Introduzione
Un generatore elettrico è un dispositivo che trasforma altre forme di energia
in energia elettrica, rendendola disponibile per alimentare un circuito.
un generatore non crea energia dal nulla, ma la trasforma.
Perché ogni circuito ha bisogno di un generatore?
Ogni circuito elettrico ha bisogno di una sorgente di energia per funzionare. Quando accendiamo una torcia, avviamo un’automobile o colleghiamo un elettrodomestico alla presa di casa, utilizziamo sempre un dispositivo capace di fornire energia elettrica al circuito: il generatore elettrico.
Il termine generatore potrebbe far pensare a una macchina che crea energia dal nulla. In realtà non è così. Nessun generatore è in grado di produrre energia: il suo compito è trasformare un’altra forma di energia in energia elettrica, nel rispetto del principio di conservazione dell’energia.
Una pila trasforma l’energia chimica in energia elettrica, un alternatore converte l’energia meccanica, mentre un pannello fotovoltaico sfrutta l’energia proveniente dal Sole. Sebbene il loro funzionamento sia diverso, tutti questi dispositivi svolgono la stessa funzione fondamentale: fornire energia elettrica a un circuito.
In questo articolo scopriremo come funziona un generatore elettrico, perché esistono generatori ideali e generatori reali, che cos’è la resistenza interna e perché la tensione ai morsetti cambia quando il generatore alimenta un carico.
Che cos’è un generatore elettrico?
Un generatore elettrico è un dispositivo che trasforma una forma di energia, come quella chimica, meccanica, solare o termica, in energia elettrica, rendendola disponibile per alimentare un circuito.
Dal punto di vista fisico, il generatore compie un lavoro sulle cariche elettriche: utilizza l’energia proveniente da una sorgente esterna per separare le cariche e mantenerle a potenziali differenti ai due morsetti. In questo modo impedisce che la differenza di potenziale si annulli e rende continuamente disponibile energia alle cariche che attraversano il circuito.
Il generatore non crea cariche e non crea energia: trasferisce energia alle cariche e mantiene la differenza di potenziale necessaria al funzionamento del circuito.
I generatori elettrici sono presenti in moltissimi oggetti di uso quotidiano. Le pile alimentano telecomandi e torce, le batterie ricaricabili forniscono energia a smartphone e computer portatili, gli alternatori producono elettricità nelle automobili e i pannelli fotovoltaici trasformano direttamente la luce del Sole in energia elettrica.
Anche se utilizzano principi fisici differenti, tutti questi dispositivi hanno lo stesso obiettivo: fornire energia elettrica a un circuito trasformando un’altra forma di energia.
Un generatore elettrico non crea energia, ma trasforma un’altra forma di energia in energia elettrica, mantenendo una differenza di potenziale tra i suoi morsetti.
Perché si chiama “generatore”?
Il termine generatore elettrico può trarre in inganno. Sentendo questa parola, si potrebbe pensare che il dispositivo sia in grado di creare energia dal nulla. In realtà, questo è impossibile.
Secondo il principio di conservazione dell’energia, l’energia non può essere né creata né distrutta: può soltanto essere trasformata da una forma a un’altra. Il generatore non fa altro che sfruttare questo principio fisico fondamentale.
Una pila, ad esempio, trasforma l’energia immagazzinata nelle sostanze chimiche in energia elettrica. Un alternatore converte l’energia meccanica prodotta dal motore di un’automobile, mentre un pannello fotovoltaico utilizza l’energia della luce solare per produrre elettricità.
Il nome generatore deriva dal fatto che il dispositivo rende disponibile l’energia elettrica nel circuito, ma questa energia proviene sempre dalla trasformazione di un’altra forma di energia già esistente.
Quando diciamo che una pila “produce elettricità”, utilizziamo un’espressione comune ma non del tutto corretta dal punto di vista fisico. Più precisamente, la pila trasforma l’energia chimica in energia elettrica.
Le trasformazioni di energia
Esistono molti tipi di generatori elettrici, ma tutti hanno una caratteristica in comune: trasformano una forma di energia in energia elettrica. Cambia la sorgente di energia utilizzata, ma il risultato finale è sempre lo stesso: fornire elettricità a un circuito.
