LEZIONI DI ELETTROTECNICA ITIS “M.M. MILANO” Via dello Sport – Polistena ANNO SCOLASTICO 2015-2016 CLASSE III^A – Ind. Elettrotecnica e Automazione CORSO DI ELETTROTECNICA Prof. Sergio Romanò Slides dei principali argomenti svolti a lezione Ing. Sergio Romanò 1 LEZIONI DI ELETTROTECNICA NOTE Nelle slide che seguono sono riportati in sintesi gli argomenti svolti nell’anno scolastico 2015/2016, nella classe 3^-A, dell’indirizzo Elettrotecnica e Automazione dell’ITIS M.M. Milano di Polistena, di cui al programma didattico riportato di seguito. I contenuti riportati si ritengono validi per un approccio inziale ed essenziale della disciplina, ovvero per una base di ripetizione. Si rimanda comunque alla lettura/studio degli argomenti sul libro di testo per un approfondimento ed una conoscenza più specdifica delle varie tematiche. Gli argomenti teorici vanno completati con i relativi esercizi svolti a lezione ed eventualmente con quelli delle dispense presenti on line sul sito WEB della scuola Ing. Sergio Romanò 2 LEZIONI DI ELETTROTECNICA PROGRAMMA DIDATTICO Strumenti matematici di base Potenze e funzioni esponenziali - Equazioni e calcolo delle soluzioni Equazione di una retta - Variazione di una grandezza Calcolo frazionario, calcolo con potenze 1. Corrente e Tensione elettrica Costituzione della materia e origine dei fenomeni elettrici La legge di Coulumb Resistenza e Resistività: Legge di Ohm Corrente elettrica e differenza di potenziale - Generatore elettrico: tensione e corrente. Variazione di R al variare della Temperatura Misure di tensione e corrente: uso degli strumenti. Misura di resistenza con il metodo V-A Verifica sperimentale della legge di Ohm Ing. Sergio Romanò 3 LEZIONI DI ELETTROTECNICA PROGRAMMA DIDATTICO 2. Il circuito elettrico Resistenze serie, parallelo e serie parallelo Partitore di corrente e di tensione Definizione di nodo, ramo e circuito. Definizione di maglia Trasformazione Triangolo-Stella e stella-triangolo di resistenze Principi di Kirchoff - Potenza elettrica e legge di Joule Ponte di Weasthone: teoria e prova di laboratorio Prova di verifica del partitore di tensione e corrente Prova di verifica delle leggi di Kirchoff 3. Analisi delle reti in regime stazionario Studio delle reti con i principi di Kirchhoff. Principio di sovrapposizione degli effetti. Teorema di Thevenin e teorema di Norton. Metodo delle Correnti di Maglia Accoppiamento sorgente-carico Ing. Sergio Romanò 4 LEZIONI DI ELETTROTECNICA PROGRAMMA DIDATTICO 4. Elettrostatica Campo elettrico. Induzione elettrostatica. Dielettrici e polarizzazione. La capacità elettrica: il Condensatore. Collegamento serie e parallelo dei condensatori. Trasformazione stellatriangolo e triangolo- stella. Transitori di carica e scarica. 5. Magnetismo ed elettromagnetismo Magnetismo naturale ed elettromagnetismo Permebilità magnetica dei materiali e loro classificazione Conformazione dei campi magnetici fondamentali: conduttore rettilineo, spira, solenoide Magnetizzazione dei materiali – Ciclo di isteresi Flusso magnetico - Induzione magnetica Legge di faraday Newmann ed applicazioni Verifica sperimentale del campo magnetico di un conduttore rettilineo e di un solenoide Ing. Sergio Romanò 5 LEZIONI DI ELETTROTECNICA PROGRAMMA DIDATTICO 6. Elettronica - CENNI Semiconduttori – Drogaggio di tipo P ed N, giunzione PN Diodo – Principio di funzionamento, curve caratteristiche Applicazione dei diodi: Diodi raddrizzatori nei circuiti di alimentazione, Realizzazione di porte logiche Transistor BJT – tipi di transitstor e principio di funzionamento – Parametri caratteristici Ing. Sergio Romanò 6 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CARICA ELETTRICA • Da semplici nozioni elementari della chimica sappiamo che la materia è costituita da atomi • Gli atomi sono costituiti da un nucleo centrale dove si trovano cariche positive (protoni) e da cariche negative (elettroni) che sono collocate in orbite circolari attorno al nucleo • Le cariche elettriche costituenti la materia sono convenzionalmente distinte in positive e negative. La più piccola carica esistente è detta carica elementare. • La carica elementare dell’elettrone,convenzionalmente negativa, è uguale