C A P I T O L O 33 Circuiti in corrente alternata 33.1 Generatori di c.a. 33.2 Resistori in un circuito in c.a. 33.3 Induttori in un circuito in c.a. 33.4 Condensatori in un circuito in c.a. 33.5 Il circuito RLC in serie 33.6 Potenza in un circuito in c.a. 33.7 Risonanza in un circuito RLC in serie 33.8 Il trasformatore e la trasmissione di potenza 33.9 Raddrizzatori e filtri Questi grandi trasformatori vengono usati per aumentare la tensione prima del trasferimento dell’energia elettrica da una centrale alla rete di distribuzione. La tensione può essere cambiata in modo relativamente semplice, in quanto la potenza è distribuita utilizzando corrente alternata invece di quella continua. (©Lester Lefkowitz/Getty Images) In questo capitolo descriveremo i circuiti in corrente alternata (c.a.). Ogni volta che accendiamo un televisore, un computer o qualunque altro apparecchio domestico, chiamiamo in causa correnti alternate che forniscono l’energia per il funzionamento di tali dispositivi. Inizieremo la nostra analisi discutendo le caratteristiche di circuiti semplici in cui resistori, induttori e condensatori siano collegati in serie ed alimentati da una tensione sinusoidale. Lo scopo principale di questo capitolo è mostrare come sia possibile calcolare, in tali circuiti, l’ampiezza della corrente e come essa dipenda dal tempo. Concluderemo il capitolo con due paragrafi riguardanti i trasformatori, la trasmissione di potenza ed i filtri elettrici. 33.1 Generatori di c.a. Un circuito in c.a. è una combinazione di elementi circuitali e di un generatore che fornisce una tensione alternata Dv. L’andamento temporale di tale tensione è dato dall’espressione Dv 5 DVmax sin vt dove DVmax è la tensione massima di uscita del generatore, chiamata anche ampiezza della tensione. Ci sono vari modi per generare una corrente alternata in un circuito, come ad esempio i generatori discussi nel Paragrafo 31.5 e gli oscillatori elettrici. In una casa, ogni presa elettrica è una sorgente di corrente alternata. Poiché la tensio- 998 999 33.2 Resistori in un circuito in c.a. ne in uscita da un generatore di tensione alternata varia sinusoidalmente nel tempo, tale tensione, come mostrato nella Figura 33.1, è positiva durante un mezzo periodo e negativa durante l’altro mezzo periodo. Allo stesso modo, anche la corrente in un circuito alimentato da un generatore di tensione alternata varia sinusoidalmente nel tempo. Dall’Equazione 15.12, la pulsazione v della tensione alternata è 2p T 2p 2p v 5 2pf 5 v 5e2pf dove f è la frequenza del generatore T il5 periodo. Il generatore determina la freT T quenza della corrente in un circuito qualunque ad esso collegato. In Italia l’energia elettrica viene fornita ad una frequenza f = 50.0 Hz, a cui corrisponde la pulsazione (frequenza angolare) v = 314 rad/s (in USA 60.0 Hz e 377 rad/s). v 5 2pf 5 v T Vmax t Figura 33.1 La tensione fornita da un generatore di c.a. è sinusoidale nel tempo, con periodo T. vR 33.2 Resistori in un circuito in c.a. Consideriamo il semplice circuito in c.a., composto da un resistore e un generatore di tensione alternata , mostrato nella Figura 33.2. In ogni istante, la somma algebrica delle tensioni lungo una singola maglia del circuito deve essere nulla (legge di Kirchhoff delle maglie). Quindi, Dv 1 DvR 5 0, ovvero, usando l’Equazione 27.7 Dv 2resistenza, iRR 5 0 per esprimere la tensione ai capi della Dv2 2ii iRRR R5 500 Dv Dv 2 RR 5 0 Sostituendo l’espressione DVmax sin vt a Dv e riscrivendo la precedente espressione, DV Dv la corrente istantanea nel resistore è max data da 5 sin vt 5 I max sin vt (33.1) iR 5 R R DV Dv Dv 5 DVmax max sin vt 5 I sin vt (33.1) ii R 5 sin vt 5 I max (33.1) R 5 R 5 max sin vt R R R DVmax dove Imax è la corrente massima: I (33.2) max 5 R DVmax 5 DVmax (33.2) (33.2) II max max 5 R R 5 iR R 5istantanea I max R sin vt (33.3) L’Equazione 33.1 mostra cheDv laRtensione ai capi del resistore è 5 II max R Dv sin vt Dv RR 5 5 iiRR R R5 max R sin vt (33.3) (33.3) Il grafico della tensione e della corrente in funzione del tempo per questo circuito è mostrato nella Figura 33.3a. Nel punto a la corrente è massima in un certo verso che, arbitrariamente, chiameremo verso positivo. Fra i punti a e b la corrente diminuisce, ma è sempre positiva. In b la corrente è nulla; fra b e c diventa sempre più negativa, il che significa che la sua intensità aumenta, ma che scorre nel verso negativo. In c la corrente raggiunge la massima intensità nel verso negativo. La corrente e la tensione hanno la stessa dipendenza temporale. Poiché iR e DvR variano entrambi come sin vt e raggiungono, come illustrato nella Figura 33.3a, i loro valori massimi nello stesso istante, diciamo che sono in fase. La situazione è analoga a quella che si presenta quando due onde sono in fase, situazione che è stata discussa nello studio dei moti ondulatori nel Capitolo 18. Possiamo quindi dire che, per una tensione applicata sinusoidale, la corrente in un resistore è sempre in fase con la tensione ai capi del resistore. Per i resistori nei circuiti in c.a. non ci sono nuovi concetti da imparare. I resistori si comportano in modo analogo sia nei circuiti in c.c. che in quelli in c.a. Al contrario, i condensatori e gli induttori hanno comportamenti differenti. Per studiare in maniera semplice i circuiti contenenti due o più elementi useremo il diagramma dei fasori. Un fasore è un vettore la cui lunghezza è proporzionale al valore massimo della variabile che esso rappresenta (DVmax per la tensione ed Imax per la corrente). Il fasore ruota in senso antiorario con velocità angolare uguale alla frequenza angolare della variabile che rappresenta e la proiezione del fasore sull’asse verticale dà il valore istantaneo di tale variabile. R v Vmax sin vt Figura 33.2 Un circuito che consiste in una resistenza R connessa ad un generatore di c.a., indicato con il simbolo .. .. WW Corrente massima in un resistore WW Tensione ai capi di un resistore Prevenire l’errore 33.1 Valori che variano nel tempo Usiamo le lettere minuscole Dv ed i per indicare i valori istantanei di tensioni e correnti che dipendono dal tempo. Le lettere maiuscole indicano invece valori costanti delle tensioni e delle correnti, come ad esempio DVmax e I max. 1000Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Figura 33.3 (a) Grafici La corrente è in fase con la tensione, e quindi è nulla quando la tensione è nulla, massima quando la tensione è massima e minima quando la tensione è minima. che mostrano la corrente iR e la tensione DvR ai capi di un resistore in funzione del tempo. Al tempo t 5 T, la corrente e la tensione hanno compiuto un ciclo completo. (b) Diagramma dei fasori per il circuito resistivo che mostra come la corrente e la tensione siano in fase. iR , vR Imax a iR iR vR b Un fasore è simile ad un grafico Una tensione alternata può essere rappresentata graficamente in vari modi. Un esempio è mostrato nella Figura 33.1, dove la tensione è disegnata usando un sistema di assi cartesiani. In tale grafico, sull’asse verticale si riporta la tensione e sull’asse orizzontale il tempo. Un’altra possibile rappresentazione è mostrata nella Figura 33.3b. Lo spazio delle fasi in cui si disegna il fasore è simile ad un piano in coordinate polari. La coordinata radiale rappresenta l’ampiezza del segnale e la coordinata angolare la sua fase. La coordinata verticale della freccia del fasore rappresenta, in un dato istante, il valore della tensione. Al contrario, la coordinata orizzontale di tale freccia non rappresenta alcuna grandezza fisica. Come mostrato nella Figura 33.3b, anche le correnti alternate possono essere rappresentate con il diagramma dei fasori. Per seguire meglio questa discussione in cui si fa uso dei fasori, può essere opportuno rivedere il Paragrafo 15.4, dove abbiamo rappresentato il moto armonico di un corpo proiettando il moto circolare uniforme di un corpo immaginario sugli assi coordinati. La rappresentazione mediante fasori, infatti, è l’analogo di questo tipo di approccio. iR , vR Vmax Prevenire l’errore 33.2 I fasori della corrente e della tensione hanno la stessa direzione, in quanto la corrente e la tensione sono in fase. T Imax vR t vt Vmax c a b La Figura 33.3b mostra, in un certo istante, i fasori relativi alla tensione ed alla corrente per il circuito della Figura 33.2. Le proiezioni dei fasori sull’asse verticale dipendono dal seno dell’angolo che il fasore forma con l’asse orizzontale. Ad esempio, la proiezione del fasore associato alla corrente e mostrato nella Figura 33.3b è Imax sin vt. Si noti che tale espressione è identica a quella data dall’Equazione 33.1. Quindi, le proiezioni dei fasori rappresentano correnti che variano sinusoidalmente con il tempo. Possiamo fare la stessa cosa per tensioni dipendenti dal tempo. Il vantaggio di questo tipo di approccio è rappresentato dal fatto che le relazioni che intercorrono tra le fasi delle correnti e delle tensioni possono essere ricavate applicando ai fasori che le rappresentano le regole di somma dei vettori, discusse nel Capitolo 3. Nel caso del circuito resistivo a singola maglia mostrato nella Figura 33.2, i fasori che rappresentano la corrente e la tensione giacciono sulla stessa retta, come mostrato in Figura 33.3b. Infatti, in questo caso iR e DvR sono in fase tra loro. Al contrario, la corrente e la tensione in circuiti contenenti elementi capacitivi o induttivi hanno relazioni di fase differenti. a Q uiz 33.1 Si consideri il fasore, che rappresenta una tensione, disegnato nella Figura 33.4 in tre diversi istanti temporali. (i) Si dica a quale caso, (a), (b) o (c), corrisponde il valore istantaneo maggiore per la tensione. (ii) Si dica a quale caso, (a), (b) o (c), corrisponde il valore istantaneo minore per la tensione. a b b c . a Figura 33.4 (Quiz 33.1) Un fasore associato alla tensione è mostrato per tre diversi istanti temporali, (a), (b) e (c). b c Si noti che, per il semplice circuito resistivo mostrato nella Figura 33.2, il valore medio della corrente in un ciclo completo è zero. Infatti, la corrente circola nel verso positivo per lo stesso intervallo di tempo e con la stessa intensità con cui circola nel verso negativo. Tuttavia, il verso della corrente non influisce sul comportamento del resistore. Ciò si capisce facilmente osservando che gli urti fra gli elettroni e c gli atomi fissi del resistore producono un aumento della temperatura del resistore. L’aumento della temperatura dipende dall’intensità della corrente, ma è indipendente dal suo verso. 33.2 Resistori in un circuito in c.a. 1001 Figura 33.5 (a) Grafico della i corrente in un resistore in funzione del tempo. (b) Grafico del quadrato della corrente in un resistore in funzione del tempo, che mostra come la linea rossa tratteggiata rappresenti la media di I 2max sin vt. In generale, si tenga presente che il valore medio di sin2 vt o di cos2 vt su un ciclo è sempre –12 . Imax 0 t a i2 I 2max 1 2 2 (i )media 2 I max 0 t Le regioni ombreggiate in grigio sotto la curva e sopra la linea rossa tratteggiata hanno la stessa area delle regioni ombreggiate in grigio sopra la curva e sotto la linea rossa tratteggiata. b Possiamo rendere quantitativa questa discussione ricordando che in un resistore la rapidità con cui l’energia elettrica viene dissipata in energia interna è data dalla potenza P = i 2R, in cui i è il valore istantaneo della corrente nel resistore. Poiché la potenza è proporzionale al quadrato della corrente, non c’è differenza fra corrente continua e corrente alternata; non importa, cioè, se la corrente scorre nel verso positivo o in quello negativo. Tuttavia, l’aumento di temperatura prodotto da una corrente alternata di valore massimo Imax è diverso da quello prodotto da una corrente continua uguale ad Imax. Infatti, in un ciclo, la corrente alternata raggiunge il suo valore massimo solamente in un istante (Fig. 33.5a). Quello che è importante in un circuito in c.a. è un certo tipo di valore medio della corrente, chiamato corrente efficace. La corrente efficace non è altro che il valore quadratico medio già definito nel Paragrafo 21.1. La corrente efficace è la radice quadrata del valor medio del quadrato della corrente: I eff 1 . Poiché i 2 varia nel tempo come 1((ii2)2)media media 11 22 2 2 sin vt e poiché il valor medio di i è 22IImax max (Fig. 33.5b), la corrente efficace è II eff eff 5 5 II m max m ax max ax "2 " " "2 5 max m ax 5 0.707I 0.707III m max ax (33.4) (33.4) Il significato di questa equazione è che una corrente alternata di valore massimo 2.00 A fornirà ad un resistore la stessa potenza di una corrente continua di (0.707) (2.00 A) = 1.41 A. La potenza media fornita ad un resistore percorso da una corrente alternata è P media 5 I 2effR Anche per la tensione alternata è utile definire un valore efficace. La relazione è identica a quella della corrente: 5 DV Veff DV V eff 5 V DV max m ax Vm DV max ax "2 " " "2 5 0.707 0.707 DV DV Vm max ax 5 V max m ax (33.5) (33.5) Quando si dice che ai capi di una presa di corrente alternata si misura una tensione di 120 V, in realtà si vuol dire che la tensione efficace è 120 V. Un semplice calcolo, usando l’Equazione 33.5, mostra che questa tensione alternata ha in realtà un valore massimo di circa 170 V. La principale ragione per riferirsi a valori efficaci è il fatto che gli amperometri ed i voltmetri sono progettati per indicare direttamente tali valori. Inoltre, facendo uso dei valori efficaci, molte equazioni hanno la stessa forma di quelle già trovate nello studio dei circuiti percorsi da corrente continua. WW Corrente efficace WW Potenza media trasferita ad un resistore WW Tensione