La scelta della corrente alternata (CA) anziché della corrente continua (CC) per l'elettricità domestica è una scelta globale basata sull'efficienza della trasmissione di energia, sulla compatibilità delle apparecchiature e sull'evoluzione tecnologica storica. La logica di base ruota attorno a "come trasportare l'elettricità da centrali elettriche remote a migliaia di famiglie a basso costo e con basse perdite".

1. Il vantaggio principale della corrente alternata è l'implementazione efficiente della trasmissione di energia a lunga distanza.

Esiste un naturale divario geografico tra la produzione e il consumo di energia: le grandi centrali elettriche (come le centrali idroelettriche e termoelettriche) sono spesso costruite in aree ricche di risorse o lontane dalle aree urbane e devono trasportare l'elettricità per centinaia o addirittura migliaia di chilometri fino alle aree residenziali. Durante questo processo, quando la corrente attraversa la linea di trasmissione, si verificano perdite termiche dovute alla resistenza dei cavi (secondo la legge di Joule: le perdite sono proporzionali al quadrato della corrente). Se le perdite non vengono controllate, una grande quantità di elettricità verrà sprecata durante la trasmissione, con conseguente aumento dei costi di fornitura di energia.

Il valore fondamentale della corrente alternata risiede nella sua capacità di ottenere facilmente “aumento e diminuzione della tensione” tramite trasformatori (dispositivi con struttura semplice, basso costo e senza parti mobili):

• Potenziamento della centrale elettrica: La tensione alternata generata dalla centrale elettrica è di circa 12.000 V, che viene inizialmente aumentata ad alta tensione di 115 kV, 230 kV o persino 765 kV tramite un trasformatore di amplificazione. Secondo la formula della potenza, a potenza totale costante, un aumento della tensione riduce significativamente la corrente, riducendo così la dispersione termica della linea di trasmissione (ad esempio, se la tensione viene aumentata di 10 volte e la corrente viene ridotta a 1/10, la perdita è solo 1/100 dell'originale) e la perdita di trasmissione finale può essere controllata entro il 5%.

• Riduzione della tensione prima di entrare in casa: Dopo che l'elettricità arriva in città, viene prima ridotta a circa 12 kV dal trasformatore di riduzione della tensione della sottostazione, che viene utilizzato per la distribuzione locale all'interno della città; infine, la tensione viene ulteriormente ridotta a standard domestici sicuri (come 120 V in Nord America e 230 V in Cina/Europa) tramite piccoli trasformatori posizionati in aree residenziali o strade, per evitare il pericolo dell'alta tensione per la salute umana e gli elettrodomestici.

D'altra parteLa corrente continua, a causa della sua tensione e direzione di corrente costanti, non può generare un campo magnetico variabile – e il principio di funzionamento dei trasformatori si basa su "campi magnetici variabili che inducono tensione", quindi la corrente continua non può raggiungere l'aumento e la diminuzione di tensione attraverso i trasformatori convenzionali. Se la trasmissione in corrente continua viene forzata, può essere trasmessa solo a bassa tensione e alta corrente, con conseguenti perdite di linea estremamente elevate (ad esempio, la perdita di una linea in corrente continua lunga 100 chilometri può superare il 50%), costringendo le centrali elettriche a essere costruite vicino agli utenti (di solito entro 1 miglio), il che non può soddisfare il fabbisogno energetico su larga scala delle città.

2. Compatibilità naturale tra aria condizionata ed elettrodomestici.

Nella vita quotidiana, gli elettrodomestici (dai grandi ai piccoli dispositivi) si affidano principalmente all'alimentazione a corrente alternata o sono più adatti all'alimentazione a corrente alternata. Questa compatibilità deriva dalle caratteristiche e dai vantaggi in termini di costi di produzione della corrente alternata:

• Adatto ai principali tipi di motore: Frigoriferi, lavatrici, condizionatori, cappe aspiranti e altri grandi elettrodomestici, con motori a induzione CA come componente di potenza principale. Questo tipo di motore ha una struttura semplice (senza la necessità di componenti vulnerabili come i commutatori), un basso tasso di guasto, costi controllabili e può utilizzare direttamente le caratteristiche di alternanza della CA per ottenere l'avviamento automatico senza la necessità di componenti di controllo elettronici aggiuntivi. I motori CC (come i primi motori CC con spazzole) richiedono commutatori meccanici per cambiare la direzione della corrente, che sono soggetti a usura e hanno una durata breve; anche i moderni motori CC senza spazzole richiedono controller complessi per funzionare e storicamente sono stati prodotti a costi molto più elevati rispetto ai motori CA.

