Dimentica per un istante l'energia. Immagina di non dover trasportare energia ma acqua e più precisamente da una botte ad un'altra.
Siamo un gruppo di 17 persone e trasportiamo acqua come raffigurato nella figura 1. Ognuno ha un bicchiere in mano e rimane al proprio posto. Colui che è più vicino alla botte piena vi attinge acqua col proprio bicchiere e passa poi lo stesso al compagno vicino. Questi lo passerà poi al suo vicino e così via. L'ultimo della fila rovescerà poi il contenuto del bicchiere nella seconda botte. I bicchieri vuoti passano per una seconda "catena" e ritornano alla botte piena. Come vedi la corrente dei bicchieri è una corrente del tipo vuoto a rendere.
Osserva come in questo esercizio non si trasporti energia bensì acqua. Nel caso della corrente di energia avevamo un portatore di energia, qui abbiamo un portatore di acqua: i bicchieri.
Chiediamoci ora come potremmo aumentare o diminuire l'intensità di corrente dell'acqua. Come possiamo operare per far sì che in un minuto giunga più o meno acqua dalla prima botte alla seconda? Semplice: riempiamo i bicchieri più velocemente e li passiamo altrettanto più velocemente ai nostri vicini (figura 2A). In tal modo otteniamo un'intensità di corrente d'acqua maggiore. Se ora riempiamo i bicchieri lentamente e li passiamo altrettanto lentamente al nostro vicino otteniamo un'intensità di corrente d'acqua minore (figura 2B). L'intensità di corrente dell'acqua è tanto maggiore quanto maggiore è l'intensità di corrente dei portatori d'acqua.
Come avrai notato questa frase è la stessa che abbiamo formulato al capitolo C1.6. Basta infatti sostituire alla parola energia la parola acqua.
C'è però un'altra possibilità per aumentare o diminuire l'intensità di corrente dell'acqua. Manteniamo l'intensità di corrente dei bicchieri costante, ad esempio un bicchiere ogni due secondi (cioè 30 bicchieri al minuto). In un primo tempo riempiamo però i bicchieri solo a metà (figura 3A). In tal modo otteniamo un'intensità di corrente d'acqua bassa. Poi riempiamo completamente i bicchieri (figura 3B). Ora otteniamo un'intensità di corrente d'acqua doppia rispetto a quella precedente. L'intensità di corrente dell'acqua è quindi tanto maggiore, quanto più acqua è contenuta nei bicchieri che la trasportano da una botte all'altra. In altre parole: l'intensità di corrente dell'acqua è tanto maggiore quanto maggiore il portatore d'acqua è caricato di acqua.
È facile riempire un bicchiere, cioè un portatore d'acqua, con più o meno acqua. Come si può però caricare un portatore di energia come ad esempio l'elettricità, l'aria compressa o la catena della bicicletta con più o meno energia? Questo verrà discusso nei prossimi paragrafi.
Esercizi:
C'è 1kg di cibo che trasporta tanta energia ed 1 kg di cibo che ne trasporta poca? Naturalmente sì. Osserva semplicemente la tabella a pagina 4. Nella figura 4 sono raffigurati due flussi di cibo di uguale intensità di corrente. In entrambi i casi fluiscono 2 g/s ma nel primo caso si tratta di foglie di insalata, mentre nel secondo caso di chicchi di grano. Nel caso delle foglie di insalata l'intensità di corrente dell'energia è di circa 20 volte minore che nel caso dei chicchi di grano. Possiamo formulare il nostro pensiero anche nel seguente modo: nel primo caso la corrente di cibo è caricata con poca energia, nel secondo caso con molta.
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I chicchi di grano sono caricati con più energia delle foglie di insalata |
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Riassunto: La corrente di energia è tanto maggiore quanto più il cibo è caricato con energia, cioè quanto più kJ sono contenuti in 1 kg di cibo. |
Esercizio:
Una lepre mangia circa 20 volte di più di una volpe. Come ti puoi spiegare questo fatto?