efficace 1002Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Esempio 33.1 Che cosa rappresenta la corrente efficace? La tensione di uscita di un generatore di c.a. è descritta dall’espressione Dv 5 200 sin vt, con Dv in volt. Si calcoli la corrente efficace quando il generatore è connesso ad un resistore da 100 V. SOLUZIONE Concettualizzare La Figura 33.2 mostra la situazione fisica analizzata in questo esempio. Classificare Si calcolerà la corrente usando un’equazione ricavata in questo paragrafo, quindi questo esempio può essere classificato come un problema di sostituzione. Si combinano le Equazioni 33.2 e 33.4 per trovare la corrente efficace: Confrontando l’espressione fornita per la tensione del generatore con quella generale Dv 5 DVmax sin vt si ricava DVmax 5 200 V. Si sostituiscono i valori numerici: vL L v Vmax sin vt Figura 33.6 Un circuito in c.a. che consiste in un induttore di induttanza L collegato ad un generatore di c.a. I eff eff 5 I max max "2 5 DVmax max "2 R V max I max200 DV eff 5 II eff 5 DVmax 5 I"2 max DV max max 2 100 Vmax II eff 5 max 15 5 "2 R eff 5 eff "2 "2 R 200 V 5 I eff 5 200 V V 200 I eff eff 5 "2 1 100 V 2 5 eff "2 1 100 100 V V2 "2 1.41 A 1.41 A 1.41 A 33.3 Induttori in un circuito in c.a. Consideriamo ora un circuito in c.a. che consiste solamente in un induttore collegato ai capi di un generatore, come mostrato nella Figura 33.6. Se DvL 5 2L(diL /dt) è la diL f.e.m. autoindotta istantanea ai capi Dv dell’induttore 2 L L 5 0 (si veda l’Eq. 32.1), la legge di dt 1 DvL 5 0, ovvero Kirchhoff, applicata a questo circuito, dà Dv di Dv 2 L diLL 5 0 diL dtLL 5 0 5 dt DVmax sin vt Dv 5 Dv L 2L L dt max otteniamo Sostituendo DVmax sin vt a Dv in questa dt equazione, di Dv 5 L diLL 5 DVmax sin vt L DV max L max 5 DV sin Dvdi5LL 5 L dt maxvt max sin dt vt max dt L dt (33.6) (33.6) (33.6) Si ottiene allora per diL Corrente in un induttore DV sin vt dt diL 5 DVmax max max Lmax di 5 sin vt dt L diLL DVmax L DVmax max max cos vt (33.7) iLL 5 3 sin vt dt 5 2 1 L vL nell’induttore in funzione Integrando questa espressione, otteniamo la corrente del tempo: DVmax DVmax cos vt (33.7) sin vt dt 5 2 DV iL 5 DV DVmax max 3 max DV max L max max cos vt (33.7) sin vt vt dt dt 5 5 2 2 vL 5 cos vt (33.7) iiLLL 5 3 sin 3 L vL DVmax p max sin avt 2 b (33.8) iLL 5 Usando l’identità trigonometrica cos vL vt 5 2sin(vt22 p/2), l’Equazione 33.7 può essere scritta nella forma DVmax p sin avt 2 p b (33.8) iL 5 DVmax max max sin avt 2 p 2b (33.8) iLLL 5 vL sin avt 2 2 vL vL 2 Confrontando questo risultato con l’Equazione 33.6, si vede chiaramente che la corrente iL nell’induttore è in ritardo di fase di p/2 rad 5 90° rispetto alla tensione DvL ai suoi capi. La Figura 33.7a mostra il grafico della tensione e della corrente in funzione del tempo. Nell’istante in cui la corrente nell’induttore è massima (punto b nella 1Non abbiamo tenuto conto della costante di integrazione, in quanto essa dipende dalle condizioni iniziali, che per questa situazione non sono importanti. 33.3 Induttori in un circuito in c.a. La corrente è in ritardo di un quarto di ciclo rispetto alla tensione. funzione del tempo della corrente istantanea iL e della tensione istantanea DvL ai capi di un induttore. (b) Diagramma dei fasori per il circuito induttivo. vL, iL b Imax Vmax Figura 33.7 (a) Grafici in I fasori della corrente e della tensione sono sfasati di 90°. vL, iL iL c a 1003 vL d e T t vL Vmax vt f iL a Imax b Fig. 33.7a), essa ha una variazione nel tempo nulla, quindi la tensione ai capi dell’induttore è zero (punto d). Nei punti come a ed e, la corrente è invece istantaneamente nulla, ma la sua variazione è massima. Quindi è massima anche la tensione ai capi dell’induttore (punti c ed f). Si noti che la tensione raggiunge il suo valore massimo un quarto di periodo prima che la corrente sia massima. Di conseguenza, quando la tensione applicata da un generatore è sinusoidale, la corrente che circola in un induttore è in ritardo di fase rispetto alla tensione presente ai capi dell’induttore di 90o (corrispondente ad un quarto di periodo). Come nel caso di un circuito contenente solo un elemento resistivo, anche in questo caso possiamo rappresentare la relazione tra la corrente e la tensione utilizzando il diagramma dei fasori, come mostrato nella Figura 33.7b. Il fasori formano un angolo di 90o tra loro e ciò rappresenta infatti la differenza di fase di 90° fra corrente e tensione. L’Equazione 33.7 mostra che in un circuito induttivo la corrente raggiunge il suo valore massimo quando cos vt 5 61: DVmax DV max (33.9) II max 5 (33.9) max 5 vL vL Questa relazione è simile a quella che lega tra loro corrente, tensione e resistenza in un circuito in c.c., I 5 DV/R (Eq. 27.7). Dal momento che Imax è misurata in ampere e DVmax in volt, la quantità vL ha come unità di misura l’ohm. Quindi, vL ha la stessa unità di misura della resistenza ed è legata alla corrente ed alla tensione in modo analogo. Essa deve, allora, in qualche modo rappresentare la resistenza offerta al flusso delle cariche. Dal momento che vL dipende dalla frequenza angolare applicata v, un elemento induttivo reagisce in modo diverso, nel senso che si oppone al passaggio di corrente in modo differente, a seconda della frequenza angolare. Per questa ragione, definiamo il prodotto vL come la reattanza induttiva XL: X X LL ; ; vL vL (33.10) (33.10) Quindi, possiamo riscrivere l’Equazione 33.9 nella forma V DV max ax Vm DV max m ax max ax 5 II m max m ax 5 X X LL (33.11) (33.11) L’espressione per la corrente efficace in un induttore è simile all’Equazione 33.11; basta sostituire Imax con Ieff e DVmax con DVeff. L’Equazione 33.10 indica che, per una certa tensione applicata, la reattanza induttiva cresce all’aumentare della frequenza angolare. Questo è in accordo con la legge di Faraday: infatti, quanto più rapidamente cambia la corrente nell’induttore, tanto maggiore è la corrispondente forza controelettromotrice. La maggiore forza controelettromotrice si traduce in un aumento della reattanza e in una diminuzione della corrente. WW Corrente massima in un induttore WW Reattanza induttiva 1004Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Usando le Equazioni 33.6 e 33.11, si trova che la tensione istantanea ai capi dell’induttore è Tensione ai capi di un W induttore Dv L 5 2L diL 5 2DVmax sin vt 5 2I max X L sin vt dt (33.12) diL 5 2DVmax sin vt 5 2I max X L sin vt (33.12) dt diLdiL Q uiz 33.2 Si consideri il2L circuito in2DV c.a. mostrato Figura Si immagini di(33.12) cambia5 2I X Lsinsin (33.12) 2L 55 2DV sinsin vtvt 5in 2I X L33.8. vtvt DvDv L 5 max max L 5 max max dt dtgeneratore mantenendo costante l’ampiezza della tensiore la frequenza angolare del ne applicata. In quale situazione la luce emessa dalla lampadina risulterà più intensa? (a) Ad alte frequenze. (b) A basse frequenze. (c) Sarà identica a tutte le frequenze. Dv L 5 2L R L Figura 33.8 (Quiz 33.2) Per quale valore della frequenza la luce emessa dalla lampadina è più intensa? Esempio 33.2 Circuito in c.a. puramente induttivo In un circuito in c.a. puramente induttivo, L 5 25.0 mH e la tensione efficace è 150 V. Si calcolino la reattanza induttiva e la corrente efficace se la frequenza del generatore è 60.0 Hz. SOLUZIONE Concettualizzare La Figura 33.6 mostra la situazione fisica analizzata in questo esempio. Si tenga presente che la reattanza induttiva aumenta all’aumentare della frequenza della tensione applicata. Classificare Si calcoleranno la reattanza e la corrente usando le equazioni ricavate in questo paragrafo, quindi queX L 5 vL 5 2pfL 5 2p(60.0 Hz)(25.0 3 10 sto esempio può essere classificato come un problema di sostituzione. 23 Si usa l’Equazione 33.10 per calcolare la reattanza induttiva: H) V 5 2p(60.0 Hz)(25.0 3 1023 H) XL 5 5 vL 9.42 5 2pfL DVVeff2pfL 150 V 2323 9.42 2p(60.0 Hz)(25.0 X LXI5 5 vL 55 2pfL555 2p(60.0 1010 H)H) L5 5vL 5 Hz)(25.0 15.9 A 33 eff XL 9.42 V 9.42 DV 559.42 effV V 150 V Per calcolare la corrente efficace si usa 5 15.9 A I eff 5 5 XL 9.42 V l’Equazione 33.11: DV 150 DVeff eff 150 VV 15.9 I effI eff55 55 5515.9 AA 9.42 X LX L 9.42 VV E SE? Se la frequenza venisse aumentata fino al valore di 6.00 kHz, come cambierebbe la corrente efficace nel circuito? 23 H) 5 942 Risposta Aumentando la frequenza, anche la reattanza perché X L 5aumenta 2p(6.00 3 103 Hz)(25.0 3 10induttiva, V la corrente cambia più rapida- mente nel tempo. Aumentando la reattanza induttiva, diminuisce quindi la corrente. 150 V 3 1023 H) 5 942 V X L 5 induttiva 2p(6.00 3 1035Hz)(25.0 Si calcolano quindi la reattanza aI eff questa nuova5frequenza 0.159 A e la corrispondente corrente efficace: 942 V 3 Hz)(25.0 3150 2323 V 2p(6.00 10 H) 5 942 V X LX5 2p(6.00 33 10 33 1010 L5 5 Hz)(25.0 5 0.159 A H) 5 942 V I eff 942 V 150 150 VV 0.159 55 0.159 AA I effI eff55 942 942 V V 33.4 Condensatori in un circuito in c.a. q un condensatore collegato ai capi di La Figura 33.9 mostra un circuito formato Dv 2 da 50 (33.13) C di Kirchhoff delle maglie, applicata a un generatore di corrente alternata. La legge q questo circui­to, dà Dv 1 DvC 5 0, Dv ovvero 2 50 (33.13) Cq q (33.13) DvDv 22 55 00 (33.13) CC 33.4 Condensatori in un circuito in c.a. 1005 Figura 33.9 Un circuito vC che consiste in un condensatore di capacità C connesso ad un generatore di c.a. C v Vmax sin vt Sostituendo DVmax sin vt a Dv, possiamo riscrivere l’equazione nella forma qq 5 C DV vt (33.14) max sin sin vt (33.14) q5 5C C DV DVmax (33.14) max sin vt dove q è la carica sul condensatore in un certo istante. Derivando l’Equazione 33.14 rispetto al tempo, otteniamo la corrente istantanea nel circuito: dq dq 5 max cos iii CC 5 5 5 vC vC DV DVmax cos vt vt C 5 dt 5 vC DVmax cos vt dt Usando l’identità trigonometrica (33.15) (33.15) (33.15) p p p cos vt 5 sin 1 avt bb cos vt 5 sin 1 avt cos vt 5 sin avt 1 2 2b 2 possiamo esprimere l’Equazione 33.15 nella forma alternativa p p p bb vC DV iiCC 5 avt 1 max sin sin 1 5 vC vC DV DVmax sin 1 iC 5 avt 2b max 2 (33.16) (33.16) (33.16) WW Corrente in un condensatore Confrontando questa espressione con l’espressione Dv 5 DVmax sin vt, si vede che la corrente è in anticipo di fase di p/2 rad 5 90° rispetto alla tensione ai capi del condensatore. Il grafico della corrente e della tensione in funzione del tempo (Fig. 33.10a) mostra che la corrente raggiunge il suo valore massimo un quarto di periodo prima che la tensione raggiunga il suo valore massimo. Consideriamo, per esempio, il punto b in Figura 33.10a; in questo istante la corrente è nulla. Questo accade quando sul condensatore la carica è massima ed in tale istante è massima anche la tensione tra le due armature (punto d). Nei punti a ed e la corrente ha intensità massima, la carica sul condensatore è nulla ed il condensatore inizia a ricaricarsi con la polarità opposta. Quando la carica è nulla, anche la tensione tra le armature del condensatore è nulla (punti c ed f), quindi la corrente e la tensione non sono in fase. Come nel caso degli induttori, possiamo rappresentare la corrente e la tensione mediante un diagramma dei fasori. Il corrispondente diagramma, mostrato nella Figura 33.10b, mostra che per una tensione applicata sinusoidale, la corrente è in anticipo di fase di 90o rispetto alla tensione tra le armature del condensatore. La corrente è in anticipo di un quarto di ciclo rispetto alla tensione. I fasori della corrente e della tensione sono sfasati di 90°. vC , iC Imax Vmax c vC , iC iC a Imax d b vC vC f T t Vmax vt Figura 33.10 (a) Grafici in e a iC b funzione del tempo della corrente istantanea i C e della tensione istantanea DvC ai capi di un condensatore. (b) Diagramma dei fasori per il circuito capacitivo. 1006Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Dall’Equazione 33.15 si osserva che nel circuito la corrente raggiunge il suo valore massimo quando cos vt 5 61: Reattanza capacitiva Corrente massima in un condensatore Tensione ai capi di un condensatore DVmax (33.17) I max 5 vC DVmax 5 1 1/vC 2 DV max DV max 5 vC DVmax 5 (33.17) II max 5 1/vC 2 (33.17) max 5 vC DVmax 1/vC 2 Come nel caso degli induttori, anche in questa 11situazione la precedente equazione risulta simile all’Equazione 27.7, e quindi il denominatore deve giocare un ruolo analogo a quello di una resistenza e deve essere misurato in ohm. Indicheremo con il simbolo XC la quantità 1/vC e, poiché questa quantità dipende dalla frequenza angolare, la chiameremo reattanza capacitiva: 1 XC ; (33.18) vC 1 1 X (33.18) X CC ; ; vC (33.18) vC Possiamo quindi riscrivere l’Equazione 33.17 nella forma DV Vm max ax 5 Im max ax V DV X max m ax C Vm max ax 5 DV max ax II m max m ax 5 X X CC (33.19) (33.19) (33.19) La corrente efficace è data da un’espressione simile all’Equazione 33.19, con Ieff al posto di Imax e con DVeff al posto di DVmax. Usando l’Equazione 33.19, possiamo esprimere la tensione istantanea ai capi del (33.20) Dv C 5 DVmax sin vt 5 I max X C sin vt condensatore come sin vt vt 5 5 II max X (33.20) Dv 5 DV DVmax sin X C sin sin vt vt (33.20) Dv C 5 C max max C Le Equazioni 33.18 e 33.19 indicano che, quando la frequenza angolare del generatore di tensione aumenta, la reattanza capacitiva del circuito diminuisce, per cui la corrente massima aumenta. La frequenza angolare della corrente è determinata dalla frequenza angolare del generatore di tensione che alimenta il circuito. Quando la frequenza angolare tende a zero, la reattanza capacitiva tende all’infinito e, di conseguenza, la corrente tende a zero. Ciò è comprensibile, poiché, quando v tende a 0, il circuito tende alla condizione di circuito in corrente continua ed il condensatore rappresenta un collegamento aperto. Q uiz 33.3 Si consideri il circuito in c.a. mostrato in Figura 33.11. Se si cambia la frequenza angolare del generatore di c.a. mantenendo costante l’ampiezza della tensione applicata, in quale situazione la luce emessa dalla lampadina risulterà più intensa? (a) Ad alte frequenze. (b) A basse frequenze. (c) È identica a tutte le frequenze. R C Figura 33.11 (Quiz 33.3) Q uiz 33.4 Si consideri il circuito in c.a. mostrato in Figura 33.12. Se si cambia la frequenza angolare del generatore di c.a. mantenendo costante l’ampiezza della tensione applicata, in quale situazione la luce emessa dalla lampadina risulterà più intensa? (a) Ad alte frequenze. (b) A basse frequenze. (c) È identica a tutte le frequenze. R L C Figura 33.12 (Quiz 33.4) 33.5 Il circuito RLC in serie 1007 Esempio 33.3 Circuito in c.a. puramente capacitivo Un condensatore da 8.00 mF è collegato ai capi di un generatore di c.a. che fornisce una tensione efficace di 150 V a 60.0 Hz. Si calcolino la reattanza capacitiva e la corrente efficace nel circuito. SOLUZIONE Concettualizzare La Figura 33.9 mostra la situazione fisica analizzata in questo esempio. Si tenga presente che la reattanza capacitiva diminuisce all’aumentare della frequenza della tensione applicata. Classificare Si calcoleranno la reattanza e la corrente usando le equazioni ricavate in questo paragrafo, quindi questo esempio può essere classificato come un problema di sostituzione. 