in valore assoluto a quella del protone, convenzionalmente positiva, ed è pari a 1,602*10-19 C (Coulumb). Ing. Sergio Romanò 7 LEZIONI DI ELETTROTECNICA MATERIALI CONDUTTORI, ISOLANTI E SEMICONDUTTORI • I materiali esistenti in natura, da un punto di vista delle caratteristiche elettriche, possono essere suddivisi in tre categorie le cui proprietà sono determinate dagli elettroni posti nell’orbita più esterna - Materiali Conduttori: in cui gli elettroni sono liberi di muoversi - Materiali isolanti: in cui gli elettroni non sono liberi di muoversi - Materiali semiconduttori: in cui gli elettroni hanno un ridotta mobilità (comportamento intermedio tra M. conduttori e M. isolanti) Ing. Sergio Romanò 8 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CORRENTE ELETTRICA – 1 DEFINIZIONI • In un materiale conduttore in cui gli elettroni sono liberi di muoversi si genera nel tempo un flusso di cariche elettriche Pensiamo ad un filo di materiale conduttore: - Consideriamo un tempo “T” (in genere un secondo) in cui osserviamo (e contiamo) le cariche che passano nel conduttore. - Le cariche (numero di elettroni) che attraversano il conduttore nel tempo T definiscono una carica totale Q, data da Nxe, (N numero di elettroni , e, carica dell’elettrone) e rappresentano un flusso di carica • Definiamo corrente elettrica la quantità di carica che nel tempo di un secondo attraversa il conduttore. In formula I=Q/T dimensionalmente: [C]/[s]=A (ampere) Quindi in un conduttore in cui transita la carica di 1C nel tempo di 1s si ha la corrente di 1 Ampere Ing. Sergio Romanò 9 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CORRENTE ELETTRICA – 2 GENERATORE DI CORRENTE • Un dispositivo in grado di far passare una corrente elettrica in un conduttore viene detto Generatore di Corrente • La corrente in un conduttore può essere costante o variabile nel tempo (cambia di valore) • Per ora faremo sempre riferimento a correnti costanti nel tempo e quindi a generatori di corrente costante I Simbolo del generatore di corrente Ing. Sergio Romanò 10 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE ELETTRICA – 1 DEFINIZIONI • Per far circolare cariche elettriche in un conduttore bisogna spendere un’energia, W, quindi una potenza, P, necessaria per rompere il legame degli elettroni con il nucleo e per mantenerne il movimento • Per avere la corrente elettrica si richiede una forza, una potenza ed un’energia, che compiono lavoro sugli elettroni determinandone lo spostamento. • Le grandezze richiamate sono nel nostro caso grandezze elettriche: Avremo quindi potenza ed energia elettrica ed una forza elettrica che chiameremo Tensione Elettrica Ing. Sergio Romanò 11 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE ELETTRICA – 2 FORMULE In termini di espressioni matematiche, indicata con W l’energia necessaria a mettere in movimento gli elettroni definiamo: P=W/T Potenza Elettrica, misurata in WATT [W] necessaria per spostare gli elettroni, quindi per avere la corrente I V=P/I Tensione Elettrica, misurata in VOLT=Watt/Ampere, [W]/[A], Rapporto tra la Potenza necessaria per mantenere la corrente I ed il valore della corrente stessa Rimodulando l’espressione dell’energia: W=PxT=VxIxT=VxQ Ing. Sergio Romanò 12 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE ELETTRICA – 3 GENERATORE DI TENSIONE • La tensione elettrica è generata da un sistema detto Generatore di Tensione. • Collegando un Generatore di Tensione ad un conduttore, la relativa tensione genera una corrente elettrica • Si hanno generatori di tensione continua (il cui valore è costante nel tempo) e variabile (valore che cambia nel tempo). • Facciamo riferimento al generatore di tensione continua + + V Simboli usati per rappresentare il generatore di tensione. Il segno + indica il polo positivo Ing. Sergio Romanò 13 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA STRUMENTI DI MISURA • La tensione elettrica si misura con uno strumento detto voltmetro. • La corrente elettrica amperometro + si misura con uno strumento detto A + + V I Simbolo e collegamento dell’amperometro (inserzione serie) Simbolo e collegamento del Voltmetro (inserzione parallelo) Ing. Sergio Romanò 14 