programma del corso

Insegnamento:
Elettrotecnica (Allievi Ingegneri Ambiente e Territorio)
Per l’AA 2002/2003, da impartire nel Secondo semestre del II anno.
Docente: Antonino SERRI
Durata: 10 settimane; 5 ore a settimana; totale 50 ore.
Obiettivi e contenuto schematico del corso
Il corso ha l’obiettivo di fornire i concetti basilari delle applicazioni industriali dell’energia elettrica.
I contenuti riprendono la fenomenologia elettromagnetica e, attraverso la teoria dei circuiti, si arriva
alla modellistica e alle modalità di calcolo per i sistemi elettrici: macchine e impianti per la
produzione, trasmissione e utilizzazione dell’energia elettrica.
In parallelo alle nozioni teoriche presentati alcuni concetti elementari riguardanti la costruzione
degli impianti e dei componenti elettrici, l’inserzione degli strumenti di misura e la sicurezza degli
utilizzatori.
Pre-requisiti:
per seguire con profitto questo insegnamento è importante la conoscenza delle nozioni fondamentali
di matematica (trigonometria, numeri complessi ed equazioni differenziali), è inoltre utile una
conoscenza preliminare della fisica dell’elettromagnetismo.
Nozioni verificabili che si dovrebbero possedere dopo aver superato l’esame:
Grandezze fisiche dei fenomeni elettromagnetici e loro misura. Rappresentazione circuitale dei
fenomeni elettromagnetici. Risoluzione di circuiti elettrici in regime stazionario e regime
sinusoidale permanente. Rappresentazione circuitale di generatori, trasformatori, linee, motori e
utilizzatori trifase a partire dai dati di targa. Calcolo di verifica di un impianto elettrico trifase.
PROGRAMMA DEL CORSO
Corrente elettrica, campo elettrico, tensione elettrica:
Definizione di carica elettrica e di intensità di corrente; Definizione di campo elettrico, tensione e
potenziale; Corrente elettrica nei materiali. Generalità su equazioni di Maxwell e teoria dei circuiti.
Reti elettriche lineari in regime stazionario:
Reti elettriche lineari in regime stazionario. Elementi e componenti a parametri distribuiti e
concentrati. Analogie con i sistemi di natura diversa. N-poli elettrici. Bipoli elettrici e
caratteristiche. Bipolo inerte, bipolo passivo, bipolo attivo, bipolo lineare e non lineare. Bipolo
resistivo: resistenza elettrica e coefficienti di temperatura. Legge di Ohm generalizzata. Generatori
ideali e reali di tensione e di corrente. Corto circuito ideale e circuito aperto. Dualità. Assurdi fisici:
bipolo su base corrente e bipolo su base tensione. Convenzione di segno degli utilizzatori e dei
generatori. Grafo orientato e relazioni costitutive delle connessioni. Metodi di studio delle reti
elettriche: albero, coalbero , maglia e taglio. Principi di Kirchhoff. Resistenza equivalente serie e
parallelo. Trasformazione stella-triangolo. Generatori collegati in serie e parallelo. Proprietà dei
componenti elettrici: invarianza nel tempo, linearità, causalità. Principio di conservazione delle
potenze. Principio di sovrapposizione degli effetti, Principio del generatore equivalente di tensione:
Teorema di Thévenin. Principio del generatore equivalente di corrente: Teorema di Norton. Metodo
dei potenziali ai nodi e delle correnti di maglia.
Campo di corrente:
Densità di corrente in un mezzo conduttore e relazione con il campo elettrico. Potenza dissipata in
un mezzo conduttore. Modello di Drude-Lorenz e interpretazione della legge di Joule per la
dipendenza resistenza-temperatura. Esempi di resistori con geometria particolare. Resistore a filo.
Resistore sferico.
Elettrostatica:
Bipolo condensatore; Vettore spostamento elettrico nel vuoto e densità di carica superficiale;
Polarizzazione e rigidità dielettrica nei mezzi isolanti; Corrente di spostamento e corrente totale;
Rifrazione; Calcolo della capacità di condensatori: Condensatore piano, Condensatore piano a due
dielettrici, Condensatore sferico; Processi energetici: Energia immagazzinata in un condensatore,
Energia associata al campo elettrico; I condensatori nelle reti elettriche: Condensatori in serie,
Condensatori in parallelo; Transitori di carica e scarica di condensatori: Carica di un condensatore,
Bilancio energetico durante la carica, Scarica di un condensatore, Bilancio energetico durante la
scarica.