11 11 11 Si usa l’Equazione 33.18 per calcolare la reattanza X 5 X CC 5 512pf C 5 5 2p 1 60.0 Hz12 1 8.00 3 1026 51 vC 5 5 332 332 V V vC 2pf5 C 2p 1 60.0 Hz 2 1 8.00 3 1026 FF522 332 V XC 5 5 capacitiva: 26 vC 2pf C 2p 1 60.0 Hz 2 1 8.00 3 10 F 2 DV 150 DVeff 150 V V 5 0.452 A eff Per calcolare la corrente efficace, si usa l’Equazione II eff 5 5 5 0.452 A DVeffX 5 eff 5 150 V V 332 C X 332 V C5 5 0.452 A I eff 5 33.19, prendendo i valori efficaci di entrambi i XC 332 V membri: E SE? Se la frequenza fosse raddoppiata, come cambierebbe la corrente efficace nel circuito? Risposta Aumentando la frequenza, la reattanza capacitiva diminuisce, esattamente all’opposto di ciò che si veri- fica per un circuito induttivo. Diminuendo la reattanza capacitiva, quindi, aumenta la corrente. Si calcolano la nuova reattanza capacitiva a questa frequenza e la nuova corrente efficace: 11 11 5 X 5 166 166 V V X CC 5 51 vC 5 5 2p 1 120 Hz12 1 8.00 3 1026 vC 2p 1 120 Hz 2 1 8.00 3 1026 FF522 166 V XC 5 5 26 vC 2p 1 120 Hz 2 1 8.00 3 10 F 2 150 150 V V 5 0.904 A II ee ff ff 5 5 5 0.904 A 150 V 166 V 166 5 V 0.904 A Ieff 5 166 V 33.5 Il circuito RLC in serie Nei precedenti paragrafi abbiamo considerato singoli elementi circuitali collegati a un generatore di c.a. La Figura 33.13a mostra un circuito contenente un resistore, vLgeneratore vC di tensione alvR ad un un induttore ed un condensatore collegati in serie ternata. Se la tensione applicata varia sinusoidalmente nel tempo, la tensione istanR L C tanea è data dalla relazione Dv 5 DV sin vt Dv 5 DVmax max sin vt Dv 5 DVmax sin vt Nella Figura 33.13b sono mostrate le tensioni ai capi di ogni elemento del circuito in funzione del tempo e le loro relazioni di fase rispetto alla corrente, così come ricavate nei Paragrafi 33.2-33.4, nell’ipotesi che ciascun elemento sia collegato sina golarmente al generatore di tensione. i t vR t vR vL vC R L C vL t vC t a b i t Figura 33.13 (a) Un circuito in serie costituito da un resistore, un induttore e un condensatore collegati a un generatore di c.a. (b) Relazioni di fase tra corrente e tensioni nei singoli elementi circuitali se fossero collegati singolarmente al generatore di c.a. 1008Capitolo 33 ax Induttoregli elementi circuitali Condensatore Quando sono collegati tutti contemporaneamente al generatore di c.a., come in Figura 33.13a, la corrente nel circuito è data da VL Resistore v Imax VR a re Induttore VL v v VR Imax i 5 I max sin 1 vt 2 f 2 v v dove f è un certo angolo di faseI tra la corrente e la tensione applicata. Sulla base i 5maxI max sin 1 vt 2 f 2 della discussione fatta nei Paragrafi 33.3 e 33.4, ci aspettiamo che in un circuito RLC Imax qui considerato la corrente non sia in generale in fase con la tensione come quello VC applicata. Poiché gli elementi circuitali in Figura 33.13a sono in serie, in ogni istante la c i punti del circuito. Ovvero, in tutti i punti di un circuito bcorrente è la stessa in tutti in c.a. costituito da elementi in serie la corrente alternata ha la stessa ampiezza e la Condensatore stessa fase. Quindi, come abbiamo visto nei paragrafi precedenti, la tensione ai capi di ogni elemento avrà un’ampiezza e una fase diverse. In particolare, la tensione ai capi del resistore è in fase rispetto alla corrente, la tensione ai capi dell’induttore precede div90° la corrente e, infine, la tensione ai capi del condensatore è in ritardo di 90° rispetto alla corrente. Usando queste relazioni tra tensione e corrente, possiaImax 5 tre DVRelementi sin vt come (33.21) R 5 I max R mo esprimere la tensioneDv istantanea ai sin capivtdei VC p DVR sin vt 5 XI max R sin vt 5 5 IRmax Dv L Dv b 5 DVL cos vt L sin avt 1 2 p Dv L 5 I maxXL sin avt 1p b 5 DVL cos vt Dv C 5 I max X C sin avt 2 2b 5 2DVC cos vt 2 p Dv C 5 I max X C sin avt 2 b 5 2DVC cos vt 2 c b re Circuiti in corrente alternata Condensatore v v Imax Imax VC c Figura 33.14 Relazioni di fase fra i fasori della tensione e della corrente per (a) un resistore, (b) un induttore e (c) un condensatore connessi in serie. (33.22) (33.23) (33.23) La somma di queste tre tensioni deve uguagliare la tensione del generatore; tuttavia, poiché le tre differenze di potenziale hanno relazioni di fase diverse tra loro, non possono essere sommate direttamente. La Figura 33.14 mostra i fasori associati a questi tre elementi in un istante in cui la corrente che attraversa il circuito è istantaneamente nulla. La corrente nulla è rappresentata dal fasore della corrente che giace, in ciascuno dei tre grafici di figura, sull’asse orizzontale. Il fasore della tensione è disegnato in modo che, per ciascun elemento di circuito, formi un angolo di fase appropriato. I tre fasori di tensione rappresentati nella Figura 33.14 possono essere sommati utilizzando le regole del calcolo vettoriale, come mostrato nella Figura 33.15. In particolare, nella Figura 33.15a sono riportati, sulla stessa coppia di assi, i tre fasori di tensione della Figura 33.14. Nella Figura 33.15b è invece mostrata la loro somma vettoriale. Poiché i fasori DVL e DVC sono antiparalleli, possiamo costruire il fasore differenza DVL 2 DVC , che risulta perpendicolare al fasore DVR . Il diagramma mostra inoltre che il fasore risultante, somma vettoriale delle ampiezze di tensione DVR , DVL e DVC , è un fasore la cui lunghezza è uguale alla massima tensione applicata DVmax e che forma un angolo di fase f rispetto al fasore Imax. Dal triangolo rettangolo della Figura 33.15b si ottiene I fasori della Figura 33.14 vengono combinati su un unico sistema di assi. La tensione totale Vmax forma un angolo f con Imax. VL Vmax VL VC Figura 33.15 (a) Diagramma dei fasori per il circuito RLC in serie mostrato nella Figura 33.13a. (b) I fasori associati all’induttanza ed alla capacità vengono sommati fra loro e poi sommati vettorialmente al fasore associato alla resistenza. (33.21) (33.22) f v a VC Imax V R Imax VR v b 33.5 Il circuito RLC in serie 2 1 DV " 1 I max R 2 22 1 1 I max X L L 2 C 22 2 5 111 DV 1 DV 2 DV 2 5 " 1 I max R 2 2 1 1 I max X L L C 1 2 DV 2 2 5 " 1 I R 2 22 1 1 I max X L 1 1 DV DVLLL 2 DVCCC 2 2 5 " 1 I max max max R 2 1 1 I max max X L L 2 2 DV 5 I "R 2 1 1 XL 2 XC 2 2 max max 1 2 DV 5 I "R 2 1 XL 2 XC 2 max max DVmax 5 I max "R 22 1 1 X L 2 X C 2 22 DVmax max 5 I max max "R 1 1 X L L 2 XC C2 Possiamo quindi esprimere la corrente massima come DV max DV DVmax DVmax max max 5 "DVR22 5 "DV 5 "DVRR222 5 "DVRR 2 2 II max X C 22 2 2 X max C 2 I max X C 2 222 2 I max max X C C2 DV max DV 5 (33.24) DVmax 5 (33.24) 2 DVmax 2 max 1 2 5 "R (33.24) 2 X max 2 1 X 2 L C 5 (33.24) "R 2 1 1 XL 2 XC 2 2 "R 2 X 22 "R 22 1 1 11 X X LLL 2 X CCC 2 2 Anche in questo esempio l’espressione ricavata ha la stessa forma matematica dell’Equazione 27.7. Il denominatore della frazione gioca quindi il ruolo di una resistenza e verrà chiamato impedenza Z del circuito: II max max II max max max Z Z Z Z 2 " ; 2 "R " ; "R 2 "R " ; "R 22 ;" 1 1 1 1 11 X L X X LL 11 X L L 1009 2 2 X C 22 2 2 X C 22 2 X 2 X CCC 2 22 (33.25) (33.25) (33.25) (33.25) WW Corrente massima in un circuito RLC WW Impedenza L’impedenza si misura quindi in ohm. Possiamo, quindi, riscrivere l’Equazione 33.24 nella forma V DV max m ax V DV max m ax (33.26) II m V DV max ax 5 max ax 5 (33.26) VZm DV max ax 5 max m ax (33.26) II m max m ax max m ax 5 Z (33.26) max m ax Z max m ax Z L’Equazione 33.26 è l’equivalente in c.a. dell’Equazione 27.7. Si noti che, in un circuito in c.a., l’impedenza, e quindi la corrente, dipendono dalla resistenza, dall’induttanza, dalla capacità e dalla frequenza angolare (poiché le reattanze dipendono dalla frequenza angolare). Dal triangolo rettangolo mostrato nel diagramma dei fasori della Figura 33.15b si ricava che la differenza 21 di fase f traDV la corrente21e laI max tensione è DV DVL 2 I X 2 DVC XL 2 2 II max X XC f 5 tan 21 a DVL 2 DVC b 5 tan21 a I max X L 2 I max X C b C max L max X C b 5 tan f 5 tan b a 21 a DVL 21 I 2 DV X 2 I LDVR C b 5 tan21 a max max IL Lmax Rmax max C Cb 21 f 5 tan L C a DV II max R f 5 tan21 a R b 5 tan21 a b DV R DVRRR I max R max max X 2 21 X L 2X XC (33.27) f 5 tan 21 a X L 2 X C b (33.27) f 5 tan 21 a X L X CCC bb R L 2 21 (33.27) f 5 tan L a R (33.27) f 5 tan21 a b R R Imax WW Angolo di fase Vmax Se XL > XC (cioè alle alte frequenze), la differenza di fase è positiva, il che significa che la corrente è in ritardo rispetto alla tensione applicata, come nella Figura 33.15b. In questo caso si suole dire che il circuito è più induttivo che capacitivo. Al contrario, se XL < XC , la differenza di fase è negativa, il che significa che la corrente a è in anticipo rispetto alla tensione applicata, nel qual caso si dice che il circuito è più capacitivo che induttivo. Infine, quando XL V 5 XC , la differenza di fase è zero ed il max Vmax Imax circuito è puramente resistivo. Imax Q uiz 33.5 Si indichi per ognuno dei casi (a), (b) e (c) mostrati nella Figura 33.16 se risulta XL > XC , XL = XC oppure XL < XC . b a Imax Vmax Imax Vmax Vmax Imax a c b Imax Vmax Figura 33.16 (Quiz 33.5) Si associ ad ognuno dei diagrammi di fasori la corretta relazione tra le reattanze. Vmax Esempio 33.4 Analisi di un circuito serie RLC in serie Imax Un circuito RLC in serie ha R 5 425 V, L 5 1.25 H, C 5 3.50 mF ed è connesso ad un generatore di c.a. di frequenza f = 60.0 Hz e tensione DVmax 5 150 V. b (A) Si calcolino lac reattanza induttiva, quella capacitiva e l’impedenza del circuito. Vmax Imax segue 1010Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata ▸ 33.4 s e g u e SOLUZIONE Concettualizzare Il circuito da analizzare è mostrato nella Figura 33.13a. La corrente che scorre nella serie costituita dal resistore, dall’induttore e dal condensatore oscilla con una ben determinata fase rispetto alla tensione applicata. Classificare Quello analizzato è un semplice circuito RLC in serie, quindi per studiarlo si può usare l’approccio descritto nel presente paragrafo. Analizzare Si calcola la frequenza angolare: 21 5 2p(60.0 2pf 5 5 2p(60.0 2p(60.0 Hz) 5 377 ss21 v5 21377 v 2pf Hz) 52pf 2pf Hz)5 5377 377 5 s21 vv5 Hz) v552p(60.0 2pf 5 2p(60.0 Hz)s5 377 s21 21)(1.25 H) 5 471 V X L5 5(377 vL 5 5 (377 21 Si usa l’Equazione 33.10 per calcolare la reattanza induttiva: XX 5 X 5 vL (377 ss21 )(1.25 H) V vL )(1.25 H)5 5 471 4715 ss21 )(1.25 VV 471 LL 5vL X LL55(377 vL 5 (377 s21H) )(1.25 H) 5 471 V 11 1 5 11 5 1X 11 758 V V 5 Si usa l’Equazione 33.18 per calcolare la reattanza capacitiva: XX 5 1 5 1 5 XC5 21 26758 526 758 5 VV 758 21 CC 5 X C5 1 2 1 21 263 vC 21 F2 5 377 s 3.50 3 10 758 V 231 3.50 s213 1377 21 13.50 vCC 5 1vC 3775 F2 210 3.50 1026 vC ss 11 2377 F 10 26 F 2 2 2 1 vC 377 s 3.50 3 10 F 22 1 1 X 222 X 222 Si usa l’Equazione 33.25 per calcolare l’impedenza: 2 2 Z 5 "R 1 L C 1 Z 51 1 1XXL2L2 22 2 X C 2 2 1"R 2 XX 5"R "R ZZ5 CCL 1 X1 X Z 5 "R L 2 XC 2 2 2 2 2 5" " 425 V 1 471 V2 2 758 V513 5 513 V V 2222 1 2222 5 5 471 V 1 471 5" "1 1425 425 1 1V 2 758 V2 22758 5V 5 VV211122425 1 VV1112 758 5 VV 513 2 1 2 5 5" 425 V471 471 VV 2 758 V513 513 V (B) Si calcoli la corrente massima che scorre nel circuito. SOLUZIONE DV150 150 V V max VV 150 DV DVmax DV max max 55 55 5 0.293 0.293 A A DV150 150 V 5 max 5 max 5 5 IImax 5 5 0.293 IImax 0.293 max5 513 V V 5 AA0.293 I max 5 A ZZ513V V 513 ZZ 5 513 Z 513 V Si usa l’Equazione 33.26 per ricavare la corrente massima: (C) Si calcoli l’angolo di fase tra la corrente e la tensione applicata dal generatore. SOLUZIONE XL 2 2X XC 471 VV 2 758 V V 471 V 2 XLL21 2XaXX 21 21 X 2 471 2 758 V 758 471 VVa2 758 21 CCL 2 X C b 21 21 f21 5aatan tan 5 234.08 234.08 5atan tan X 2bb758 f 5 a 471 V425 bb 5 Lb 5 C b215 5tan tan 234.08 5 5V Si usa l’Equazione 33.27 per calcolare l’angolo di fase: ff5 5 234.08 tan 21 a b V R tan f 5 tan RR a a b 5 234.08 b 5a tan21425 425 V R 425VV 425 V R (D) Si calcoli la tensione massima ai capi di ciascun elemento del circuito. SOLUZIONE 10.293 DV 55 R5 5 A1A 0.293 A 425 V 5 124 V V 222112425 22 5 max 5 IImax R V 1 10.293 2 21 1425 DVRR5 5IDV Imax R 5 0.293 425A 5 124 124 DV VV 5 VV 124 RRR max DV R 5 I max R 5 1 0.293 A 2 1 425 V 2 5 124 V 10.293 55 X 5 1A 0.293 A 471 V 5 138 V V DV 222112471 22 5 max 5 IImax X V 1 10.293 2 21 1471 5IDV Imax X 0.293 471A 5 138 138 DVLL5 VV 5 VV 138 DV LLX LL 5 A max LL 5 DV L 5 I max X L 5 1 0.293 A 2 1 471 V 2 5 138 V 10.293 55 X 5 1A 0.293 A 758 V 5 222 V V DV 222112758 22 5 max 5 IImax X V 1 10.293 2 21 1758 5IDV Imax 0.293 758A 5 222 222 DVCC5 VV 5 VV 222 DV CCXX CC 5 A max CC 5 DV C 5 I max X C 5 1 0.293 A 2 1 758 V 2 5 222 V Si usano le Equazioni 33.2, 33.11 e 33.19 per calcolare le tensioni massime richieste: (E) Se un ingegnere volesse che la corrente fosse sfasata di 30.0° rispetto alla tensione, che induttanza dovrebbe utilizzare, senza modificare gli altri elementi del circuito? SOLUZIONE Si risolve l’Equazione 33.27 per la reattanza induttiva: Si sostituiscono le Equazioni 33.10 e 33.18 in questa espressione: Si ricava L: Si sostituiscono i valori assegnati: 5RX Xtan 1fR R tan tan f f X L1 5 5XXX XXLL5 CC 1f 1 R tan f XCCL15RXtan L C 1 5 11 1 R tan f 1vL 1tan 5 1ffR tan f vL5 5 vL 1R tan vL vC vL1 5RvC 1 R tan f vC vC vC 1 11 L 5 11 11 a 1 1fb R tan tan fb fb 1 5 1 1 R a 5 L 1 R tan a LL5 1 R tan a v a vC vC 5 1fb R tan fb vCv vv L vC v vC 11 11 115 11 1 425 V tan 11230.08 230.08 22 tan 22 dd 1 21 1 1 2d d 1 1425 1 1 230.08 21 cc 21 26 5 LL 5 126 425 tanV c LL5 1 VV21112425 tan c 21 2 1 2 1 1 21 21 263 21 377 F2 1 3.50 3 10 377 2 tan 12230.08 2d L5 425 V230.08 231 3.50 ss213 ss377 2 1 1377 21 13.50 1 1377 F2 210 3.50 1026 377 F ss2111 2377 10 21 2 ssc 1 2377 26 F 2 2 2 1 2 1 377 s 3.50 3 10 F 377 s 5 1.36 H H LL 5 5 1.36 1.36 H1.36 LL5 H L5 1.36 H Concludere Essendo la reattanza capacitiva maggiore di quella induttiva, il circuito è più capacitivo che induttivo. In tale situazione, l’angolo di fase f è negativo, quindi la corrente è in anticipo di fase rispetto alla tensione. 