Alcuni generatori sfruttano reazioni chimiche, altri il movimento di una turbina, altri ancora la luce del Sole o il calore. Ogni tecnologia utilizza un diverso principio fisico, ma tutte rispettano il principio di conservazione dell’energia.
| Forma di energia | Generatore | Trasformazione |
|---|---|---|
| ⚗️ Chimica | Pila o batteria | Energia chimica → energia elettrica |
| ⚙️ Meccanica | Alternatore o dinamo | Energia meccanica → energia elettrica |
| ☀️ Solare | Pannello fotovoltaico | Energia solare → energia elettrica |
| 💧 Idraulica | Generatore di una centrale idroelettrica | Energia dell’acqua → energia elettrica |
| 🌬️ Eolica | Aerogeneratore | Energia del vento → energia elettrica |
| 🔥 Termica | Centrale termoelettrica | Energia termica → energia elettrica |
Qualunque sia la sorgente di energia utilizzata, il compito del generatore rimane sempre lo stesso: rendere disponibile energia elettrica per alimentare un circuito.
Le differenze tra i vari generatori riguardano la forma di energia utilizzata in ingresso, mentre l’energia fornita in uscita è sempre energia elettrica.
Il simbolo del generatore
Negli schemi elettrici i generatori non vengono rappresentati con il loro aspetto reale, ma mediante simboli grafici standardizzati. In questo modo è possibile leggere e progettare un circuito senza conoscere la forma o le dimensioni dei componenti utilizzati.
Il simbolo più comune del generatore di tensione continua è costituito da un cerchio con due morsetti contrassegnati dai simboli + e −. Il morsetto positivo corrisponde al potenziale elettrico maggiore, mentre il morsetto negativo si trova a un potenziale inferiore.
Questo simbolo rappresenta una sorgente di tensione capace di mantenere una differenza di potenziale tra i propri morsetti. Quando il circuito viene chiuso, questa tensione mette in movimento le cariche elettriche e permette il passaggio della corrente.
Negli schemi elettrici è importante ricordare che il simbolo rappresenta il comportamento elettrico del generatore e non il suo aspetto fisico. Una pila, una batteria, un alimentatore da laboratorio o un pannello fotovoltaico possono avere forme molto diverse, ma nei circuiti vengono spesso rappresentati con lo stesso simbolo di sorgente di tensione.
Nei prossimi articoli utilizzeremo quasi sempre questo simbolo negli schemi elettrici. Rappresentare i componenti con simboli standardizzati permette di concentrarsi sul funzionamento del circuito, indipendentemente dall’aspetto reale dei dispositivi.
Negli schemi elettrici il generatore viene rappresentato con un simbolo standard che indica la sua funzione: mantenere una differenza di potenziale tra due morsetti.
Generatore ideale
Per studiare più facilmente il comportamento dei circuiti elettrici si utilizza spesso un modello semplificato chiamato generatore ideale di tensione. Si tratta di un modello teorico che mantiene una tensione assegnata ai propri morsetti indipendentemente dalla corrente erogata. In questo articolo, quando parleremo semplicemente di generatore ideale, faremo riferimento a questo modello.
Un generatore ideale mantiene una tensione perfettamente costante ai propri morsetti, indipendentemente dalla corrente che eroga. In altre parole, anche se il carico collegato al circuito cambia, la tensione fornita rimane sempre la stessa.
Nel modello ideale si assume che la resistenza interna sia nulla. Di conseguenza, all’interno del generatore non si verifica alcuna dissipazione di energia per effetto Joule e l’energia fornita alle cariche può essere trasferita interamente al circuito esterno.
Sebbene nessun generatore reale si comporti in questo modo, il modello ideale è estremamente utile perché semplifica i calcoli e costituisce il punto di partenza per comprendere il funzionamento dei generatori reali.
È un modello teorico con tensione costante, nessuna perdita di energia e resistenza interna pari a zero.
Generatore reale
Nella realtà non esistono generatori ideali. Ogni pila, batteria, alimentatore, alternatore o pannello fotovoltaico presenta inevitabilmente alcune perdite di energia e un comportamento che si discosta dal modello teorico.
Quando un generatore alimenta un circuito, una piccola parte dell’energia viene dissipata al suo interno, principalmente sotto forma di calore. Di conseguenza, non tutta l’energia disponibile viene trasferita al carico esterno.
Per descrivere questo comportamento si introduce il concetto di generatore reale, cioè un modello che tiene conto delle caratteristiche fisiche del dispositivo. La differenza fondamentale rispetto al generatore ideale è la presenza di una resistenza interna, responsabile delle perdite di energia e della diminuzione della tensione ai morsetti quando il generatore eroga corrente.
