Unità 13 - Elettrotecnica

Gli effetti dell'elettricità sono noti fin dall'antichità: il nome stesso deriva dalla parola elektron (ambra in greco) perché sfregando questo materiale era possibile produrre effetti elettrostatici (ad esempio attirare capelli). Fino al 1800 però non ci sono stati grandi progressi nello studio dei fenomeni elettrici. La svolta avvenne con la pila di Volta (1799), il primo vero e proprio generatore capace di mantenere una corrente per un tempo non trascurabile. In seguito sono stati studiati i fenomeni elettromagnetici e grazie a questi è stato possibile generare grandi quantità di energia (con le dinamo e gli alternatori) per far funzionare i primi impianti elettrici destinati all'illuminazione. Sempre sfruttando l'elettromagnetismo sono stati realizzati i primi motori elettrici, aprendo la strada ad un nuovo utilizzo dell'energia elettrica: la forza motrice.

Le prime applicazioni nel campo dell'elettronica e delle telecomunicazioni sono state il telegrafo, che trasmetteva informazioni usando il codice Morse attraverso un cavo, il telefono e le trasmissioni via onde radio (i primi esperimenti di Marconi sono del 1897). I primi componenti propriamente elettronici - le valvole termoioniche - arriveranno pochi anni dopo. Questi componenti erano in grado di amplificare un segnale e permisero la realizzazione delle prime radio.

I componenti elettronici che utilizziamo oggi - quelli a semiconduttore - vennero introdotti dopo la seconda guerra mondiale. In un primo momento i transistor soppiantarono le valvole poi, con l'avvento degli integrati e dell'elettronica digitale, cominciò un periodo caratterizzato da enormi progressi e una rapidissima diffusione dell'elettronica.

Della distinzione tra elettronica ed elettrotecnica si è già detto nell'unità 2. A sua volta è possibile suddividere le applicazioni elettroniche tra:

• telecomunicazioni, che si occupano della trasmissione a distanza di informazioni
• automazione, che sfrutta l'elettronica per controllare in maniera automatica i processi industriali

Le grandezze elettriche principali - carica, tensione, corrente e resistenza - sono già state esposte nell'paragrafo 1 dell'unità 2.

Un circuito (o rete elettrica) è un percorso chiuso formato da conduttori di resistenza trascurabile e componenti. In genere i componenti hanno due morsetti; in questo caso vengono detti bipoli. Nelle unità 2 e 6 abbiamo visto alcuni componenti fondamentali. In questa unità esamineremo il funzionamento dei circuiti che li utilizzano.

Per studiare il funzionamento di un circuito si ricorre a degli schemi elettrici, cioè a delle rappresentazioni semplificate dei circuiti veri e propri. Questi schemi mettono in evidenza:

• quali sono i componenti che formano il circuito
• come sono collegati tra loro

Tutte le altre informazioni (dimensioni, aspetto, ecc.) non vengono considerate. In questi schemi:

• ogni componente è collegato agli altri tramite due morsetti
• i conduttori di resistenza trascurabile sono rappresentati con delle linee
• gli altri componenti sono rappresentati con un simbolo grafico e una lettera che rappresenta la sua grandezza principale

I simboli grafici principali sono illustrati nella figura seguente:

dove 1 e 2 sono generatori di tensione, 3 un conduttore di resistenza R, 4 un condensatore di capacità C, 5 un induttore di induttanza L, 6 un interruttore e 7 un diodo.

A titolo di esempio lo schema seguente mostra il circuito di una torcia elettrica composto da un generatore di tensione (una batteria), un interruttore e un conduttore di resistenza R (la lampada).

Lo studio dei circuiti elettrici e dei metodi per calcolare le correnti e le tensioni nei vari componenti sarà affrontato nella materia Elettronica ed Elettrotecnica in terza. In questo paragrafo anticiperemo qualche argomento per comprendere - almeno superficialmente - il funzionamento di alcuni semplici circuiti che utilizzeremo in corso d'anno.

