concatenato ad un circuito nel tempo. Il segno meno sta ad indicare che si tratta di un fenomeno inerziale, ovvero che si oppone alla causa che lo ha generato: le correnti legate alla f.e.m. sono tali da generare un flusso che si oppone alla causa della variazione stessa, in pratica tendono a mantenere il flusso magnetico costante. Questo fatto è spiegabile con il “principio di conservazione dell’energia”.

Le macchine elettriche funzionano grazie a tale principio. Le variazioni di flusso si traducono in differenze di potenziale mentre una corrente elettrica è associata ad un campo magnetico. I fenomeni magnetici ed elettrici sono interconnessi: da qui il nome “Elettromagnetismo”.

Tale rapporto “genetico” e “circolare” non ha attualmente altri riscontri: questa interconnessione così forte tra fenomeni fisici, consente di vedere qualcosa di complesso come qualcosa di semplice ed elegante che viene chiamata Natura.

Facendo variare il flusso concatenato con una spira si genera elettricità, facendo passare corrente sulla stessa spira viene generato un campo magnetico: reversibilità (Una macchina elettrica rotante, con i dovuti accorgimenti, può comportarsi sia da generatore che da motore).

Ulteriore analogia con altri settori scientifici è quella con l’idraulica: la corrente elettrica è un “flusso ordinato di cariche”. La portata di fluido che attraversa una tubazione è proporzionale alla pressione applicata (assonanza con la legge di Ohm) Galvani e Volta infatti parlavano del fenomeno elettricità come “flusso elettrico”.

Alla chiusura improvvisa di una valvola, a causa dell’inerzia della colonna d’acqua, si ha il “colpo d’ariete”: l’energia non può sparire e quindi viene “spesa” per la deformazione (a volte distruttiva) della tubazione stessa (onda d’urto) . L’equivalente elettrotecnico del colpo d’ariete è l’Arco Elettrico. All’apertura di un interruttore sui carichi induttivi vengono a generarsi delle sovratensioni che portano al superamento delle rigidità dielettriche degli isolanti causando la scarica (anch’essa distruttiva).

Per quanto riguarda proprio l’arco elettrico, a proporre il modello analitico (della relativa caratteristica statica) fu proposto da una ricercatrice nel 1902: Hertha Marks Ayrton.

Macchine elettriche rotanti

Tra il 1830 e il 1840 fu costruita la prima carrozza elettrica: pertanto potremmo dire che l’automobile ha propulsione elettrica nasce prima di quella con motore a combustione interna. Il limite era rappresentato dalle baterie: la tecnologia dell’epoca non consentiva di costruire accumulatori con capacità sufficiente a garantire efficienza adeguata (Si ricorda che Volta inventò la Pila nel 1800).

Nel 1860, Antonio Pacinotti (basandosi sulla Legge di Faraday) inventa la Dinamo. Sino a quel momento l’energia elettrica veniva prodotta solo per mezzo di batterie (Pile). Nel 1869 osservò che lasciando “libera di ruotare” la manovella della Dinamo con cui caricava una batteria, questa si mire a ruotare: introdusse quindi il concetto di reversibilità. Inventò quindi il motore elettrico a corrente continua.

Fondamentale è stata la scoperta del “campo magnetico rotante” da parte di Galileo Ferraris :

Un avvolgimento percorso da una corrente alternata genera un campo magnetico pulsante. Se si alimenta una terna di avvolgimenti, i cui assi magnetici sono sfasati di 120°, con una terna di correnti simmetrica ed equilibrata (stesso modulo ma sfasate tra di loro di 120° elettrici) si ottiene un campo magnetico rotante.

Questo principio è alla base del funzionamento di motori/generatori trifase.

In verità il motore di Ferraris era Bifase. Nikola Tesla, nel 1888, brevettò il “motore ad induzione trifase”, ovvero un motore trifase per uso pratico a livello industriale.
Nacque però una schermaglia scientifica per la paternità tra i due scienziati.

Ferraris, a differenza di Tesla, divulgava e pubblicava tutte le sue scoperte per metterle a disposizione “della Patria e dell’Umanità”.
Sembra infatti che George Westinghouse si interessò a Ferraris durante la ricerca di Ingegneri da assumere (siamo agli inizi della “Guerra delle correnti”). Questi però rifiutò perchè impegnato nel suo progetto di divulgazione della neo disciplina tramite la “Scuola Elettrotecnica” da egli fondata. L’industriale si rivolse poi a Tesla.

La lampadina

Probabilmente il simbolo per antonomasia dell’eletrotecnica è la lampadina. Benchè altri scienziati stessero lavorando su prototipi di lampadine ad incandescenza, fu Thomas Edison ad ideare una lampada ad incandescenza durevole che potesse essere prodotta e distribuita su larga scala. La lampadina ad incandescenza infatti è costituita da un conduttore inserito in un bulbo di vetro in cui viene creato il vuoto: il surriscaldamento provoca l’emissione di Fotoni (incandescenza). L’efficienza di tale dispositivo è pressoché minima, solo il 5% circa della potenza assorbita viene emessa nello spettro visibile, il resto può essere percepito dall’uomo solo come calore .

Al solito, la Storia è più complicata di quello che sembra. Anche il piemontese Alessandro Cruto sviluppò, nel 1880, il suo modello di lampadina, più efficiente di quella di Edison: quest’ultimo però nel 1879 aveva già innaugurato l’ulluminazione ad incandescenza illuminando Menlo Park.

Guerra delle Correnti

Le intuizioni di Galileo Ferraris, oltre che vere e proprie rivoluzioni scientifiche, contribuirono alla vittoria della corrente alternata sulla corrente continua in quella che venne definita come la “Guerra delle Correnti”.

Nel XIX secolo infatti vi fu una competizione economica di mercato tra due “modelli tecnici”: quello della Westinghouse Electric contro General Electric.

La General Electric, tra i cui fondatori c’è Thomas Edison, spingeva affinchè si affermasse sul mercato l’utilizzo della corrente continua. Al contrario, la Westinghouse, sulla base delle scoperte di Galileo Ferraris e Nikola Tesla, propose l’utilizzo della corrente alternata.

La distribuzione in continua, che era a 110V, si rilevò presto inefficace a causa delle enormi perdite sulle linee e il livello di tensione “ottenibile per la grande distribuzione” troppo basso.

L’enorme praticità di sfruttamento delle teorie di Ferraris e Tesla fecero il resto.

Topsy

Il 4 gennaio 1903, Edison e la General Electric vollero dimostrare che la corrente continua è “meno pericolosa” di quella alternata.

Topsy era un esemplare femmina di elefante indiano. “Inadatto” (come ogni animale) alla vita in cattività, disobbediente e apparentemente pericoloso, fu “giustiziato” tramite elettrocuzione. Falliti altri tentativi di soppressione (strangolamento, cianuro…) si decise di utilizzarlo come cavia per dimostrare la percolosità della corrente alternata. La bestia si rifiutò di salire sulla piattaforma (patibolo) allestita per l’occasione, pertanto si decise di spostare l’attrezzatura.
6600v AC per dieci secondi….

Matteo Gentileschi