Corso elettrotecnica di base

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Corso elettrotecnica di base

Introduzione

Il corso di Elettrotecnica che inizia, si prefigge di indagare e spiegare, per utilizzarle con padronanza, le leggi che regolano il funzionamento dei circuiti elettrici.

Nell’ articolo d’esordio si esaminerà, con riflessioni fisiche e storiche, il percorso che ha determinato l’individuazione delle grandezze elettriche fondamentali: l’intensità di corrente e la tensione elettrica.

Una chiara coscienza del loro significato fisico, è il presupposto per capire e scegliere, senza incertezze, le strade dell’analisi e della sintesi dei circuiti elettrici.

Riflessioni generali sui fenomeni fisici

Capire i fenomeni di un qualsiasi sistema fisico significa saperne interpretare le trasformazioni, e le ragioni di esse.

Si tratta cioè di riuscire a distinguere ciò che appare effetto da ciò che può essere considerato causa, due parole che implicano una relazione, obiettivo dello studio.

Gli effetti sono ciò cui i nostri sensi (o le loro estensioni) sono immediatamente sensibili: ad esempio il calore, la luce, le variazioni di posizione e di forma dei corpi nel tempo. Le cause che li producono sono, in un certo senso nascoste, ed il compito dello studioso è individuarle ed interpretarle legandole all’effetto.

Il legame si sintetizza in formule matematiche, gli strumenti per creare modelli astratti dei sistemi fisici.

Il modello matematico consente di prevedere l’evoluzione del sistema, cioè permette di determinare, sia qualitativamente che quantitativamente, gli effetti dell’azione di cause note.

I confini tra causa ed effetto non sono però così netti: causa ed effetto si presentano sempre insieme, in un’unità inscindibile, ed il separarle è spesso una scelta, dovuta alle ragioni tecniche di un’utilizzazione pratica del fenomeno.

Si pensi al campo elettromagnetico nel vuoto: in un punto dello spazio in cui esiste un campo elettrico variabile, c’è un campo magnetico variabile che produce un campo elettrico variabile che…Un susseguirsi infinito di cause che producono effetti che diventano cause, dove non si riconosce un inizio ed una fine.

Il concetto che accomuna l’evolversi di ogni sistema fisico è l’energia.

Un effetto è la manifestazione di un’energia, conseguenza a sua volta di una variazione d’energia di forma diversa. L’evoluzione di un sistema, la sua vita se vogliamo, è un continuo pulsare di trasformazioni e l’energia rinnova, in chiave moderna, il mito di Proteo, il dio marino dell’antica Grecia specializzato in qualsiasi metamorfosi: animale o fiamma o vento o acqua. E’ curioso come spesso capiti di trovare immagini dei nostri concetti più evoluti nelle visioni fantastiche dell’antichità.

I fenomeni elettrici nella storia

Il tema del corso è l’elettrotecnica con le sue applicazioni.

L’elettrotecnica studia ed interpreta, ai fini di una utilizzazione pratica, i fenomeni elettrici, cioè le manifestazioni energetiche associate a quella che è considerata l’intima natura della materia, cioè il suo essere composta di particelle elementari che interagiscono con forze repulsive se dello stesso tipo, attrattive in caso contrario.

E’ una constatazione antica l’esistenza di questa proprietà della materia. La prima volta fu notata strofinando l’ambra, una resina fossile di colore prevalente dal giallo miele al rosso granato. In latino il nome dell’ambra, direttamente derivato dal greco, è electrum.

Ma per secoli il fenomeno non trovò serie e pratiche utilizzazioni.

Finché Alessandro Volta (1745-1827), alla fine del XVIII secolo, costruì il primo generatore elettrico, la sua celebre pila.

Il dispositivo era in grado di creare una distribuzione non uniforme di cariche elettriche presenti in un corpo, dando origine a forze capaci di produrre un movimento di cariche in una direzione preferenziale, mantenendolo nel tempo.

Una possibilità che si dimostrò ben presto sorgente di effetti importanti che lasciavano presagire notevoli applicazioni pratiche.

Effetti legati al movimento di cariche, che si manifestarono come sviluppo di calore nei corpi materiali in cui il movimento avveniva (effetto termico), ma soprattutto con interazioni inaspettate con un altro fenomeno fisico noto, il magnetismo (effetto magnetico).

Ovviamente continuava ad essere presente il fenomeno elettrico di attrazione - repulsione tra le cariche (effetto elettrostatico), per il quale il fisico francese Ch. A.Coulomb (1736-1806) aveva già formulato la sua celebre legge, formalmente simile alla legge di gravitazione del grande Isaac Newton (1642-1727), la quale stabiliva che la forza di interazione tra le cariche agiva secondo la retta congiungente il loro baricentro, era proporzionale al prodotto delle cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza dei baricentri.

Immediatamente iniziarono indagini sperimentali e costruzione di modelli teorici di interpretazione.

Nel 1826 il fisico tedesco G.S. Ohm (1787-1854) enunciò la sua celebre legge per i conduttori, e già nel 1820 il fisico danese H.C. Oersted (1777-1851) studiava l’influenza del movimento di cariche sull’ago magnetico. Il fisico francese A.M. Ampere (1775-1836) elaborò in quegli anni una consistente teoria dell’effetto magnetico, che W.E. Weber (1804-1891) completò con un’impostazione newtoniana, mentre il grande fisico inglese M. Faraday (1791-1867) scopriva il modo di produrre un movimento di cariche per mezzo di un campo magnetico, inseguendo l’idea che se un movimento di cariche dava luogo a forze magnetiche, in un qualche modo le forze magnetiche avrebbero dovuto produrre un movimento di cariche. La sua celebre e fondamentale legge è del 1831. Infine sempre Faraday, con una sensibilità che la sua abilità di sperimentatore rendeva sempre più immaginifica ed acuta, distaccandosi dall’impostazione di Weber, cominciò a concepire il campo di forze come una realtà fisica concreta capace di trasmettere a distanza le interazioni tra i corpi. A partire da quest’idea poderosa, il fisico teorico scozzese J.C. Maxwell (1831-1879) riuscì ad elaborare, nel 1873, la sua teoria dinamica del campo elettromagnetico, mostrando che non solo un movimento di cariche materiali era in grado di produrre un campo magnetico, che non solo un campo magnetico variabile produceva un campo elettrico variabile, ma che anche un campo elettrico variabile dava origine ad un campo magnetico variabile.

