La potenza elettrica, cioè l’energia trasferita o trasformata nell’unità di tempo, indica quanto rapidamente un circuito consuma o fornisce energia. Si misura in watt, simbolo W.
| Grandezza | Simbolo | Formula | Unità SI |
|---|---|---|---|
| Potenza elettrica | |||
| Tensione | |||
| Corrente | |||
| Resistenza | |||
| Energia elettrica | oppure | ||
| Calore per effetto Joule | |||
| Conversione energetica | — | ||
| Potenza in CA | , , | Cenni su attiva, reattiva e apparente | , , |
La potenza elettrica, cioè l'energia trasferita o trasformata in un secondo, serve a descrivere quanto rapidamente un dispositivo usa energia.
Si pensa a una lampadina o a una resistenza come a un apparecchio che converte energia elettrica in luce o calore. La potenza misura proprio la rapidità di questa conversione.
Il collegamento fisico fondamentale è che una differenza di potenziale e una corrente insieme determinano quanta energia passa nel circuito in ogni istante.
Per esempio, se una lampadina funziona a e assorbe , allora la potenza vale .
L'unità di misura è il watt, cioè il joule al secondo. Un dispositivo da trasferisce ogni .
Se la stessa lampadina assorbe più corrente, la potenza cresce. Questo spiega perché alcuni dispositivi scaldano di più o illuminano di più.
Nelle resistenze, cioè nei componenti che oppongono resistenza al passaggio della corrente, la potenza si può scrivere in tre modi equivalenti.
Si parte dalla legge di Ohm, cioè la relazione tra , e .
Per esempio, se e , allora si ottiene .
Sostituendo questa relazione nella formula della potenza, si ricava .
Per esempio, con e , si ha .
In modo analogo, sostituendo , si ottiene .
Per esempio, con e , si trova ancora .
Le tre espressioni sono la stessa legge scritta in forme diverse. Si scelgono in base ai dati disponibili.
L' effetto Joule, cioè il riscaldamento di un conduttore attraversato da corrente, spiega perché alcune parti dei circuiti diventano calde.
L'idea fisica è semplice. Gli elettroni urtano il reticolo del materiale e una parte dell'energia elettrica si trasforma in calore.
Per esempio, se una resistenza dissipa per , il calore prodotto è .
Usando la forma con la resistenza, si ottiene anche .
Per esempio, con , e , si ha ancora .
Questo risultato è importante nelle applicazioni pratiche. Una stufa elettrica sfrutta proprio l'effetto Joule per produrre calore.
La potenza elettrica non scompare. Si trasforma in altre forme di energia, soprattutto termica nei resistori.
L' energia elettrica, cioè la quantità totale di energia trasferita in un intervallo di tempo, si calcola moltiplicando la potenza per il tempo.
Per esempio, un apparecchio da acceso per consuma .
Il calcolo richiede il tempo in secondi. Qui , quindi .
Nella pratica domestica si usa spesso il kilowattora, cioè l'energia consumata da una potenza di in .
Per esempio, un forno da acceso per consuma , cioè .
Il watt misura la potenza istantanea. Il kilowattora misura l'energia consumata nel tempo.
[IMMAGINE: Schema di un circuito con generatore, resistenza e lampadina. Frecce della corrente I, tensione V ai capi della resistenza, frecce del calore dissipato Q verso l'esterno. Etichette: P = VI, Q = Pt, E = Pt, R, V, I.]
In corrente alternata, cioè corrente che cambia intensità e verso nel tempo, la potenza non è sempre costante.
Si distinguono tre grandezze. La potenza attiva è quella che produce lavoro utile o calore medio. La potenza reattiva è legata allo scambio di energia con campi elettrici e magnetici. La potenza apparente combina gli effetti delle due.
Per esempio, in una rete domestica non tutta la potenza fornita diventa calore utile. Una parte può essere immagazzinata e restituita dai componenti del circuito.
Nelle applicazioni quotidiane, le lampadine trasformano energia elettrica in luce e calore, le resistenze scaldano, e i fusibili proteggono il circuito fondendo quando la corrente diventa troppo intensa.
Il fusibile sfrutta proprio l'effetto Joule. Se la corrente supera il valore previsto, il calore sviluppato cresce e il circuito si interrompe.
