Le due forme dell’energia elettrica: corrente alternata e corrente continua.
La differenza, le caratteristiche specifiche e le motivazioni dell’uso
Questo articolo introduce brevemente il concetto di corrente elettrica, per poi chiarire la differenza tra corrente continua e corrente alternata, evidenziandone le caratteristiche. Vengono poi spiegate più nel dettaglio le motivazioni per cui la corrente alternata presenta determinate caratteristiche, sottolineandone vantaggi e svantaggi.
Introduzione
La carica elettrica è una proprietà delle particelle, principalmente protone ed elettrone, che determina l’azione di una forza su esse. La forza può essere di attrazione o di repulsione a seconda che le cariche siano rispettivamente di tipo diverso oppure dello stesso tipo.
Quando sottoposte all’azione di forze di natura elettromagnetica, le cariche tendono a ridistribuirsi nello spazio e quando le cariche sono movimento, si parla di corrente elettrica. Il moto di cariche è dato dalla cosiddetta tensione a cui è sottoposto, la quale fornisce una misura di quanta energia è associata a quel trasferimento di cariche. La tensione, semplificando, può essere intesa come la causa della corrente e tanto più è alta la tensione a cui si sottopone un conduttore, tanto sarà maggiore la corrente che scorre in esso. Nel momento in cui un circuito viene connesso ad un sorgente di tensione costante, la corrente aumenta fino a raggiungere un valore a regime che soddisfa questa relazione:
v: tensione, misurata in volt [V]
R: resistenza, misurata in ohm [Ω]
i: corrente, misurata in ampere [A]
Quella che normalmente viene chiamata corrente è la misura dell’intensità del moto delle cariche, correttamente infatti si chiama intensità di corrente. Preso un conduttore percorso da una corrente costante, se ne misuriamo la carica Q, in un intervallo di tempo Δt, la corrente vale:
I: corrente costante [A]
Q: carica elettrica, misurata in Coulomb [C]
Δt: Intervallo di tempo, misurato in secondi [s]
Ovvero la corrente misura quante cariche passano in un intervallo di tempo di un secondo.
Se supponiamo di trasferire una corrente di 2 A per 10 s avremo traferito 20 C di carica. 20 C a 12 V corrispondono ad un trasferimento di energia di 240 J, o 0,057 kcal.
La potenza istantanea, ovvero la misura del flusso di energia traferito istante per istante, è data dalla seguente relazione:
p: potenza istantanea [W=J/s]
Quando le cariche attraversano un conduttore urtano le particelle del conduttore dissipando nel tempo parte dell’energia sotto forma di calore. Questa potenza (energia nel tempo) rappresenta la quota di potenza che si perde nel tragitto della corrente e tanto maggiore è l’intensità della corrente e tanto maggiore sarà la dissipazione. Nello specifico:
Pj: Potenza dissipata per effetto Joule [W]
La resistenza elettrica definisce quanto facilmente le cariche attraversano il conduttore e di conseguenza fornisce una misura di quanta energia viene persa nel tragitto: la resistenza è bassa quando gli urti sono pochi e quindi le cariche cedono poca energia cinetica al conduttore, si muovono più facilmente.
Corrente continua e corrente alternata
La corrente elettrica più semplice che si può immaginare è la corrente è monodirezionale, detta corrente continua (CC) o direct current (DC). L’intensità di corrente può variare nel tempo, ma per la maggior parte del tempo è costante. Rappresentata graficamente:
Fig.1 - Andamento nel tempo della corrente in forma continua
L’intensità della corrente può anche variare nel tempo, assumendo un profilo arbitrario. Tra tutti i profili possibili quello sinusoidale viene particolarmente utilizzato.
Fig.2 - Andamento nel tempo della corrente in forma alternata
Quando la corrente ha questo comportamento si dice alternata (CA) o alternate current (AC). La corrente è alternata se le cariche si muovono avanti e indietro ripetutamente nel conduttore, con una variazione di velocità che progressivamente aumenta e diminuisce. Per caratterizzarla si usa l’ampiezza, ovvero il valore più alto che la corrente assume, e la frequenza, che rappresenta il numero di volte in cui il profilo si presenta identico in un secondo, il numero di cicli. In maniera equivalente si può parlare di periodo, ovvero il tempo dopo il quale la corrente assume lo stesso valore.
f: frequenza, misurata in hertz [Hz = 1/s]
T: periodo della sinusoide [s]
Sebbene si parli di corrente, in realtà sono le tensioni ad essere alternate o continue e queste determinano di conseguenza il moto alternato e continuo delle cariche. Analogamente si parla di frequenza e ampiezza anche per la tensione. Ad oggi è possibile passare facilmente da una forma all’altra, ma quando non necessario si tende ad evitare, perché la conversione comporta perdite di energia aggiuntive.