33.6 Potenza in un circuito in c.a. 1011 ▸ 33.4 s e g u e Usando le Equazioni 33.21, 33.22 e 33.23 si possono calcolare le tensioni massime ai capi di ciascun elemento: DvR 5 (124 V) sin 377t 5 377t 5RR (138 V) V) cossin 377t DvLDv 5 (124 (124 V) sin 377t Dv DvR 5 (124 V) sin 377t DvCDv 5L (2222 5 (138V) V)cos cos377t 377t Dv L 5 (138 V) cos 377t DvL 5 (138 V) cos 377t Dv V) cos DvCC 5 5 (2222 (2222 cos 377t 377t La somma dei valori massimi delle tre tensioni è unaV) quantità che ha un significato fisico? E SE? DvC 5 (2222 V) cos 377t Risposta La somma è DV R 1 DV L 1 DVC 5 484 V ed è molto maggiore della tensione in uscita dal generatore, che è 150 V. Tuttavia, è importante osservare che la somma dei valori massimi delle tensioni è una quantità priva di senso fisico, in quanto, sommando quantità che variano sinusoidalmente nel tempo, si deve tenere conto sia della loro ampiezza che della loro fase. I valori massimi calcolati per le tensioni si hanno in istanti temporali differenti. Le tensioni, al contrario, vanno sommate, come mostrato nella Figura 33.15, in modo da tenere conto delle relative differenze di fase. 33.6 Potenza in un circuito in c.a. Usiamo ora un approccio energetico per analizzare un circuito in c.a. e consideriamo il trasferimento di energia che avviene tra il generatore ed il circuito. La potenza fornita da una batteria ad un circuito in corrente continua è il prodotto fra la corrente che circola nel circuito e la tensione del generatore. Allo stesso modo, anche P 5 i Dv 5 I sin (vt 2 f) DVmax sin vt in un circuito in c.a. la potenzamax istantanea trasferita da una batteria al circuito è il P 5 I DV sin vt sin (vt 2 prodotto tra la corrente e la tensione applicata. Nel caso delvtcircuito RLC(33.28) mostrato P (vt 2 f) DV f) sin max5 max P5 5 ii Dv Dv 5 II max max sin (vt 2 f) DVmax max sin vt nella Figura 33.13a, possiamo esprimere la potenza istantanea P nella forma P 5 i Dv 5 I max sin (vt 2 f) DVmax sin vt P DV sin vt sin (vt 2 f) (33.28) P5 5 II max (33.28) max DVmax max sin vt sin (vt 2 f) P 5Pi 5 DvI 5 I sin (vt 2 f) DV sin vt DV sin vt sin (vt 2 f) (33.28) max max maxmax P 5 I max DVmax sin vt sin (vt 2 f) (33.28) Questa espressione è una complicata funzione del tempo, per cui non è molto utile da un punto di vista pratico.2 Quello che generalmente interessa è la potenza media P 5 I max DVmax sin vt cos f 2 I max DVmax sin vt cos vt sin f (33.29) su uno o più cicli. Tale media può essere calcolata sostituendo nell’Equazione 33.28 2 l’identità trigonometrica (vt 2 cos f) 5 cosvtvtcos sinvtf:sin f 2 vt P DV sinsin f sin 2 I vt cos DV f 2sin (33.29) P5 5 II max (33.29) max DVmax max sin vt cos f 2 I max max DVmax max sin vt cos vt sin f P 5 I max DVmax sin22 vt cos f 2 I max DVmax sin vt cos vt sin f (33.29) P 5 I max DVmax sin vt cos f 2 I max DVmax sin vt cos vt sin f (33.29) Facciamo ora la media di P su uno o più cicli, notando che I max, DVmax, f e v sono delle costanti. La media temporale del primo termine al secondo membro del­ l’Equa­zione 33.29 è proporzionale al valor medio di sin2 vt, che è –12 . La media temporale del secondo termine si annulla, poiché sin vt cos vt 5 –12 sin 2vt ed il valore I max DVesprimere (33.30) Pmedia 5 12quindi, max cos f la potenza media Pmedia medio di sin 2vt è zero. Possiamo, come 1 1I (33.30) Pmedia 5 max DVmax cos f P (33.30) media 5 2 2 I max DVmax cos f (33.30) Pmedia 5 12 I max DVmax cos f È conveniente esprimere la potenza media in funzione della corrente e della tensione efficaci, definite dalle 33.4 e 33.5: PmediaEquazioni 5 Ieff DV Veff cos f (33.31) Pmedia5 I DV V cos f (33.31) P Veff (33.31) media5 Ieff eff DV eff cos f Pmedia5 Ieff DV Veff cos f (33.31) in cui il fattore cos f è chiamato fattore di potenza. Esaminando la Figura 33.15b, vediamo che il valore massimo della tensione ai capi del resistore è DV R 5 DVmax cos f 5 I max R. Quindi, cos f 5 I max R/DVmax R5 R/Z e Pmedia DVeff può essere espressa Pmedia 5 I eff DVeff cos f 5 I eff DVeff a b 5 I eff a bR come Z ZDV R R b 5 I a DVeff eff R P media 5 eff DV eff cos eff DV eff a eff a DVeff b 5 II eff DVeff cos f f5 5 II eff DVeff Pmedia aR b 5 I eff bR Z Z Pmedia 5 I eff DVeff cos f 5 I eff DVeff a Z b 5 I eff a Z b R Z Z WW Potenza media trasferita ad un circuito RLC 1012Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Poiché DVeff/Z = Ieff , (33.32) P media 5 I 2effR In altre parole, la potenza media fornita dal generatore si converte in energia interna nel resistore, proprio come nel caso di un circuito percorso da corrente continua. Quando il carico è puramente resistivo, allora f 5 0 e cos f 5 1; dall’Equazione 33.31 si ottiene allora P media 5 I eff DVeff Si noti che in un circuito in c.a. non vi è potenza dissipata all’interno di elementi puramente induttivi o puramente capacitivi. Per vedere come ciò sia possibile, analizziamo il caso di un circuito in c.a. costituito solo da un generatore e da un condensatore. Quando la corrente nel circuito in c.a. inizia ad aumentare, circolando in una direzione, della carica inizia ad accumularsi sul condensatore ed una differenza di potenziale si instaura ai suoi capi. Quando tale tensione raggiunge il suo valore massimo, l’energia immagazzinata nel condensatore come energia potenziale elettrica è –12C(DVmax)2. Tuttavia, tale energia risulta immagazzinata nel condensatore solo momentaneamente. Infatti, il condensatore si carica e si scarica due volte per ogni ciclo: la carica viene depositata sulle sue armature durante due quarti del periodo e ritorna al generatore durante gli altri due quarti. Quindi, la potenza media fornita dal generatore è nulla. Di conseguenza, non avviene alcuna dissipazione di energia in un condensatore in un circuito in c.a. Consideriamo ora il caso di un induttore. Quando la corrente nell’induttore è massima, l’energia immagazzinata è massima ed è data da –12LI 2max. Quando la corrente inizia a diminuire, questa energia viene nuovamente trasferita al generatore mentre l’induttore cerca di opporsi alla diminuzione di corrente nel circuito. L’Equazione 33.31 mostra che la potenza fornita da un generatore di tensione alternata ad un circuito qualunque dipende dalla differenza di fase e questo risultato ha molte applicazioni interessanti. Per esempio, una fabbrica che usa grandi motori per macchine, generatori o trasformatori ha un grosso carico induttivo (a causa di tutte le bobine). Per rifornire la fabbrica della potenza necessaria ad alimentare questi apparecchi, evitando l’uso di tensioni di alimentazione eccessivamente grandi, i tecnici inseriscono nei circuiti capacità opportune per modificare la fase. Q uiz 33.6 Un generatore di tensione alternata alimenta un circuito RLC con una tensione di ampiezza fissata. Alla frequenza angolare v1, il circuito è più capacitivo che induttivo e l’angolo di fase è 210°. Se invece la frequenza angolare è v2, il circuito è più induttivo che capacitivo e l’angolo di fase è 110°. Per quale frequenza angolare si ha il massimo trasferimento di potenza al circuito? (a) Per v1. (b) Per v2. (c) La potenza trasferita è la stessa ad entrambe le frequenze angolari. Esempio 33.5 Potenza media trasferita ad un circuito RLC in serie Si calcoli la potenza media trasferita al circuito RLC in serie descritto nell’Esempio 33.4. SOLUZIONE Concettualizzare Si consideri il circuito mostrato nella Figura 33.13a e si immagini che una certa quantità di energia venga ad esso trasferita mediante un generatore di c.a. Può essere utile rivedere l’Esempio 33.4 per alcuni dettagli che riguardano tale circuito. Classificare Dal momento che per ottenere i risultati si useranno le equazioni ricavate in questo paragrafo, si può classificare questo esempio come un problema di sostituzione. Si usano l’Equazione 33.5 ed il valore massimo della tensione ricavato nell’Esempio 33.4 per calcolare la tensione efficace erogata dal generatore: DVeff 5 Analogamente si calcola la corrente efficace che scorre nel circuito: I eff 5 DVmax "2 I max "2 5 5 150 V "2 0.293 A "2 5 106 V 5 0.207 A 33.7 Risonanza in un circuito RLC in serie 1013 ▸ 33.5 s e g u e Si usa quindi l’Equazione 33.31 per calcolare la potenza trasferita dal generatore: Pmedia 5 I eff Veff cos f 5 (0.207 A)(106 V) cos (234.0°) I eff Veff cos f 5 (0.207 A)(106 V) cos (234.0°) Pmedia media 55 eff18.2 eff W 5 18.2 W 5 II eff VVeff cos cos ff 5 5 (0.207 (0.207 A)(106 A)(106 V) V)cos cos (234.0°) (234.0°) media5 PPmedia eff eff 33.7 Risonanza in un circuito RLC in serie 18.2 W W 5 18.2 5 Capitolo 15 abbiamo analizzato la risonanza nei sistemi meccanici oscillanti. Come abbiamo visto nel Capitolo 32, un circuito RLC in serie è un sistema elettrico oscillante. Un tale circuito si dice che è in risonanza quando la frequenza del generatore è tale che la corrente efficace che attraversa il circuito ha il massimo valore possibile. In generale, la corrente efficace può essere DV scritta come eff (33.33) I eff 5 Z DVeff eff (33.33) I eff eff 5 Z dove Z è l’impedenza. Sostituendo nell’Equazione 33.33 l’espressione di Z del­ DVeff l’Equazione 33.25, otteniamo la relazione eff Veff 5 DVDV (33.33) I eff 5 (33.33) I eff Z (33.34) I eff 5 2 Z 2 1 X L 2 XC 2 "R DV " 1Veff eff 5 (33.34) I eff eff 2 2 "R 2 1 1 X LL 2 X CC 2 2 " DV eff frequenza del generatore, anche la VVeff Dal momento che l’impedenza dipende DV dalla 5 (33.34) I eff 5 (33.34) I 2 2 eff corrente nel circuito RLC dipende dalla frequenza. 1 2 1 X L 2 X C 22 La pulsazione v 0, alla quale "R " 1 2 "R 1 X L 2 X C " X L 2 X C 5 0, è chiamata frequenza angolare di risonanza. Per trovare v0 usiamo la condizione X L 5 X C , da cui otteniamo v0 L 511/v0C ed anche v0 5 (33.35) 1 C "L " "LC WW Frequenza angolare di risonanza v 00 5 (33.35) "LC " "LC Si noti che questa frequenza angolare corrisponde anche alla frequenza angolare 11 5 (Par. (33.35) vv00LC 5 propria di oscillazione di un circuito 32.5). Quindi, in un circuito(33.35) RLC in "LCC " "LC "L " "LC serie la corrente efficace raggiunge il suo valore massimo quando la frequenza della tensione applicata coincide con la frequenza propria dell’oscillatore, che dipende solo da L e da C. Inoltre, a questa frequenza, la corrente è in fase con la tensione applicata. Q uiz 33.7 Com’è l’impedenza di un circuito RLC in serie in condizioni di risonanza? (a) Maggiore di R. (b) Minore di R. (c) Uguale ad R. (d) Impossibile da determinare. Un grafico della corrente efficace in funzione di v per un circuito RLC in serie è mostrato nella Figura 33.17a. Si sono usati i seguenti dati: DVeff 5 5.0 mV, L 5 5.0 mH e C 5 2.0 nF. Le tre curve corrispondono a tre valori differenti di R. Si noti che la corrente efficace raggiunge sempre il suo valore massimo alla frequenza angolare di risonanza v0. Inoltre, le curve diventano più strette e più alte al diminuire della resistenza. L’Equazione 33.34 mostra che, quando R = 0, la corrente alla risonanza diventa infinita. Sebbene l’equazione preveda un tale comportamento, c’è da osservare che 2 i circuiti reali presentano sempre una resistenza 1 DVqualche 1 DVeffche 2 2R limita il valore della eff 2 2 5I R 5 R 5 (33.36) P corrente ad un valoremedia finito.eff 22 2 R 2 11 X L2 22R 2 XC 22 DVZ DV1eff 1 eff 2 eff eff 2 2 Per un circuitoPRLC in serie si può anche calcolare la potenza media in funzione R5 (33.36) eff R 5 media5I eff 2 2 2 media 2 2 1 X LL 2si Xtrova R 2 e133.25 C della frequenza. Usando le EquazioniZ 33.32, 33.33 che C2 DVeff2222 DVeff2222RR 11DV 11DV 2 2 2 eff eff 2eff R 5 5I R 5 (33.36) P 1 L media 2 R 5 22 1 11Xv 2 2 (33.36) Pmedia 1 X L5I 2 eff X CR2 255 avL 2 Xv 22222 2 ZZ 2 2 vC22b RR5 1 2v 21 X LL 2 X CC02 2 1 X LL 2 X CC 2 22 5 avL 2 1 b 5 L 2 1 v 22 2 v 0022 2 22 v 2 (X L 2 X C)2 può essere espresso Poiché X L 5 vL, X C 5 1/vC e v02 5 1/LC,vC il termine come 1 22 LL22 2 2 XX C2222 5 5 avL 2 1 bb 5 5 2 11vv2 2 2 vv 0222222 avL 2 11XXLL 2 C 0 vC 2 v vC v 1014Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Figura 33.17 (a) La corrente efficace per un circuito RLC in serie per tre valori di R. (b) Potenza media trasferita ad un circuito RLC in serie in funzione della frequenza per tre valori di R diversi. La corrente raggiunge il suo valore massimo alla frequenza di risonanza v0. Ieff (mA) 1.6 1.4 7 6 1 R 5.0 0.8 5 4 0.6 R 10 0.4 R 3.5 3 R 5.0 v 2 0.2 a 8 R 3.5 1.2 0 Pmedia (mW) All’aumentare della resistenza, aumenta v0 nel punto di emipotenza. 