C'è 1 L di acqua con tanta energia e 1 L con poca? Naturalmente. Un litro di acqua calda trasporta più energia di un litro di acqua fredda. L'acqua calda è maggiormente caricata di energia di quella fredda. Per questo motivo la persona nella figura 5 in alto trema dal freddo, mentre quella in basso suda dal caldo.
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Riassunto: La corrente di energia è tanto maggiore quanta più energia è caricata sull'acqua, cioè quanto maggiore è la temperatura dell'acqua. |
Esercizio:
Prendi in mano una pompa da bicicletta e prova a pompare nell'aria (figura 6). Azionala ad un ritmo di circa 2 movimenti al secondo. Conta fino a che hai compiuto 40 movimenti e prova a pensare se hai fatto fatica. Applica ora la pompa alla ruota di una bicicletta, che in precedenza hai sgonfiato. Ripeti ora il medesimo esercizio di prima: esegui circa 40 movimenti (se ci riesci) al ritmo di 2 movimenti al secondo e valuta se fai più o meno fatica di prima. Avrai facilmente potuto costatare che è molto più faticoso gonfiare la ruota della bicicletta che azionare la pompa nell'aria.
Per gonfiare la ruota hai bisogno di più energia. L'aria che hai compresso nella ruota della bicicletta contiene più energia dell'aria che hai pompato nell'aria. Dal momento che in entrambi i casi hai azionato la pompa al medesimo ritmo di 2 movimenti di pompa al secondo, l'intensità di corrente dell'aria è in entrambi i casi la medesima. Nel secondo caso hai comunque caricato più energia sull'aria che nel primo.
Come si può vedere se una corrente di aria è caricata con molta o con poca energia? Dalla pressione. La pressione si misura in bar. L'aria che hai pompato nella ruota della bicicletta ha circa 2,5 bar. La si chiama aria compressa. Quella che hai pompato nell'aria ha la pressione di circa 1 bar. Anche nei liquidi la pressione viene indicata in bar. La pressione dell'acqua corrente di casa vostra ha una pressione di circa 4 bar.
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Aria a pressione elevata trasporta più energia di aria a bassa pressione |
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Riassunto: La corrente di energia è tanto maggiore quanta più energia è caricata sull'aria, cioè quanto maggiore è la pressione dell'aria. |
Esercizio:
Come si può vedere se una corrente di aria è caricata con molta o con poca energia?
Sopra la superficie terrestre si trova uno strato di aria alto circa 50 km. Gli uomini vivono quindi per così dire sul fondo di un mare d'aria profondo 50 km così come i granchi vivono sui fondali marini.
Sul fondo del mare o di un lago si sente il peso dell'acqua che si trova sopra una persona. Quest'acqua genera una pressione. La pressione aumenta dall'alto verso il basso. Allo stesso modo sul fondo del nostro mare d'aria siamo soggetti al peso dell'aria che sta sopra di noi: sulla superficie terrestre vige una pressione di circa 1 bar. Salendo questa pressione diminuisce. Ad un'altitudine di 50 km questa è praticamente zero bar.
La pressione sulla superficie terrestre cambia continuamente il proprio valore. Oscilla tra i 960 ed i 1'060 mbar (1 bar = 1'000 mbar, leggi millibar).
Esiste una relazione tra la pressione atmosferica ed il tempo meteorologico. In caso di brutto tempo la pressione è generalmente minore che in caso di bel tempo (alta pressione = bel tempo).
Nel paragrafo precedente si è detto che lo spessore della coltre di aria che sovrasta la crosta terrestre è di 50 km. In realtà non esiste un punto netto in cui la coltre d'aria termina: essa si rarefà sempre più man mano che si sale. A 10 km di altezza è già circa 4 volte più rarefatta che a livello del mare. 50 km è solo un valore indicativo. Forse 50 km ti sembrano tanti. Rappresentati però questa coltre d'aria nella giusta scala rispetto alle dimensioni del globo terrestre. Il raggio terrestre ammonta a circa 12'800 km. Come puoi vedere la coltre rappresentata dall'atmosfera è ben poca cosa.
