Concetti fondamentali - Università di Pavia

Università degli Studi di Pavia
Facoltà di Ingegneria
Corso di
di
Teoria dei Circuiti
Elettrotecnica
Concetti
fondamentali
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
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Concetti fondamentali
„
UNITÀ DI MISURA
MKSA (Giorgi)
Standard per la
misurazione di
grandezze fisiche
Sistema Internazionale (SI)
Grandezza
Unità di misura
Intervallo di tempo
secondo
s
L
Lunghezza
h
metro
t
m
Massa
chilogrammo
kg
Temperatura
grado kelvin
K
Quantità di sostanza
mole
Intensità di corrente elettrica
ampere
A
Intensità luminosa
candela
cd
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definito
d
fi it d
dalla
ll C
Conferenza
f
G
Generale
l
dei Pesi e delle Misure nel 1960
Simbolo
mol
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Concetti fondamentali
„
UNITÀ DI MISURA
M lti li e sottomultipli
Multipli
tt
lti li
Multipli
p
Sottomultipli
p
Prefisso
Simbolo
Fattore
Prefisso
deca
da
10
deci
d
10−1
etto
h
102
centi
c
10−2
kilo
k
103
milli
m
10−3
mega
M
106
micro
μ
10−66
giga
G
109
nano
n
10−9
tera
T
1012
pico
p
p
10−12
peta
P
1015
femto
f
10−15
exa
E
1018
atto
a
10−18
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Simbolo
Fattore
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Concetti fondamentali
„
GRANDEZZE FONDAMENTALI
La carica elettrica (q)
¾Dal punto di vista elementare, la materia è un
aggregato
gg g
di cariche elettriche che p
presentano
elettrizzazione positiva o negativa
¾Le cariche elettriche si possono riporre o estrarre
da un materiale ((ad esempio
p p
per strofinamento),
),
ma la carica elettrica totale si conserva
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GRANDEZZE FONDAMENTALI
La carica elettrica (q)
|q| = 1.6 10-19 C
¾La carica elettrica elementare è quella
dell’elettrone ((che è una carica negativa),
g
), mentre
la carica convenzionale è quella positiva
¾Per muovere una carica da un punto ad un altro
occorre spendere
p
energia
g e viceversa
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GRANDEZZE FONDAMENTALI
L’
L’energia
i elettrica
l tt i (e)
( )
L energia si presenta in diverse forme
L’energia
(termica, meccanica, elettrica)
L’energia totale di un sistema si conserva
L’energia si può convertire da una forma all’altra
Energia elettrica: si può convertire bene
si p
può trasmettere bene
non si può accumulare bene
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„
GRANDEZZE ELETTRICHE DERIVATE
L’i t
L’intensità
ità di corrente
t (i)
La corrente elettrica può essere di conduzione
(conduttori), oppure di spostamento (dielettrici):
occorrono cariche elettriche in moto
moto.
Corrente di
conduzione
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Le cariche si muovono
dentro mezzi conduttori
sotto l’azione di una
forza esterna
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GRANDEZZE ELETTRICHE DERIVATE
L’i t
L’intensità
ità di corrente
t (i)
„
S
+q
n
-q
q
+q
Corrente media
Carica totale che
attraversa S in Δt
Δq = +2q - (-q) = 3q
Δq
I=
Δt
dq
istantanea i =
dt
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GRANDEZZE ELETTRICHE DERIVATE
L’i t
L’intensità
ità di corrente
t (i)
„
Convenzionalmente, è preso come verso
positivo della corrente q
p
quello opposto
pp
al moto
delle cariche elettriche negative
corrente i
conduttore
metallico
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-
- - -
moto elettroni
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GRANDEZZE ELETTRICHE DERIVATE
L tensione
La
t
i
(v)
( )
La ttensione
L
i
vab fra
f due
d punti
ti a e b è l’l’energia
i
necessaria per spostare una carica unitaria da
b verso a
al limite
de
v=
dq
q
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lavoro per unità di carica
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GRANDEZZE ELETTRICHE DERIVATE
L potenza
La
t
elettrica
l tt i (p)
( )
de
p=
dt
variazione istantanea di energia
La potenza
potenza, in qualunque forma si trovi
trovi, si può
fattorizzare come p = fi·fe
fi: fattore
f
intensivo, legato al movimento
attraverso un punto di una quantità che si
conserva
fe: fattore estensivo, legato alla differenza di
una quantità tra due punti
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GRANDEZZE ELETTRICHE DERIVATE
L potenza
La
t
elettrica
l tt i (p)
( )
Esempi:
fi
fe
MECCANICA
F (forza)
v (velocità)
TERMODINAMICA
Q (calore)
ΔT (differenza di
temperatura)
IDRAULICA
G (portata)
Δh (dislivello, prevalenza)
POTENZA ELETTRICA: p = i · v