Nella maggior parte delle applicazioni questa resistenza è molto piccola, ma non è mai uguale a zero. Proprio per questo motivo un generatore reale non può mantenere una tensione perfettamente costante in ogni condizione di funzionamento.
Ogni generatore reale possiede una resistenza interna: quando eroga corrente, una parte dell’energia viene dissipata al suo interno e la tensione ai morsetti diminuisce.
La resistenza interna
Ogni generatore reale presenta fenomeni interni che ostacolano il passaggio della corrente e provocano dissipazione di energia. Nel modello equivalente, questi effetti vengono rappresentati mediante una resistenza interna Rint, posta in serie al generatore ideale.
Quando il generatore alimenta un circuito, la corrente non attraversa soltanto il carico esterno, ma anche l’interno del generatore. Di conseguenza, una parte dell’energia elettrica viene trasformata in calore, riducendo l’energia disponibile per il resto del circuito.
Per semplificare lo studio dei circuiti elettrici, un generatore reale viene rappresentato come un generatore ideale collegato in serie a una resistenza interna. Questo modello, pur essendo molto semplice, descrive con buona approssimazione il comportamento della maggior parte dei generatori utilizzati nella pratica.
Nelle pile nuove o negli alimentatori di buona qualità la resistenza interna è generalmente molto piccola. Tuttavia, non è mai nulla e tende ad aumentare con l’invecchiamento del generatore, con l’usura e, in alcuni casi, con la temperatura.
La resistenza interna modella le perdite di energia che si verificano all’interno del generatore. Maggiore è la corrente erogata, maggiore sarà la caduta di tensione dovuta a questa resistenza.
La forza elettromotrice
La grandezza che caratterizza la capacità di un generatore di fornire energia alle cariche elettriche prende il nome di forza elettromotrice, indicata con ℰ.
Nonostante il nome, la forza elettromotrice non è una forza. Essa rappresenta l’energia fornita dal generatore per unità di carica che attraversa il generatore:
\(\mathcal{E}=\frac{W_{gen}}{q}\)dove Wgen è il lavoro compiuto dal generatore sulle cariche e q è la carica elettrica. La forza elettromotrice si misura quindi in volt (V), proprio come la differenza di potenziale.
La forza elettromotrice non è una forza: esprime quanta energia per unità di carica il generatore è in grado di fornire. Nel modello di un generatore reale rappresenta la tensione ideale associata al generatore, prima di considerare la caduta di tensione sulla sua resistenza interna.
Tensione a vuoto
Si dice che un generatore lavora a vuoto quando i suoi morsetti non sono collegati ad alcun carico, cioè quando il circuito è aperto. In questa condizione non circola corrente elettrica.
Poiché la corrente è nulla (I = 0 A), sulla resistenza interna del generatore non si verifica alcuna caduta di tensione. Di conseguenza, la tensione misurata ai morsetti coincide con la forza elettromotrice (f.e.m.) del generatore.
In queste condizioni, poiché il generatore non eroga corrente, non si verifica alcuna caduta di tensione sulla resistenza interna e la tensione a vuoto coincide con la forza elettromotrice. È il valore che si misura, ad esempio, collegando un voltmetro ai morsetti di una pila o di una batteria senza alimentare alcun carico.
dove:
- V è la tensione ai morsetti del generatore;
- ℰ è la forza elettromotrice (f.e.m.).
Quando il generatore non eroga corrente (I = 0), la tensione ai morsetti è uguale alla forza elettromotrice: V = ℰ.
Tensione sotto carico
Quando ai morsetti del generatore viene collegato un utilizzatore, come una lampadina, un resistore o un motore, il circuito si chiude e inizia a circolare corrente elettrica. In questa condizione si dice che il generatore lavora sotto carico.
Poiché la corrente attraversa anche la resistenza interna del generatore, si verifica una caduta di tensione al suo interno. Di conseguenza, la tensione disponibile ai morsetti risulta inferiore alla forza elettromotrice (f.e.m.).
La relazione tra questi valori è descritta dalla seguente formula:
dove:
- V è la tensione ai morsetti del generatore;
- ℰ è la forza elettromotrice (f.e.m.);
- I è la corrente erogata;
- Rint è la resistenza interna del generatore.
Questa formula mostra che, all’aumentare della corrente erogata, aumenta anche la caduta di tensione sulla resistenza interna. Di conseguenza, la tensione disponibile ai morsetti diminuisce.
Quando il generatore eroga corrente, sulla resistenza interna si verifica una caduta di tensione pari a I · Rint. Per questo motivo, durante l’erogazione di corrente, la tensione ai morsetti è inferiore alla forza elettromotrice.