• Compatibile con apparecchi di riscaldamento e illuminazione: Apparecchiature di riscaldamento a resistenza come forni elettrici, scaldabagni e riscaldatori elettrici, sebbene teoricamente compatibili con corrente alternata e continua (la corrente che passa attraverso i resistori genera calore), poiché la corrente alternata è uno standard unificato per la rete elettrica, l'apparecchiatura non richiede convertitori "CA-CC" aggiuntivi, il che può ridurre significativamente i costi di produzione e i tassi di guasto. Anche le prime lampade a incandescenza e le successive lampade fluorescenti possono essere collegate direttamente alla rete elettrica a corrente alternata per il funzionamento; sebbene le moderne luci a LED siano essenzialmente alimentate a corrente continua, necessitano solo di integrare internamente un piccolo raddrizzatore (dal costo estremamente basso) per adattarsi alla corrente alternata domestica senza modificare l'architettura della rete elettrica.

3. La “Guerra della corrente elettrica” stabilì la posizione dominante della corrente alternata alla fine del XIX secolo, determinando direttamente che la corrente alternata diventasse lo standard globale per l’elettricità domestica.

Dietro c'era una competizione pratica tra due percorsi tecnologici:

• Limitazioni della soluzione DC di Edison: L'inventore Edison inizialmente promosse i sistemi di alimentazione a corrente continua e costruì le prime centrali elettriche a corrente continua a New York. Tuttavia, come accennato in precedenza, la corrente continua non può essere trasmessa su lunghe distanze e il suo raggio di alimentazione è limitato a un miglio e mezzo dalla centrale. Per evitare perdite, sono necessari cavi spessi (il che è costoso) e non possono soddisfare le esigenze di espansione urbana.

• La svolta della soluzione CA di Tesla: Il fisico Tesla inventò un sistema di corrente alternata multifase e un motore a induzione, risolvendo i problemi principali della trasmissione e dell'applicazione della corrente alternata. L'imprenditore Westinghouse Electric adottò questo piano e utilizzò con successo la corrente alternata per alimentare l'Esposizione Universale di Chicago del 1893 (illuminando decine di migliaia di luci), seguita dalla costruzione del sistema di trasmissione della corrente alternata per la centrale idroelettrica di Niagara (che forniva elettricità a Buffalo, a 35 chilometri di distanza). Questi casi dimostrano la scalabilità della corrente alternata, sconfiggendo completamente la soluzione a corrente continua e affermando la posizione della corrente alternata nel mercato elettrico domestico a livello globale.

4. Il limite di applicazione della moderna corrente continua: dipende ancora dalla rete elettrica alternata.

Oggigiorno, la corrente continua è ampiamente utilizzata nella produzione di energia solare, nell'accumulo di energia tramite batterie e nei dispositivi elettronici, ma non ha sostituito la corrente alternata, che occupa un posto fondamentale nell'uso domestico.

• Conversione da CC a CA dell'energia rinnovabile: i pannelli solari generano direttamente corrente continua e anche le batterie di accumulo di energia domestica immagazzinano corrente continua, ma questa elettricità deve essere convertita in corrente alternata tramite "inverter" prima di poter essere collegata alla rete elettrica domestica per alimentare gli elettrodomestici, basandosi essenzialmente ancora sullo standard unificato di corrente alternata

• Supplemento alla corrente continua ad alta tensione (HVDC): Le moderne trasmissioni a lunghissima distanza (come le reti elettriche transfrontaliere, i parchi eolici offshore verso la terraferma) utilizzano l'HVDC (con perdite inferiori rispetto alla corrente alternata), ma una volta che l'elettricità raggiunge la rete di distribuzione urbana, deve comunque essere convertita in corrente alternata prima di poter essere utilizzata nelle abitazioni.

In breve, l'applicazione moderna della corrente continua è un'integrazione alla rete elettrica alternata, piuttosto che una sostituzione: le esigenze fondamentali dell'elettricità domestica (lunga distanza, basso costo, compatibilità con più dispositivi) sono ancora perfettamente soddisfatte dalla corrente alternata.