Una spina elettrica è un connettore elettrico progettato per essere inserito in un dispositivo detto presa elettrica.
Per motivi di sicurezza, il lato costantemente sotto tensione è sempre la presa (o "femmina") mentre è la spina (o "maschio") a poter essere innestata nella presa all'occorrenza. In questo modo il lato perennemente in tensione non rimane esposto al possibile contatto diretto.
Storia
Quando l'energia elettrica fu introdotta per la prima volta nelle abitazioni, era utilizzata principalmente per l'illuminazione. A quel tempo, molte aziende elettriche gestivano un sistema tariffario in cui il costo dell'energia elettrica per l'illuminazione era inferiore a quello per altri scopi. Ciò indusse a collegare apparecchi portatili (come aspirapolvere, ventilatori, asciugacapelli) alle prese per lampadine, utilizzando tappi portalampada."More Small Things Forgotten: Domestic Electrical Plugs and Receptacles, 1881-1931", Fred E. H. Schroeder, Technology and Culture Vol. 27, No. 3 (Jul., 1986), pp. 525-543, Published by: Society for the History of Technology
Quando l'energia elettrica divenne un metodo comune di alimentazione di vari dispositivi, si rese necessario un sistema sicuro di connessione alla rete elettrica, diverso da una presa per lampadine. Secondo l'autore inglese John Mellanby,"The History of Electric Wiring" (1957), London: Macdonald. il primo sistema di spina e presa in Inghilterra fu introdotto da T.T. Smith nel 1883, e c'erano attacchi a due poli nel 1885, uno dei quali appare nel catalogo del 1889 della British General Electric Company Ltd.
La prima presa elettrica americana fu inventata da Harvey Hubbell e brevettata nel 1904. Il primo progetto di Hubbell era una presa avvitata in un portalampada (come le prime prese portalampada), ma con una spina separabile con perni o lamine. Altri produttori adottarono il modello di Hubbell, che verso il 1915 era ormai ampiamente diffuso.
La spina con contatto di terra ha diversi pretendenti per la sua invenzione. Un libro del 1911"SMALL SWITCHES, etc., and their CIRCUITS" (1911), MAYCOCK, W. Perren, London: S. Rentall & Co. trattando dei prodotti elettrici A. P. Lundberg & Sons di Londra, descrive il Tripin, una spina con messa a terra disponibile in modelli da 2,5 A e da 5 A. La configurazione dei contatti del Tripin appare praticamente identica ai moderni modelli BS 546. La prima domanda di brevetto americano per una spina con messa a terra sembra essere quella dell'11 gennaio 1915 di George P. Knapp, a nome della società Harvey Hubbell. Questo brevetto riguarda l'uso di un contatto di terra che si estende oltre gli altri due contatti per assicurare di essere collegato per primo. La configurazione della presa non era compatibile con le spine a due contatti esistenti.
Il sistema tedesco Schuko è stato brevettato da Albert Büttner nel 1926.German patent number DE 370538 L'attuale versione americana della spina con terra, con due lamine parallele e perno rotondo per la terra, è stata inventata da Philip F. Labre, mentre stava frequentando la Milwaukee School of Engineering; gli fu riconosciuto il brevetto negli Stati Uniti nel 1928. Quando la necessità di impianti più sicuri divenne evidente, il sistema di messa a terra con tre contatti fu reso obbligatorio nella maggior parte dei paesi industriali. In Italia la messa a terra è obbligatoria per tutti gli impianti elettrici costruiti dopo il 1990.
Il motivo per cui attualmente esistono diversi tipi di spine e di prese elettriche è dovuto alla scelta di molte nazioni di sviluppare un proprio modello di presa piuttosto che adottare uno standard comune. In alcuni paesi, tra cui l'Italia, non c'è un unico modello, ma vengono utilizzati diversi tipi di spina, aggiungendo ulteriori complicazioni all'utilizzatore e, in alcuni casi, creando problemi di sicurezza. La tendenza è ora quella di adeguarsi, per le nuove costruzioni, a uno dei pochi modelli effettivamente disponibili. Nei vecchi edifici sono ancora in uso connettori impiegati da quasi un secolo, ben prima che nascessero i modelli moderni.