Immagina di andare in bicicletta una volta lungo una strada pianeggiante ed una volta lungo una strada in salita (figura 7). In ciascuna situazione pedali ad un ritmo di una pedalata al secondo. In ciascun caso quindi l'intensità di corrente della catena è la stessa.
Nonostante ciò nei due casi la quantità di energia che fluisce verso la ruota posteriore della bicicletta non è la stessa. Pedalando in salita ne fluisce di più. Lo puoi facilmente notare dalla fatica che devi fare. Poiché l'intensità di corrente del portatore di energia nei due casi è uguale, ne segue che in un caso il portatore è caricato con più energia che nell'altro.
Anche la catena si accorge se è caricata con molta o con poca energia. Tanto più è caricata con energia e tanto più la parte superiore della catena è tesa.
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Riassunto: La corrente di energia è tanto maggiore quanta più energia è caricata sulla catena della bicicletta, cioè quanto più la catena viene tesa durante la pedalata. |
Esercizio:
Due ciclisti viaggiano appaiati con la stessa velocità. Dal momento che entrambi hanno la stessa massa e le stesse biciclette, necessitano entrambi della stessa quantità di energia per secondo per procedere. In entrambi i casi quindi l'intensità di corrente dell'energia che fluisce dai muscoli alla ruota posteriore è la stessa.
Malgrado ciò il primo ciclista (A) pedala con una cadenza minore del secondo (B): ha infatti una marcia maggiore.
Pedalare con minore frequenza significa anche che attraverso la catena l'intensità di corrente della catena è minore. Affinché però attraverso la catena fluisca la medesima intensità di corrente di energia, la catena del primo ciclista (A) deve essere caricata con più energia. La catena sarà quindi più tesa.
L'intensità di corrente del portatore di energia è quindi nel caso del ciclista A minore rispetto a B, per contro la catena è caricata con più energia.
Svolgiamo ora un esperimento che probabilmente ti sorprenderà. Una grossa lampadina viene allacciata alla presa della corrente ed una piccola lampadina viene allacciata ad una batteria tascabile. In quale circuito l'intensità di corrente della corrente elettrica è maggiore? Forse nel circuito della grossa lampada?
Inseriamo un amperometro in ciascun circuito. Entrambi mostrano lo stesso valore! (figura 8)
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Nella batteria la corrente elettrica viene caricata con meno energia che nella centrale elettrica |
L'intensità di corrente dell'energia che fluisce nel circuito della lampadina piccola è minore rispetto a quella del circuito della lampada grande. Lo puoi notare dal fatto che la lampadina piccola fa meno luce e si riscalda meno. Lo puoi anche leggere dall'indicazione dei watt riportata sulle due lampadine. Su quella grossa trovi 60 W, cioè 60 J al secondo, su quella piccola 2 W. Quella piccola necessita quindi 30 volte meno energia della grande.
Come si può spiegare il fatto che l'intensità di corrente dell'energia nelle due lampadine sia così diversa, malgrado l'intensità di corrente del portatore di energia sia praticamente uguale? Questo può essere spiegato unicamente ammettendo che una volta il portatore trasporta molta energia e l'altra volta poca.
La centrale elettrica alla quale la presa di corrente è collegata carica l'elettricità con più energia rispetto alla batteria tascabile cui è collegata la lampadina piccola. Si dice che la presa di corrente ha una tensione maggiore. A volte si parla anche di tensione elettrica o voltaggio.
L'unità di misura della tensione elettrica viene espressa in volt (V). Una batteria tascabile ha 4,5 V (fin tanto che non è scarica). La presa di corrente di casa 220 V.
Una fonte con una tensione maggiore carica sull'elettricità una quantità maggiore di energia di una fonte con tensione minore.
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Riassunto: La corrente di energia è tanto maggiore quanta più energia è caricata sull'elettricità, cioè quanto maggiore è la tensione elettrica. |
Esercizi:
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