Lezioni iniziali 2016

Corso di Laurea in Ingegneria Industriale
curriculum elettrico e curriculum meccanico
Elettrotecnica
Anno accademico 2016-2017
Prof. Fabio Villone
Obiettivi formativi
Dalla documentazione ufficiale:
Il corso si propone di introdurre i fondamenti della teoria dei
circuiti e dell'elettromagnetismo stazionario e quasi-stazionario.
L’obiettivo formativo è quello di fornire agli allievi metodi e
strumenti per analizzare sistemi elettrici ed elettromagnetici
semplici, ma di interesse per le applicazioni in ambito industriale.
L'allievo sarà in grado di utilizzare i principali strumenti (anche
informatici) per l'analisi dei circuiti elettrici, con particolare
riferimento alle tecniche di riduzione di complessità basate sui
principi di equivalenza. L'allievo acquisirà inoltre la conoscenza del
significato dei parametri globali descrittivi di sistemi
elettromagnetici stazionari e quasi-stazionari di interesse
applicativo (concetti di induttanza, capacità, etc..) e sarà in grado di
estrarre tali parametri per configurazioni semplici ma di interesse
applicativo.
Obiettivi formativi
• Il corso vi farà conoscere il mondo dell’ingegneria
elettrica: i metodi di base, gli strumenti principali, un
cenno alle applicazioni di oggi e di domani, una
consapevolezza degli ordini di grandezza
• Il corso (e quindi l’esame) è identico per il curriculum
elettrico e meccanico  valenza di orientamento in
itinere
• Molti degli spunti saranno sviluppati nei corsi successivi
del curriculum elettrico
• Corso a scelta di “Approfondimenti di elettrotecnica”
(3 CFU) al secondo semestre
• Organizzeremo dei seminari (extra corso) su argomenti
specifici dell’ingegneria elettrica di grande impatto
economico e sociale (quest’anno la sicurezza)
L’energia elettrica muove il mondo…
…di oggi e di domani!
Fonti rinnovabili (solare, eolico)
Risparmio energetico
Superconduttori
Auto elettriche e ibride
Elettronica di potenza
Nanoelettronica
Automazione
Inquinamento elettromagnetico
Testi consigliati
•
•
•
Riferimenti principali:
–
–
–
M. de Magistris, G. Miano, “Circuiti”, Springer, Milano, 2007
G. Fabricatore, “Elettrotecnica e applicazioni”, Liguori, Napoli 1994
Dispense on-line
–
–
L. O. Chua, C. A. Desoer, E. S. Kuh, “Circuiti lineari e non lineari”, Jackson, 1991
S. Bobbio, E. Gatti, “Elettromagnetismo. Ottica”, Bollati-Boringhieri, 1991.
–
–
R.C. Dorf, J.A. Svoboda, “Circuiti Elettrici”, Apogeo, Milano, 2001
C. K. Alexander, M.N.O. Sadiku, Circuiti elettrici, McGraw-Hill
Approfondimenti
Ulteriori esercizi
• Non c’è un testo di riferimento unico
• Non fidatevi esclusivamente degli appunti!
(PowerPoint sarà usato poco rispetto al gesso)
• Esercitatevi a casa (a lezione mostriamo le tipologie di
esercizio; a casa dovete fare pratica)
• Usate i testi per approfondimenti personali facoltativi
che saranno opportunamente segnalati
• Lezioni on-line dello scorso anno
Testi consigliati
• Non esitate a fare domande a lezione!
• «L’università fisica continuerà a esistere. Il “campus” non
diventerà virtuale. Ma l’insegnamento fatto di lezioni
nelle quali il professore parla come un conferenziere è
finito. Quelle cose gli studenti le assorbiranno, sempre più,
dalle “lecture” disponibili su Internet. Quel tempo va
dedicato all’interazione personale tra studenti e docenti:
è questa la parte vitale del processo di apprendimento.
È quello che cerchiamo di fare a Stanford: siamo nel cuore
della rivoluzione tecnologica, moltiplichiamo i corsi
orientati all’esperienza nei quali gli studenti sono stimolati
a trovare soluzioni e devono affrontare sfide creative»
(John Hennessy, Presidente della Stanford University,
intervista a “Il Corriere della Sera”, 21 settembre 2014)
Altre informazioni
• 9 CFU: “didattica frontale” 70 h (teoria 40 h,
esercitazione 30 h); “tutorato e recupero” 10 h
• Propedeuticità obbligatoria: Analisi I
• Fortemente consigliate: Analisi II, Fisica
• Corsi utili in parallelo: Analisi III
• Orario di ricevimento: prima o dopo le lezioni, previo
appuntamento (ulteriori indicazioni sul sito)
• L’esame è orale, con prova scritta di ammissione
– Ammesso, Ammesso con riserva, Non ammesso
– Con riserva: occorre colmare le lacune mostrate per poter
accedere alla prova orale
– Esame orale di norma entro una settimana dalla prova
scritta (in caso di esigenze particolari, lo stesso giorno)
– La prova scritta “non si conserva” (non esiste da sola)
… domande? Altrimenti iniziamo!
• Carica elettrica: concetto dato per noto
• Campo elettrico  tensione
–
–
–
–
Definizioni ed unità di misura
Conservatività
Tensione e differenza di potenziale
Riferimenti
–
–
–
–
–
Definizioni ed unità di misura
Solenoidalità
Conduttori filiformi (mostrare esempi)
Tubo di flusso
Riferimenti
• Densità di corrente  corrente
Conduttori filiformi
• “Sottili”
• Eventualmente
raggruppati e/o
intrecciati
• Avvolti da un
“isolante”
Circuiti elettrici
• Dispositivi e circuiti “fisici” (mostrare esempi)
• Teoria dei circuiti: si propone di risolvere i
circuiti (che significa?) tramite opportuni
modelli matematici
• Schematizzazione di dispositivi e circuiti
“fisici”: bipoli e reti
– Definizione di bipolo, convenzioni, potenza, energia
– Definizione di rete
Dispositivi “fisici”
Circuiti “fisici”
Un circuito elementare
La rete corrispondente
v4
A
B
4
• n nodi (n=4)
i4
i1
•  lati (=5)
i3
v5
v1
1
5
i2
C
v3
3
• Servono equazioni!
i5
2
v2
• Risolvere la rete:
trovare tensioni e
correnti (2 )
D
Legge di Kirchhoff alle Correnti
A
B
4
i4
i1
i3
i5
1
5
i2
C
2
3
D
Legge di Kirchhoff alle Correnti
A
B
4
i4
i1
i3
i5
1
5
i2
C
2
3
D
Matrice di incidenza
A
B
4
5
1
3
2
C
D
 1 0 0  1  1
0 0 1 1 0


