Elettrotecnica ed Elettronica

Materia:
Elettrotecnica ed Elettronica
(scritto, orale e pratico)
A.S. 2013/2014
Classe:
3° B
Docente:
Prof. Ugo Viola
(4 ore di teoria +2 ore di laboratorio)
PROGRAMMA CONSUNTIVO
PREMESSA
Il programma è stato svolto con riferimento alle linee guida della riforma scolastica per l’indirizzo di
Elettrotecnica ed Elettronica articolazione Automazione.
Nella parte teorica si è cercato per quanto possibile di sviluppare nello studente un approccio allo studio
della materia orientato non solo al necessario studio mnemonico, ma soprattutto ad uno studio
ragionato. Gli argomenti sono stati affrontati partendo dai concetti più semplici e via via approfondendo
con esempi a difficoltà crescente, supportati da esercitazioni pratiche. Nella attività di laboratorio si sono
affrontate esercitazioni guidate alla comprensione, sia del funzionamento della strumentazione di base,
sia dei fenomeni elettrici spiegati nella teoria prestando sempre attenzione alle norme e ai
comportamenti relativi alla sicurezza elettrica ed all’uso dei dispositivi di protezione individuale.
Nel lavoro di laboratorio di misure si è notato, complessivamente, nella classe un notevole interesse ed
una costante partecipazione alle attività laboratoriali con un comportamento sempre corretto. Si è
cercato di sensibilizzare gli alunni verso un lavoro ordinato effettuando le misure nel rispetto delle
procedure previste dalle norme. Quasi tutti gli studenti sono in grado di utilizzare consapevolmente gli
strumenti di Laboratorio, valutare la precisione delle misure, interpretare e rappresentare i dati rilevati
tramite tabelle e grafici anche per mezzo di strumenti informatici.
Il testo di riferimento è quello adottato:
Elettrotecnica ed Elettronica, Enrico Ambrosini e Filippo Spadaro, Tramontana Vol. 1.
Contenuti disciplinari
Argomento: I circuiti elettrici e le relative misure.
Generalità, struttura della materia, modello a bande di energia, banda di valenza e banda di conduzione,
materiali isolanti, conduttori e semiconduttori.
La corrente elettrica, quantità di elettricità, intensità di corrente, densità di corrente. Il generatore
elettrico e la differenza di potenziale, multipli e sottomultipli delle unità di misura.
Componenti e circuiti. Classificazione dei componenti, generalità, bipolo attivo e passivo, definizioni
di circuito elettrico, di nodo, ramo, di maglia, di circuiti serie e di circuiti parallelo.
La resistenza, la caratteristica volt amperometrica, la legge di Ohm, concetti di resistività, conducibilità e
coefficiente di temperatura. La legge di Joule e la potenza elettrica.
La seconda legge di Ohm, resistori a filo, codice colori, effetto dell’autoriscaldamento sui resistori a filo
metallico e a strato di carbone. Resistore fisso e resistore variabile, il potenziometro ed i trimmer,
inserzione reostatica e inserzione potenziometrica.
Misura delle grandezze elettriche in un circuito: generalità, unità di misura, unità di misura
fondamentali e derivate, regole di scrittura, errori di misura sistematici ed accidentali, errori assoluti ed
errori relativi.
Criteri di inserzione degli strumenti, misura di tensione con il voltmetro, misura diretta di corrente con
l’amperometro, misura di resistenza con l’ommetro, sia a due fili, sia a quattro fili (4W) per resistenze
dell’ordine dell’ohm. Misura indiretta di corrente mediante la misure di tensione e resistenza (4W).
Il partitore di tensione. Generalità, il partitore a tensione fissa, semifissa (con trimmer) e variabile (con
potenziometro), schemi elettrici, principio di funzionamento e formule per l’analisi e metodo di progetto.
Il derivatore di corrente. Generalità, schemi elettrici e principio di funzionamento.
Il concetto di dualità, resistenza e conduttanza, tensione e corrente, collegamento serie e collegamento
parallelo.
