Generazione di Elettricità Tramite l’Elettricità Statica
L’elettricità statica è un termine informale per descrivere i fenomeni causati dall’accumulo di carica elettrica sulla superficie di vari corpi e oggetti e dal loro scambio al contatto tra loro. La differenza di potenziale elettrico (ovvero la tensione) può essere generata tramite due meccanismi: l’induzione elettrostatica o l’effetto triboelettrico. Tali generatori producono una tensione molto alta e una corrente bassa. A causa della loro inefficienza e della difficoltà nell’isolare macchine che producono tensioni molto elevate, i generatori elettrostatici hanno avuto bassi rating di potenza e non sono mai stati usati per generare quantità significative di energia elettrica a livello commerciale. Le loro uniche applicazioni pratiche erano per alimentare le prime tubature a raggi X e successivamente in alcuni acceleratori di particelle atomiche.
Elettrostatica Statica
L’elettricità statica è causata principalmente dall’effetto triboelettrico. Questo è un tipo di elettrificazione per contatto in cui certi materiali diventano elettricamente carichi dopo essere entrati in contatto tra loro e poi separati. L’attrito tra i due materiali aumenta notevolmente l’effetto a causa del frequente contatto e separazione di questi materiali. In giorni asciutti, l’elettricità statica è molto più evidente poiché l’aria contiene meno molecole d’acqua per consentire perdite. Si noti che è necessaria una tensione molto alta per generare ogni 1 mm di arco elettrico. L’aria è un cattivo conduttore di elettricità e ha un’elevata resistenza dielettrica, che è quasi 3000V/mm. In condizioni severe, sono stati registrati fino a 15000 Volt.
Generatore Elettrostatico
Un generatore elettrostatico è un generatore elettrico che produce elettricità statica, o elettricità ad alta tensione e bassa corrente continua. La differenza di potenziale elettrico può essere generata tramite l’induzione elettrostatica o l’effetto triboelettrico. Questi generatori producono una tensione molto alta ma una corrente molto bassa. I materiali dielettrici possono aumentare la tensione di rottura e produrre più energia elettrica. Tra i vari tipi di generatori elettrostatici (ESG) troviamo la macchina di Wimshurst, il generatore di Van de Graaff e il Generatore ad Alta Tensione a Disco Rotante.
Macchina di Wimshurst
Le macchine di Wimshurst utilizzano l’effetto di induzione elettrostatica per creare energia elettrica. Queste macchine appartengono a una classe di generatori elettrostatici chiamati macchine di influenza, che separano le cariche elettriche attraverso l’induzione elettrostatica. Hanno due piastre dielettriche con molteplici lame metalliche. Quando le piastre girano in direzioni opposte, la macchina di Wimshurst inizia a raccogliere carica
positiva su un lato del conduttore e carica negativa sull’altro lato. Il processo continua finché i conduttori non sono sufficientemente carichi, e la tensione avrà una svolta tra i conduttori. Quando si verifica la svolta di tensione, il processo di carica inizia di nuovo se le piastre sono in movimento.
Generatore di Van de Graaff
Il generatore di Van de Graaff (VDG) è un dispositivo elettrostatico capace di produrre tensioni molto elevate mantenendo una corrente minore e costante. Il primo VDG è stato costruito nel 1929 da Robert J. Van de Graaff, fisico e inventore americano. Utilizza una cinghia in movimento per accumulare carica elettrica su una sfera metallica cava posta sulla cima di una colonna isolata, creando potenziali elettrici molto elevati. Un semplice VDG consiste in una cinghia di gomma (o un materiale dielettrico flessibile simile) che si muove su due rulli di materiale diverso, uno dei quali è circondato da una sfera metallica cava. Un elettrodo metallico a forma di pettine con punti affilati è posizionato vicino a ciascun rullo. Quando un motore aziona la cinghia, l’effetto triboelettrico causa il trasferimento di elettroni dai materiali dissimili della cinghia e dei due rulli. La cinghia trasporta una carica negativa sulla sua superficie interna mentre il rullo superiore accumula una carica positiva.
Generatore ad Alta Tensione a Disco Rotante
Il generatore ad alta tensione a disco rotante utilizza l’induzione invece del metodo di attrito. La carica elettrica viene trasportata dal potenziale di terra al terminale HV da trasportatori di carica, che ruotano nel disco di isolante. I tras
portatori di carica effettuano il contatto elettrico attraverso gli elettrodi degli induttori. L’induttore non si muove ed è posizionato in un anello esterno.
Altri Metodi di Produzione di Tensione
La tensione, o il potenziale elettrico, può essere prodotta anche attraverso i seguenti metodi:
Elettrostatica: La maggior parte dell’elettricità statica che incontriamo ogni giorno è causata dall’effetto triboelettrico, generato dallo sfregamento di materiali diversi, come ambra e pelliccia o vetro e seta.
Elettrochimica: La combinazione di sostanze chimiche con certi metalli può causare una reazione chimica che trasferisce elettroni per produrre energia elettrica.
Induzione Magnetica: La rotazione di bobine di filo attraverso un campo magnetico stazionario o la rotazione di un campo magnetico attraverso una bobina stazionaria di filo produce un potenziale elettrico.
Effetto Piezoelettrico: Piegar o torcere certi materiali provoca il trasferimento di elettroni fuori dalla loro orbita originale.
Termoelettricità: Il riscaldamento di due materiali dissimili uniti provoca il trasferimento di elettroni tra i materiali, generando un flusso di corrente.
Effetto Fotoelettrico: L’emissione di fotoelettroni da una materia solida quando la radiazione elettromagnetica colpisce la sua superficie.
Emissione Termoionica: Il rilascio di elettroni da una superficie calda provoca la loro fuga.
Domande Frequenti
Che cosa causa l’elettricità statica? L’effetto triboelettrico, ovvero lo sfregamento di materiali diversi tra loro.
A quale tensione può arrivare l’elettricità statica? Comunemente si possono sperimentare 5000V. Tuttavia, molte persone non avvertono una scarica di elettricità statica inferiore a circa 2000-4000V.
Quali sono i principali tipi di generatori elettrostatici? I tipi includono generatori a frizione o a induzione come la macchina di Wimshurst, il generatore di Van de Graaff e il Generatore ad Alta Tensione a Disco Rotante.
