FONDAMENTI DI ELETTROTECNICA
Si può asserire con sicurezza che il tecnico di domani, qualunque sia il suo
campo di lavoro, dovrà avere un certo bagaglio di conoscenze di
elettrotecnica e di elettronica senza le quali non è possibile la comprensione
del funzionamento dei moderni apparati.
Soprattutto l’elettronica è stata protagonista di quella che molti hanno
chiamato la seconda rivoluzione industriale.
Primi principi di elettrostatica ed elettronica
In condizioni normali la carica elettrica di tutti i
protoni è pari alla carica elettrica di tutti gli elettroni
così che l’atomo nel suo complesso è elettricamente
neutro.
Sono due le proprietà delle cariche elettriche:
1. cariche elettriche dello stesso segno si respingono
2. cariche elettriche di segno opposto si attraggono
L’intensità di corrente elettrica è stata scelta dal S. I. come grandezza
fondamentale; la sua unità di misura in Ampere e tutte le altre unità usate in
elettrologia devono essere definite partendo da essa.
Per esempio 1 Coulomb è la q.tà di carica che passa ogni secondo attraverso
la sezione di un conduttore percorso dalla corrente di 1 Ampere
Legge di Coulomb
Afferma che tra due cariche elettriche Q1 e Q2 poste alla distanza di d, si
esercita una forza calcolabile in questo modo:
1 Coulomb è la quantità di carica che posta nel vuoto alla distanza di 1 metro
da una carica uguale, la respinge con una forza pari a 9*109 [N]
e carica dell’elettrone = 1,602*10-19 [C]
costante dielettrica del vuoto = 8,85*10-12 [C2/(N*m2]
Esercizio: due cariche q1= +4 [µC] e q2= -3 [µC] si trovano nel vuoto a 2[m] di
distanza. Con quale forza si attirano?
Soluzione: F=K q1*q2/(r2)= 9*109*(4*10-6*(-3*10-6))/4=-0,027 [N]
La legge di Coulomb è formalmente identica alla legge di
attrazione gravitazionale
Per rappresentare il campo gravitazionale si sceglie il
vettore accelerazione gravitazionale
In modo analogo si può rappresentare il campo elettrostatico
con il vettore campo elettrico e ne rappresenta intensità del
campo elettrico. Essa dipende dall’entità delle due cariche e dalla loro
distanza.
Le linee di forza si estenderanno con direzione convenzionale dalla carica
positiva a quella negativa.
q è detta carica di prova ed è positiva e di intensità trascurabile rispetto a Q
Il vettore campo elettrico E rappresenta in ogni punto del campo la forza che
può agire sulla carica
elettrica unitaria positiva
posta in quel punto:
Il campo si ottiene
sommando con la regola
del parallelogramma in
ogni punto il vettore E1 ed
il vettore E2 creati
rispettivamente da Q1 e Q2
Tra le due forze, quella elettrica e gravitazionale, c’è una sola fondamentale
disimmetria: mentre la forza elettrica dipende dal mezzo interposto, la forza
gravitazionale ne è indipendente.
Definizione di Volt: 1 Volt= 1 [Joule]/1 [Coulomb]
In un punto di un campo elettrico vi è il potenziale di 1 Volt quando la carica
di 1 Coulomb posta in quel punto viene ad acquistare una energia potenziale
di 1Joule.
La differenza di potenziale, detta d.d.p., è chiamata anche tensione elettrica :
VA - VB
Convenzionalmente il verso della corrente elettrica è l’inverso del moto degli
elettroni; la q.tà di carica elettrica che attraversa una sezione nell’unità di
tempo è chiamata intensità della corrente elettrica I = Q / Δt
1 [Ampere] = 1 [Coulomb]/ 1 [sec]
Generatore elettrico: è quel dispositivo che mantiene in circolazione gli
elettroni in un circuito; gli elettroni escono dal suo morsetto negativo e
rientrano attraverso quello positivo.
Il polo + è a potenziale maggiore del polo Una volta raggiunto l’equilibrio elettrico, la ddp
raggiunta tra i due poli rimarrà costante e si
chiama fem (forza elettromotrice) del
generatore.
Nello spostamento entro il filo gli
elettroni incontrano atomi del
materiale conduttore e interferiscono
con essi. Lo scopo del generatore è
quello di rifornire energia che gli
elettroni perdono riscaldando il
circuito conduttore.
Utilizzazioni:
Potenza elettrica del generatore
P= L / t = q*fem / t= I*fem 1 [Watt]= 1[Ampere]* 1 [Volt]
Il flusso di cariche può essere arrestato disponendo di un tratto di circuito
mobile, detto interruttore che può assumere due posizioni:
1.
APERTO (OFF) quando la continuità metallica è
interrotta e le cariche sono ferme;
2.
CHIUSO (ON) quando la continuità è assicurata e le
cariche possono fluire liberamente
Esercizio 1: un circuito funzionante alla tensione di 220 Volt, assorbe l’energia di 4 KWh
nel tempo di 2 ore. Calcolare la potenza, l’intensità di corrente e la carica
Soluzione
1 [Watt]= 1 [Joule]/ 1 [sec] 1 [Wh]= 3600 [J] 1[KWh] = 3,6* 106 [J]
Potenza= 4/2= 2 [KWh] oppure Potenza= 2*3,6* 106 /3.600 = 2.000 [Watt]
I= P/V= 2000/220= 9,09 [Ampere]
Q= I*t = 9,09*3600*2= 65.448 [Coulomb]= 65.448/3.600=18,18 [Ah]
1 Coulomb= 1 ampere* 1 secondo 1Ah= 3.600 [Coulomb]
Esercizio 2: un motore elevatore, alimentato da 380 [Volt], assorbe in funzionamento una
corrente di 10 [Ampere] per sollevare un peso di 500 Kg all’altezza di 20 [metri].
Ammettendo un rendimento del 100% calcolare: la potenza del motore, l’energia prodotta,
il tempo impiegato e la carica
Soluzione
P= V*I= 380*10= 3.800 [Watt]
Ep= m*g*h= 500*9,81*20= 9,81*104 [J]
P= Ep/t t= Ep/P= 9,81*104 /3800= 25,8 [sec]
Q= I*t= 10*25,8= 258 [C]
Esercizio 3: un riscaldatore elettrico funzionante a 220 [Volt] è percorso da una corrente
di 2 [A]. Calcolare: la Potenza, le calorie orarie prodotte
Soluzione
P= V*I= 220*2= 440 [W]
Caloria (grande caloria): la q.tà di calore necessaria per innalzare di un grado centigrado
un litro di acqua 1 [Cal] = 4.186 [J]
1KWh= 3,6*106 [J]= 3,6*106 /4.186= 860 [Cal]
1 CV= 736 [W]
P= 440 [W]= 0,44 [KW] Calorie orarie prodotte= 0,44*860= 378,4 [Cal/h]