L’indagine conoscitiva dei fenomeni elettrici non si concluse, come ben sappiamo, con le intuizioni e le elaborazioni teoriche di Maxwell. Si può anzi affermare che da allora iniziò un vertiginoso sviluppo delle applicazioni, che è prepotentemente ancora davanti ai nostri occhi con tutte le implicazioni positive e gli inevitabili problemi.

La struttura della materia

Iniziamo allora l’indagine e la definizione delle grandezze descrittive dei fenomeni elettrici, dei modi grafici e letterali utilizzati per la loro rappresentazione matematica, delle relazioni che tra di esse intercorrono, con l’attenzione sempre rivolta alla loro matrice energetica.

Le cariche elettriche costituenti la materia sono convenzionalmente distinte in positive e negative. La più piccola carica esistente è detta carica elementare.

Le particelle che ne sono naturalmente dotate sono l’elettrone ed il protone. Le chiamiamo particelle per comodità, ma il senso che noi attribuiamo alla parola particella, non rispecchia la loro intima natura, come ormai ha dimostrato la meccanica quantistica, evidenziandone un’intrinseca ambiguità, in cui l’elettrone è un vero maestro: il dualismo onda-particella.

Le unità di misura del S.I.

Ogni grandezza fisica ha un’unità di misura, cioè esiste una grandezza dello stesso tipo cui si è attribuito convenzionalmente il valore unitario. Il valore della grandezza non è altro che il numero che esprime quante unità occorrono per costruirla. L’insieme, universalmente adottato, delle grandezze assunte come unità di misura, è il sistema internazionale (SI). Le unità di misura indipendenti tra loro e la cui scelta è sostanzialmente arbitraria, sono dette fondamentali. Quelle che si ricavano dalle fondamentali, mediante le relazioni matematiche che descrivono i fenomeni fisici in cui le grandezze intervengono, si dicono derivate. Fondamentali sono il metro [m], il chilogrammo [kg], il secondo [s], l’ampere [A], il grado Kelvin [K], la mole [mol], la candela [cd].

Tra le derivate ricordiamo l’unità di misura della forza, il newton [N] prodotto di chilogrammo massa per metro diviso secondo al quadrato [N]=[kg][m][s]^-2 e dell’energia, il joule [J ] che è il prodotto di newton per metro: [J]=[N][m].

L’unità di misura della carica elettrica nel SI è il Coulomb [C], una grandezza concettualmente fondamentale, ma che nel sistema SI è derivata dall’ampere, nel modo che fra poco vedremo.

La carica elementare dell’elettrone, convenzionalmente negativa, uguale in valore assoluto a quella del protone, convenzionalmente positiva, è pari a 1,602*10^-19 C.

Protoni ed elettroni formano l’atomo, i protoni la parte centrale (il nucleo), gli elettroni, in numero uguale ai protoni, la periferia. Possiamo raffigurarci gli elettroni come particelle che ruotano intorno al nucleo, i più esterni ad enormi distanze se rapportate al diametro del nucleo (decine di migliaia di volte maggiore), ma probabilmente, se li potessimo vedere, ci apparirebbero come una nebbia leggerissima che avvolge, in forme simmetriche e curiose (gli orbitali), il massiccio nucleo puntiforme. La massa del protone è 1,67*10^-27 kg, la massa dell’elettrone 1836 più piccola. Gli elettroni, pur avendo a disposizione praticamente la totalità dello spazio occupato dall’atomo, hanno una massa che è, in generale, molto meno di un duemillesimo della massa totale, se si tiene conto che nel nucleo, oltre ai protoni, ci sono i neutroni, che hanno carica elettrica nulla e massa praticamente uguale a quella dei protoni.

Eppure, questa specie di nulla, è il protagonista indiscusso dei fenomeni elettrici, e non solo di quelli.

Gli atomi si possono aggregare in molecole, e l’aggregazione di atomi o di molecole dello stesso tipo è una sostanza. La struttura è un reticolo in cui gli atomi occupano i vertici ed i cui lati sono, in un certo senso, la materializzazione delle forze che li tengono uniti, poste in essere dalle interazioni elettroniche.

Corrente ed intensità

In alcune sostanze (gli isolanti) nessun elettrone si sposta dal volume controllato dal nucleo; in altre invece gli elettroni che ne sono più distanti ( elettroni di valenza, responsabili primari della formazione dei composti chimici) riescono a liberarsi dal vincolo che li lega ad esso, diffondendosi nel reticolo. Ciò avviene in quanto la configurazione energetica tracciata nello spazio dal reticolo atomico forma un avvallamento dove gli elettroni scivolano trovandovi libertà di movimento (la banda di valenza). L’insieme di questi elettroni liberi è come un gas. Il loro vagare attraverso il reticolo nella valle loro riservata, è rapidissimo e casuale, determinato dalla temperatura.

