CORSO DI ELETTROTECNICA - LEGGI FONDAMENTALI

Queste lezioni sono volutamente private di difficili trattazioni matematiche che potrebbero scoraggiare il principiante dall'intraprenderne la lettura. Per cominciare questo affascinante hobby non è necessario sapere a menadito le formule o i calcoli, ma è necessaria la conoscenza dei principi di base sulla quale la materia si basa e si evolve. Questo corso vuole essere un primo approccio all'elettronica che dia sufficiente 'cultura' in tal senso senza però entrare in particolari di difficile ricezione. Una conoscenza più approfondita della materia potrà venire in seguito, dopo prove pratiche e dopo aver letto libri più 'scientifici'.

LA CORRENTE ELETTRICA

La corrente elettrica è sostanzialmente un movimento di elettroni da un punto ad un altro. Gli elettroni (carica negativa) vengono attirati da forze positive quali ioni positivi e più generalmente dalla carica positiva dei protoni, i quali formano il nucleo assieme ad altre particelle. Quando un elettrone entra nel 'campo di forza' di una di queste cariche tende a spostarsi (se può) per raggiungerla ed eventualmente combinarsi con essa. Gli effetti del passaggio della corrente sono molteplici. Si va dal riscaldamento dell'elemento che viene attraversato, agli effetti magnetici, agli effetti radioelettrici.... La corrente ha come unità di misura gli Ampere (A).

LA TENSIONE

La tensione indica il potenziale al quale un corpo è carico. In stato di normalità i corpi sono neutri, ovvero hanno egual numero di cariche positive e negative. A seguito però dell'aplicazione di forze esterne (calore, corrente, magnetismo, sfregamento, etc...)  I corpi possono aquisire potenziale positivo se hanno 'perso' elettroni e potenziale negativo se ne hanno 'aquistati'. Questo potenziale è proporzionale alla quantità di cariche accumulate. Se due corpi hanno un potenziale diverso il potenziale tra i due corpi si chiamerà 'differenza di potenziale' e solo tra due corpi con potenziale diverso si avrà circolazione di corrente. In pratica le cariche negative tendono sempre a ricombinarsi con quelle positive provocando la 'corrente elettrica', ovvero un moto di elettroni da un punto ad un altro. Per fare ciò gli elettroni debbono spostarsi in un mezzo idoneo chiamato conduttore. La differenza di potenziale si misura in Volt (V).

LA CORRENTE CONTINUA

La corrente continua è generata da un apposito generatore (batteria, alimentatore, accumulatore, etc...) ed è caratterizzata dal fatto che mantiene inalterato il suo verso di scorrimento. In pratica prendendo ad esempio una pila potremo notare che il - ed il + sono contrassegnati sugli elettrodi, indicando da dove escono le cariche e dove arrivano. I Poli delle pile sono inamovibili, nel senso che il - resterà SEMPRE negativo ed il + rimarrà SEMPRE positivo. Ciò fa in modo che nell'utilizzatore collegato alla pila la corrente scorra SEMPRE e SOLO dal polo negativo a quello positivo. Convenzionalmente il verso della corrente è indicato dal + al -, ma ciò non tragga in inganno, visto che si tratta solo di una convenzione. Indicando su un sistema di assi cartesioni il valore della corrente in ordinata ed il tempo in ascissa otterremo il seguente risultato:

LA CORRENTE ALTERNATA

a corrente alternata è generata da un apposito generatore (alternatore, oscillatore elettronico, etc...) ed è caratterizzata dal fatto che inverte continuamente la polarità di scorrimento della corrente generalmente ad una frequenza costante. In parole povere i poli del generatore scambieranno continuamente la loro polarità ad un ritmo che dipende dalla frequenza di generazione. In regime di corrente alternata alcuni componenti (condensatori, bobine, etc...) si comportano in maniera differente che in regime di corrente continua. La corrente alternata poò assumere forme diverse secondo il metodo usato per generarle:

I CONDUTTORI

Un conduttore è un elemento che non si oppone al passaggio della corrente. Più scientificamente un conduttore possiede dei legami covalenti deboli e possiede molti elettroni che possono definirsi 'liberi' nelle bande di valenza. I legami covalenti rappresentano la forza di 'adesione' degli elettroni al nucleo ed al reticolo cristallino. Più è bassa e meno forza sarà necessaria per 'strappare' l'elettrone al nucleo stesso. In parole povere con una piccola forza applicata l'elettrone sarà in grado di 'circolare' liberamente nella struttura del conduttore, determinando così il passaggio della corrente (corrente = movimento di elettroni).
La banda di valenza è generalmente l'orbita più esterna di un atomo sulla quale sono presenti gli elettroni di valenza. Questi sono gli elettroni che potranno essere 'strappati' dal nucleo e sono anche quelli che si 'legano' con atomi vicini per realizzare il reticolo cristallino. Essendo i più esterni all'atomo sono quelli che risentono in maniera minore della forza di attrazione del nucleo e per questo sono coinvolti nel processo di circolazione della corrente. Si noti che un conduttore rimane sempre neutro dopo il passaggio di una corrente perchè gli elettroni 'strappati' vengono subito rimpiazzati da quelli forniti dal generatore di corrente incaricato di far passare la corrente stessa.