Esempio numerico
Vediamo come utilizzare la relazione che descrive la tensione ai morsetti di un generatore reale:
Supponiamo di avere un generatore con le seguenti caratteristiche:
- Forza elettromotrice: ℰ = 12,0 V
- Resistenza interna: Rint = 0,50 Ω
- Corrente erogata: I = 2,0 A
La caduta di tensione sulla resistenza interna vale:
La tensione disponibile ai morsetti del generatore sarà quindi:
Sebbene il generatore abbia una forza elettromotrice di 12,0 V, ai suoi morsetti sono disponibili 11,0 V, perché sulla resistenza interna si verifica una caduta di tensione di 1,0 V.
In altre parole, il carico collegato al generatore non viene alimentato con la forza elettromotrice di 12,0 V, ma con la tensione effettivamente disponibile ai morsetti, pari a 11,0 V. La differenza è dovuta alla caduta di tensione sulla resistenza interna.
Maggiore è la corrente erogata, maggiore sarà la caduta di tensione sulla resistenza interna e minore sarà la tensione disponibile ai morsetti del generatore.
🧠 Problem Solving
Un generatore reale possiede una forza elettromotrice ℰ = 12 V e una resistenza interna Rint = 1 Ω. Ai suoi morsetti viene collegato un resistore di R = 5 Ω. Determina la corrente che circola nel circuito e la tensione disponibile ai morsetti del generatore.
1. Costruiamo il modello equivalente
Il generatore reale può essere rappresentato come un generatore ideale in serie alla propria resistenza interna. La resistenza totale attraversata dalla corrente è quindi:
\(R_{tot}=R+R_{int}=5+1=6\ \Omega\)2. Calcoliamo la corrente
Applicando la legge di Ohm all’intero circuito:
\(I=\frac{\mathcal{E}}{R+R_{int}}=\frac{12}{6}=2\ A\)3. Calcoliamo la caduta di tensione interna
\(V_{int}=I\,R_{int}=2\cdot1=2\ V\)4. Calcoliamo la tensione ai morsetti
\(V=\mathcal{E}-I\,R_{int}=12-2=10\ V\)5. Verifichiamo il risultato sul carico
La stessa tensione deve essere presente ai capi del resistore esterno:
\(V=IR=2\cdot5=10\ V\)Il generatore possiede una forza elettromotrice di 12 V, ma quando eroga una corrente di 2 A sulla sua resistenza interna si verifica una caduta di tensione di 2 V. Ai morsetti e quindi al carico rimangono disponibili 10 V. Il risultato ottenuto con il modello del generatore reale coincide con quello ricavato applicando la legge di Ohm al carico.
Principali tipi di generatori elettrici
Esistono numerosi tipi di generatori elettrici, ciascuno progettato per trasformare una specifica forma di energia in energia elettrica. Pur utilizzando principi di funzionamento diversi, tutti hanno lo stesso obiettivo: fornire energia elettrica a un circuito.
| Generatore | Energia di partenza | Principali applicazioni |
|---|---|---|
| Pila | Energia chimica | Telecomandi, orologi, torce |
| Batteria ricaricabile | Energia chimica | Smartphone, computer portatili, automobili elettriche |
| Alternatore | Energia meccanica | Automobili e gruppi elettrogeni |
| Dinamo | Energia meccanica | Biciclette e piccoli generatori |
| Pannello fotovoltaico | Energia solare | Impianti fotovoltaici |
| Aerogeneratore | Energia eolica | Centrali eoliche |
| Generatore idroelettrico | Energia idraulica | Centrali idroelettriche |
Le tecnologie utilizzate possono essere molto diverse tra loro, ma il principio fisico rimane sempre lo stesso: trasformare un’altra forma di energia in energia elettrica, senza creare energia dal nulla.
Ogni generatore elettrico sfrutta una diversa sorgente di energia, ma tutti trasformano energia già esistente in energia elettrica utilizzabile.
✅ Autovalutazione
Verifica se hai compreso i concetti fondamentali sul funzionamento dei generatori elettrici.
- Che cosa fa fisicamente un generatore elettrico alle cariche del circuito?
- Che cosa rappresenta la forza elettromotrice ℰ e perché, nonostante il nome, non è una forza?
- Qual è la differenza tra un generatore ideale di tensione e un generatore reale?
- Che cosa rappresenta la resistenza interna di un generatore?