La fig. 1.1 mostra come potrebbe apparire il reticolo di un conduttore (le “palline” sfumate sono gli elettroni liberi, i”palloncini” colorati gli orbitali degli elettroni che avvolgono il nucleo invisibile).

fig. 1.1

Questa specie di gas può essere messa in movimento in una direzione preferenziale, come il fluido in una tubazione. E’ quel che riesce a fare il generatore elettrico, il quale non genera alcuna carica elettrica, ma crea un campo di forze che le sollecita conferendo loro l’energia potenziale che potrà trasformarsi in cinetica. Il generatore è paragonabile ad una pompa che mette in movimento le particelle di un fluido, senza crearle, come ben sappiamo. La posizione delle particelle di fluido nel campo gravitazionale determina la loro energia potenziale che potrà divenire cinetica. Il ripristino dell'energia cinetica, trasformata ad esempio in calore e lavoro, è compito della pompa nel caso del fluido, del generatore per le cariche elettriche, i quali possono rifornirsi all'esterno dei rispettivi campi che fungono, come dire, da organi di trasmissione dell'energia.

Le sostanze che dispongono di elettroni liberi sono i metalli ed è il movimento del loro insieme in una direzione determinata che chiamiamo corrente elettrica. Per questa possibilità i metalli sono detti conduttori. La corrente elettrica come cariche in movimento fu una deduzione antecedente alla scoperta dell’elettrone, avvenuta nel 1897 con gli esperimenti di J.J. Thomson (1856-1940) sui raggi catodici. Si era già ipotizzato che fossero le cariche positive a spostarsi, e si assunse allora come verso della corrente quello del loro moto d’assieme. Gli elettroni però si muovono in senso opposto, ma il verso della corrente è stato mantenuto ed è stato chiamato verso convenzionale.

In alcune situazioni, quelle, tra l’altro, che hanno permesso la costruzione del primo generatore, ci sono cariche positive e negative che si muovono in senso opposto dando origine ad una corrente elettrica. Succede nelle soluzioni, dove la molecola di un sale (ad esempio il cloruro di sodio, NaCl) si scompone in ioni positivi (Na+) e ioni negativi (Cl-). Gli ioni sono atomi (o gruppi di atomi) che hanno una carenza di elettroni (ioni positivi) od un eccesso di elettroni (ioni negativi). Essi hanno perciò sempre una carica elettrica uguale o multipla della carica elementare ma, com’è facile intuire, una massa molto più grande.

Il movimento di un insieme di particelle qualsiasi, lo chiamiamo flusso e può efficacemente essere descritto dal numero di particelle che attraversano una sezione di controllo. Si impone allora l’esigenza di definirne l’intensità, una grandezza dipendente dal numero di particelle transitanti e dalla loro velocità. E’ così che prende forma il primo fondamentale concetto dell’elettrotecnica, quello di intensità di corrente.

In questo caso interessa il numero di particelle cariche, meglio ancora la quantità di elettricità da esse trasportata. Quantità di elettricità contiene una sottile distinzione rispetto a quantità di carica, sottolineando che i fenomeni elettrici che si osservano all’esterno di in un volume occupato da cariche di segno opposto, sono dovuti alla somma algebrica dei loro valori.

L’intensità di corrente è allora definita come la quantità di elettricità che attraversa la sezione di controllo del flusso di cariche in un corpo nell’unità di tempo, cioè:

I=Q/t 1.1

avendo indicato con t l'intervallo di tempo in cui la quantità di elettricità Q, è transitata attraverso la sezione.

Nel caso in cui, come succede nelle soluzioni elettrolitiche, transitino attraverso la sezione cariche di segno opposto in senso opposto, occorre fare la somma aritmetica dei loro valori assoluti. La somma algebrica andrebbe eseguita per cariche di segno opposto che si muovono nello stesso senso.
L'intensità di corrente è espressa da un numero relativo. Il valore assoluto è la sua misura in ampere che, come deducibile dalla precedente definizione, corrisponde a coulomb diviso secondo:[A]=[C][s]^-1. Il segno è riferito al verso convenzionale scelto preventivamente ed arbitrariamente per la corrente nel corpo in esame. Se positivo, significa che le cariche positive si muovono proprio secondo il verso prefissato o, ciò che è lo stesso, le cariche negative si muovono in senso opposto. Il contrario se il segno dell'intensità è negativo.
Occorre ora ricordare che il campione di unità di misura assunto per le grandezze elettriche nel SI, è proprio l'ampere. Le ragioni risiedono nel fenomeno fisico di riferimento che è facilmente riproducibile in ogni attrezzato laboratorio. Si chiama ampere assoluto ed è definito come l'intensità di quella corrente che attraversando due fili paralleli di sezione trascurabile, di lunghezza teoricamente infinita, posti alla distanza di un metro nel vuoto, determina in essi una forza trasversale di attrazione (correnti equiverse) o di repulsione (correnti controverse) che, per ogni metro di lunghezza dei fili vale 2*10^-7 newton.
Si capisce allora perché il coulomb sia una grandezza derivata, chiamata ampere*secondo. Non sarà inutile ricordare che proprio un multiplo di questa grandezza è usato per definire la carica di una batteria per autoveicoli. Si parla in questo caso di ampere*ora che corrispondono a 3600 ampere*secondi cioè 3600 coulomb.
E' importante considerare anche l'intensità di corrente specifica detta densità di corrente. Essa è definita dal rapporto tra l'intensità di corrente e l'area della sezione di controllo perpendicolare al movimento delle cariche:

J=I/A.

E' la grandezza che meglio ci informa sul grado di sollecitazione subito dal conduttore per il movimento di cariche. E' proporzionale al numero di elettroni liberi per unità di volume, alla loro comune velocità di spostamento (che è molto piccola: ordine di grandezza, dmm/s !) , nonché alla carica dell'elettrone, e. Si ha

J=n*e*v.

Per il rame n=8,5*10²⁸ elettroni liberi ogni metro cubo, quindi se in un conduttore la densità è di 10 A/mm², si ha v=J/(ne)=10*10⁶/(8,5*10²⁸ * 1,602*10^-19)=0,7 mm/s.

