Lavoro e potenza elettrica

L’energia elettrica è una delle più diffuse e utilizzate forme di energia. L’energia elettrica è generata da un altro tipo di energia, ad es. termica (combustibili vari), potenziale meccanica (idrica), energia cinetica e pressione (eolica), lavoro meccanico, energia chimica, solare, fissione nucleare e (forse un giorno) fusione nucleare. Essa si può trasformare a sua volta in altri tipi di energia. Anche per le trasformazioni che producono o consumano l’energia elettrica vale il principio di conservazione dell’energia. Si noti che l’efficienza di trasformazione di un tipo di energia in un altro è in molti casi lontana dall’unità.

Analizziamo ora l’energia necessaria per mantenere il moto delle cariche in un circuito elettrico, cioè attraverso una resistenza. Le cariche si muovono all’interno di un conduttore sotto l’azione di un campo elettrico; in effetti tale campo elettrico accelera gli elettroni liberi per un breve periodo aumentando la loro energia cinetica; ma gli elettroni non si muovono liberamente perché urtano varie volte contro gli ioni del reticolo cristallino del conduttore. In questo modo l’energia assorbita dal campo elettrico si trasforma in energia termica del conduttore. In altre parole:

un filo conduttore percorso da corrente si riscalda.

L  il lavoro elettrico (lavoro del campo elettrico, fornito dalla batteria),

V  la tensione ai capi della resistenza R,

I   l’intensità di corrente,

t   la durata temporale considerata del flusso di corrente (intervallo di tempo),

q   la carica trasportata durante il tempo t.

Allora, per il trasporto di una quantità di carica  q = I t  attraverso una sezione qualsiasi del conduttore c’è bisogno di un lavoro L = q V da cui segue che:

La quantità di lavoro eseguita nell’unità di tempo è la potenza  P = L / t;

quindi dividendo per t si ottiene:

Attenzione:

la relazione precedente per il lavoro è valida solo se l’intensità di corrente è costante nel tempo. Questo vuol dire che i portatori di carica si muovono con velocità (mediamente) costante (velocità di deriva). Il lavoro elettrico totale sarà quindi trasformato integralmente in calore (calore elettrico, calore Joule), visto che non c’è variazione di energia cinetica delle cariche in movimento. Si assume inoltre che il calore prodotto sia rimosso continuamente per evitare l’aumento di temperatura della resistenza ed il conseguente aumento di resistività.

Unità del SI:     L   in joule (J)

                     P   in watt  (W)

Trasformazioni di unità lavoro-energia e potenza