L’energia elettrica viene distribuita principalmente in forma alternata. La tensione ha ampiezza variabile a seconda del tratto di trasmissione, ma la frequenza è sempre fissa, pari a 50 Hz, in Europa. Chi controlla la rete ha il compito di garantire che il profilo di tensione venga rispettato, così che i dispositivi che vengono connessi funzionino come previsto. Intuitivamente si comprende che garantire una tensione continua è molto più semplice rispetto ad una alternata: per l’alternata è infatti fondamentale tenere sotto controllo il valore della frequenza, oltre a quello della tensione. Ciononostante, per la rete è stata è preferita la corrente alternata, perché la variabilità nel tempo comporta dei vantaggi significativi.
Di seguito viene spiegato perché è così importante e vengono poi analizzate le altre due caratteristiche specifiche della corrente alternata: il profilo sinusoidale e la frequenza di 50 Hz.
Variabilità nel tempo
Le motivazioni per cui una tensione alternata è più vantaggiosa sono legate a due tipi di dispositivi: i motori/generatori elettrici e i trasformatori.
Motori e generatori elettrici
I motori e generatori elettrici hanno la stessa struttura e sono detti in generale macchine elettriche. Sono costituiti da una struttura fissa, detta statore e un asse rotante detto rotore. A ciascuna delle due parti è associato un campo magnetico e la rotazione meccanica e la generazione di energia sono associate all’interazione tra i due campi, che si devono muovere nel tempo, devono ruotare. I campi magnetici sono generati dai conduttori percorsi da corrente oppure da dei magneti.
Fig.3 - Sezione trasversale semplificata di una macchina elettrica
In un motore, affinché il rotore giri, è necessario che ci sia un campo magnetico rotante a statore che lo trascini. Nella giusta configurazione, le correnti alternate generate dai conduttori fissi nello statore sono in grado di generare direttamente il campo magnetico rotante.
In un generatore viceversa, a fronte di una rotazione del rotore e del campo magnetico ad esso associato si generano per induzione delle correnti sullo statore. Queste correnti sono naturalmente alternate.
Le macchine elettriche che funzionano in corrente alternata, macchina sincrona o asincrona, per questi motivi sono più robuste e performanti rispetto alla controparte in corrente continua. Queste ultime necessitano di una connessione apposita per il rotore (sistema spazzole e collettori) che ne limita la velocità massima ed è particolarmente soggetta ad usura.
Trasformatori
I trasformatori sono dei dispositivi in grado di traferire la potenza elettrica in ingresso all’uscita cambiandone i livelli di tensione e corrente e mantenendo la stessa frequenza. Nello specifico, i trasformatori sono utilizzati per aumentare la tensione e di conseguenza diminuire la corrente prima della trasmissione dell’energia e per fare l’opposto, abbassare la tensione, prima di raggiungere il consumatore. La corrente è responsabile delle dissipazioni di energia nei conduttori e quindi avere una corrente alta significa perdere molta energia lungo le linee, come visto nell’introduzione. Per questo motivo, a parità di potenza trasferita, si preferisce alzare molto la tensione nelle linee per limitare le perdite Joule e garantire un trasferimento di energia efficiente. Prima che venga, impiegata, per motivi di sicurezza, il livello di tensione viene abbassato ad un valore sicuro.
I trasformatori consentono questa trasformazioni in maniera estremamente efficiente (intorno al 99%) e sono piuttosto economici, ma funzionano solamente in corrente alternata. Fino a tempi recenti erano gli unici disponibili in grado di farlo e questo è il motivo per cui l’energia viene trasferita in forma alternata. Adesso esistono anche i convertitori elettronici, che sono in grado di fare lo stesso per la corrente continua, tuttavia sono comunque più costosi, più delicati e meno efficienti.
Infine un ulteriore vantaggio dato dalla variabilità nel tempo è il fatto che gli interruttori sono più semplici. Quando una corrente in circuito viene improvvisamente interrotta si forma un arco elettrico. Se l’alimentazione è alternata, la corrente si annulla 100 volte al secondo quindi l’arco si estingue al massimo nel giro 10 ms. Se invece è continua, devono essere dotato di un meccanismo attivo di interruzione dell’arco.
Riassumendo la variabilità nel tempo è molto utile, principalmente perché rende la trasmissione e generazione di energia molto più efficienti.
Perché il profilo è sinusoidale?