Elettromagnetismo:
Fenomeno dell'induzione elettromagnetica; Campo di induzione; Campo magnetico; Teorema della
circuitazione; Unità di misura; Legge di Faraday-Neumann; Coefficiente di autoinduzione:
Solenoide rettilineo; Bipolo induttore; Coefficiente di mutua induzione e coefficiente di
accoppiamento; Doppio bipolo mutuo induttore; Energia immagazzinata in un induttore: Densità di
energia magnetica in mezzi qualunque, Energia nei circuiti mutuamente accoppiati; Transitori di
carica e scarica di induttori: Carica di un induttore, Carica di un induttore con un generatore di
corrente, Bilancio energetico durante la carica, Scarica di un induttore, Bilancio energetico durante
la scarica; Proprietà magnetiche della materia: Diamagnetismo, paramagnetismo e
ferromagnetismo, Energia di magnetizzazione e ciclo di isteresi; Circuiti magnetici: Principi di
Kirchhoff per i circuiti magnetici, Elettromagneti; Cenni alle forze di origine elettrodinamica:
Conduttori rettilinei indefiniti (linea bifilare); Principio di funzionamento delle macchine elettriche.
Reti elettriche in regime sinusoidale:
Introduzione al regime sinusoidale; Regime quasi stazionario: Regime periodico, Regime alternato,
Regime sinusoidale; Rappresentazioni delle grandezze sinusoidali: Rappresentazione in funzione
del tempo, Rappresentazione fasoriale, Rappresentazione (o notazione) simbolica,
Rappresentazione usuale delle grandezze sinusoidali; Componenti di rete in regime sinusoidale:
Generatore di tensione sinusoidale, Generatore di corrente sinusoidale, Impedenza e ammettenza,
Resistore, Condensatore Induttore, Impedenza e ammettenza equivalenti; Potenza in regime
sinusoidale; Metodi per lo studio delle reti elettriche in regime sinusoidale: Principi di Kirchhoff,
Principio di sovrapposizione degli effetti, Principio del generatore equivalente, Principio di
conservazione della potenza attiva e reattiva, metodo dei potenziali ai nodi e delle correnti di
maglia. Cenni all'effetto pelle.
Sistemi trifase:
Struttura dei sistemi trifase; Definizioni: Collegamento a stella dei generatori, Collegamento a stella
degli utilizzatori, Collegamento a triangolo degli utilizzatori, Collegamento a triangolo dei
generatori. Trasformazioni stella/triangolo. Rete monofase equivalente; Potenza nei sistemi trifase
simmetrici ed equilibrati. Sistemi simmetrici squilibrati. Inserzione degli strumenti per le misure
trifasi. Rifasamento dei carichi trifasi.
Trasformatori:
Modalità costruttive del trasformatore monofase; Modelli circuitali per il trasformatore monofase in
regime sinusoidale; Trasformatore ideale; Trasformatore reale: Reti equivalenti semplificate del
trasformatore reale; Specificazione di un trasformatore monofase; Trasformatori trifase;
Funzionamento e specificazione di un trasformatore trifase.
Introduzione allo studio delle macchine elettriche rotanti:
Campo magnetico rotante. Generalità sulle macchine elettriche. Aspetti costruttivi: statore, rotore,
ventilazione; Aspetti elettromagnetici: Induttore e indotto, Induttore con magneti permanenti. Cenni
sulle macchine in corrente continua e sulle macchine sincrone. Principio di funzionamento, bilancio
energetico e coppia del motore asincrono. Caratteristica meccanica e cenni all’avviamento del
motore asincrono. Motore asincrono monofase. Dati di targa di una macchina asincrona.
Impianti elettrici:
Struttura delle reti elettriche: Generazione, Trasmissione, Utilizzazione. Tipi di trasmissione e scelta
del livello di tensione. Dimensionamento delle linee elettriche: Dimensionamento termico,
Dimensionamento in relazione alla caduta di tensione. Linea a sbalzo in corrente continua, Linea
alimentata ad entrambe le estremità in corrente continua, Parametri delle linee elettriche in corrente
alternata monofase a frequenza industriale, Calcolo delle cadute di tensione lungo una linea in
corrente alternata, Dimensionamento di una linea a sbalzo in corrente alternata in bassa tensione;
Apparecchiature di protezione e manovra: Definizioni, Valori caratteristici e principali tipologie
costruttive delle protezioni, Funzionalità e principi costruttivi degli interruttori, Interruttori
automatici in bassa tensione, Sezionatori, Fusibili, Contattori, Coordinamenti tra protezioni di
massima corrente in bassa tensione, Protezioni per una cabina di trasformazione MT/BT; I pericoli
derivanti dall'energia elettrica: Effetti della corrente elettrica sul corpo umano; Impianti di messa a
terra: Generalità, Costituzione di un impianto di terra, Grandezze caratteristiche, Calcolo della
resistenza di terra di un dispersore; Sistemi di distribuzione in BT: Sistema TT, TN, IT. Cenni sugli
impianti elettrici speciali: ospedali e cantieri.
Materiale didattico:
Fauri, Gnesotto, Marchesi, Maschio, “lezioni di elettrotecnica” (I, II e III vol.)
Modalità di esame:
l’esame consiste in una prova scritta ed in un colloquio orale.
Sono previsti dei pre-esami svolti durante l’anno per esonerare parte della prova scritta.