GLI ISOLANTI

Al contrario dei conduttori gli isolanti non permettono il passaggio della corrente. Grazie a legami covalenti molto forti per ottenere un passaggio di corrente è necessario applicare forze molto grandi e che generalmente portano alla distruzione irreversibile della struttura cristallina ed in definitiva alla distruzione dell'isolante stesso.

LA RESISTENZA ELETTRICA

Una resistenza fondamentalmente è un elemento che si oppone al passaggio degli elettroni. In altre parole è un conduttore (perchè non impedisce il passaggio) che però non può definirsi 'ottimo'.  In pratica gli elettroni vengono ostacolati a causa di scontri con altri elettroni, per carenza di elettroni nella banda di valenza e per altre cause. La resistenza in un conduttore aumenta con l'aumentare della lunghezza dello stesso, ma diminuisce con l'allargarsi della sua sezione e dipende in maniera univoca dal tipo di materiale con cui è realizzato. Una resistenza provoca SEMPRE una perdita di energia, che generalmente si trasforma in calore. Le stufe elettriche sfruttano proprio questo effetto per riscaldare l'ambiente. In pratica il filamento (che è una resistenza in definitiva) si riscalda per l'energia che 'fa perdere' in contrasto al passaggio della corrente. Si potrebbe interpretare l'effetto di riscaldamento con l'attrito generato dagli elettroni muovendosi nel conduttore. Più corrente passa più la resistenza scalda perchè aumenta l'attrito generato dal movimento delle cariche. La resistenza si misura in Ohm.

IL CONDENSATORE

Questo componente, come esplicita il nome, 'condensa' ovvero 'accumula' cariche elettriche. Fondamentalmente è
costituito da due 'facce' di materiale conduttore poste molto vicine tra loro separate da un isolante, chiamato 'dielettrico'. Sfruttando il principio di attrazione delle cariche elettriche di segno opposto il condensatore trattiene sulle sue facce (armature) una certa quantità di cariche che dipende dalla sua capacità. Il valore di questa capacità è direttamente proporzionale alla superficie delle armature ed inversamente proporzionale alla distanza fra esse (in pratica più lontane sono le armature meno la forza di attrazione delle cariche ha luogo). Dipende anche dalla 'costante dielettrica' del mezzo isolante dal quale sono separate. Fondamentalmente un condensatore appare come un circuito aperto alla corrente continua, tranne durante il tempo di carica. Tale componente infatti permette il 'movimento' degli elettroni da quando è scarico fino alla carica completa, ovvero quando le sue armature hanno raggiunto il valore di tensione del generatore che lo carica. Da quel momento in poi la corrente cessa il suo movimento. In regime di corrente alternata invece il condensatore ha un comportamento diverso, infatti le cariche possono 'passare' (anche se in pratica il dielettrico non è attraversato da nessuna carica, ma si ha lo spostamento di cariche da un'armatura all'altra attraverso il circuito di collegamento del condensatore) assumendo una 'reattanza' (resistenza in regime alternato) che dipende dalla sua capacità e dalla frequenza della corrente applicata.  Più questa frequenza è alta è meno il condensatore si opporrà al suo passaggio. Negli alimentatori, per esempio) vengono usati condensatori di elevata capacità perchè la frequenza di lavoro è bassa (50 Hz) e generalmente i carichi applicati (utilizzatori) assorbono parecchia corrente. Ciò rende necessario l'uso di capacità elevate in grado di assorbire (e quindi fornire) grandi quantità di carica elettrica.

L'INDUTTANZA

L'induttanza (generalmente chiamata bobina) è costituita da un avvolgimento di spire di filo conduttore. In corrente continua l'induttanza si comporta come si comporterebbe un qualunque conduttore. In regime alternato, invece, il suo comportamento assume aspetti diversi dal regime continuo. Evitando una trattazione non possibile ora (perchè  dovremmo utilizzare gli effetti delle forse elettromagnetiche indotte che non sono ancora state trattate) basterà sapere che l'induttanza aumenta la sua 'reattanza' all'aumentare della frequenza che la attraversa. Si comporta  quindi esattamente all'opposto del condensatore. Assieme a quest'ultimo, poi, permette di realizzare circuiti con caratteristiche molto particolari, che in seguito osserveremo.