Quanto descritto finora con parole che dovrebbero aiutare a comprendere il fenomeno visualizzandolo, come dire, agli occhi della mente, trova una sintesi matematica e grafica nella figura 1.2

fig. 1.2

Potenziale elettrico e tensione

La causa del possibile movimento di cariche è lo stato energetico da esse assunto nei diversi punti del corpo per l’azione del generatore.

Si definisce potenziale elettrico di un punto l’energia che l’unità di carica positiva possiede quando si trova in quel punto. L’unità di misura del potenziale è allora il joule diviso coulomb e si chiama volt, in onore dell’inventore del primo generatore:[V]=[J][C]^-1

Il potenziale di un punto P si indica con V_P.

Ciò che conta all’interno del corpo, non è il valore assoluto dell’energia posseduta dall’unità di carica ma il suo valore relativo rispetto ad un punto del corpo, chiamato massa, cui convenzionalmente si attribuisce il potenziale zero. Il potenziale di un punto è quindi definito a meno di una costante arbitraria, che è il valore di potenziale che si può attribuire alla massa.

Gli effetti elettrici, quindi l’intensità di corrente dove sono presenti cariche libere, sono determinate dalle differenze di potenziale tra i punti.

Per questo la differenza di potenziale tra due punti A e B (d.d.p) è detta tensione elettrica; indicata con U_AB, è definita dalla differenza tra il potenziale del punto A meno il potenziale del punto B,

U_AB=V_A-V_B 1. 2

E’ evidente che il volt è l’unità di misura anche della tensione elettrica. Il potenziale di un punto non è altro allora che la tensione tra quel punto e massa e le tensioni tra i vari punti del corpo non cambiano modificando il potenziale assoluto della massa.

Il potenziale nei diversi punti di un corpo è da attribuire all’azione del generatore.

Si definisce forza elettromotrice (f.e.m.) di un generatore la totale quantità di energia da esso fornita all’unità di carica positiva che transita attraverso di esso. Il simbolo comunemente usato è E. Si misura, ovviamente ancora in volt, per cui il nome di forza non deve trarre in inganno. La f.e.m. non è una forza fisica (che si misura in newton) ma una energia specifica. Essa crea un campo di forze che può essere considerato il serbatoio dell’ energia elettrica allo stato potenziale.

La fig. 1.3 sintetizza graficamente le considerazioni esposte..

figura 1. 3

La tensione è rappresentata con un segmento tra i due punti, orientato verso il potenziale minuendo dell’espressione della d.d.p. Il suo valore è un numero relativo il cui valore assoluto corrisponde alla misura in volt della tensione, cioè del lavoro che compete all’unità di carica positiva che si sposta tra i due punti. E’ positivo se il potenziale di partenza è maggiore di quello d’arrivo, il che indica che le cariche positive stanno perdendo energia, quindi stanno facendo un lavoro, negativo in caso contrario, quando la carica positiva acquista energia.

Potenza elettrica

La potenza di un sistema è l’energia che esso trasforma nell’unità di tempo. Molte macchine possono fare lo stesso lavoro, ma la macchina che lo fa in meno tempo è più potente. La potenza serve quindi a caratterizzare una macchina. Il lavoro corrisponde alla variazione di energia del sistema.

E’ abbastanza agevole trovare l’espressione della potenza elettrica, che non è un nuovo tipo di potenza, ma la potenza nella sua accezione generale espressa in termini di grandezze elettriche.

Quando una carica Q positiva si sposta tra due punti, se indichiamo con U la tensione tra di essi, il lavoro fatto dalla carica è, per definizione di tensione, L=Q*U. Se il lavoro è eseguito nell’intervallo di tempo t, la potenza, per definizione, è data da P=L/t cioè P=U*Q/t. Ma Q/t è l’intensità di corrente, quindi l'espressione della potenza diventa:

P=U*I 1. 3

E’ stato detto che sia U che I sono grandezze algebriche e che il loro segno va riferito alla convenzione adottata per la loro rappresentazione. Anche la potenza ha dunque un segno che va riferito ad un verso che indica il flusso di energia. Il verso di riferimento del flusso di energia è quello che ha l'intensità di corrente nel punto a potenziale più alto.

La sua unità di misura è il watt [W] che corrisponde a joule diviso secondo:[W]=[J][s]^-1.
Il chilowattora [kWh] è un'unità di energia (non di potenza!, come a volte si sente dire nei media di massa) in pratica molto usata: esso corrisponde all'energia di una macchina della potenza di un kW che funziona per un'ora.

La figura 1.4 sintetizza il concetto esposto. La freccia rossa indica il verso positivo del flusso di potenza.

fig. 1.4

Strumenti di misura

L’intensità di corrente si misura con l’amperometro, uno strumento con due terminali che deve essere attraversato dalla intensità.il cui verso convenzionale deve entrare dal morsetto contrassegnato per fornire una indicazione positiva. L’amperometro ideale ha una tensione nulla tra i suoi terminali (U_A=0). (fig. 1.5. a)

La tensione si misura con il voltmetro uno strumento con due terminali che devono essere collegati ai punti di cui si vuol sapere la d.d.p. Per dare una indicazione positiva il punto a potenziale più alto deve corrispondere al morsetto contrassegnato. Il voltmetro ideale non è attraversato da corrente (I_V=0). (fig. 1.5. b)

La potenza si misura con il wattmetro un quadripolo composto da un bipolo amperometrico ed uno voltmetrico. E’ ideale se amperometrica e volumetrica sono ideali. (fig. 1.5. c)

figura 1. 5

Conclusioni

All’interno di ogni sistema elettrico esiste un equilibrio dinamico tra l’energia di posizione delle cariche (potenziale, tensione) e l’energia di movimento (cinetica, corrente) mentre esso scambia energia con l’esterno (generatori ed utilizzatori con l’inevitabile produzione di energia termica).