 1 1 0 0 0 


 0 1 1 0 1 
Legge di Kirchhoff alle Tensioni
v4
A
B
4
i4
i1
i3
v5
v1
1
i2
C
v3
3
5
i5
2
v2
D
Legge di Kirchhoff alle Tensioni
v4
A
B
4
i4
i1
i3
v5
v1
1
i2
C
v3
3
5
i5
2
v2
D
Matrice di incidenza maglia-lato

4
A
B

5
1
3

2
C
D
1 1
0 0

 1  1
0
0
1
1
1
1
1

1
0 
Albero e coalbero
A
B
4
• Albero: lati 1,4,5
(n-1)
5
1
3
• Coalbero: lati 2,3
(- (n-1) )
• Scelta non univoca
• Maglie fondamentali
2
C
D
Tensioni e potenziali
v4
A
B
4
i4
i1
i3
v5
v1
1
i2
C
v3
3
5
1
0

0

 1
 1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
0
 1
 1

0
1 
i5
2
v2
D
Matrice di incidenza
 1 0 0  1  1
0 0 1 1 0


 1 1 0 0 0 


 0 1 1 0 1 
Correnti e correnti di maglia
4
A
B

5
1
3

Matrice di incidenza maglia lato ridotta
2
C
1 0 
1 0 


0 1 


0

1


1 1 
D
1 1 0 0 1
0 0 1  1 1


Leggi di Kirchhoff
• Assiomatiche
– ... ma basate sulla fisica: conservatività del campo
elettrico, solenoidalità della densità di corrente
• Topologiche
– Possono essere formulate usando il grafo associato
alla rete
• Conservazione delle potenze
– Conseguenza immediata, che non dipende dalla
natura dei bipoli presenti nella rete
• Non bastano per risolvere una rete!
– Motivi fisici e matematici
Modello circuitale
• LKC:
• LKT:
• Caratteristiche:
Ai  0
Bv0
f i, v  0
• 2 equazioni in 2 incognite
• Proprietà del modello matematico
(esistenza ed unicità della soluzione) e
metodi di risoluzione dipendono dalla
natura delle caratteristiche
Bipoli statici
• Definizione
• Proprietà
– Passivi/attivi
– Controllati in tensione e/o corrente
– Tempo invarianti/varianti
• Esempi
– Resistore (lineare), generatori ideali di
tensione e di corrente, corto circuito,
circuito aperto, interruttore, diodo
Circuiti lineari statici
• Definizione (e generalizzazione)
• Modello matematico
• Matrice di tableau
• Teorema di esistenza e unicità
Il circuito semplice
Il circuito semplice
Ai  0
 i1 
1  1    0
i2 
Bv0
 v1 
1  1    0
v2 
M iN vb
0 0   i1  1 0  v1   E 
0  R  i   0 1 v    0 

  2 
  2  
Il circuito semplice
A

0
M

0
0 
 i   
B     0 
v


b 
N
T xc
1  1
0 0

0 0

0  R
0   i1   0 
 
1  1  i2   0 

1 0   v1   E 
   
0 1  v 2   0 
0
 i1   E / R 
i  

E
/
R
 2

 v1   E 
  

v 2   E 
Metodo grafico
• LKC: i1=i2=i
• LKT: v1=v2=v
• Caratteristiche: v=Ri, v=E
Un caso patologico
Un caso patologico
Ai  0
Bv0
 i1 
  1 1 0  
 0  1 1 i2   0

 i 
 3
 v1 
1 1  1 v2   0
v3 
1 0 0   i1  0 0 0  v1   I1
M iN vb 
 i   0 0 0 v    I 2
0
1
0

  2 
  2  
0 0  R  i3  0 0 1 v3  0 
Un caso patologico
A

0
M

0
0 
 i   
B     0 
v


b 
N
T xc
0
 1 1
 0 1 1

0 0
0

0
1 0
0 1
0

 0 0  R
0 0
0 0
1 1
0 0
0 0
0 0
0   i1   0 
i   

0  2   0 
 1  i3   0 
    
0   v1   I1 
0  v 2   I 2 
   
1  v3   0 
La matrice di tableau non è invertibile!