Il motivo può essere visto da punti di vista differenti. Il profilo sinusoidale rappresenta la variazione alternata più graduale e dolce che ci sia e questo comporta che la misura della sua variazione nel tempo, matematicamente la derivata, è continua, ma soprattutto che ha la stessa forma d’onda della sinusoide di partenza, ma sfasata nel tempo. Quando le grandezze elettriche, corrente e tensione, sono variabili nel tempo, sono legate tra di loro anche tramite le derivate: la derivata della corrente determina la tensione e viceversa. Se sono sinusoidali generanno sempre correnti e tensioni sinusoidali alla stessa frequenza.
Questo non sorprende. Fourier dimostrò che qualsiasi tipo di segnale periodico può essere considerato come la somma di sinusoidi di frequenza multipla della frequenza del segnale. In altre parole, si può dire che la variazione sinusoidale rappresenta la componente fondamentale di variazione, con cui si può costruire qualsiasi segnale: è il segnale variabile nel tempo più elementare che sia.
Perché proprio a 50 Hz?
I generatori trasformano la potenza meccanica, ovvero la rotazione del rotore, in tensione e quindi corrente. Il campo magnetico del rotore ruotando induce le tensioni sullo statore in maniera proporzionale alla variazione del campo percepita, la derivata del flusso, secondo la relazione:
v: tensione indotta [V]
dφ/dt: derivata nel tempo del flusso del campo magnetico [Wb/s]
Quando la velocità di rotazione è maggiore, la variazione (derivata) del campo magnetico è maggiore. Lavorare a frequenze maggiori consente di mantenere l’intensità del campo magnetico minore per generare la stessa ampiezza in tensione. Facendo un esempio, se dovessimo generare delle tensioni alternate a 100 Hz, il doppio della frequenza di rete, allora basterebbe avere un campo magnetico due volte meno intenso di quello per 50 Hz. Avere campi magnetici meno intensi comporta avere dei dispositivi più piccoli e meno costosi. Per un motivo analogo, i trasformatori che lavorano a frequenze più alte sono più piccoli.
Di contro però una frequenza alta comporta avere delle perdite maggiori sulle linee per effetto pelle: fenomeno per cui maggiore è la frequenza più le cariche tendono a distribuirsi sulla superficie del conduttore, riducendone la sezione utile. Inoltre, le linee di trasmissione non sono dei conduttori ideali e mentre i segnali di tensione e corrente viaggiano su di esse si discostano di più dal valore nominale all’aumentare della frequenza, perché aumentano l’impedenza e l’ammettenza delle linee. In sostanza, aumentare la frequenza ha un effetto analogo ad aumentare la lunghezza delle linee: perdite e distorsioni maggiori.
La frequenza può essere pensata in maniera semplificata come “un contributo energetico aggiuntivo” che la forma alternata ha rispetto a quella continua. Comporta una sollecitazione maggiore dei componenti della rete e quindi può comportare problemi aggiuntivi se eccessiva. Il valore di 50 Hz rappresenta un compromesso tra i vantaggi e svantaggi evidenziati.
Dove viene utilizzata la corrente continua?
Tutti i dispositivi elettrici che si connettono alla prese domestiche sono alimentati in CA, però non utilizzano alimentazione solo nella forma alternata. Spesso parte o tutta l’energia viene convertita in forma continua, specialmente nei dispositivi digitali, perché i componenti elettronici che li compongono, come i transistor, lavorano solo con valori costanti di corrente o tensione, per rappresentare lo stato del bit. Ugualmente, quando è necessario avere un accumulo di energia elettrica, la connessione può essere solo in CC. Se pensiamo ad una batteria è naturale che questa venga caricata in corrente continua, poiché le cariche elettriche devono esser accumulate al suo interno, mentre se la corrente fosse alternata, in un periodo, entrerebbe e poi uscirebbe la stessa quantità di carica. Allo stesso modo in uscita la corrente generata sarà continua, le cariche accumulate si muoveranno seguendo un un’unica direzione. Quando necessario, la sorgente continua può essere convertita in alternata, così che qualsiasi dispositivo, a prescindere dalla forma di alimentazione richiesta possa diventare portatile con una batteria. Ad esempio, tutti i veicoli elettrici sono dotati di motori in corrente alternata, perché, come detto, sono più robusti e performanti.
In conclusione la CA comporta dei vantaggi in termini di trasmissione e generazione rispetto alla CC, ma richiede un controllo accurato del profilo. Nessuna delle due forme di energia elettrica può essere utilizzata unicamente, ma sono entrambe utili per le une o le altre applicazioni.
In questo articolo sono presenti diverse semplificazioni. Per qualsiasi dubbio, chiarimento o segnalazione di errore potete contattarci tramite su uno qualsiasi dei nostri canali. Ovviamente noi preferiamo le domande durante le live.
Grazie per la lettura.