L’Elettrotecnica studia come produrre scambi energetici nella forma desiderata stabilendo gli equilibri interni al sistema. Per farlo è necessario conoscere il comportamento elettrico di ogni componente del sistema. Ciò significa trovare il legame tra l’intensità di corrente che fluisce tra due punti per l’azione della tensione tra di essi e la tensione stessa

In pratica esplicitare la funzione

I=f(U)

per ogni di componente, che, proprio perché la tensione coinvolge due punti (poli), si chiama bipolo.

CARICA ELETTRICA

Si dimostra sperimentalmente che se strofiniamo una bacchetta di plastica o di vetro su di un panno essa è in grado di attrarre dei pezzettini di carta.
Questo fatto noi lo giustifichiamo dicendo che la bacchetta di plastica si è caricata di elettricità, cioè ha acquistato una carica elettrica durante lo strofinio con il panno. Quando noi avviciniamo la bacchetta alla carta, si verifica che la carta viene attirata dalla bacchetta di plastica, senza che sia visibile un collegamento meccanico tra i due oggetti.

La carica elettrica può essere di segno positivo, che indichiamo con +; o di segno negativo, che indichiamo con il - .

L’elettroscopio a foglie d'oro è uno strumento che rileva la presenza di cariche elettriche.

L'elettroscopio è costituito da una ampolla di vetro poggiata su una base isolante. All'interno dell'ampolla vengono messe due lamine sottilissime di oro, che è conduttore. Il punto di contatto delle due lamine viene portato all'esterno mediante una sfera di metallo conduttore. Se le due lamine non sono cariche esse si presentano unite e verticali, in quanto la forza di gravità le attira verso il basso.

elettroscopio carico positivamente

Se avviciniamo una bacchetta di vetro, carica positivamente, alla sfera metallica esterna, avviene che le lamine di oro si caricano dello stesso segno, cioè sono tutte e due positive, e poiché sono leggere e libere di muoversi, esse si allontanano tra di loro nella parte inferiore, perché le cariche elettriche dello stesso segno si respingono.

Questo è, appunto, un fatto nuovo, che cioè tra due oggetti distanti tra di loro e che non si toccano meccanicamente, possono esistere delle forze, diverse dalla forza di gravitazione, che tendono ad attrarre o a respingere i due oggetti.

Elettricità ed Elettrotecnica

Elettricità è la caratteristica che hanno alcuni corpi di poter manifestare delle forze di attrazione o di repulsione, senza alcun contatto meccanico.

Elettrotecnica, invece, è la materia che studia i fenomeni elettrici, cioè che studia l'elettricità.

Un'altra caratteristica dei fenomeni elettrici è il riscaldamento dei corpi che sono carichi di elettricità. Per esempio supponiamo di prendere una pila, detta volgarmente anche batteria, essa ha due estremità, dette morsetti, una indicata col + e l'altra indicata con il -.

Se uniamo con un filo di rame i due morsetti della pila, notiamo dapprima un scintilla, cioè un fenomeno luminoso che emette luce, calore e suono, e poi notiamo un rapido riscaldamento sia della pila che del filo di rame. Il filo di rame si riscalda a tal punto da raggiungere la temperatura di fusione del rame, e quindi il rame inizia a fondere, a causa della elevata temperatura.

Anche la pila inizia a riscaldarsi; poi si surriscalda ed infine esplode, diventando pericolosa, al pari di una bomba, a causa dell'eccessivo riscaldamento.

Questa è la prova evidente che una pila è dotata di elettricità, cioè ha la caratteristica di potersi riscaldare, senza che vediamo un movimento di oggetti e senza che vediamo un combustibile che brucia.

Riepilogando, queste sono le due caratteristiche essenziali che ci dicono che siamo in presenza di un fenomeno elettrico:

1 - I corpi elettrici hanno la proprietà di attrarsi o di respingersi tra di loro.

2 - I corpi elettrici hanno la proprietà di riscaldarsi, mentre si manifestano i fenomeni elettrici.

Per cui la carica elettrica la possiamo definire come la proprietà che possiedono alcuni corpi di attrarre a distanza e di riscaldarsi.

Magnetismo

Il magnetismo è la proprietà che possiedono alcuni corpi di attirare i pezzi di ferro. Un pezzo di materiale che e' dotato di magnetismo si chiama magnete o calamita.

Nei magneti distinguiamo un polo nord ( N ) e un polo sud ( S ).

Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N esiste un polo S.

Stiamo attenti allora alle differenze tra carica elettrica e polo magnetico:

1 - I poli magnetici non si possono separare; anche se rompo un magnete, ciascuno dei due pezzi ha il suo polo Nord ed il suo polo Sud; invece le cariche elettriche si possono separare, mettendo da una parte le cariche positive e dall'altra le cariche negative. Se spezzo in due una carica positiva, ottengo due cariche positive più piccole, ma sempre positive.

2 - Nei poli magnetici non si presenta un riscaldamento, cioè pure che unisco con un filo di ferro i due poli, essi si attraggono, in quanto si magnetizzano, ma non si riscaldano, se trascuriamo il calore generato dall'attrito nel momento in cui si attraggono.

Invece, nelle cariche elettriche, si manifestano anche dei fenomeni di riscaldamento.

La gravitazione universale

La forza gravitazionale è leggermente diversa dalle forze elettriche e dalle forze magnetiche. La forza gravitazionale esiste tra due corpi ed è dovuta alla loro massa, cioè alle loro dimensioni e caratteristiche del materiale di cui sono fatti. Nelle forze gravitazionali esistono solo forze di attrazione e non di repulsione, per cui un oggetto posto in alto tende a cadere verso il basso, a causa della forza gravitazionale che la terra esercita sul corpo. La forza gravitazionale la possiedono tutti i corpi, anche se non sono carichi né di elettricità né di magnetismo.

Rappresentazione delle cariche

Quindi l'esperienza ci dice che esistono delle cariche elettriche.