Per comprendere il funzionamento dei circuiti elettrici è necessario conoscere le seguenti definizioni:

• punto elettrico: insieme di punti collegati con un cortocircuito (cioè collegati da una linea e non separati da un componente)
• nodo: punto elettrico che collega almeno tre componenti
• ramo: percorso del circuito che collega due nodi
• maglia: percorso chiuso che fa parte di un circuito

Osservazioni:

• i punti elettrici sono indicati da delle lettere maiuscole e servono a individuare i morsetti dei vari componenti e a dare un nome alle varie tensioni presenti in un circuito
• nei nodi si dirama la corrente
• ogni ramo ha una sua corrente quindi in un circuito ci sono tante correnti quanti sono i rami

La figura 4 è un esempio di rete elettrica con tre punti elettrici, due nodi, tre rami e tre maglie¹⁾.

Spesso negli schemi vengono indicate anche le correnti che circolano nei vari rami; ognuna viene individuata dalla lettera I con un pedice che serve a distinguerla e che in genere corrisponde al ramo in cui scorre.

Nei circuiti in continua con un solo generatore è possibile stabilire il verso di tutte le correnti in questo modo:

• nel ramo col generatore la corrente esce dal morsetto + del generatore
• nei nodi la corrente si dirama seguendo un percorso tale da tornare al morsetto negativo del generatore

Più in generale vale questa regola:

• nei componenti che erogano energia - tipicamente i generatori - la corrente esce dal +
• nei componenti che assorbono energia - ad esempio le resistenze - la corrente entra dal +

Naturalmente la stessa regola può essere usata per individuare il morsetto + conoscendo il verso della corrente.

E' possibile capire il funzionamento dei circuiti con poche leggi fondamentali:

• primo principio di Kirchhoff: la somma delle correnti che entrano in un nodo è uguale alla somma delle correnti che ne escono
• secondo principio di Kirchhoff: la somma delle tensioni in una maglia vale zero
• tensione tra due punti: la tensione tra due punti di un circuito si può calcolare sommando le tensioni che si incontrano in un percorso a piacere che collega i due punti

L'energia elettrica viene distribuita usando:

• il sistema monofase, a due fili, per le utenze civili o il terziario (uffici, ecc.)
• il sistema trifase, a tre o quattro fili, per le utenze industriali

In entrambi i casi l'utente riceve una tensione alternata con forma d'onda sinusoidale alla frequenza di 50 Hz. La forma d'onda sinusoidale, apparentemente più complicata di altre, è generata direttamente da un alternatore, una macchina che trasforma energia meccanica in elettrica²⁾. La legge che descrive una tensione sinusoidale è la seguente:

`v(t) = V_(MAX) sen (omega t + phi)`

e il suo andamento nel tempo è rappresentato in figura 11b.

I termini che compaiono nella formula hanno questo significato:

• v(t) è il valore che ha la tensione all'istante t (il valore cambia istante per istante)
• V_MAX è il valore massimo che assume la tensione (il minimo è uguale ma cambiato di segno)
• sen è la funzione matematica detta seno che si applica ad un angolo e corrisponde al segmento verticale tratteggiato di figura 11a
• ωt è un angolo che cambia nel tempo con velocità costante; questa velocità è detta pulsazione ed è indicata dal simbolo ω
• φ è la fase, un angolo costante espresso in radianti che, se diverso da zero, fa spostare a sinistra o a destra la curva in rosso di figura 11b

Nell'espressione della tensione mancano due grandezze molto importanti:

• la frequenza è legata alla pulsazione dalla relazione ω=2πf (il suo inverso, il periodo, dalla relazione ω=2π/T)
• il valore efficace, che è un valore equivalente in continua che produce gli stessi effetti dell'alternata, è legato al valore massimo dalla relazione √2·V_eff=V_MAX

Ricapitolando la tensione che troviamo in ogni presa di un sistema monofase ha queste caratteristiche:

• forma d'onda sinusoidale
• frequenza f = 50 Hz (quindi periodo T = 20 ms e pulsazione ω = 314 rad/s)
• valore efficace V_eff = 230 V³⁾ (NB il valore massimo è di più di quello efficace ma non viene mai utilizzato per indicare l'ampiezza di una tensione alternata)

I sistemi in alternata sono molto importanti in elettrotecnica dove la produzione, distribuzione e gran parte dell'utilizzazione dell'energia avviene in questa forma. In elettronica la situazione è più complessa:

• le tensioni di alimentazione sono in continua
• i segnali hanno una forma d'onda complicata e diversa da segnale a segnale ma che può essere scomposta, con un complesso procedimento matematico, in una somma di tante tensioni sinusoidali; per questo motivo lo studio delle tensioni alternate sarà comunque fondamentale

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