AC o DC: qual è meglio?

Si racconta che il nome del gruppo rock AC/DC derivi dall'etichetta di una vecchia macchina da cucire in casa dei fratelli Young. Questo doveva significare che la macchina poteva funzionare sia a corrente alternata che a corrente continua. Oggi, tutti i dispositivi elettronici di ultima generazione nelle nostre case funzionano solo a corrente continua, persino gli apparecchi di illuminazione, ora che i LED hanno sostituito le lampadine a incandescenza.

Ma aspetta. L'elettricità che esce dalla presa a muro è corrente alternata . Ciò significa che ogni dispositivo deve convertire la corrente alternata in corrente continua, oltre a ridurre la tensione ai livelli molto più bassi utilizzati nei circuiti digitali. Quindi potresti chiederti: non avrebbe più senso avere prese di corrente continua in casa?

Ottima domanda, che in realtà ha scatenato un acceso dibattito agli albori dell'elettrificazione. Thomas Edison era a favore dei circuiti a corrente continua, ma Nikola Tesla pensava che i circuiti a corrente alternata fossero la soluzione migliore. Chiaramente Tesla vinse la discussione. Vediamo perché!

L'elettricità è un flusso di elettroni attraverso un materiale conduttore come un filo metallico. Possiamo immaginare la rete elettrica come un sistema di fiumi e corsi d'acqua attraversati da corrente. In un fiume, un dislivello fa sì che l'acqua si muova verso valle; in una linea elettrica, la forza che spinge la corrente è la tensione , ovvero una differenza di energia potenziale tra due punti di un circuito.

Questa analogia funziona comunque per la corrente continua. Ma nella maggior parte delle reti, l'energia elettrica viene trasmessa a tensione alternata. Ciò significa che i poli negativo e positivo si invertono avanti e indietro, facendo sì che gli elettroni si muovano continuamente avanti e indietro invece di viaggiare in un flusso continuo.

Come potete immaginare, questo rende la corrente alternata più complicata da gestire. Edison aveva ragione: la corrente continua è molto più semplice. Infatti, chiunque può realizzare un circuito a corrente continua. Tutto ciò che serve è una batteria e un filo per collegare gli elettrodi positivo e negativo. Potete persino realizzare la vostra batteria. Basta prendere due metalli diversi, come zinco e rame, e infilarli alle estremità opposte di una patata. L'acido nel succo di patata reagisce in modo diverso con i due metalli, creando una piccola quantità di tensione, sufficiente ad accendere un piccolo LED. La corrente continua è facile.

Ad esempio, supponiamo di voler creare un tostapane a corrente continua. Un tostapane è fondamentalmente una scatola con un filo al suo interno che si riscalda quando è attraversato da corrente. E supponiamo che questo tostapane richieda 1.000 watt di potenza. Oh, potenza? Questo è il tasso di energia ( E ) nel tempo ( t ). Quindi, se immetti 1 joule di energia in un filo in 1 secondo, otterrai 1 watt di potenza ( P ):

In particolare, per la potenza elettrica, possiamo calcolarla come prodotto della corrente elettrica ( I ) e della tensione ( V ):

Con questo possiamo disegnare un semplice schema elettrico del tostapane:

Il filo di nichelcromo all'interno del tostapane non è un buon conduttore. Ostacola il flusso di corrente, causando il surriscaldamento del filo. Quindi è fondamentalmente un dispositivo per convertire l'energia elettrica in energia termica. Nel diagramma sopra, R indica la resistenza, misurata in ohm.

Supponiamo che il nostro alimentatore CC funzioni a 10 volt. Possiamo usare questo valore per trovare il livello di resistenza necessario per ottenere un toast ben tostato. Esiste una relazione tra la corrente ( I ) e la tensione ( V ) per un resistore, chiamata legge di Ohm, che ci fornisce la seguente espressione per la potenza:

Con 10 volt, abbiamo bisogno di una resistenza di 0,1 ohm (che è minuscola) per ottenere una potenza di 1.000 watt. Ma aspetta: non è solo l'elemento riscaldante interno a creare resistenza nel circuito. Anche il cavo di alimentazione che si collega alla presa a muro ha una resistenza. Il filo di rame all'interno del cavo è un buon conduttore, ma la lunghezza del cavo stesso aumenta la resistenza.

Per semplificare, immaginiamo che anche il cavo di alimentazione abbia una resistenza di 0,1 ohm, quindi la resistenza totale nel circuito è di 0,2 ohm. Ciò significa che otterremmo una corrente elettrica inferiore e la potenza del tostapane sarebbe di soli 250 watt. Il risultato sarebbe un toast non proprio tostato.

Per risolvere questo problema, dobbiamo aumentare la tensione della fonte di alimentazione. Aumentiamola fino a 100 volt. In questo caso, il nostro tostapane potrebbe essere a 10 ohm, quindi il cavo di alimentazione da 0,1 ohm non avrà molta importanza. Beh, non è un problema per un cavo di alimentazione lungo 90 cm in casa. Ma che dire delle linee di trasmissione dalla centrale elettrica alla tua città? Possono essere lunghe oltre 100 chilometri.

Con fili molto più lunghi si ottiene molta più resistenza, il che significa che quei fili si surriscalderanno e sprecheranno energia. Ancora una volta, la soluzione è utilizzare una sorgente ad alta tensione. Ricordate P = IV ? Questo significa che è possibile fornire la stessa potenza con una tensione incredibilmente alta e una corrente incredibilmente bassa.