La carica elettrica si misura in coulomb. ( si legge: culomb)

La abbreviazione di coulomb è la lettera C

Esempio:

Q = 10 C

Rappresenta una carica elettrica positiva che abbiamo indicato con la lettera Q e questa carica elettrica è pari a 10 coulomb.

Se, invece, la carica fosse stata negativa, avremmo scritto:

Q = - 10 C

Quindi se ho una sfera caricata con elettricità positiva la indico con:

essa possiede una carica Q espressa in Coulomb; cioè Q è la quantità di elettricità misurata in Coulomb.

La carica elettrica più piccola è quella posseduta da un elettrone ed è negativa. Un elettrone possiede una carica elettrica negativa pari a:

e = - 1,6 ^. 10^-19 C

CORRENTE ELETTRICA

Se le cariche elettriche sono ferme non si ha passaggio di corrente elettrica. Quando una carica elettrica si muove da un punto ad un altro si dice che vi è una corrente elettrica. Si dice corrente elettrica il movimento di cariche elettriche. La corrente si misura in ampere ( si legge: amper, senza la e finale), e si abbrevia con la lettera A

Ogni grandezza elettrica si abbrevia con una lettera dell'alfabeto. Usiamo la lettera I per indicare la corrente.

Esempio:

Volendo dire che vi è una corrente di 10 Ampere scriviamo:

I = 10 A

che vuol dire che vi è la corrente I che ha il valore di 10 Ampere. Lo strumento che misura la corrente si dice amperometro.

multimetro utilizzato come amperometro

Per la corrente vi sono multipli e sottomultipli, come nella seguente tabella.

Si scrive	Si legge	Si moltiplica per
kA	Chiloamper	10³
mA	Milliamper	10^-3
A	Microamper	10^-6

I materiali esistenti in natura, li possiamo dividere in conduttori e in isolanti. Materiali conduttori sono quelli che consentono il passaggio della corrente elettrica. Sono conduttori l'argento, il rame, l'oro, l'alluminio, il ferro, l'acqua. Si dicono isolanti i materiali che non consentono il passaggio della corrente elettrica; sono isolanti il marmo, il legno, la gomma, le materie plastiche, la bachelite, il vetro, la carta, la ceramica e l'aria secca, cioè priva di umidità.

Per l'aria occorre stare attenti al grado di umidità; in pratica se l'aria è secca, cioè non contiene vapore acqueo, cioè è priva di umidità, si comporta da isolante. Per esempio i fili dell'alta tensione presenti sui tralicci dell'ENEL sono isolati in aria, cioè non sono rivestiti da materiale plastico isolante. Quando l'aria diventa umida, cioè aumenta la percentuale di vapore acqueo, allora l'aria inizia a diventare conduttrice; più elevata è l'umidità più aumenta la conduzione elettrica dell'aria.

In genere i metalli sono conduttori, mentre i non metalli sono isolanti. E sono conduttori tutti i corpi umidi, in cui è presente l'acqua, per esempio il nostro corpo. Vediamo ora perché alcuni materiali conducono ed altri no.

Per quanto riguarda l'acqua essa dovrebbe essere un isolante, invece è un buon conduttore. In realtà l'acqua distillata, cioè acqua purissima H₂O senza sostanze disciolte in essa, è un isolante; ma, poiché, per usarla la dobbiamo o toccare con le mani o immergere dei materiali in essa, avviene che nell'acqua ci sono sempre dei sali disciolti, sotto forma di ioni. E gli ioni possiedono una carica elettrica e quindi possono muoversi nell'acqua dando luogo ad una elevata corrente.

Bande di energia

Dallo studio della struttura atomica dell'atomo sappiamo che gli elettroni sono liberi di muoversi attorno al nucleo. Non tutti gli elettroni hanno gli stessi livelli energetici, ma possiamo raggrupparli in bande di energia. Si dice banda di energia un insieme di livelli energetici posseduti dagli elettroni. Si dice banda di valenza l'insieme degli elettroni che hanno un livello energetico basso, tale da restare nei pressi dell'atomo di appartenenza, e da non potersi staccare da esso. Si dice banda di conduzione l'insieme di elettroni che hanno un livello energetico abbastanza alto, tale da lasciare l'atomo di appartenenza, dando luogo ad una conduzione di tipo elettrico. Tra la banda di valenza e la banda di conduzione vi può esser una banda proibita, cioè un insieme di livelli energetici non consentiti, in quanto un generico elettrone o si trova nella banda di valenza o si trova nella banda di conduzione. Se osserviamo i seguenti diagrammi:

possiamo concludere che negli isolanti la banda proibita è molto grande, di conseguenza sono pochi gli elettroni che raggiungono una energia sufficiente a passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione; di conseguenza l'isolante non conduce.

Nei materiali conduttori, invece, le due bande di valenza e di conduzione si sovrappongono, manca, quindi la banda proibita; quindi un notevole numero di elettroni possiede a temperatura ambiente una energia sufficiente ad essere considerato nella banda di conduzione, quindi il conduttore è in grado di condurre la corrente elettrica.

Nei materiali semiconduttori la banda proibita è piccola, quindi è sufficiente un innalzamento della temperatura per portare un certo numero di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

Gli isolanti vengono anche chiamati dielettrici, nel senso che non fanno passare l'elettricità.

Relazione tra corrente e carica elettrica

Se indichiamo con Q la carica elettrica che si muove in un conduttore, indichiamo con t il tempo che impiega a muoversi, possiamo calcolare la corrente con la seguente formula:

Nella ipotesti che Q = 1 C e t = 1 s otteniamo

Questa formula ci dice che la corrente è di 1 A quando circola una carica pari a 1 C nel tempo di 1 secondo.