Si osserva quindi un'idea unificante: più corrente o più tensione significano, in molti casi, più potenza e più energia trasferita.
La potenzaelettrica, cioè l'energia trasferita o trasformata nell'unità di tempo, si misura in .
Nella formula, è la potenza in , è la differenza di potenziale in , e è la corrente in .
Questa relazione mostra che la potenza cresce se aumentano la tensione o la corrente. Un motore da e assorbe .
Si consideri un apparecchio con e .
La potenza elettrica vale . La misura indica la rapidità con cui si consuma energia.
In un resistore, cioè un componente che oppone resistenza al passaggio di corrente, si usa anche la forma .
Qui è la resistenza in . Se e , allora .
Si consideri una resistenza attraversata da e pari a .
La potenza dissipata è . L'energia elettrica si trasforma in calore.
La terza forma si ottiene eliminando la corrente. Si usa quando sono noti e .
Per esempio, con e , si ha .
Si consideri un resistore con e .
La potenza risulta . La stessa potenza si otterrebbe anche con le altre formule equivalenti.
L'effetto Joule, cioè la trasformazione dell'energia elettrica in calore, si descrive con .
Qui è il calore in , è la potenza in , e è il tempo in .
Poiché = , una potenza di per produce .
Si consideri una resistenza che dissipa per .
Il calore dissipato è . L'energia elettrica si è trasformata in calore nel resistore.
L'energia elettrica consumata, cioè l'energia assorbita da un dispositivo, si calcola con .
Nel Sistema Internazionale si misura in . Nell'uso domestico si usa spesso il kilowattora, cioè una unità pratica per grandi consumi.
Per esempio, un dispositivo da acceso per consuma .
Si consideri un apparecchio da acceso per .
L'energia consumata è . In joule vale .
Il kilowattora, cioè , permette di esprimere l'energia elettrica in modo pratico.
La conversione è utile per passare dal consumo domestico all'unità del Sistema Internazionale. Per esempio, corrispondono a .
Si convertono in joule.
Si ottiene . La stessa relazione si usa per confrontare consumi diversi.
In corrente alternata, cioè corrente che cambia verso periodicamente, si distinguono potenza attiva, reattiva e apparente.
La potenza attiva è quella che produce lavoro utile o calore. La potenza reattiva riguarda gli scambi periodici con il campo elettrico e magnetico.
La potenza apparente è il prodotto tra valori efficaci di tensione e corrente. Nei corsi introduttivi si richiede spesso solo il significato qualitativo.
Nelle applicazioni, una lampadina trasforma energia elettrica in luce e calore. Una resistenza di riscaldamento privilegia il calore.
Un fusibile, cioè un dispositivo di protezione che si scioglie se la corrente è troppo grande, interrompe il circuito per evitare danni.
Una lampadina è alimentata da una tensione di e assorbe una corrente di . Si calcoli la potenza elettrica. Esempio svolto
[IMMAGINE: Schema di un circuito semplice con generatore da 12 V, lampadina collegata in serie e amperometro che misura 0,50 A; indicare V e I.]
Dati: , . Incognita: la potenza . Metodo: si usa la relazione fondamentale della potenza elettrica.
La formula è . Con i dati numerici si ottiene .
Si osserva che la potenza misura l'energia trasferita ogni secondo. In questo caso il dispositivo assorbe .
La potenza è 6 W.
Errore comune: usare volt o ampere come risultato finale, invece del watt.
Una resistenza di è attraversata da una corrente di . Si calcolino la potenza dissipata e il calore prodotto in . Esempio svolto
[IMMAGINE: Resistenza ohmica in un circuito con corrente I = 2,0 A, tensione ai capi e frecce che indicano calore dissipato verso l'esterno.]
Dati: , , . Incognite: la potenza e il calore . Metodo: si usano le formule dell'effetto Joule.
Si calcola prima la potenza dissipata dalla resistenza con .
Poi si converte il tempo in secondi: . Infine si applica .
Il risultato mostra l'energia trasformata in calore per effetto Joule. La resistenza dissipa 40 W e produce 1{,}2 \times 10^4\,\text{J}.
Errore comune: dimenticare di trasformare i minuti in secondi prima di calcolare Q.
