La potenza elettrica (P) è il lavoro compiuto, ovvero l'energia erogata o assorbita, dalle cariche elettriche in ogni istante durante il loro spostamento tra due punti di un conduttore a diverso potenziale. In termini più semplici, indica la velocità con cui l'energia elettrica viene trasformata da una forma all'altra o trasferita.
- Si indica con la lettera P.
- L'unità di misura della potenza elettrica è il Watt (W). In corrente alternata, si usano anche il Voltampere (VA) per la potenza apparente e il Voltampere reattivo (VAR) per la potenza reattiva.
- La potenza elettrica può essere paragonata alla potenza idraulica, dove è proporzionale al dislivello (tensione) e alla portata (intensità di corrente).
Da cosa nasce la potenza elettrica¶
La potenza elettrica nasce dall'interazione tra tensione (V) e intensità di corrente (I). - In un bipolo, la potenza elettrica assorbita in un dato istante è definita dal prodotto tra la tensione ai suoi terminali e la corrente che lo attraversa. Se la tensione e la corrente sono associate secondo la convenzione del generatore, il prodotto definisce la potenza erogata. - In corrente continua (CC), la potenza (P) è semplicemente il prodotto di tensione (V) e corrente (I): P = V x I. Dalla Legge di Ohm (V = R x I), la potenza può essere anche espressa come P = R x I² o P = V²/R. - In corrente alternata (CA), la situazione è più complessa a causa dello sfasamento (φ) tra tensione e corrente, introdotto dagli elementi reattivi come induttori e condensatori. Per questo motivo, si distinguono tre tipi di potenza: - Potenza attiva (P): È la potenza effettivamente utilizzata dal circuito e trasformata in lavoro utile o dissipata in calore dalle resistenze. Si calcola come P = V x I x cosφ. Viene misurata in Watt (W). - Potenza reattiva (Q): È la potenza scambiata avanti e indietro tra i generatori sinusoidali e i componenti reattivi (induttanze e condensatori). Non viene dissipata, ma immagazzinata e restituita. Si calcola come Q = V x I x senφ. Viene misurata in Voltampere reattivi (VAR). - Potenza apparente (S o N): Rappresenta la potenza totale fornita dal generatore al circuito, ovvero il prodotto dei valori efficaci di tensione e corrente. Si calcola come S = V x I. Viene misurata in Voltampere (VA). La potenza apparente è anche data da S = √(P² + Q²).
Perché è utile la potenza elettrica¶
Comprendere il concetto di potenza è cruciale per diversi aspetti dell'elettrotecnica: - Bilancio energetico: In un circuito, la somma delle potenze assorbite da tutti i componenti è sempre nulla, il che significa che la potenza erogata dai generatori è uguale alla potenza assorbita dagli utilizzatori. - Dimensionamento degli impianti: La potenza è fondamentale per dimensionare correttamente cavi, trasformatori e altri componenti, garantendo che possano gestire la quantità di energia richiesta senza surriscaldarsi o subire danni. - Efficienza energetica: L'obiettivo è massimizzare la potenza attiva e minimizzare quella reattiva per ottimizzare l'efficienza degli impianti. Il fattore di potenza (cosφ) quantifica quanta potenza apparente viene trasformata in potenza attiva; un fattore di potenza elevato (prossimo a 1) indica un uso più efficiente dell'energia. - Costi operativi: Le società distributrici di energia elettrica spesso applicano tariffe più onerose per impianti con un basso fattore di potenza, poiché richiedono un maggiore sforzo di generazione e trasmissione per la stessa quantità di lavoro utile. - Progettazione e verifica: L'analisi delle potenze consente di prevedere il comportamento dei circuiti, identificare perdite e garantire il corretto funzionamento dei dispositivi.
Riferimenti pratici¶
- Effetto Joule: Questo fenomeno descrive la trasformazione di energia elettrica in calore quando la corrente attraversa una resistenza. La potenza dissipata per effetto Joule (P = I²R) rappresenta una perdita di potenza attiva che, se non voluta (come in un riscaldatore elettrico), deve essere minimizzata per aumentare l'efficienza.
- Rifasamento: Per migliorare l'efficienza degli impianti con un basso fattore di potenza (tipicamente induttivo, come nei motori), si utilizzano condensatori collegati in parallelo. Questi condensatori assorbono potenza reattiva sfasata in anticipo, annullando buona parte della potenza reattiva induttiva e permettendo che sulla linea circoli principalmente solo la potenza attiva.
- Trasformatori: Queste macchine elettriche hanno la funzione di modificare i parametri di tensione e corrente per adattarli alle necessità di trasporto, distribuzione e utilizzo dell'energia elettrica. I trasformatori ideali non dissipano né accumulano energia, ma modificano solo tensione e corrente mantenendo la potenza invariata. I trasformatori reali, invece, presentano perdite di potenza attiva (nel rame per effetto Joule e nel ferro per isteresi e correnti parassite) e assorbono potenza reattiva per sostenere i flussi magnetici. Il loro rendimento è molto elevato, spesso superiore al 99.5%.
In sintesi, la potenza elettrica è la misura dell'energia trasferita o trasformata per unità di tempo. La sua comprensione è cruciale per la progettazione efficiente, sicura ed economica dei sistemi elettrici, sia in ambito domestico che industriale, specialmente nel contesto dei sistemi a corrente alternata dove le distinzioni tra potenza attiva, reattiva e apparente diventano fondamentali.
I Tre Tipi di Potenza¶
- Potenza Attiva (P) [W]
- Concetto: È la potenza "reale", quella che compie lavoro utile (es. calore, luce, movimento meccanico). È l'unica potenza che viene effettivamente consumata e trasformata in un'altra forma di energia.
- Formula: P=V⋅I⋅cos(ϕ)
- Potenza Reattiva (Q) [VAR]
- Concetto: È la potenza "scambiata". Non viene consumata, ma "rimbalza" tra il generatore e i componenti reattivi (induttori e condensatori) per creare e sostenere i campi elettrici e magnetici necessari al loro funzionamento.
- Formula: Q=V⋅I⋅sin(ϕ)
- Potenza Apparente (S) [VA]
- Concetto: È la potenza "totale" che la rete elettrica deve essere in grado di fornire. È la somma vettoriale della potenza attiva e reattiva. Cavi, interruttori e trasformatori devono essere dimensionati in base a questa potenza.
Il legame tra queste tre potenze è descritto dal triangolo delle potenze, un triangolo rettangolo dove: - Il cateto orizzontale è la Potenza Attiva (P). - Il cateto verticale è la Potenza Reattiva (Q). - L'ipotenusa è la Potenza Apparente (S).
Riassunto potenza scomposizione: !screenshot.png