La velocità con cui si muove la carica elettrica per dare luogo alla corrente è la stessa velocità della luce, e cioè:

c = 300.000 km/s

GENERATORE DI TENSIONE

Per far muovere le cariche elettriche occorre una certa forza. Un componente in grado di far muovere le cariche elettriche si dice generatore di tensione. Una pila è un generatore di tensione. Una batteria dell'auto è un generatore di tensione. La tensione si misura in volt, che si abbrevia con la lettera V. La tensione di solito la indichiamo con la lettera E.

Esempio:

E = 12 V

vuol dire che esiste una tensione E, che ha il valore di 12 volt. Lo strumento che misura la tensione elettrica si dice voltmetro.

La tensione è anche detta differenza di potenziale, in quanto i due poli del generatore di tensione hanno un potenziale diverso, in quanto l'uno è positivo, quindi ha un potenziale positivo ed è sicuramente più grande dell'altro che ha un potenziale negativo. Quindi tra i due poli vi è sicuramente una differenza di potenziale.

Per la tensione vi sono multipli e sottomultipli, come nella seguente tabella.

Si scrive	Si legge	Si moltiplica per
kV	Chilovolt	10³
mV	Millivolt	10^-3
V	Microvolt	10^-6

Il generatore di tensione è in grado di separare le cariche elettriche, facendo in modo che tutte le cariche elettriche positive si trovino da un lato del generatore, invece tutte le cariche elettriche negative si trovano dal lato opposto del generatore.

Il simbolo del generatore di tensione è il seguente.


simbolo da noi usato	simbolo di alcuni testi

Si dice morsetto o polo del generatore una delle due parti terminali di un generatore di tensione. Quindi il generatore ha due morsetti. Il morsetto si indica col simbolo:

simbolo del morsetto

Nel generatore vi è un morsetto positivo, che indichiamo col segno +, dove sono concentrate solo cariche positive. Vi è inoltre un morsetto negativo, che indichiamo col segno -, dove sono concentrate tutte le cariche negative.

CIRCUITO ELETTRICO

Si dice circuito elettrico un percorso chiuso, che si ottiene partendo da un punto qualsiasi e tornando allo stesso punto. Ovviamente nel circuito vi deve essere almeno un componente elettrico. Il generatore di tensione è un componente elettrico. Una lampada è un componente elettrico e si indica col simbolo.

Un interruttore è un componente elettrico, e si indica col simbolo.

Se l'interruttore è aperto

non passa corrente.

Se l'interruttore è chiuso la corrente passa. Quindi dato un semplice circuito:

composto da generatore di tensione, interruttore e lampada, quando l'interruttore è chiuso nel circuito circola una certa corrente e la lampada si accende. Quando l'interruttore è aperto la corrente non può circolare nel circuito e la lampada si spegne. La linea che unisce i vari componenti rappresenta il filo elettrico. Il filo elettrico è fatto di rame, che è un materiale conduttore; l'esterno del filo è rivestito di materiale isolante, di solito polivinilcloruro, per evitare pericoli per l'utente.

In un circuito elettrico, perché vi passi la corrente, occorre che il circuito sia chiuso, cioè sia composto da tutti componenti che siano conduttori; se invece nel circuito vi è un solo tratto composto da isolante, il circuito è aperto; e nel circuito aperto non passa corrente. Ricordiamo che l'aria è un isolante.

RESISTENZA

Quando la corrente circola in un circuito incontra un certo ostacolo durante il percorso. Vale a dire che nonostante percorre il circuito alla velocità della luce, la corrente che può passare dipende da come è costruito il componente, cioè dalla sua lunghezza, dalla sua sezione, dal materiale utilizzato. Si dice resistenza di un componente elettrico l'ostacolo che esso oppone al passaggio della corrente elettrica.

Unità di misura della resistenza è l'ohm, che si abbrevia col simbolo W , che si legge ohm. La resistenza di solito la indichiamo con la lettera R.

Esempio

R= 1.000 W

vuol dire che esiste una resistenza R, che ha il valore di 1.000 ohm. Lo strumento che misura la resistenza si dice ohmmetro.

Notiamo, da sinistra, un resistore a filo da 50 W un resistore ad impasto, un resistore variabile, detto potenziometro

Ricordiamo che resistore è un componente, mentre la resistenza è la proprietà che ha il resistore.

Il simbolo elettrico del resistore è:

La resistenza di un filo si calcola con la seguente formula:

R = rL

Dove R è la resistenza, misurata in W , r è la resistività del materiale misurata in W^mm²/ m , L è la lunghezza del filo misurata in metri, S è la sezione del filo misurata in mm². Il  del rame è 0,0177 W^mm²/ m. Ogni materiale ha la sua resistività. Un buon conduttore ha una bassa resistività, cioè oppone poca resistenza al passaggio della corrente, invece un isolante ha una elevata resistività.

Materiale	resistività r[W^mm²/ m]
Argento	0,016
Rame	0,0177
Alluminio	0,028
Oro	0,023
Ferro	0,13
Tunghsteno	0,055
Carta	10¹⁴
Vetro	10¹⁶
Porcellana	10¹⁹
Resistività di alcuni materiali a 0 °C

Di solito i fili conduttori si costruiscono in rame, che pur avendo una resistività maggiore dell'argento, è meno costoso.

LEGGE DI OHM

La legge di Ohm è una legge fondamentale dell'elettrotecnica. Essa indica la relazione fra la tensione e la corrente di un qualunque componente elettrico. La formula è la seguente:

V = R I

Dove V è la tensione ai capi del componente considerato, R è la resistenza del componente, I è la corrente del componente. Tale formula ci dice che vi è una proporzionalità diretta tra tensione e corrente del componente. Infatti, tenendo costante la resistenza del componente, all'aumentare della tensione applicata ai capi del componente aumenta la corrente che circola nel componente stesso.

La tensione presente ai capi di un resistore viene detta anche caduta di tensione, in quanto il resistore viene utilizzato molto spesso per diminuire una tensione molto grande.