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UNITÀ DI MISURA FONDAMENTALE
L corrente
La
t elettrica
l tt i
i
F
Quando F = 2 10 -7 N
1m
i
i=1A
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F
1m
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UNITÀ DI MISURA DERIVATE
L carica
La
i elettrica:
l tt i
(C) coulomb
l b
„
dq
da i =
dt
[C] = [A ][s]
La tensione elettrica: (V) volt
da p = v·i
de
da v =
dq
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[J ] = [ N][m] =
[kg ] [m][m]
[s 2 ]
[ W ] [ W ][s] [J ]
[V] =
=
=
[A] [A] [s] [C]
[V] =
[J]
[ C]
[V] =
[kg ] [m 2 ]
[s3 ] [A]
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SISTEMI ELETTRICI
Si possono descrivere ( modelli )
- osservando da un punto di vista globale
CIRCUITI
blocchi che effettuano conversione,
conversione trasmissione
e utilizzazione di energia o informazione
- osservando da un punto di vista locale
CAMPI
fenomeni locali cioè azioni meccaniche sulle
strutture che portano cariche in quiete o in moto
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Concetti fondamentali
„
Dal SISTEMA FISICO al MODELLO TEORICO
un possibile modello
Ad esempio
teorico : circuito
sistema fisico :
interruttore
lampada portatile
i
interruttore
interruttore
interruttore
pila
pila
pila
il
pila
lampada
lampadina
lampada
lampadina
si possono fare
mis re sperimentali
misure
si possono fare
calcoli teorici
L’ Elettrotecnica si occupa
p essenzialmente di
modelli teorici ( circuiti, campi ) di sistemi fisici
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IL BIPOLO
sistema
i t
a due
d morsetti
tti
E il più semplice sistema elettrico
E’
visto globalmente ( scambi di potenza )
P
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Esso scambia
potenza elettrica p
attraverso una porta
caratterizzata da
due morsetti
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„
IL BIPOLO
P
Ai morsetti è possibile
definire e misurare p , v , i
p , v , i , sono grandezze
d
scalari
l id
dotate
t t di segno
Occorre perciò definire una convenzione di
riferimento e cioè
¾ fissare
fi
uno d
deii d
due morsettii ( + = riferimento
if i
)
¾ definire il segno positivo per p , v , i
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CONVENZIONI PER I BIPOLI
Convenzione
dei
generatori
+
Convenzione
degli
utilizzatori
i
V
+
P
i
V
P
Nel considerare un bipolo bisogna sempre fare
riferimento ad una convenzione
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COMPORTAMENTO ENERGETICO DEI BIPOLI
Segno
potenza
p>0
0
p<0
0
Utilizzatori
Utilizzatore
Generatore
Generatori
Generatore
Utilizzatore
Convenzione
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„
MISURARE LA CORRENTE
Si fa con l’amperometro
(bipolo utilizzatore con la
convenzione degli
utilizzatori)
+
A
Esso va inserito in
serie (cascata)
perché deve sentire la
corrente attraverso
+
A
+
i
VA
Esso non deve perturbare gli scambi di potenza
( vA =0; pA = i·vA =0)
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MISURARE LA TENSIONE
Si fa con il voltmetro
(bipolo utilizzatore con
la convenzione degli
utilizzatori)
+
Esso va inserito in
parallelo (derivazione)
perché deve sentire la
tensione tra
+
V
V
i
V
+
V
Esso non deve perturbare gli scambi di potenza
( iV =0; pV = v·iV =0)
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MISURARE LA POTENZA
Si fa con il wattmetro
(doppio bipolo utilizzatore
con la convenzione degli
utilizzatori)
Esso va inserito così
+
+
+
+
W
+
VV
La misura dell’energia si fa con il contatore
elettromeccanico a induzione
T
e=
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∫0
p dt
+
+
Wh
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DIVERSI TIPI DI STRUMENTI
per diversi TIPI DI REGIME
R i
Regime
stazionario
t i
i
Strumenti indicano un valore, ad esempio il
+
voltmetro
V
+
-
analogico (a indice)
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emtech
+
-
digitale (a cifre)
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DIVERSI TIPI DI STRUMENTI
per diversi TIPI DI REGIME
R i
Regime
variabile
i bil
Strumenti registratori
( registrano una funzione, ad es. v(t))
V
t
+
-
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Oscilloscopio a raggi
catodici ( CRO
C O)
(= voltmetro registratore)
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CARATTERISTICHE DI UNO STRUMENTO
¾regime ( cc.c.,
c cc.a.,
a variabile )
¾portata ( massima indicazione )
¾classe ( massimo errore percentuale
relativo alla portata )
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