Il generatore di tensione. Generalità, generatore ideale di tensione continua, principio di
funzionamento e caratteristica volt amperometrica. Generatore reale di tensione, la resistenza interna,
concetti di tensione a vuoto e di corrente di corto circuito, la caratteristica volt amperometrica, la retta di
carico e il punto di lavoro.
Le condizioni di massimo trasferimento tra generatore e carico. Generalità, massimo trasferimento
di tensione, massimo trasferimento di corrente, massimo trasferimento di potenza, grafico della potenza
in funzione del valore della resistenza di carico e determinazione della condizione di massimo
trasferimento di potenza, la retta di carico e il punto di lavoro per il massimo trasferimento di potenza.
Il ponte di Wheastone in equilibrio per la misura di resistenze incognite. Il ponte di Wheastone fuori
equilibrio per la misura di temperatura con resistori PT100, analisi della struttura a ¼ di ponte, a ½ ponte
e a ponte intero, nei confronti della linearità del segnale di uscita.
Argomento: Strumentazione di misure in continua.
Generalità. L’alimentatore stabilizato, caratteristiche elettriche, uso come alimentatore singolo o in
connessione serie in modalità duale, taratura della tensione di alimentazione, taratura della corrente
massima per evitare sovraccarichi, spiegazione della funzionalità di indicazione e non di misura del
display digitale della tensione e della corrente erogati.
Il multimetro digitale da banco (DMM), generalità, spiegazione dei comandi a pannello, modalità
manuale e modalità automatica di “autoranging”, spiegazione del display di misura. Criteri di inserzione
per la misura di tensione, corrente, resistenza, misura di continuità elettrica con cicalino, misura di bassa
tensione nella scala manuale dei mV.
Argomento: Metodi di risoluzione delle reti elettriche.
Principi di Kirchhoff delle correnti ai nodi e delle tensioni di maglia. Metodo dei potenziali ai nodi. Il
principio della sovrapposizione degli effetti. Il principio di Thevenin. Il principio di Northon. Il
principio di Millman.
Argomento: L’elettrostatica il campo elettrico e il condensatore.
Generalità, fenomeni elettrici, elettrizzazione per strofinio, per contatto, per induzione, le forze di
attrazione / repulsione tra cariche elettriche, legge di Coulomb, la costante dielettrica nel vuoto.
Il campo elettrico, definizione, linee di forza, la schermatura elettrostatica, la forza di deflessione
elettrostatica.
Il condensatore. La capacità elettrica, generalità, il condensatore a facce piane e parallele, andamento
del campo elettrico all’interno ed all’esterno delle armature, formula della capacità, la caratteristica
statica Q = f( V ), il fenomeno della polarizzazione, i materiali dielettrici, la costante dielettrica assoluta e
quella relativa. Il condensatore con dielettrico: ceramico, plastico e ad ossido (elettrolitico),
caratteristiche principali, confronto e campi di impiego. La relazione tensione e corrente in un
condensatore, concetto di gradiente di tensione e di tangente geometrica.
Condensatori in serie e parallelo, concetti e formule di equivalenza.
L’energia elettrostatica accumulata in un condensatore, significato geometrico e formule.
Argomento: I fenomeni transitori nei circuiti RC.
Generalità. Carica e scarica lineare del condensatore (a corrente costante): andamento della tensione
di carica (rampa lineare positiva) e di scarica (rampa lineare negativa).
Carica e scarica esponenziale del condensatore (a corrente variabile); legge generale per il transitorio
di carica e scarica della tensione e della corrente del condensatore, valore iniziale (t = 0), valore finale
( t => ∞), costante di tempo (τ ), grafico del fenomeno transitorio. Legge inversa per il calcolo del tempo
( tX ) che intercorre dall’inizio del transitorio per raggiungere un prefissato valore di tensione e/o corrente.
La risposta al gradino: metodo di studio della carica / scarica con impulsi, sia positivi, sia negativi.
Argomento Il segnale sinusoidale nel dominio del tempo.
Il segnale sinusoidale, ampiezza, valore massimo o di picco (modulo), frequenza e periodo, fase
iniziale e sfasamento tra due sinusoidi, esercizi con foglio di calcolo per il grafico dei segnali sinusoidali,
concetto e formula per il valore medio, concetto e formula per il valore efficace.