Fonte: http://www.webalice.it/enrico.fabris/3CT/Elettrotecnica_1.doc

http://www.webalice.it/enrico.fabris/3CT/Elettrotecnica_2.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

Sito web da visitare: http://www.webalice.it/enrico.fabris/

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parametro s. m. 1 (mat.) Variabile di un'equazione parametrica | Costante arbitraria | Grandezza in qualche modo significativa. 2 (fig.) Punto di riferimento, criterio di valutazione: giudicare secondo un parametro soggettivo. 3 Valore numerico cui corrispondono diversi livelli salariali.

formato A part. pass. di formare ; anche agg. Che ha una data forma | Sviluppato. B s. m. Forma e dimensione di un oggetto: libro di formato tascabile | (foto, cine) Le dimensioni di un fotogramma o della larghezza di una pellicola: formato 24x36; formato 8 mm., 16 mm.

informatica s. f. Scienza e tecnica dell'elaborazione dei dati e (gener.) del trattamento automatico delle informazioni. ETIMOLOGIA: dal franc. informatique, da inform(ation) (autom)atique ‘informazione automatica’.

elettronica s. f. Branca dell'elettrotecnica che studia fenomeni e applicazioni della conduzione dell'elettricità nei gas, nel vuoto e nei materiali semiconduttori.

watt (fis.) Unità di misura della potenza equivalente al lavoro di 1 joule in 1 secondo; SIMB. W. ETIMOLOGIA: dal nome dell'inventore, l'ingegnere scozzese J. Watt (1736-1819).

joule s. m. inv. (fis.) Unità di misura dell'energia o del lavoro, pari a 1 newton-metro; SIMB. J. ETIMOLOGIA: dal nome del fisico ingl. J.P. Joule (1818-1889).

newton Unità di misura della forza, definita come la forza che, applicata a un corpo di massa 1 kg, gli imprime un'accelerazione di 1 m/s2; SIMB. N. ETIMOLOGIA: dal nome del fisico ingl. I. Newton (1642-1727).

volt s. m. inv. (elettr.) Unità di misura di differenza di potenziale elettrico e di forza elettromotrice, definita come caduta di potenziale provocata dalla corrente di un ampere sulla resistenza di un ohm; SIMB. V. ETIMOLOGIA: dal franc. volt, dal nome del fisico it. A. Volta (1745-1827).

ohm s. m. inv. (fis.) Unità di resistenza elettrica; SIMB. ù. ETIMOLOGIA: dal nome del fisico ted. G.S. Ohm (1787-1854).

resistenza s. f. 1 Sforzo che tende a opporsi, a resistere all'azione di qlcu. o qlco.: la resistenza del nemico. 2 (fis.) Ogni forza che si opponga al moto del punto materiale o del corpo a cui è applicata. 3 Proprietà fisica, consistente nell'opporsi o nel contrastare determinati fenomeni ed effetti | Resistenza elettrica, impedimento che una corrente incontra passando per un circuito. 4 Opposizione che impedisce lo svolgimento, la realizzazione, il compimento di qlco.: hanno vinto la resistenza dei genitori al loro matrimonio. 5 Capacità di non lasciarsi rompere, annientare, spezzare, frammentare e sim.: la resistenza di un materiale | (est.) Capacità di resistere allo sforzo fisico, intellettuale o all'abbattimento morale: avere resistenza alla fatica; gara di –r. 6 (st.) Movimento di lotta politico-militare sorto in tutti i paesi d'Europa contro i nazisti e i regimi da questi sostenuti durante la seconda guerra mondiale | (est.) Ogni movimento di opposizione armata a un esercito straniero o a un regime dittatoriale.

ampere Unità di misura d'intensità della corrente elettrica; SIMB. A. ETIMOLOGIA: dal nome del fisico franc. A. M. Ampère (1775-1836).

corrente2 s. f. 1 Movimento di masse liquide o aeriformi in una data direzione: corrente del fiume | Correnti marine, movimenti di una parte delle acque marine dovuti a cause di carattere fisico e geofisico | Correnti a getto, masse d'aria, ad altissime quote, che si muovono velocissime a guisa di correnti. 2 Massa di materia in movimento: una corrente di lava | (est.) Insieme di persone, veicoli, merci e sim. che si spostano insieme. 3 Flusso di cariche elettriche in un conduttore | Corrente alternata, che inverte periodicamente la propria direzione in un conduttore | Corrente continua, avente direzione e intensità costanti | Corrente pulsante, che ha senso uniforme ma intensità periodicamente variabile | Energia elettrica: presa di –c. 4 (fig.) Uso, moda, tendenza, generalmente diffusa: andare secondo, contro –c; le correnti politiche dominanti | Seguire la –c, fare ciò che fanno gli altri. 5 Insieme di persone che professano le stesse idee: corrente di pensiero | Gruppo organizzato all'interno di un partito politico: corrente di destra, di sinistra.

hertz s. m. inv. (fis.) Unità di frequenza, corrispondente a un ciclo al secondo; SIMB. Hz. ETIMOLOGIA: dal nome del fisico ted. H.R. Hertz (1857-1894).

frequenza s. f. 1 La condizione di ciò che accade o si ripete molte volte: la frequenza delle visite; CONTR. Rarità. 2 Assiduità di qlcu. in un luogo o a qlco.: la frequenza alle lezioni; CONTR. Assenza. 3 Affollamento: la frequenza dei turisti. 4 Numero di volte che un fenomeno periodico si verifica nell'unità di tempo: frequenza del polso, della corrente alternata. 5 (mat.) Di eventi aleatori, rapporto tra le prove riuscite e quelle fatte.

megahertz s. m. inv. Unità di misura di frequenza equivalente a un milione di hertz; SIMB. MHz.

Corso elettrotecnica di base