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA LEGGE DI OHM-1 • Applicando una tensione ad un conduttore (es. di rame) si misura il valore di corrente circolante inserendo l’amperometro in serie. • Si osserva che - se varia il valore di tensione varia il valore di corrente. - la variazione di corrente è sempre proporzionale alla variazione di tensione In pratica si ha un legame di dipendenza tra tensione e corrente In formule V/I=K con K, costante • Cambiando conduttore (es. di alluminio) e ripetendo le esperienze di cui sopra con gli stessi valori di tensione applicata noteremo che la corrente si mantiene proporzionale alla tensione, ma con un rapporto diverso da quello osservato nel caso precedente, si avrà pertanto V/I=K1 con K1, costante ma diversa da K Ing. Sergio Romanò 15 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA LEGGE DI OHM-2 • Le considerazioni di cui sopra inducono a pensare che la dipendenza V/I è una caratteristica intrinseca per ogni conduttore. • Che tale dipendenza determina la corrente che circola nel conduttore applicando ad esso una tensione. • La proprietà per la quale un conduttore condiziona il passaggio di corrente elettrica a seguito dell’applicazione di una tensione prende il nome di Resistenza Elettrica e si indica con la lettere R • In formule ciò si esprime come segue: R=V/I e si misura in OHM (Ω) L’ohm è quindi un’unità derivata dal rapporto [V]/[A] UNA RESISTENZA DI 1Ω È LA RESISTENZA DI UN CONDUTTORE IN CUI APPLICANDO LA TENSIONE DI 1V CIRCOLA LA CORRENTE DI 1A. Ing. Sergio Romanò 16 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA LEGGE DI OHM-3 • La relazione R=V/I (1) può essere anche scritta nelle seguenti forme: V=RxI ed I=V/R (2) Tutte espressione analitica di una delle leggi più importanti dell’elettrotecnica: LA LEGGE DI OHM o PRIMA LEGGE DI OHM La forma (1) è quella più nota; le (2) sono forme equivalenti Simbolo grafico della resistenza Ing. Sergio Romanò 17 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA LEGGE DI OHM-4 A ciascuna delle espressioni precedenti della legge di ohm, corrisponde un enunciato V=RxI Un conduttore dotato di resistenza R ed attraversato da una corrente I presenta ai suoi capi una tensione V R=V/I In un conduttore ilrapporto tra tensione applicata e corrente circolante è sempre costante ed è pari alla resistenza del conduttore I=V/R Un conduttore di resistenza R a cui è applicata una tensione V è interessato al passaggio di una corrente I Ing. Sergio Romanò 18 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA LEGGE DI OHM-5 Da esperimenti condotti, si è osservato che la resistenza elettrica di un conduttore dipende dal tipo di materiale e dalla sua geometria, in particolare lunghezza e sezione. Tale dipendenza è espressa dalla formula che segue: R=rl/S [Ω] Dove -r: è la resistività del materiale, ovvero la resistenza del materiale per unità di lunghezza e di sezione - l: è la lunghezza del conduttore - S: è la sezione del conduttore Questa nuova forma di esprimere la R, è detta II^ Legge di Ohm Ing. Sergio Romanò 19 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO DEFINIZIONI • In ambito elettrico si considerano i componenti come appartenenti a due categorie: - Generatori (gen. di tensione, di corrente et.) - Utilizzatori (resistenza elettrica, ed altri…) • Un circuito elettrico è l’insieme costituito da almeno un generatore ed un utilizzatore collegati con conduttori. + E1 R I R Esempio di circuiti elettrici con un generatore (E,I) ed un’utilizzatore (R) Ing. Sergio Romanò 20 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO CONVENZIONI • Per ciascun componente di un circuito elettrico è necessario definire il verso della corrente e della tensione. • E’ quindi consolidato l’uso delle seguenti rappresentazioni grafiche: I I + V R Convenzione del generatore: Tensione e corrente hanno lo stesso verso V Convenzione dell’utilizzatore: Tensione e corrente hanno verso opposto Ing. Sergio Romanò 21 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO POTENZA NEI CIRCUITI ELETTRICI POTENZA ELETTRICA EROGATA DA UN GENERATORE E’ DEFINITA DALLA RELAZIONE CHE SEGUE P=VxI V ed I: tensione e corrente erogata dal generatore. Si misura in