Un asciugacapelli ha potenza e resta acceso per . Si calcoli l'energia consumata in e in joule. Esempio svolto
[IMMAGINE: Disegno di un asciugacapelli collegato alla rete elettrica, con etichette P = 1,8 kW e t = 20 min; vicino, simbolo del contatore di energia.]
Dati: , . Incognita: l'energia . Metodo: si usa .
Per passare ai joule si usa l'equivalenza .
L'energia consumata è 0{,}6 kWh; in joule vale 2{,}16 \times 10^6\,\text{J}.
Errore comune: confondere il kilowattora con il kilowatt, che misura invece la potenza.
Un apparecchio funziona a e il fusibile è tarato per una corrente massima di . Si determini la potenza massima assorbibile prima che il fusibile intervenga. Esempio svolto
[IMMAGINE: Schema di un apparecchio collegato a 230 V con fusibile in serie da 5,0 A; indicare la corrente massima e la potenza limite.]
Dati: , . Incognita: la potenza limite . Metodo: si usa .
Sostituendo i valori si ottiene la potenza massima compatibile con il fusibile.
Questa potenza corrisponde a circa . Se la potenza richiesta fosse maggiore, la corrente supererebbe il limite del fusibile.
La potenza massima è 1150 W.
Errore comune: dimenticare che il fusibile protegge dalla sovracorrente, non dalla tensione in sé.
Confondere la potenza elettrica con l’energia consumata.
La potenza elettrica è la rapidità con cui si trasferisce energia: si misura in watt, cioè W.
La potenza indica “quanta energia al secondo” viene trasformata o assorbita. L’energia consumata dipende anche dal tempo di funzionamento.
Scrivere solo e usarla sempre senza controlli.
Si usa per un circuito in corrente continua; per un resistore valgono anche e .
Le tre forme sono equivalenti solo se si collegano con la legge di Ohm. Si evita l’errore controllando quali grandezze sono note.
Dire che l’effetto Joule è una perdita casuale di energia.
L’effetto Joule è la trasformazione dell’energia elettrica in calore in un conduttore resistivo.
Il calore non è un errore del circuito. È una conseguenza fisica della resistenza, che si osserva in stufe, ferri da stiro e fili caldi.
Calcolare l’energia elettrica con la sola formula .
L’energia elettrica si calcola con ; quindi, se serve, si usa anche .
La formula dà la potenza, non l’energia. Per ottenere l’energia serve sempre il tempo di utilizzo, cioè .
Pensare che watt e kilowattora siano la stessa unità.
Il watt misura la potenza, mentre il kilowattora misura l’energia consumata.
Il watt indica la velocità di consumo energetico. Il kilowattora indica quanta energia totale viene usata in un certo intervallo di tempo.
Usare il kWh come se fosse una potenza, o il watt come se fosse un consumo mensile.
Si ricorda che e che il consumo dipende da potenza e tempo.
Un apparecchio da 1000 W acceso per 1 ora consuma 1 kWh. Se il tempo raddoppia, raddoppia anche l’energia consumata.
La potenza elettrica, cioè l'energia trasferita o trasformata in un secondo, misura quanto rapidamente un dispositivo consuma o produce energia.
Si usa per descrivere, per esempio, lampadine, resistenze e motori.
La formula della potenza elettrica è , dove la potenza dipende dalla tensione e dalla corrente.
L'effetto Joule, cioè la trasformazione di energia elettrica in calore in un conduttore, si osserva soprattutto nelle resistenze.
Il calore sviluppato aumenta quando aumentano corrente, resistenza o tempo di funzionamento.
L'energia elettrica consumata si calcola moltiplicando la potenza per il tempo di utilizzo.
Il watt, cioè la unità di potenza, misura quanto rapidamente si usa energia; il kilowattora, cioè l'unità di energia usata nelle bollette, misura quanta energia totale si consuma.
Per esempio, un apparecchio da acceso per consuma .
Una resistenza dissipa potenza perché oppone passaggio di corrente e trasforma parte dell'energia elettrica in calore.
Questo fenomeno è un'applicazione diretta dell'effetto Joule e si sfrutta in stufe elettriche, ferri da stiro e fusibili.
In corrente alternata, cioè quando corrente e tensione variano nel tempo, si distinguono potenza attiva, reattiva e apparente.
La potenza attiva produce lavoro utile, quella reattiva è legata agli scambi di energia, mentre quella apparente combina gli effetti complessivi.