1 v0 8 9 10 R 10 11 v (Mrad/s) 12 0 v0 8 9 10 11 v (Mrad/s) 12 b Sostituendo questo risultato nell’Equazione 33.36, si ottiene Potenza media in funzione della frequenza in un circuito RLC Fattore di qualità 22 222 Rv DVeff Rv 222 111 DV eff DV eff 2 Rv 5 (33.37) P media 5 (33.37) P 2 2 2 2 (33.37) Pmedia 2 2 2 2 1 v2 2 2 222 media 5 R R v 1 L 2 v R2 v v 1 1L L2 11 v 2v v0002 22 2 v2 2 Questa espressione mostra che alla risonanza, cioè quando v = v0, la potenza media è massima ed il suo valore è (DVeff)2/R. In Figura 33.17b è riportato il grafico della potenza media in funzione di v per tre valori di R. Più la resistenza diventa piccola, più la curva diventa stretta e ripida in prossimità della frequenza angolare di risonanza. La larghezza della curva intorno alla risonanza è usualmente descritta da un parametro adimensionale, noto come fattore di qualità,2 indicato con Q : v v v 000 Q 5 Q Q5 5 Dv Dv Dv dove Dv è la larghezza della curva misurata tra i due valori di v per i quali Pmedia ha un valore che è metà del suo valore massimo, detti punti di emipotenza (Fig. 33.17b). Si lascia ad un problema (Problema 76) la dimostrazione che la distanza tra i due punti di emipotenza è Dv 5 R/L, per cui L v0 L v (33.38) Q5 5 v00 L (33.38) Q (33.38) Q 5 R R R Un’applicazione importante di un circuito risonante è il circuito ricevente di una radio. La radio viene sintonizzata su una particolare stazione (che trasmette un’onda elettromagnetica o un segnale di frequenza fissata) variando una capacità, che cambia la frequenza di risonanza del circuito ricevente. Quando il circuito riceve un segnale di antenna indotto da un’oscillazione elettromagnetica, il circuito risonante risponde con un segnale elettrico di ampiezza significativa solo se la frequenza di risonanza è sintonizzata sulla frequenza della stazione radio. Quindi, solo il segnale di una stazione radio viene amplificato e inviato all’altoparlante, anche se molti altri segnali da altre stazioni radio sono ricevuti nello stesso tempo dal circuito. Dal momento che spesso su un certo intervallo di frequenze sono presenti più segnali, è importante progettare un circuito ricevente ad alto Q che elimini efficacemente i segnali indesiderati. In questo modo, le stazioni che hanno frequenze anche molto vicine alla frequenza di risonanza produrranno nel ricevitore segnali trascurabilmente piccoli rispetto a quella stazione che è sintonizzata sulla frequenza di risonanza. 2 Il fattore di qualità viene talvolta definito come il rapporto 2pE/DE, dove E è l’energia immagazzinata nel sistema e DE la diminuzione di energia durante un’oscillazione a causa della resistenza. 33.8 Il trasformatore e la trasmissione di potenza 1015 Esempio 33.6 Circuito RLC in serie risonante Si consideri un circuito RLC in serie per il quale si ha R 5 150 V, L 5 20.0 mH, DVeff 5 20.0 V e v 5 5 000 s21. Si calcoli il valore della capacità per cui la corrente è massima. SOLUZIONE Concettualizzare Si consideri il circuito mostrato nella Figura 33.13a e si immagini di far variare la frequenza del generatore di c.a. La corrente nel circuito è massima quando la frequenza è quella di risonanza v0. Classificare Si troverà il risultato utilizzando le equazioni sviluppate in questo paragrafo, quindi si può classificare questo esempio come un problema di sostituzione. Si usa l’Equazione 33.35 per trovare la capacità in funzione della frequenza di risonanza: v0 5 Si sostituiscono i valori numerici: C5 1 "LC S C5 33.8 Il trasformatore e la trasmissione di potenza Come discusso nel Paragrafo 27.6, quando si trasmette potenza elettrica su grandi distanze, è economico usare alta tensione e bassa corrente, in modo da minimizzare la perdita di potenza I 2R negli elettrodotti. Per questa ragione sono comuni elettrodotti da 350 kV e si cominciano ad usare anche elettrodotti a tensione ancora maggiore (765 kV). Agli estremi di tali elettrodotti l’utilizzatore richiede potenza a bassa tensione e alta corrente (per sicurezza e semplicità di progettazione). In pratica, la tensione viene ridotta a circa 20 000 V in una sottostazione di distribuzione, quindi a 4 000 V per l’erogazione ad un’area residenziale e infine a 120 V e 240 V al domicilio dell’utente. È quindi necessario un dispositivo con cui si possano aumentare (o diminuire) la tensione e la corrente alternate senza che ciò causi una variazione apprezzabile della potenza erogata. Il trasformatore in c.a. è il dispositivo usato a tale scopo. Nella sua forma più semplice, il trasformatore in c.a. consiste in due bobine avvolte attorno ad un nucleo di ferro dolce, come in Figura 33.18. (Si confronti questo insieme di dispositivi con quello relativo all’esperimento di Faraday, mostrato nella Fig. 31.2.) La bobina sulla sinistra, che è collegata alla sorgente di tensione alternata in ingresso e che ha N1 spire, è chiamata avvolgimento primario (o primario). La bobina sulla destra, di N2 spire e collegata alla resistenza di carico RL, è denominata avvolgimento secondario (o secondario). Lo scopo del nucleo di ferro è aumentare il flusso magnetico in ciascuna bobina e fornire un mezzo attraverso cui quasi tutto il flusso passi da una bobina all’altra. Le perdite dovute alle correnti parassite vengono ridotte usando un nucleo di ferro a lamelle. La perdita di energia interna nella resistenza finita dei fili delle bobine è di solito abbastanza piccola. I trasformatori tipici hanno un’efficienza in potenza che va dal 90% al 99%. Nella discussione che Ferro dolce V 1 N 1 N2 Primario (ingresso) V 2 RL Secondario (uscita) Figura 33.18 Un trasformatore ideale consiste in due bobine avvolte sullo stesso nucleo di ferro dolce. v 02 L 1 5 2.00 mF 1 5.00 3 103 s21 2 2 1 20.0 3 1023 H 2 Una tensione alternata V 1 è applicata alla bobina primaria e l’uscita V 2 alimenta una resistenza RL. 1 1016Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata segue considereremo un trasformatore ideale, per il quale non sono presenti perdite di energia negli avvolgimenti e nel nucleo. La legge di Faraday stabilisce che la tensione Dv1 ai capi del primario è dF dFBB (33.39) 2N Dv 1 5 1 dFB 5 2N (33.39) Dv 1 1 (33.39) Dv 1 5 2N1 dt dt dt dF B dF B (33.39) Dv 1 5 2N 2Nciascuna (33.39) Dv 11 5 dove FB è il flusso magnetico attraverso spira. Se ipotizziamo che tutte 1 dt dt le linee di campo magnetico siano confinate nel nucleo di ferro, allora il flusso attraverso ciascuna spira del primario è uguale al flusso attraverso ciascuna spira del secondario. La tensione ai capi del secondario sarà quindi dF dFBB (33.40) 2N Dv 2 5 2 dFB 5 2N (33.40) Dv 2 2 (33.40) Dv 2 5 2N2 dt dt dt dFB dF B 2N (33.40) Dv 2 5 (33.40) Dv 33.39 Ricavando d FB/dt dall’Equazione e 22sostituendolo nell’Equazione 33.40, si 2 5 2N dt dt trova che N 2 N (33.41) Dv N22 Dv 2 5 5 Dv 1 (33.41) Dv (33.41) Dv 22 5 N 1 Dv 1 1 N 1 N 1 2 N 2 5 (33.41) Dv 5 N Dv Dv 11 della tensione Dv1 in ingresso. (33.41) Dvè22 maggiore Se N2 . N1, la tensione Dv2 in uscita Un N11 trasformatore che opera in questo modo è detto trasformatore innalzatore. Se N2 , N1, la tensione in uscita è minore di quella in ingresso e si parla di trasformatore abbassatore. Uno schema circuitale relativo a un trasformatore collegato a una resistenza di carico è mostrato in Figura 33.19. Quando nel circuito primario circola una corrente I1, nel secondario circolerà una corrente indotta I2. (Nella presente trattazione, le lettere maiuscole I e DV si riferiscono ai corrispondenti valori efficaci.) Se il carico nel circuito secondario è un resistore puro, la corrente indotta sarà in fase con la tensione indotta. La potenza erogata al circuito secondario sarà fornita dal generatore che è collegato al primario. In un trasformatore ideale in cui non ci siano perdite di energia, la potenza I1 DV dal generatore è uguale alla potenza 1 fornita (33.42) I1 DV 1 5 I 2 DV2 (33.42) I2 DV2 nel circuito secondario, cioèII11 DV DV11 5 5 II22 DV DV22 (33.42) (33.42) (33.42) © Bettmann/CORBIS II1 DV 1 5 I2 DV2 1 DV1 5 I2 DV2 Nikola Tesla Fisico americano (1856–1943) Tesla nacque in Croazia, ma trascorse la maggior parte della sua vita professionale di inventore negli Stati Uniti. Fu una figura chiave nello sviluppo dell’elettricità in corrente alternata, dei trasformatori ad alta tensione e del trasporto di energia elettrica tramite linee di trasmissione in corrente alternata. Il punto di vista di Tesla, che poi sarebbe risultato vincente, era in contrasto con le idee di Thomas Edison che, per il trasporto di energia, sostenne sempre l’uso della corrente continua. Il valore della resistenza di carico RL determina il valore della corrente nel secon2 N 1 2 N dario, poiché I 2 5 DV2 /R L . Inoltre, la corrente nel primario è I 1 5 DV1/R eq, (33.43) dove 1 b2 R R 5 a N eq 5 a 1 b R L R (33.43) R eq (33.43) 2 b RL eq 5 a N L N 2 2 N 21 2 R 5 a N1 b RL (33.43) R eq (33.43) eq 5 a N b R L N 22 è la resistenza equivalente della resistenza di carico vista dal primario. Si può vedere da questa analisi che un trasformatore può adattare la resistenza del circuito primario alla resistenza di carico. In questo modo si può ottenere il massimo trasferimento di potenza da una data sorgente ad una resistenza di carico. Per esempio, un trasformatore connesso fra l’uscita di 1 kV di un amplificatore audio e l’altoparlante di 8 W assicura il massimo trasferimento di potenza dall’amplificatore all’altoparlante. Nella terminologia tecnica, questo si chiama adattamento di impedenza. Molti apparecchi elettronici casalinghi richiedono tensioni basse. La tensione giusta può essere fornita da un piccolo trasformatore, come quello mostrato nella Figura 33.20, che viene collegato direttamente alla presa a parete. La fotografia mostra i due avvolgimenti, stretti attorno allo stesso nucleo di ferro, che si trovano in tutte queste “scatole nere”. Questo trasformatore particolare è stato progettato Figura 33.19 Schema cir- I1 cuitale per un trasformatore. I2 RL v1 N1 N2 v2 33.8 Il trasformatore e la trasmissione di potenza Figura 33.20 I dispositivi Il primario di questo trasformatore è in contatto diretto con i due conduttori della spina. L’avvolgimento secondario è connesso al filo che si vede a destra e che alimenta un apparecchio elettrico. elettronici sono spesso alimentati da adattatori in c.a. contenenti trasformatori come questo. Tali adattatori modificano la tensione alternata. In molte applicazioni, questi adattatori convertono anche in corrente continua la corrente alternata in ingresso. © Cengage Learning/George Semple © Cengage Learning/George Semple 1017 Questo trasformatore è più piccolo di quello mostrato nella fotografia di apertura di questo capitolo. Inoltre, è un trasformatore che riduce la tensione, portandola da 4 000 V ai 240 V necessari per gli usi domestici americani. per convertire la tensione alternata di 120 V della presa a parete in 12.5 V, sempre alternata. (Sapreste calcolare il rapporto tra il numero di avvolgimenti delle due bobine?) Altre “scatole nere” contengono anche un diodo per convertire la corrente alternata in ingresso in corrente continua (Par. 33.9). Esempio 33.7 Costi della potenza fornita in c.a. Una centrale elettrica deve trasferire, ad una città che dista dalla centrale 1.0 km, una potenza di 20 MW. Nella centrale, l’energia viene prodotta alla tensione, tipica dei generatori commerciali, di 22 kV, ma un trasformatore innalzatore viene usato per aumentare la tensione fino a 230 kV prima del trasferimento alla città. (A) Se la resistenza dei fili dell’elettrodotto è 2.0 V e i costi della fornitura di energia sono 11 ¢/kWh, si stimi a quale costo giornaliero deve far fronte la compagnia elettrica a causa della conversione di energia in energia interna nei fili. SOLUZIONE Concettualizzare La resistenza dei fili è in serie con quella di carico (sia quella delle abitazioni sia quella per usi commerciali). Quindi, attraverso i fili si ha una caduta di tensione e questo implica che parte dell’energia trasmessa dalla compagnia viene convertita in energia interna dei fili e non raggiunge mai il carico di utilizzo. Classificare Questo problema richiede di calcolare la potenza trasferita ad un carico resistivo in un circuito in c.a. Si assumerà che nel carico di utilizzo non sia presente alcun elemento induttivo o capacitivo e si imporrà un fattore di potenza uguale ad 1. Pmedia 20 3 106 W 5 87 A 230 3 103 V Analizzare Si calcola la corrente efficace Ieff nei fili mediante l’Equa- I eff 5 Si calcola la velocità con cui l’energia viene trasferita alla resistenza dei fili mediante l’Equazione 33.32: Pfili 5 I 2eff R 5 1 87 A 2 2 1 2.0 V 2 5 15 kW Si calcola l’energia TET trasferita ai fili in un giorno: TET 5 Pfili Dt 5 1 15 kW 2 1 24 h 2 5 363 kWh Si determina il costo di questa energia se la tariffa di fornitura è 11 ¢/kWh: Costo 5 (360 kWh)($0.11/kWh) 5 $40 zione 33.31: DVeff 5 (B) Si ripeta il calcolo assumendo che la centrale trasferisca energia alla tensione di produzione di 22 kV. segue 1018Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata ▸ 33.7 s e g u e SOLUZIONE Pmedia 20 3 106 W 5 909 A 22 3 103 V Si calcola la corrente efficace che scorre nei fili usando l’Equazione 33.31: I eff 5 Dall’Equazione 33.32 si calcola la potenza con cui ­l’energia viene trasferita ai fili: 2 Pfili 5 I eff R 5 1 909 A 2 2 1 2.0 V 2 5 1.7 3 103 kW Si calcola l’energia trasferita ai fili durante un giorno: TET 5 Pfili Dt 5 1 1.7 3 103 kW 2 1 24 h 2 5 4.0 3 104 kWh Si calcola quindi il costo giornaliero di tale energia: Costo 5 (4.0 3 104 kWh)($0.11/kWh) 5 $4.4 3 103 DVeff 5 Concludere Si noti quanto l’impiego di un trasformatore capace di innalzare la tensione prima del trasferimento dell’energia elettrica permetta di avere un notevole risparmio economico. Tale risparmio, unito all’efficienza che si ha nell’usare corrente alternata per alimentare i motori elettrici, ha definitivamente imposto come standard universale l’uso della corrente alternata rispetto a quella continua nelle reti commerciali di distribuzione di potenza. 