volt-ampere [va] o anche watt [w] Nel caso dell’utilizzatore vale ancora P=VxI V ed I: tensione applicata e corrente assorbita dall’utilizzatore. Per la legge di ohm: V=RxI si ha: P=VxI=RxIxI=RXI2 POTENZA TERMICA DISSIPATA PER EFFETTO JOULE Ing. Sergio Romanò 22 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO NODI E MAGLIE • In un circuito elettrico, comunque complesso, si individuano: - Ramo: un qualunque tratto di circuito (conduttore) che collega due componenti - Nodi: Punto di un circuito in cui confluiscono almeno tre rami (N1, N2) - Maglia: Un qualunche percorso chiuso di un circuito (M1, M2, M3) N1 + M1 M2 + Per ulteriori approfondimenti si rimanda allo stesso argomento sul testo M3 N2 Ing. Sergio Romanò 23 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO RESISTENZE SERIE E PARALLELO Gli utilizzatori possono essere collegati in serie o in parallelo V1 V2 V I1 + R1 I1 + R2 E1 COLLEG. SERIE Req Req=R1+R2 E1 V + E1 V1 R1 R2 V2 I1 + COLLEG. PARALLELO Req E1 R1xR2 Re q = R1 + R2 SI RIMANDA AL TESTO PER APPROFONDIMENTI Ing. Sergio Romanò 24 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO I + V1 V2 R1 R2 CASI PARTICOLARI PARTITORE DI TENSIONE: Date due resistenze in serie R1 ed R2 alimentate con il generatore E, valgono le seguenti relazioni: E E = V1 + V2 E xR1 R1 + R2 V1 V2 = R1 R2 V1 = I = E /(R1 + R2) I I2 I1 V2 V1 + E1 R 1 R2 V2 = E xR2 R1 + R2 PARTITORE DI CORRENTE: Date due resistenze in parallelo R1 ed R2 alimentate con il generatore E, valgono le seguenti relazioni: E = V1 = V2 I1 = V1 R1 I I xR2 I2 = xR1 R1 + R2 R1 + R2 E E I= = x(R1 + R2) R1 // R2 R1xR2 I1 = V2 I2 = R2 SI RIMANDA AL TESTO PER APPROFONDIMENTI Ing. Sergio Romanò 25 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO PRINCIPI DI KIRCHOFF Si riportano gli enunciati dei principi di KIRCHOFF, rimandando al testo per gli approfondimenti e le applicazioni I° Principio di K. o Legge alle correnti Nel nodo di un circuito la somma delle correnti entranti è uguale alla somma delle correnti uscenti. Quindi definiti i versi delle correnti in un nodo assumo positivi quelle entranti e negativi quelle uscenti II° Principio di K. o Legge alle Tensioni Nella maglia di un circuito, la somma algebrica delle tensioni presenti in tutti i rami (generatori ed utilizzatori) è uguale a zero. Quindi definito un verso di percorrenza della maglia (cw/ccw) le tensioni dello stesso verso sono prese con il segno +, quelle di verso opposto con il segno -. Ing. Sergio Romanò 26 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO PRINCIPI DI KIRCHOFF V2 V1 I1 R1 + E1 V3 I3 R3 R2 Per quanto detto nella precedente slide si ha: I2 Maglia M3, verso cw: + E1-V1+V2-E2=0 E2 E1-E2=V1-V2 Nodo N1: I1+I2-I3=0 N2: I3-I1-I2=0 Si vede che le due equazioni ai nodi sono uguali, quindi ne basta una. L’insieme delle equazioni ottenute dai P.di K, definiscono un sistema di equazioni in numero pari alle incognite del ciruito (Vo I). Risolvere il sistema significa trovare le tensioni o le correnti nel circuito. Ing. Sergio Romanò 27 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CIRCUITO ELETTRICO PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETI E’ un metodo che permette di risolvere circuiti elettrici quando si hanno due o più generatori, sulla base del PSE, il quale afferma che in un sistema con più cause agenti gli effetti possono essere determinati pensando di far agire le singole cause, valutandoi gli effeti parziali e quindi comporli per ottenere gli effeti globali. Lo studio del circuito in fig.1 (calcolo delle correnti in tutti i rami e delle tensioni su tutti i componenti) può essere condotto suddividendolo nei circuiti di fig.2 e fig.3 V1 I1 E1 R1 V1’ V3 I2 R2 I3 V2 R3 E2 = I1’ E1 V3’ I2’ V1’’ I3’ V2’ + R1 I1’’ V2’’ V3’’ I2’’ R2 R3 I3’’ E2 Si procede quindi alla risoluzione dei due circuiti calcolando correnti nei rami e tensioni ai capi dei componenti in entrambe i circuiti. I valori ottenuti vanno composti per ottenere i valori delle correnti e delle tensioni corrispondenti all’azione simultanea dei due generatori Ing. Sergio Romanò 28 TEOREMA DI THEVENIN LEZIONI DI ELETTROTECNICA Consente di calcolare la tensione e la corrente su un componente di un circuito