- Perché a circuito aperto la tensione ai morsetti coincide con la forza elettromotrice?
- Perché, quando il generatore eroga corrente, la tensione ai morsetti diventa inferiore alla forza elettromotrice?
- Come cambia la tensione ai morsetti se aumenta la corrente erogata, a parità di forza elettromotrice e resistenza interna?
Se sai spiegare come un generatore trasferisce energia alle cariche, distinguere forza elettromotrice e tensione ai morsetti, descrivere il modello del generatore reale e usare la relazione V = ℰ − I · Rint, hai acquisito le competenze fondamentali di questa lezione.
Riepilogo
In questo articolo abbiamo scoperto che un generatore elettrico non crea energia dal nulla, ma trasforma un’altra forma di energia in energia elettrica, rendendola disponibile per alimentare un circuito.
Abbiamo visto che, per semplificare lo studio dei circuiti, si utilizza il modello del generatore ideale, caratterizzato da tensione costante e resistenza interna nulla. Nella realtà, però, tutti i generatori possiedono una resistenza interna, responsabile delle perdite di energia e della diminuzione della tensione ai morsetti quando il generatore eroga corrente.
Infine, abbiamo confrontato la tensione a vuoto con quella sotto carico e scoperto che la tensione disponibile ai morsetti dipende dalla corrente erogata e dalla resistenza interna del generatore.
Da ricordare
- ✔ Un generatore elettrico trasforma un’altra forma di energia in energia elettrica.
- ✔ Nessun generatore crea energia dal nulla.
- ✔ Il generatore ideale è un modello teorico con resistenza interna nulla.
- ✔ Ogni generatore reale possiede una resistenza interna.
- ✔ A circuito aperto la tensione ai morsetti coincide con la forza elettromotrice (V = ℰ).
- ✔ Sotto carico la tensione ai morsetti diminuisce secondo la relazione V = ℰ − I · Rint.
- ✔ Maggiore è la corrente erogata, maggiore è la caduta di tensione sulla resistenza interna.
Ora che abbiamo compreso come si comporta un generatore elettrico, possiamo iniziare a studiare la struttura dei circuiti. Nel prossimo articolo introdurremo i concetti di nodo, ramo e maglia, indispensabili per comprendere le leggi di Kirchhoff e affrontare l’analisi dei circuiti elettrici.
Domande frequenti sul generatore elettrico (FAQ)
Un generatore elettrico crea energia?
No. Un generatore non crea energia, ma trasforma un’altra forma di energia in energia elettrica e la rende disponibile alle cariche del circuito. Una pila, per esempio, utilizza energia chimica, mentre un alternatore utilizza energia meccanica.
Il generatore crea le cariche elettriche che circolano nel circuito?
No. Le cariche elettriche sono già presenti nei conduttori. Il generatore trasferisce energia alle cariche e mantiene una differenza di potenziale tra i propri morsetti, rendendo possibile la corrente quando il circuito viene chiuso.
Che cos’è la forza elettromotrice?
La forza elettromotrice ℰ rappresenta l’energia fornita dal generatore per unità di carica. Nonostante il nome, non è una forza e non si misura in newton, ma in volt (V).
Forza elettromotrice e tensione ai morsetti sono la stessa cosa?
Non sempre. A circuito aperto, quando il generatore non eroga corrente, la tensione ai morsetti coincide con la forza elettromotrice: V = ℰ. Quando un generatore reale eroga corrente, invece, sulla sua resistenza interna si verifica una caduta di tensione e quindi V = ℰ − I · Rint.
Qual è la differenza tra un generatore ideale di tensione e un generatore reale?
Il generatore ideale di tensione è un modello teorico con resistenza interna nulla e mantiene la tensione assegnata indipendentemente dalla corrente erogata. Un generatore reale, invece, possiede una resistenza interna e la tensione ai morsetti può diminuire quando eroga corrente.
Che cos’è la resistenza interna di un generatore?
La resistenza interna è il parametro con cui, nel modello equivalente, si rappresentano gli effetti resistivi interni del generatore. Quando circola corrente, su questa resistenza si verifica una caduta di tensione e viene dissipata energia per effetto Joule.
Perché la tensione ai morsetti diminuisce quando aumenta la corrente erogata?
Nel modello del generatore reale vale V = ℰ − I · Rint. A parità di forza elettromotrice e resistenza interna, aumentando la corrente aumenta la caduta di tensione I · Rint e diminuisce quindi la tensione disponibile ai morsetti.