33.9 Raddrizzatori e filtri Gli apparecchi elettronici portatili, per esempio le radio e i lettori di compact disc, sono normalmente alimentati dalla corrente continua fornita da una batteria. Molti apparecchi vengono forniti con un convertitore c.a.–c.c. come quello mostrato nella Figura 33.20. Questi convertitori contengono un trasformatore che abbassa la tensione da 120 V a 6 V o a 9 V ed un circuito che converte la corrente alternata in corrente continua. Il processo di conversione di c.a. in c.c. è chiamato raddrizzamento e lo strumento è chiamato raddrizzatore. L’elemento più importante in un raddrizzatore è il diodo, un elemento di circuito che conduce corrente in un solo verso. Gran parte dei diodi usati nell’elettronica moderna sono diodi semiconduttori. Il simbolo circuitale per un diodo è , dove la freccia indica il verso della corrente che attraversa il diodo. Un diodo presenta una resistenza molto piccola quando la corrente scorre nel verso indicato dalla freccia, mentre offre una resistenza elevata alla corrente nel verso opposto. Si comprende come un diodo possa raddrizzare una corrente analizzando la Figura 33.21a, che mostra un diodo e un resistore connessi al secondario di un trasformatore. Il trasformatore riduce la tensione da 120 V in c.a. al valore più basso che alimenta l’apparecchio di resistenza R (la resistenza di carico). Poiché la corrente può passare attraverso il diodo in un solo verso, la corrente alternata nella resistenza di carico è ridotta alla forma mostrata dalla linea continua della Figura 33.21b. Il diodo conduDiodo C R Primario (ingresso) a iR La curva a tratto pieno mostra la corrente quando il condensatore di filtro è assente, mentre la curva tratteggiata rappresenta la corrente nel circuito con il condensatore. Figura 33.21 (a) Un raddrizzatore a mezza onda con un filtro capacitivo opzionale. (b) La corrente nel resistore in funzione del tempo. t b 33.9 Raddrizzatori e filtri 1019 ce corrente solo quando il ramo che contiene il simbolo con la freccia è a potenziale positivo rispetto all’altro. In questa situazione il diodo agisce come un raddrizzatore a mezza onda, perché la corrente scorre nel circuito solo per metà del ciclo. Quando al circuito viene aggiunto un condensatore, rappresentato in Figura 33.21a dal simbolo tratteggiato del condensatore, il circuito diviene il più semplice generatore di tensione continua. La corrente nella resistenza di carico (la curva tratteggiata in Fig. 33.21b) tende a zero e la sua variazione dipende dalla costante di tempo RC del circuito. Quando, sempre riferendosi alla Figura 33.21b, la corrente inizia ad aumentare al tempo t 5 0, il condensatore si carica. Tuttavia, quando la corrente inizia a diminuire, il condensatore si scarica attraverso la resistenza, e quindi la corrente nel resistore diminuisce meno rapidamente di quella nel trasformatore. Il circuito RC in Figura 33.21a è un esempio di circuito di filtro, che può essere usato per livellare o eliminare un segnale variabile nel tempo. Le radio, per esempio, sono di solito alimentate ad una tensione a 60 Hz in c.a. Dopo che è stata raddrizzata, la tensione conterrà ancora una piccola componente alternata da 60 Hz (nel linguaggio tecnico-scientifico chiamata ripple), che deve essere filtrata. Con “filtrare” intendiamo dire che il ripple a 60 Hz deve essere ridotto ad un valore molto più piccolo del segnale audio da amplificare, poiché senza filtraggio il segnale audio risultante presenterebbe un ronzio fastidioso a 60 Hz. Possiamo anche pensare a filtri che rispondano diversamente a seconda della frequenza. Consideriamo, ad esempio, il semplice circuito RC in serie mostrato nella Figura 33.22a. La tensione in ingresso è collegata alla serie dei due componenti, mentre l’uscita del circuito è rappresentata dalla tensione ai capi del resistore. Un grafico del rapporto tra la tensione di uscita e quella di ingresso in funzione del logaritmo della frequenza angolare del segnale (Fig. 33.22b) mostra che a basse frequenze DVout è molto minore di DVin, mentre queste due quantità sono pressoché uguali ad alte frequenze. Un circuito che, come questo, tende a far passare più facilmente in uscita segnali di alta frequenza che non quelli di bassa frequenza, è chiamato filtro RC passa-alto. (Per un’analisi dettagliata del funzionamento di filtri di questo tipo si veda il Problema 54.) Fisicamente, il funzionamento di un filtro passa-alto è basato sul fatto che il condensatore “blocca” sia la componente continua della corrente sia le componenti alternate a basse frequenze. Infatti, a basse frequenze la reattanza del condensatore è alta e la tensione ai capi di quest’ultimo è molto maggiore di quella ai capi del resistore. Quando la frequenza aumenta, la reattanza capacitiva diminuisce, e quindi la tensione ai capi della resistenza è molto maggiore di quella sull’elemento capacitivo. Consideriamo ora il circuito, mostrato in Figura 33.23a, in cui abbiamo scambiato tra loro il condensatore e il resistore e la tensione in uscita è presa ai capi del condensatore. A basse frequenze la reattanza del condensatore è alta, e quindi è alta la tensione tra le armature del condensatore, mentre alle alte frequenze accade l’opposto. Quindi, in questa configurazione il circuito si comporta come un filtro RC passa-basso. Il rapporto tra la tensione in uscita e quella in ingresso (si veda il Problema 56) in funzione del logaritmo della frequenza angolare v del segnale, mostrato nella Figura 33.23b, illustra questo comportamento. La tensione di uscita del filtro si avvicina moltissimo alla tensione di ingresso ad alte frequenze. C Vout/Vin 1 vin R Figura 33.22 (a) Un semplice vout log v a b filtro RC passa-alto. (b) Rapporto tra le tensioni di uscita e di ingresso in funzione della pulsazione del generatore di c.a. per un filtro RC passa-alto. v in 1020Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata C vout a Figura 33.23 (a) Un semplice La tensione di uscita del filtro si avvicina moltissimo alla tensione di ingresso a basse frequenze. filtro RC passa-basso. (b) Rapporto tra le tensioni di uscita e di ingresso in funzione della pulsazione del generatore di c.a. per un filtro RC passa-basso. R Vout/Vin 1 v in C vout log v a b La tensione di uscita del filtro si avvicina moltissimo alla tensione Probabilmente molti di voi avranno di ingresso a basse frequenze. familiarità con i “cross-over”, che sono una componente importante degli altoparlanti in un sistema audio di alta fedeltà. Questi componentiV utilizzano filtri passa-basso per pilotare alle basse frequenze uno out/Vin speciale tipo di altoparlante, il “woofer”, che riproduce bene le note basse. Le alte 1 frequenze vengono invece inviate agli altoparlanti “tweeter”, che riproducono le note alte. log v Sommario b Definizioni In un circuito in c.a. che contiene induttori e condensatori è utile definire la reattanza induttiva XL e la reattanza capacitiva XC come XLL;; ;vL vL (33.10) XX (33.10) vL (33.10) L X L ; vL (33.10) 11 XCC;; ; 1 (33.18) XX (33.18) (33.18) C vC vC vC 1 XC ; (33.18) vC angolare del gedove v è la frequenza neratore di tensione alternata. Nel sistema SI l’unità di misura della reattanza è l’ohm. L’impedenza Z di un circuito RLC in serie in c.a. 11 XLL22XXCC2 222 22 "R22211 11 X ZZ Z;; ;"R "R X 2X L C (33.25) (33.25) (33.25) 2 2 1 Xpossiamo Z ; "R L 2 X C 2 semplicemente (33.25) Questa espressione mostra che 1 non sommare la resistenza e la reattanza di un circuito. Dobbiamo infatti considerare che la tensione applicata e la corrente sono sfasate e che l’angolo di fase f tra corrente e tensione è dato dall’espressione XLL22 XCC 21 XX 2XX C f55 5tan tan21 (33.27) 21aa L ff (33.27) tan (33.27) a RR bbb R X 2 X L C f 5 tan 21 a (33.27) b Il segno di f è positivo quando XL è più R grande di XC e negativo quando XL è più piccolo. L’angolo di fase è nullo quando XL = XC. Concetti e principi La corrente efficace e la tensione efficace in un circuito in c.a. in cui la corrente e la tensione varino sinusoidalmente Inel I maxtempo sono definite dalle max 5 5 Imax (33.4) 50.707I 0.707Imax relazioni IIIeffeff55 (33.4) max (33.4) eff "2 5 0.707I max I"2 "2 max I eff 5 5 0.707I max (33.4) DV DV max "2 max DV max DV 5 (33.5) 5 0.707 DV DV (33.5) eff5 max DVeffeff 5 "2 550.707 (33.5) 0.707DV DVmax max "2 DV"2 max DVeff 5 5 0.707 DVmax (33.5) "2 dove Imax e DVmax sono i valori massimi. Se un circuito in c.a. è costituito solamente da un generatore e da un resistore, la corrente è in fase con la tensione. Pertanto, la corrente e la tensione raggiungono il lori valori massimi allo stesso tempo. In un circuito in c.a. costituito da un generatore e da un induttore la corrente è in ritardo di 90° rispetto alla tensione. Ciò vuol dire che la tensione raggiunge il suo valore massimo un quarto di periodo prima che la corrente raggiunga il suo valore massimo. In un circuito in c.a. costituito da un generatore e da un condensatore la corrente anticipa la tensione di 90°. Ciò vuol dire che la corrente raggiunge il suo valore massimo un quarto di periodo prima che la tensione raggiunga il suo valore massimo. 1021 Quesiti con risposta multipla La potenza media fornita da un generatore ad un circuito RLC è Pmedia 5 I eff DVeff cos f (33.31) Pmedia 5 I eff DVeff cos f (33.31) Pmedia55I I effDV DVeffcos cosff (33.31) Pmedia (33.31) eff eff Un’espressione equivalente per la2potenza media è Pmedia 5 I eff R (33.32) Pmedia 5 I 2eff 2R (33.32) (33.32) PPmedia55I I2effeffRR (33.32) La potenza media fornitamedia da un generatore viene dissipata come energia interna nel resistore. In un induttore o in un condensatore ideale non c’è perdita di potenza. Un circuito RLC in serie è in risonanza quando la reattanza induttiva è uguale alla reattanza capacitiva. Se questa condizione è verificata, la corrente efficace data dall’Equazione 33.34 raggiunge il suo valore massimo. La frequenza angolare di risonanza v0 del circuito è 1 (33.35) v0 5 1 (33.35) v 0 5 "LC 1 1 (33.35) v0 055"LC (33.35) In un circuito RLC in serievla corrente "LC raggiunge il suo valore massi"LC mo quando la frequenza angolare del generatore è uguale a v0, cioè quando la frequenza angolare che pilota il circuito è “sintonizzata” sulla frequenza angolare di risonanza. La corrente efficace in un circuito RLC in serie è DVeff I eff 5 (33.34) DVeff 2 2 1 Xeff I eff 5 "R 1DV (33.34) DV L 2 XC 2 2 (33.34) 1 X Leff2 X C 2 2 I Ieffeff55"R 1 (33.34) 1 X L22XX C2 22 2 "R2 2111 X "R L C Un trasformatore in c.a. è un dispositivo che permette di modificare le tensioni alternate secondo N2 la relazione Dv 2 5N2 Dv 1 (33.41) 1 1 Dv 2 5 NN (33.41) NDv 2 Dv 255N1 2 Dv Dv 1 (33.41) Dv (33.41) 2 1 NN1 1 dove N1 ed N2 sono, rispettivamente, il numero di avvolgimenti del primario e del secondario, mentre Dv1 e Dv2 sono le tensioni ai capi di queste bobine. Quesiti con risposta multipla 1. Un induttore ed un resistore sono collegati in serie ad un generatore di tensione alternata, come mostrato in Figura Q33.1. Si dica quali delle seguenti affermazioni sono vere immediatamente dopo la chiusura dell’interruttore S. (a) La corrente nel circuito vale DV/R. (b) La tensione ai capi dell’induttore è nulla. (c) La corrente nel circuito è nulla. (d) La tensione ai capi del resistore è DV. (e) La tensione ai capi dell’induttore è la metà del suo valore massimo. R L La tensione ai capi del resistore è sfasata rispetto alla corrente. (c) La tensione ai capi del condensatore è in anticipo di 90° rispetto alla corrente. (d) La corrente diminuisce all’aumentare della frequenza del generatore, ma il suo valore di picco rimane invariato. (e) Nessuna delle precedenti affermazioni è vera. R C S S Figura Q33.3 Figura Q33.1 2. (i) Collegando un certo induttore ad un generatore di tensione sinusoidale di una certa ampiezza e di frequenza 60.0 Hz, la corrente efficace è 3.00 A. Quanto vale la corrente efficace se si raddoppia la frequenza? (a) 12.0 A (b) 6.00 A (c) 4.24 A (d) 3.00 A (e) 1.50 A (ii) Si risponda nuovamente alla domanda (i) assumendo che il carico sia rappresentato da un condensatore invece che da un induttore. (iii) Si risponda nuovamente alla domanda (i) assumendo che il carico sia rappresentato da un resistore invece che da un induttore. 3. Un condensatore ed un resistore sono collegati in serie ad un generatore di tensione alternata come mostrato in Figura Q33.3. Si dica quali delle seguenti affermazioni sono vere immediatamente dopo la chiusura dell’interruttore. (a) La tensione ai capi del condensatore è in ritardo di 90° rispetto alla corrente. (b) 4.