senza dover risolvere l’intero circuito. L’applicazione di questo metodo richiede i seguenti passi Si individua il componente in questione per cui calcolare I e V Si taglia il circuito in corrispondenza dei terminali del componente separando il componente stesso e la parte di circuito Si sostituisce il circuito restante con un circuito equivalente, più semplice, composto di pochi elementi (resistenze e generatori) i cui valori che sono da determinare. Si collega il nuovo circuito al componente in precedenza isolato. Il circuito così ottenuto è più facile da studiare e permette un rapido calcolo dei parametri richiesti. Ing. Sergio Romanò 29 LEZIONI DI ELETTROTECNICA R1 R2 R3 E TEOREMA DI THEVENIN Sono noti i valori delle resistenze e del generatore del circuito R4 R5 Si vuole trovare la corrente e la tensione sulla resistenza R2 R6 R7 Per le regole viste in precedenza il circuito viene diviso nelle due parti della figura che segue R2 Dispositivo separato per cui trovare I e V R1 E R3 R4 Circuito da sostituire con altro equivalente R5 R6 Ing. Sergio Romanò 30 LEZIONI DI ELETTROTECNICA TEOREMA DI THEVENIN • Dato un circuito, A, si definisce circuito equivalente un circuito B, diverso da A, che indipendentemente da come è composto, presenta ai morsetti esterni un comportamento identico a quello di A • Ciò significa che il circuito ‘A’ eroga la stessa tensione e la stessa corrente del circuito ‘B’. • Di conseguenza il circuito ‘B’ dovrà avere ai morsetti stessa tensione di ‘A’ e presentare la stessa resistenza interna di ‘A’. A B V, Ri Eo, Ri* IL CIRCUITO ‘B’ SARA’ EQUIVALENTE AL CIRCUITO ‘A’ I circuiti A e B sono sinteticamente rappresentati come black box (scatola nera) Non interessa come sono composti, ovvero quante resistenze o generatori vi sono o come sono connessi. SE E SOLO SE Ing. Sergio Romanò Eo=V Ri*=Ri 31 RETE EQUIVALENTI – CASI PARTICOLARI LEZIONI DI ELETTROTECNICA Consentono di ovviare a tutte quelle situazioni in cui le trasformazioni serie-parallelo non riescono a risolvere il problema. 1. Stella-triangolo Ho una situazione iniziale con 3 resistenze con un vertice centrale in comune(centro stella),e passo in una configurazione a triangolo. Rab Ra Rb Rab Rac Rc Rbc Ra Rb Rb Rc Ra Rc Rc Cioè in generale è data da tutti i doppi prodotti al numeratore fratto l’unica resistenza esclusa al denominatore 2. Stella-triangolo Ra Ra Rab Rac Rb Rc Rbc 3. Rab Rac Rab Rac Rbc Cioè in generale è data dal prodotta delle resistenze adiacenti allo spigolo considerato fratto la somma di tutte le resistenze. Se le resistenze hanno ugual valore R 3 R R R R R R R R Ing. Sergio Romanò 1 R 3 32 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CONDENSATORI S [Un condensatore costituito da due armature piane parallele di superficie S, distanti d, tra le quali vi è il vuoto, presenta capacità: con: S [m2] d [m] ε0[Farad/m] C0 [Farad] superficie delle armature distanza tra le armature costante dielettrica dell’aria tra le armature Capacità riferita al dielettrico eo Se tra le armature è interposto un dielettrico di costante dielettrica relativa εr si ha: Ing. Sergio Romanò 33 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CONDENSATORI COLLEGAMENTO DI CONDENSATORI La capacità equivalente di due o più condensatori posti in parallelo è data dalla somma delle singole capacità: La capacità equivalente di di due o più condensatori posti in serie è data da: Ing. Sergio Romanò 34 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CONDENSATORI Ricordiamo qui le modalità con cui si distribuiscono le cariche elettriche su condensatori collegati in serie: restituisce la capacità equivalente di n condensatori messi in serie fra loro. Ing. Sergio Romanò 35 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CONDENSATORI Per il collegamento in parallelo restituisce la capacità equivalente di n condensatori messi in parallelo fra loro. Ing. Sergio Romanò 36 LEZIONI DI ELETTROTECNICA CONDENSATORI Un condensatore di capacità C carico alla tensione V ha immagazzinato un'energia elettrica pari a: [ Joule ] Ing. Sergio Romanò 37 LEZIONI DI ELETTROTECNICA FINE MODULI CIRCUITI IN CORRENTE CONTINUA ELETTROSTATICA E CONDENSATORI Ing. Sergio Romanò 38