Argomento Il segnale periodico non sinusoidali e lo sviluppo in serie di Fourier.
Definizione di segnale periodico, Formula dello sviluppo in serie di Fuorier, analisi delle simmetrie:
funzioni pari, dispari, alternative e loro proprietà nello sviluppo in serie di Fourier.
Sviluppo in serie di Fourier di forme d’onda periodiche quadre, triangolari e rettangolari: grafici nel
dominio del tempo, termine generico, concetto di armonica, spettro di ampiezza, concetto di banda
occupata dal segnale, valore efficace secondo Fourier.
Argomento: Strumentazione di misure in alternata
Generalità, Il Generatore di Funzioni: caratteristiche; il Pannello frontale ed i rispettivi
comandi; le boccole BNC di uscita, OUTPUT (50 Ω) e SYNC (TTL); il concetto di alta
Impedenza e relativa impostazione. Impostazione dei valori di Ampiezza, Frequenza e
dell’Off-Set; di segnali ad onda quadra, sinusoidale e triangolare.
L’Oscilloscopio digitale: caratteristiche; il Pannello frontale ed i rispettivi comandi; i canali
CH1 e CH2 e le relative impedenze d’ingresso; visualizzazione contemporanea di segnali
alternati applicati ai due canali; il valore di tensione picco-picco e il periodo, misure con il
metodo delle divisioni e dei cursori (confronto con la misura automatica tramite la funzione
MEASURE); impostazioni AC - DC - GND ; visualizzazione e misura della componente
continua sommata ad un segnale alternato; misure fuori massa della tensione di
carica / scarica in un circuito RC con due generatori (AC e DC) mediante la funzione MATH.
Misure di spettro di ampiezza con la funzione FFT per la verifica sperimentale dello sviluppo in
serie di Fourier per segnalisinusoidali, triangolari e ad onda quadra.
Misura dello sfasamento tra due segnali sinusoidali: metodo del ritardo temporale e delle
figure di Lissajous con l’oscilloscopio in modalità X-Y.
Argomento Il magnetismo, l’elettromagnetismo e l’induttore
Generalità, materiali ferromagnetici, poli magnetici, induzione magnetica, elettromagnetismo e
induzione magnetica, legge di Biot e Savart, permeabilità magnetica del vuoto, regola della mano
destra, formule per il calcolo della indizione magnetica della spira, del solenoide lungo e del toroide.
Campi magnetici e conduttori percorsi da corrente elettrica, regole della mano sinistra,analisi e
formule nei casi di un conduttore, due conduttori, di una spira.
Proprietà magnetiche dei materiali, permeabilità magnetica assoluta e relativa, materiali paramagnetici,
diamagnetici e ferromagnetici, ciclo di isteresi nei materiali ferromagnetici. Legge della circuitazione
magnetica e solenoidalità dell’induzione magnetica, il campo magnetico. Circuiti magnetici con e
senza traferro (cenni).
La legge di Faraday-Neumann-Lenz, fenomeno dell’autoinduzione, l’induttanza, Energia del campo
magnetico, cenni al fenomeno della mutua induzione, induttori in serie e parallelo.
Argomento I componenti e le reti in regime sinusoidale.
Richiamo della funzione sinusoidale. Rappresentazione vettoriale delle grandezze sinusoidali, il
metodo simbolico, concetto di fasore, forma cartesiana e polare, operazioni con i numeri complessi:
addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione, sia in forma cartesiana, sia in forma polare,
I componenti passivi lineari in regime sinusoidale, il resistore, il condensatore e l’induttore,
reattanza capacitiva e induttiva, Circuiti serie e parallelo.
La potenza attiva, il fattore di potenza, la potenza reattiva e la potenza apparente. Il teorema di
Boucherot. Le linee elettriche, la caduta di tensione e il rifasamento.
Modena 30 maggio 2014
L'insegnante
Prof. Viola Ugo
I rappresentanti della classe 3 B
Compagni
Andrea
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Donno
Alessandro
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