(i) Qual è la media temporale della tensione— a “onda quadra” mostrata in—Figura Q33.4? (a) √2 DVmax (b) DVmax (c) DVmax/√2 (d) DVmax/2 (e) DVmax/4 (ii) Qual è la tensione efficace? Si scelga tra le opzioni precedenti. v Vmax t 0 Figura Q33.4 5. Sia la tensione ai capi di un elemento circuitale massima quando la corrente nel circuito è nulla. Si dica quali delle seguenti affermazioni devono essere necessariamente vere. (a) L’elemento circuitale è un resistore. (b) L’elemento circuitale è un condensatore. (c) L’elemento circuitale è un induttore. (d) La corrente e la tensione sono sfasate di 90°. (e) La corrente e la tensione sono sfasate di 180°. 1022Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata 6. Una tensione che varia in modo sinusoidale ha un’ampiezza di 170 V. (i) Qual è il suo valore istantaneo minimo? (a) 170 V (b) 120 V (c) 0 (d) ]120 V (e) ]170 V (ii) Qual è il suo valore medio? (iii) Qual è il suo valore efficace? Si scelga ancora tra le opzioni precedenti in ciascuno degli ultimi due casi. 7. Un circuito RLC in serie è composto da un resistore da 20.0 Ω, un condensatore da 0.750 mF e un induttore da 120 mH. (i) Il circuito viene chiuso su un generatore di tensione alternata con tensione efficace di 120 V alla frequenza f = 500 Hz. Quale sarà la corrente efficace? (a) 2.33 A (b) 6.00 A (c) 10.0 A (d) 17.0 A (e) Nessuno di questi valori (ii) E se? Quale sarà la corrente efficace nel circuito alla frequenza di risonanza? Si scelga tra le stesse possibilità 8. Un resistore, un condensatore ed un induttore cono collegati in serie ad un generatore di tensione alternata. Si dica quale delle seguenti affermazioni è falsa. (a) La tensione istantanea ai capi del condensatore è in ritardo di 90° rispetto alla corrente. (b) La tensione istantanea ai capi dell’induttore è in anticipo di 90° rispetto alla corrente. (c) La tensione istantanea ai capi del resistore è in fase con la corrente. (d) Le tensioni ai capi del resistore, del condensatore e dell’induttore non sono in fase. (e) La tensione efficace nel circuito eguaglia la somma algebrica delle tensioni efficaci ai capi dei singoli elementi circui­ tali. 9. Dire in quale dei seguenti casi l’impedenza di un circuito RLC in serie eguaglia la resistenza del circuito. (a) La frequenza del generatore di tensione alternata è minore della frequenza di risonanza. (b) La frequenza del generatore è uguale alla frequenza di risonanza. (c) La frequenza del generatore è maggiore della frequenza di risonanza. (d) Sempre. (e) Mai. 10. Qual è l’angolo di fase in un circuito RLC in serie alla risonanza? (a) 180° (b) 90° (c) 0 (d) –90° (e) Nessuna di queste risposte è necessariamente corretta 11. Un circuito contenente un generatore di c. a., un condensatore, un induttore ed un resistore ha una risonanza ad alto Q alla frequenza di 1 000 Hz. Si ordinino, dal più grande al più piccolo, i seguenti contributi all’impedenza del circuito sia a tale frequenza che a frequenze maggiori e minori. Si indichino i casi di uguaglianza. (a) XC a 500 Hz (b) XC a 1 500 Hz (c) XL a 500 Hz (d) XL a 1 500 Hz (e) R a 1 000 Hz 12. Un trasformatore è costituito da un primario con 50 avvolgimenti ed un secondario con 100 avvolgimenti. Se una batteria da 6.00 V viene collegata al primario del trasformatore, quanto vale la tensione ai capi del secondario? (a) 24.0 V (b) 12.0 V (c) 6.00 V (d) 3.00 V (e) Nessuno dei valori precedenti 13. Gli amperometri ed i voltmetri in c.a. leggono (a) l’escursione tra il massimo ed il minimo del segnale, (b) il valore massimo, (c) il valore efficace oppure (d) il valore medio? Quesiti concettuali 1. (a) Si spieghi come il fattore di qualità dipenda dalle caratteristiche di risposta di un ricevitore radio. (b) Che cosa influisce maggiormente sul fattore di qualità? 2. (a) Si spieghi come il detto inglese “ELI the ICE man” possa servire per ricordare se la corrente è in anticipo o in ritardo di fase rispetto alla tensione in un circuito RLC. La lettera E indica la forza elettromotrice e. (b) Si spieghi come la parola “CIVIL” funga anch’essa da trucco mnemonico, dove V sta per voltaggio. 3. Come mai la somma delle tensioni massime ai capi di ogni elemento in un circuito RLC può essere maggiore della massima tensione applicata dal generatore? Perché la legge delle maglie di Kirchhoff non è violata? 4. (a) L’angolo di fase in un circuito RLC in serie dipende dalla frequenza? (b) Qual è l’angolo di fase per il circuito quando la reattanza induttiva e quella capacitiva sono uguali? 5. Si faccia una ricerca per rispondere alle seguenti domande: Chi ha inventato il metal detector? Perché? Quali sono i suoi limiti? 6. Come mostrato nella Figura QC33.6, una persona tira un aspirapolvere con velocità v su un pavimento orizzontale, esercitando su di esso una forza di intensità F diretta verso l’alto e formante un angolo u con l’asse orizzontale. (a) Qual è la potenza trasferita dalla persona all’aspirapolvere? (b) Si confronti questa situazione con quanto avviene nel caso dei trasferimenti di potenza in un circuito elettrico. S F S v u Figura QC33.6 7. Un certo generatore di potenza può essere schematizzato come una f.e.m. in serie con una resistenza di 10 Ω ed una reattanza induttiva di 5 Ω. Per massimizzare la potenza trasferita al carico, si trova che quest’ultimo dovrebbe avere una resistenza RL 5 10 Ω, una reattanza induttiva nulla ed una reattanza capacitiva di 5 Ω. (a) Con questo carico, il circuito è in condizioni di risonanza? (b) Con questo carico, quale frazione della potenza media erogata dal generatore di f.e.m. viene trasferita al carico? (c) Per aumentare la potenza trasferita al carico, come andrebbe cambiato quest’ultimo? Potrebbe essere utile rivedere l’Esempio 28.2 ed il Problema 4 del Capitolo 28, che trattano della massima potenza trasferita nel caso di circuiti in c.c. 8. Un trasformatore potrebbe funzionare se si usasse come tensione di ingresso nel primario una batteria? Si spieghi. 9. (a) Perché un condensatore agisce come un cortocircuito ad alte frequenze? (b) Perché invece si comporta come un circuito aperto a basse frequenze? Problemi 10. Una tempesta rompe una linea di trasmissione, interrompendo la fornitura di potenza elettrica ad una città. Un abitante accende un generatore a 120 V, che funziona a gasolio, attaccandone gli estremi ai poli positivo e negativo del pannello elettrico della propria casa. L’elettricità arriva alla casa dalla rete elettrica centrale e viene convertita alla tensione di utilizzo domestico, più bassa, mediante un trasformatore fissato su 1023 un palo esterno all’abitazione. Tale trasformatore ha un rapporto tra gli avvolgimenti nel primario e nel secondario N1/N2 uguale a 100 : 1. Se un tecnico si arrampica sul palo per sistemare il guasto, quale tensione troverà sul polo di ingresso del trasformatore? Come si capisce da questo semplice esempio, è necessario essere molto cauti nell’uso di generatori autonomi anche durante i black-out. Problemi 1. facile; 2. intermedio; 3. impegnativo Paragrafo 33.1 Generatori di c.a. Paragrafo 33.2 Resistori in un circuito in c.a. 1. Un resistore da 12.0 Ω, collegato ad un generatore di tensione alternata, viene attraversato da una corrente con valore efficace di 8.00 A. Si determinino (a) il valore della tensione efficace ai capi del resistore, (b) il valore di picco della tensione fornita dal generatore, (c) la corrente massima nel resistore e (d) la potenza media dissipata sul resistore. 2. (a) Qual è la resistenza di una lampadina che assorbe una potenza media di 75.0 W quando è collegata a un generatore di tensione massima 170 V e di frequenza 60.0 Hz? (b) E se? Qual è la resistenza di una lampadina da 100 W? 3. Un generatore di c.a. eroga una tensione massima DVmax 5 100 V ed è collegato ad un resistore con R = 24.0 Ω. Corrente e tensione ai capi del resistore vengono misurate da un amperometro e da un voltmetro in c.a. ideali nel modo indicato in Figura P33.3. Un amperometro ideale ha resistenza nulla, mentre un voltmetro ideale ha resistenza infinita. Qual è la lettura (a) sull’amperometro e (b) sul voltmetro? V max A R 6. Nel circuito in c.a. mostrato in Figura P33.5, R 5 70.0 Ω e la tensione di uscita del generatore di c.a. è DV 5 DVmax sin vt. (a) Se, per la prima volta a t 5 0.010 0 s, DVR 5 0.250 DVmax, qual è la frequenza angolare del generatore? (b) Qual è il valore successivo di t al quale DVR 5 0.250 DVmax? 7. Un amplificatore audio, rappresentato in Figura P33.7 dal generatore di c.a. e dal resistore, invia ad un altoparlante una tensione alternata a frequenze audio. Se la tensione del generatore ha ampiezza 15.0 V, R 5 8.20 Ω e l’altoparlante è equivalente ad un resistore da 10.4 Ω, qual è la potenza media che viene trasferita all’altoparlante? R Altoparlante Figura P33.7 8. La Figura P33.8 mostra tre lampadine collegate a un generatore di c.a. domestico con tensione efficace di 120 V. Le lampadine 1 e 2 hanno una potenza di 150 W, mentre la lampadina 3 ha una potenza di 100 W. Si trovino (a) la corrente efficace in ciascuna lampadina e (b) la resistenza di ciascuna lampadina. (c) Qual è la resistenza totale della combinazione delle tre lampadine? 120 V 1 2 3 V Figura P33.3 4. Una lampadina dissipa una potenza di 60.0 W quando ai suoi capi viene applicata una tensione efficace di 220 V. Si determinino (a) la tensione di picco ai capi della lampadina e (b) il valore della resistenza. (c) Una lampadina da 100 W ha un valore di resistenza maggiore o minore rispetto alla lampadina da 60.0 W? Si motivi la risposta. Vmax sin vt 5. La corrente nel circuiR to mostrato nella Figura P33.5 raggiunge il 60.0% del valore di picco a t 5 7.00 ms. Qual è la minima frequenza del generatore Figura P33.5 Problemi 5 e 6. che eroga questa corrente? Figura P33.8 Paragrafo 33.3 Induttori in un circuito in c.a. 9. Un induttore ha una reattanza di 54.0 Ω a 60.0 Hz. Se questo induttore viene collegato ad un generatore a 50.0 Hz che eroga una tensione efficace di 100 V, quale sarà la corrente massima? 10. Nel circuito in c.a. puramente induttivo mostrato nella Figura P33.10, DVmax 5 100 V. (a) Si calcoli l’induttanza L, sapendo che la corrente massima alla frequenza di 50.0 Hz è 7.50 A. (b) E se? Per quale valore della pulsazione v il valore massimo della corrente si ridurrà a 2.50 A? 1024Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata Vmax sin vt L Figura P33.10 Problemi 10 e 11. 11.Nel circuito mostrato nella Figura P33.10, DVmax 5 80.0 V, v 5 65.0 p rad/s e L 5 70.0 mH. Si calcoli la corrente nell’induttore a t = 15.5 ms. 12. Un induttore è collegato ad un generatore di tensione alternata con DVmax = 4.00 V alla frequenza f = 300 Hz. Quale valore di induttanza deve essere scelto per mantenere il valore della corrente efficace al di sotto di 2.00 mA? 13. Un generatore di tensione alternata fornisce in uscita una tensione efficace di 78.0 V alla frequenza di 80.0 Hz. Se il generatore viene collegato ad un induttore da 25.0 mH, si determinino (a) la reattanza induttiva del circuito, (b) il valore efficace della corrente nel circuito e (c) la massima corrente nel circuito. 14.Un induttore da 20.0 mH è collegato ad una presa standard americana (DVeff 5 120 V, f 5 60.0 Hz). Si determini l’energia immagazzinata nell’induttore a 1 s, facendo l’ipotesi che l’energia immagazzinat5— 180 ta a t 5 0 sia nulla. 15. Problema di riepilogo. Si determini il flusso magnetico massimo che attraversa un induttore collegato ad una presa standard americana (DVeff 5 120 V, f 5 60.0 Hz). 16. Un generatore di tensione alternata con Dv 5 120 sin 30.0pt viene collegato ad un induttore da 0.500 H. Si determinino (a) la frequenza del generatore, (b) il valore efficace della tensione ai capi dell’induttore, (c) la reattanza induttiva del circuito, (d) il valore della corrente efficace nell’induttore e (e) il valore della corrente massima nell’induttore. Paragrafo 33.4 Condensatori in un circuito in c.a. 17. Un condensatore da 1.00 mF è collegato ad una presa standard americana (DVeff = 120 V, f = 60.0 Hz). Si de1 s, facentermini la corrente nel condensatore a t 5 — 180 do l’ipotesi che l’energia immagazzinata nel condensatore a t = 0 sia nulla. 18. Un generatore di tensione alternata fornisce in uscita un valore efficace di 36.0 V ad una frequenza di 60.0 Hz. Se esso viene collegato ad un condensatore da 12.0 mF, si determinino, per il circuito, (a) la reattanza capacitiva, (b) il valore della corrente efficace e (c) il valore della corrente massima. (d) In corrispondenza del valore massimo di corrente, la carica sul condensatore è massima? Si motivi la risposta. 19. (a) Per quali frequenze un condensatore da 22.0 mF ha una reattanza minore di 175 Ω? (b) E se? In questo intervallo di frequenze quale sarà la reattanza di un condensatore da 44.0 mF? 20. Un generatore di tensione alternata con Dv 5 98.0 sin 80pt è collegato ad un condensatore. La corrente massima nel circuito vale 0.500 A. Si determinino (a) la tensione efficace fornita dal generatore, (b) la frequenza del generatore e (c) il valore della capacità. 21. Qual è la corrente massima che può erogare un generatore di c.a. con DVmax 5 48.0 V e f 5 90.0 Hz quando è collegato ai capi di un condensatore da 3.70 mF? 22. Un condensatore C è collegato ad un generatore che opera alla frequenza f e produce una tensione efficace DV. Qual è la carica massima che si accumula sulle sue armature? 23.Qual è la corrente massima in un condensatore da 2.20 mF quando è collegato (a) ad una presa standard americana (DVeff 5 120 V e f = 60.0 Hz) e (b) ad una presa standard europea (DVeff = 240 V e f = 50.0 Hz)? Paragrafo 33.5 Il circuito RLC in serie 24. Un generatore di c.a. con DVmax 5 150 V e f 5 50.0 Hz è collegato tra i punti a e d come in Figura P33.24. Si calcoli la differenza di potenziale massima fra i punti (a) a e b, (b) b e c, (c) c e d, (d) b e d. a b 40.0 c 185 mH d 65.0 mF Figura P33.24 Problemi 24 e 81. 