Uno degli elementi ancora non raggiunti sulla strada dell'unificazione europea è l'adozione di uno standard comune. Per esempio, la spina italiana si può inserire nelle prese francesi, tedesche e svizzere solamente se è a due poli, priva cioè del contatto centrale di messa a terra. La presa usata nel Regno Unito è invece del tutto incompatibile con le spine utilizzate nel resto d'Europa.
Diversi tentativi sono stati fatti per creare un'eurospina, ma i singoli paesi sono restii a modificare la propria situazione. Il cambiamento è comunque in corso: da un lato si stanno installando prese in grado di accettare più formati (in Italia ad esempio si usa una Schuko modificata con un foro di terra centrale in più), dall'altro i produttori di elettrodomestici adottano spine in grado di inserirsi in diverse prese in uso nei paesi europei. Inoltre la Commissione europea ha creato una nuova spina, denominata IEC 60906-1, che dovrebbe sostituire in futuro tutte quelle dei singoli Stati europei; tuttavia, per ora, nessuno di essi l'ha adottata.
Materiali utilizzati Il materiale utilizzato per le parti che vengono in contatto è normalmente l'ottone, spesso rivestito di stagno o nichel. Il corpo isolante è realizzato con resine di opportuna rigidità dielettrica, buon livello di isolamento, resistenza a calore e urti e caratteristiche di autoestinguenza del fuoco.
Funzione
La funzione della spina è quella di chiudere, tramite i due contatti inseriti nella presa elettrica, il circuito dell'impianto elettrico in modo che in esso possa scorrere corrente elettrica. Un terzo contatto, quando presente, è utilizzato per la messa a terra. Il contatto di messa a terra deve essere il primo a collegarsi (quando si collega la spina alla presa) e l'ultimo a scollegarsi (quando si estrae la spina dalla presa). La spina è connessa a un filo elettrico che porta l'alimentazione all'apparecchiatura, ad esempio un elettrodomestico. In alcuni casi, come ad esempio nelle spine britanniche, è presente un fusibile integrato nella stessa; il fusibile serve a proteggere il cablaggio tra la spina e l'apparecchio in caso di sovracorrenti (sovraccarichi e cortocircuiti), in quanto in Inghilterra solitamente il magnetotermico a monte del circuito è da 30 A, invece che da 10 o 16 A come in Italia ad esempio.
Numero di poli Alcune spine sono di tipo polarizzato, ossia hanno una distinzione tra fase e neutro, mentre altre, tra cui quella italiana, possono essere inserite in entrambi i sensi. L'inversione tra fase e neutro non comporta problemi se non in casi rarissimi (come per le caldaie devono sempre essere rispettate le polarità e per le lampadine a LED in cui l'inversione tra fase e neutro porta alla rapida fulminazione delle lampadine stesse).
In molte spine è presente, oltre a fase e neutro, un terzo contatto di terra. In Italia questa connessione è obbligatoria per tutti gli apparecchi tranne quelli definiti a doppio isolamento, la cui spina presenta solamente due poli. Questi apparecchi sono identificabili dal simbolo del doppio quadrato concentrico stampato sulla targhetta dell'apparecchio.
Le apparecchiature di tipo industriale utilizzano un sistema di alimentazione trifase e quindi richiedono prese industriali speciali che possono avere fino a 4 o 5 contatti a seconda del tipo di collegamento.
Esiste inoltre un'ampia gamma di prese e spine a uno, due o più poli, utilizzate per la corrente continua in apparecchiature elettriche ed elettroniche, nelle automobili, nei computer, ecc.
Tipi di prese e spine
Di seguito sono elencati i diversi tipi di prese e spine usati nel mondo. Ogni tipo è identificato da una lettera secondo la classificazione usata dal governo degli Stati Uniti d'America.
Tipo A (americana a due poli)
NEMA 1-15 Questa spina, usata in gran parte del Nord America, America centrale e Caraibi, ha due contatti paralleli piatti e non ha il contatto di protezione. La corrispondente presa non viene più installata negli impianti dal 1965, ma è ancora presente in vecchi edifici.