LEGGI DEI CIRCUITI ELETTRICI

La legge di Ohm

Ora sappiamo che la corrente è un flusso di elettroni da un punto ad un'altro. Sappiamo cos'è il potenziale elettrico e cos'è una resistenza. Ma che cosa mette in relazione queste grandezze? Esiste poi una relazione 'univoca' tra loro? Certamente. L'elettronica non potrebbe essere quello che è ora se non si appoggiasse a leggi ferree. Cos'ha dunque scoperto Ohm?
semplicemente che 'In una resistenza R ai cui capi è presente una tensione V scorre una corrente che è direttamente proporzionale al valore della tensione ed inversamente proporzionale al valore della resistenza stessa'.

Osserviamo il circuito sotto riportato:

Il valore della corrente che scorre in R (che indicheremo con I) è quindi dato dalla formula:

I=V / R

Sfruttanto le proprietà delle equazioni otteniamo altre 2 formule e precisamente:

V=R * I e R=V / I  

Quindi conoscendo almeno 2 valori (V o R, I o R, etc...) possiamo stabilire tutte le grandezze in gioco applicando la formula appropriata. Applicando ora tale formula al circuito sotto riportato proviamo a calcolare il valore della corrente che circola nella resistenza.

Applichiamo la legge con i valori dello schema:

 Essendo la resistenza collegata direttamente i capi del generatore è ovvio che la caduta di potenziale ai suoi estremi è esattamente uguale a quella fornita in uscita dal generatore.  In realtà ogni generatore non essendo 'ideale' spreca energia (sottoforma generalmente di calore) sulla propria resistenza interna, che di fatto limita in definitiva la corrente massima fornibile dal generatore stesso. Una batteria scarica ha un'alta resistenza interna, una batteria completamente carica invece ha una bassa resistenza interna. Schematicamente la resistenza interna è una resistenza 'entrocontenuta' (virtualmente, giacchè non è visibile) nel generatore stesso in serie ai suoi capi.

	Conoscendo il valore della resistenza interna sarà possibile svolgere calcoli più precisi sui circuiti. Come regola generale, comunque, quando non la si conosce la si valuta come non esistente (= 0)
	Nel collegamento in serie la resistenza risultante è semplicemente la somma di tutte le resistenze dell'aggregato. Nel parallelo la risultante l'inverso della somma degli inversi, ovvero Rtot=1 / ((1/r1)+(1/r2)+....(1/Rn))

Le resistenze in serie sono attraversate dalla stessa corrente, pertanto ai loro capi si formerà una caduta di tensione proporzionale al valore della resistenza stessa. Nelle resistenze in parallelo invece la corrente si ramifica e si divide in parti diverse, secondo il valore di ogni resistenza. In questo caso tutte le resistenza sono sottoposte alla stessa tensione. Ammettiamo ora di avere due resistenze, una da 4 ohm ed una da 7 ohm applicate su due circuiti, uno serie ed uno parallelo, con alimentazione a 10V

CIRCUITO SERIE
Calcoliamo il valore della resistenza
La corrente fornita dal generatore è quindi:
RTOT= 4 + 7
RTOT = 11 ohm
I=10 / 11
I=0.909A

La caduta di tensione su ogni resistenza è quindi:

VR1=4 * 0,909
VR1=3,636V
VR2=7 * 0,909
VR2=6,363V

Se sommiamo le due cadute di tensione otteniamo i nostri 10v di partenza (9,999 in questo caso dovuto alle approssimazioni matematiche dei calcoli).

Nel secondo caso (parallelo) vediamo cosa succede:

CIRCUITO PARALLELO
Calcoliamo il valore della resistenza:
La corrente fornita dal generatore è quindi:

RTOT= 1 / ((1/4)+(1/7))
RTOT = 2,545 ohm
I=10 / 2,545
I=3,929 A

Le correnti circolanti in ogni resistenza valgono:

IR1=10 / 4
IR1=2,5 A
IR2=10 / 7
IR2=1,428 A

La somma delle correnti (2,5 e 1,428) dà come risultato la corrente totale calcolata prima, ovvero 3,928 A (anche qui le approssimazioni sui calcoli falsano l'ultima cifra decimale, insignificante ai nostri scopi).