Sì, risolvi un problema e ne crei un altro. Supponiamo che la presa a muro sia a 10.000 volt in corrente continua. Oh, ma vuoi caricare il telefono e ha bisogno di 5 volt in corrente continua. Come si fa? Ok, c'è un modo per farlo funzionare. Potresti mettere una grande resistenza in serie al telefono e convertirebbe l'energia elettrica in calore. Ma, ripeto, questo significa solo sprecare energia.

Cosa succede se passiamo alla corrente alternata? Ricordate, i circuiti a corrente alternata si creano invertendo i poli positivo e negativo, quindi la tensione alterna tra un valore positivo e uno negativo (il che significa che cambia la direzione del flusso di elettroni). Ecco un grafico della tensione in funzione del tempo per i due tipi di corrente.

La sorgente CC ha una tensione costante, quindi quella è la linea blu piatta qui sopra. La sorgente CA (rossa) ha una tensione che oscilla tra +10 e -10 volt, e ci sono momenti in cui la tensione è effettivamente zero. In questo esempio inventato, si può vedere che la tensione cambia otto volte in mezzo secondo. La corrente alternata domestica reale varia, ma negli Stati Uniti si aggira in media intorno ai 120 volt (più e meno) con una frequenza di 60 hertz.

Se prendiamo il nostro tostapane e lo colleghiamo a una presa di corrente alternata a 60 Hz, funzionerà benissimo. Dato che funziona semplicemente riscaldando un filo, non importa se alimentato a corrente continua o alternata: in entrambi i casi si riscalda. Lo stesso vale per le lampadine a incandescenza. In realtà, non sono molto diverse dai tostapane; è solo che il sottile filo di tungsteno di una lampadina si riscalda così tanto (fino a 2.200 °C) da diventare incandescente e produrre luce.

Con la corrente alternata, abbiamo ancora lo stesso problema con le lunghe linee elettriche. È necessario avere alta tensione e bassa corrente per non perdere troppa energia dai fili sotto tensione. Ma la corrente alternata ha un bel vantaggio: è facile prendere quell'alta tensione e trasformarla in una bassa tensione. Questo è possibile grazie alla natura oscillante della corrente e alla legge di induzione di Faraday.

La legge di Faraday afferma che se si modifica l'intensità di un campo magnetico all'interno di un anello di filo, si produce una corrente elettrica. Nel filmato qui sotto, potete vedere che quando inserisco un magnete potente in una bobina di filo o lo estraggo, il livello di corrente (misurato in ampere) aumenta.

Puoi farlo anche senza magnete, usando due bobine di filo. Nel video qui sotto, collego e scollego una piccola batteria a bottone a una bobina primaria. (Non vedi le bobine, ma sono all'interno del piccolo riquadro grigio in primo piano.)

La bobina secondaria non è collegata ad alcuna fonte di alimentazione. Ma la corrente variabile nella bobina primaria crea un campo magnetico variabile, che induce una corrente nella bobina secondaria. Anche con questa piccola batteria, potete vedere che ottengo una corrente indotta elevata. Date un'occhiata:

Ma non è tutto! Possiamo modificare la tensione indotta nella seconda bobina modificando il rapporto tra il numero di spire in ciascuna bobina. Se la bobina indotta ha 100 spire e la bobina primaria ne ha 1.000, la tensione indotta sarà 100/1.000, ovvero 0,1 volte la tensione di ingresso. Invertendo la relazione, si ottiene una tensione di uscita pari a 10 volte quella di ingresso.

Lo chiamiamo trasformatore (perché trasforma la tensione). Sono piuttosto grandi. Ecco come appare all'interno un piccolo trasformatore:

Questo è uno di quegli "alimentatori" che tutti i vostri gadget usano per collegarsi a una presa a muro. Le due bobine sono affiancate e potete vedere che quella a destra ha più "spire" di quella a sinistra. Quindi, se avete un ingresso CA da 120 volt, l'uscita sarà più bassa (in questo caso è di 12 volt). C'è qualcos'altro che prende quella CA a bassa tensione e la trasforma in un'uscita CC; questo è chiamato raddrizzatore di tensione.

Per essere chiari, non è possibile utilizzare un trasformatore CA con un circuito CC. Voglio dire, è tecnicamente possibile prendere un ingresso CC, convertirlo in CA e poi trasformarlo, ma perché fare tutto questo lavoro extra quando si può semplicemente fornire corrente alternata alle case? È esattamente quello che facciamo. Quando vedete quelle gigantesche linee di trasmissione ad alta tensione, sono circuiti CA ad altissima tensione.

Ecco come funziona. C'è una centrale elettrica alimentata a combustibili fossili, idroelettrica o altro. Bisogna trasformarla in un'uscita a corrente alternata e poi aumentare la tensione fino a qualcosa come 100.000 volt. Questo significa che è possibile inviarla sulle lunghe linee elettriche a bassissima corrente, quindi non ci sono grandi perdite di potenza.

Quando una linea elettrica raggiunge una città, passa attraverso una sottostazione. Questa non è altro che un altro gigantesco trasformatore che riduce la tensione alternata a un valore più gestibile, come 10.000 volt. Infine, la corrente passa attraverso un altro trasformatore per arrivare ai 240 volt CA che entrano in casa. Grandi elettrodomestici come le asciugatrici utilizzano tutti i 240 V, e per le prese elettriche questa tensione viene dimezzata per fornire 120 V.

Ma niente di tutto questo sarebbe possibile con la corrente continua. Semplicemente non sarebbe pratico. La corrente alternata è la regina!