Poiché non ha il contatto di protezione, è usata su dispositivi che non richiedono la messa a terra, come le lampade e gli apparecchi a doppio isolamento.
I primi modelli avevano i contatti uguali, ma oggi normalmente il contatto del neutro è più largo di quello della fase e per questo la presa è polarizzata, ovvero può essere inserita in un solo verso.
NEMA 1-20 Costituisce una versione "maggiorata" della spina 1-15, è omologata per 20 A e si differenzia dalla NEMA 1-15 perché ha il dentino del neutro ruotato di 90°.
NEMA 2-15 e 2-20 In queste spine (sempre senza terra) l'orientamento dei contatti piatti è differente ed esse sono usate per distinguere gli impianti a 240 V ed evitare errori. La 2-15 ha entrambi i contatti ruotati di 90° (rispetto alla spina 1-15), mentre nella 2-20 un solo contatto è ruotato di 90°. Entrambi i tipi sono comunque poco diffusi.
JIS 8303, Classe II A prima vista le prese e le spine usate in Giappone sembrano uguali alla 1-15. In realtà, i parametri costruttivi sono più stringenti e rigorosi ed è richiesta l'approvazione Japanese Industrial Standard. I valori di tensione e di corrente nominale inoltre differiscono da quelli usate in altre parti del mondo. I contatti di queste prese sono solitamente simmetrici e hanno la stessa dimensione del contatto più piccolo della presa americana. Una spina giapponese si inserisce senza problemi in una americana, mentre le spine americane richiedono generalmente un adattatore per essere collegate a una presa giapponese. Alcune spine giapponesi di tipo A, pur essendo prive del terzo "dentino", sono in grado di realizzare il contatto di messa a terra tramite un cavetto da avvitare in un apposito morsetto di cui alcune prese sono dotate.
Tipo B (americana con contatto di terra)
NEMA 5-15 / CS22.2, Nº42 Questa presa ha due contatti piatti paralleli come il tipo A e un contatto cilindrico di messa a terra (Standard americano NEMA 5-15/standard canadese CSA 22.2, Nº42). Sopporta una corrente nominale di 15 A. Il contatto di terra è più lungo degli altri in modo che la terra venga collegata prima della fase.
NEMA 2-20, 6-15 e 6-20 Costituiscono la versione dotata di messa a terra delle spine 1-20, 5-15 e 5-20.
JIS 8303, Classe I La presa giapponese di tipo B differisce da quella americana esattamente come avviene per il tipo A.
Tipo C (europea a due poli) CEE 7/16 (Eurospina)
Questa spina non ha messa a terra e presenta due contatti cilindrici con diametro 4 mm e interasse 19 mm, leggermente convergenti. La lunghezza dei contatti è di 19 mm, se i contatti sono più corti la spina non si innesta. Conosciuta anche come eurospina, è largamente usata in tutti i paesi d'Europa tranne il Regno Unito, l'Irlanda ed ex colonie come Malta. È anche diffusa in diversi paesi emergenti.
È in grado di entrare in qualunque presa in grado di accettare contatti da 4 mm con interasse 19 mm, ed è la spina più diffusa a livello internazionale.
Il suo uso è generalmente limitato agli apparecchi in classe II con assorbimento massimo di 2,5 A e poiché può essere inserita in entrambi i versi non è polarizzata, ovvero la fase e il neutro sono connessi a caso.
Questa spina è anche definita nello standard italiano CEI 23-34.
CEE 7/17
Questa particolare spina potrebbe facilmente rientrare nel tipo E o F. Ha due contatti come la 7/16, ma con diametro 4,8 mm come i tipi E e F. Può essere inserita nelle prese di tipo E e F poiché la base circolare ha un foro e intagli in grado di farla scorrere fra i contatti di terra dei due tipi di prese, anche se non viene stabilita una connessione elettrica con la messa a terra dell'impianto elettrico; se provvista di due fori, può essere inserita in una presa E senza seguire la polarizzazione imposta dal perno della terra.