25. Oltre ai diagrammi dei fasori relativi alle tensioni, come in Figura 33.15, è possibile disegnare diagrammi dei fasori relativi a resistenze e reattanze. La risultante della somma dei fasori è l’impedenza. Si disegni in scala un diagramma dei fasori che rappresenti Z, XL, XC e f per un circuito in c.a. in serie che ha R 5 300 Ω, C 5 11.0 mF, L 5 0.200 H e f 5 500/p Hz. 26. Una tensione sinusoidale Dv 5 40.0 sin 100t, con Dv in volt e t in secondi, è applicata ad un circuito RLC in serie con L = 160 mH, C = 99.0 mF e R 5 68.0 Ω. (a) Qual è l’impedenza del circuito? (b) Qual è la corrente massima? Si determinino i valori numerici di (c) v e (d) f nell’equazione i 5 Imax sin (vt – f). 27. Un circuito in c.a. in serie contiene un resistore un induttore da 150 mH, un condensatore da 5.00 mF ed un generatore che opera a 50.0 Hz con DVmax 5 240 V. La corrente massima nel circuito è di 100 mA. Si calcolino (a) la reattanza induttiva, (b) la reattanza capacitiva, (c) l’impedenza, (d) la resistenza nel circuito e (e) l’angolo di fase fra corrente e tensione del generatore. 28. A quale frequenza la reattanza induttiva di un induttore da 57.0 mH sarà uguale alla reattanza capacitiva di un condensatore da 57.0 mF? 29. Un circuito RLC in serie è costituito da un resistore da 150 Ω, un condensatore da 21.0 mF e un induttore da 460 mH collegati in serie a un generatore da 120 V e 60.0 Hz. (a) Qual è l’angolo di fase tra corrente e tensione applicata? (b) Il valore massimo è raggiunto prima dalla tensione o dalla corrente? 30. Si disegnino i fasori per le seguenti tensioni in unità SI: (a) 25.0 sin vt quando vt = 90.0°; (b) 30.0 sin vt quando vt = 60.0°; (c) 18.0 sin vt quando vt = 300°. 31. Un induttore (L = 400 mH), un condensatore (C = 4.43 mF) e un resistore (R 5 500 Ω) sono collegati in serie. Un generatore di tensione alternata a 50.0 Hz produce nel circuito una corrente di picco di 250 mA. Problemi (a) Si calcoli la tensione di picco DVmax del generatore. (b) Si determini l’angolo di fase di cui la corrente è in anticipo o in ritardo rispetto alla tensione applicata. 32. Un resistore da 60.0 Ω è collegato in serie con un condensatore da 30.0 mF e una sorgente la cui massima tensione è 120 V ed opera alla frequenza di 60.0 Hz. Si determinino (a) la reattanza capacitiva del circuito, (b) l’impedenza del circuito e (c) la corrente massima nel circuito. (d) La tensione è in anticipo o in ritardo rispetto alla corrente? (e) La corrente varia se si aggiunge in serie a questi elementi un ulteriore induttore? Si motivi la risposta. 33. Problema di riepilogo. In un circuito RLC in serie nel quale è presente un generatore di corrente alternata di frequenza e tensione fissate e note, la resistenza R è uguale alla reattanza induttiva. Se la distanza tra le armature del condensatore piano viene dimezzata, la corrente nel circuito raddoppia. Si calcoli la reattanza capacitiva iniziale esprimendola in funzione di R. Paragrafo 33.6 Potenza in un circuito in c.a. 34. Perché ciò è impossibile? Un altoparlante di resistenza R e induttanza L è collegato ad un generatore ideale di tensione alternata (capacità ed induttanza interna trascurabili) con una tensione efficace DV alla frequenza f. Variando l’induttanza L del circuito, si ottiene per questo circuito un fattore di potenza del valore di 1.00? 35. Un circuito RLC in serie ha una resistenza di 45.0 Ω e un’impedenza di 75.0 Ω. Quale potenza media sarà erogata a questo circuito quando DVeff = 210 V? 36. Una tensione alternata di forma Dv 5 100 sin 1 000t, con Dv in volt e t in secondi, è applicata ad un circuito RLC in serie. Se la resistenza è 400 Ω, la capacità 5.00 mF e l’induttanza 0.500 H, si trovi la potenza media fornita al circuito. 37. Un circuito RLC in serie ha una resistenza di 22.0 Ω ed una impedenza di 80.0 Ω. Se la tensione efficace applicata al circuito vale 160 V, qual è la potenza media fornita al circuito? 38. Un generatore di tensione alternata Dv 5 90.0 sin 350t è collegato ad un circuito RLC in serie. Se R = 50.0 Ω, C = 25.0 mF, L = 0.200 H, si determinino (a) l’impedenza del circuito, (b) la corrente efficace nel circuito e (c) la potenza media fornita al circuito. 39. In un circuito RLC in serie Ieff = 9.00 A, DVeff = 180 V e la corrente anticipa la tensione di 37.0°. (a) Qual è la resistenza totale del circuito? (b) Qual è la reattanza (XL – XC) del circuito? 40. Ci si metta nei panni di un dirigente di un’azienda che usa molti motori elettrici. I motori costituiscono, per la linea elettrica di potenza, sia un grosso carico induttivo che un carico resistivo. La compagnia elettrica costruisce per l’azienda una linea di distribuzione che fornisce una componente della corrente sfasata di 90° rispetto alla tensione ed anche una componente della corrente in fase con la tensione. Il gestore carica un costo ulteriore per la “reattività volt-amperomotrice” in aggiunta al costo dell’energia utilizzata. Si potrebbe risparmiare il costo extra installando un condensatore fra linea di potenza e azienda. Il problema seguente schematizza la soluzione. 1025 In un circuito RL, un generatore da 120 V (efficaci) a 60.0 Hz è in serie ad un induttore da 25.0 mH e ad un resistore da 20.0 Ω. Quali sono (a) la corrente efficace e (b) il fattore di potenza? (c) Quale condensatore deve essere aggiunto in serie per rendere il fattore di potenza uguale a 1? (d) A quale valore può essere ridotta la tensione della sorgente perché la potenza erogata sia la stessa di quella erogata prima dell’installazione del condensatore? 41. Un diodo è un elemento di circuito che permette il passaggio di corrente solo in un verso (quello indicato dalla freccia del simbolo che lo rappresenta). Si trovi, in termini di DVeff e di R, la potenza media erogata al circuito di Figura P33.41. 2R R R R Veff Figura P33.41 Paragrafo 33.7 Risonanza in un circuito RLC in serie 42. Un circuito RLC in serie ha componenti con i seguenti valori: L 5 20.0 mH, C 5 100 nF, R 5 20.0 Ω e DVmax 5 100 V, con Dv 5 DVmax sin vt. Si trovino (a) la frequenza di risonanza del circuito, (b) l’ampiezza della corrente alla frequenza di risonanza, (c) il fattore di qualità Q del circuito e (d) l’ampiezza della tensione ai capi dell’induttore alla risonanza. 43. Un circuito RLC in serie è usato in una radio per sintonizzare il segnale di una stazione radiotrasmittente FM a f = 99.7 MHz. La resistenza nel circuito è R = 12.0 Ω e l’induttanza è L = 1.40 mH. Quale capacità deve essere utilizzata? 44. Il circuito LC di un trasmettitore radar oscilla alla frequenza di 9.00 GHz. (a) A quale valore dell’induttanza si ottiene una condizione di risonanza nel circuito se la capacità vale 2.00 pF? (b) Qual è la reattanza induttiva del circuito a questa frequenza? 45. Un resistore da 10.0 Ω, un induttore da 10.0 mH e un condensatore da 100 mF sono connessi in serie ad un generatore a frequenza variabile di tensione efficace 50.0 V. Qual è l’energia fornita al circuito in un periodo se la frequenza di funzionamento è il doppio della frequenza di risonanza? 46. Un resistore R, un induttore L e un condensatore C sono connessi in serie ad un generatore di c.a. a frequenza variabile di tensione efficace DV. Qual è l’energia fornita al circuito in un periodo se la frequenza di funzionamento è il doppio della frequenza di risonanza? 47. Problema di riepilogo. Un trasmettitore radar contiene un circuito LC che oscilla alla frequenza di 1.00 3 1010 Hz. (a) Qual è la capacità del condensatore che, in serie con una bobina di una singola spira e di induttanza 400 pH, fa risuonare il circuito a questa frequenza? (b) Se tale condensatore è piano ed ha le armature quadrate separate da un’intercapedine di 1.00 mm di aria, quale deve essere il lato delle armature? 1026Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata (c) Qual è la reattanza dell’insieme bobina-condensatore alla risonanza? Paragrafo 33.8 Il trasformatore e la trasmissione di potenza 48. Un trasformatore abbassatore è usato per ricaricare le batterie di uno strumento portatile, come per esempio un lettore DVD. Il rapporto fra gli avvolgimenti del trasformatore è N1/N2 = 13 : 1 ed il trasformatore è connesso ad una presa a 120 V (efficaci). Se il trasformatore assorbe una corrente efficace di 20.0 mA dalla presa a parete, quali sono (a) la tensione efficace in uscita dal trasformatore e (b) la potenza viene erogata al lettore DVD? 49. La bobina primaria di un trasformatore ha N1 5 350 spire e la bobina secondaria ha N2 5 2 000 spire. Se la tensione in ingresso al primario è Dv 5 170 cos vt, con Dv in volt e t in secondi, qual è la tensione efficace ai capi del secondario? 50. Una linea elettrica ha una resistenza per unità di lunghezza di 4.50 3 10–4 Ω/m ed è utilizzata per trasmettere una potenza di 5.00 MW su una distanza di 6.44 3 105 m. La tensione in uscita del generatore è 4.50 kV. (a) Se si usa un trasformatore per innalzare la tensione a 500 kV, qual è la caduta sulla linea? (b) In queste condizioni quale frazione della potenza in ingresso viene persa lungo la linea? (c) E se? Quali difficoltà si incontrerebbero se si tentasse di trasmettere i 5.00 MW alla tensione di 4.50 kV del generatore? 51. Nel trasformatore mostrato in Figura P33.51, la resistenza di carico RL vale 50.0 Ω, il rapporto N1/N2 vale 2.50 e la tensione efficace DVs del generatore vale 80.0 V. Se con un voltmetro si misura ai capi della resistenza di carico una tensione efficace di 25.0 V, qual è il valore della resistenza del generatore Rs? Rs N1 Vs N2 RL Paragrafo 33.9 Raddrizzatori e filtri 53. Il filtro RC passa-alto mostrato in Figura P33.53 ha una resistenza R = 0.500 Ω e una capacità C = 613 mF. Qual è il rapporto fra le ampiezze di uscita e di ingresso per questo filtro se il generatore ha una frequenza di 600 Hz? C v in R Figura P33.53 Problemi 53 e 54. 54. Si consideri il filtro RC passa-alto mostrato in Figura P33.53. (a) Si trovi un’espressione per il rapporto tra la tensione in uscita e quella in ingresso in termini di R, C e della frequenza del generatore di c.a. v. (b) A quale valore tende tale rapporto quando la frequenza tende a zero? (c) A quale valore tende tale rapporto quando la frequenza tende a infinito? 55. Un particolare alimentatore per radio è visivamente simile all’apparecchio mostrato in Figura 33.20 e riporta le seguenti caratteristiche: Ingresso 120 V c.a. 8 W, Uscita 9 V c.c. 300 mA. Si assuma che questi valori siano accurati a due cifre decimali. (a) Si calcoli l’efficienza di trasferimento dell’energia tra l’ingresso e l’uscita del dispositivo quando la radio è accesa. (b) Quale potenza viene persa nel dispositivo mentre la radio è in funzione? (c) Si supponga che la potenza all’ingresso del trasformatore sia 8.00 W quando la radio è spenta e si assuma una tariffa per la fornitura di energia elettrica di 0.110 $/kWh. Si calcoli quanto costa tenere sei alimentatori collegati in casa per 31 giorni. 56. Si consideri il filtro mostrato nella Figura P33.56. (a) Si mostri che il rapporto tra la tensione in uscita e quella in ingresso è 1/vC DVout 5 DVin Figura P33.51 Å 52. Una persona si trova nelle vicinanze di un trasformatore, come mostrato nella Figura P33.52. La tensione sul primario è 120 V a 60.0 Hz. La tensione sul secondario vale 5 000 V. La capacità parassita Cs fra la mano e il secondario vale 20.0 pF. Schematizzando il corpo della persona come una resistenza verso massa Rb = 50.0 kΩ, si determini la tensione efficace applicata al corpo. Suggerimento: si modelli il secondario del trasformatore come una sorgente di tensione alternata. vout R2 1 a 1 2 b vC (b) A quale valore tende tale rapporto quando la frequenza tende a zero? (c) A quale valore tende tale rapporto quando la frequenza tende a infinito? (d) Per quale frequenza tale rapporto vale la metà? R v in C vout Cs Trasformatore Figura P33.56 5 000 V Figura P33.52 Rb Altri problemi 57. Un trasformatore ha una tensione efficace di uscita di 2 200 V quando il primario è collegato ad un generatore di una tensione efficace 110 V. (a) Se il primario è costituito da 80 avvolgimenti, quanti avvolgimenti saranno necessari sul secondario? (b) Se una resistenza 1027 Problemi di carico sul secondario assorbe una corrente di 1.50 A, quale sarà la corrente nel circuito primario in condizioni ideali? (c) E se? Se il trasformatore ha una efficienza del 95.0%, quale sarà la corrente nel primario se la corrente nel secondario vale 1.20 A? 58. Perché ciò è impossibile? Si vuole utilizzare un circuito RLC per sintonizzare un canale radio AM (modulazione di ampiezza). I valori dei componenti circuitali sono R = 15.0 Ω, L = 2.80 mH, C = 0.910 pF. 59. Problema di riepilogo. Il diagramma dei fasori delle tensioni per un dato circuito RLC in serie è mostrato in Figura P33.59. La resistenza del circuito è 75.0 Ω e la frequenza è 60.0 Hz. Si determinino (a) la tensione massima DVmax, (b) l’angolo di fase f, (c) la corrente massima, (d) l’impedenza, (e) la capacità, (f) il valore dell’induttanza del circuito e (g) la potenza media fornita al circuito. VL 25.0 V Vmax v f VR 20.0 V VC 15.0 V Figura P33.59 60. Si consideri un circuito RLC in serie che ha R = 200 Ω, L = 663 mH e C = 26.5 mF. La tensione applicata ha un’ampiezza di 50.0 V e una frequenza di 60.0 Hz. Si trovino (a) la corrente Imax e la sua fase rispetto alla tensione applicata Dv, (b) la tensione massima DVR ai capi del resistore e la sua fase rispetto alla corrente, (c) la tensione massima DVC ai capi del condensatore e la sua fase rispetto alla corrente e (d) la tensione massima DVL ai capi dell’induttore e la sua fase rispetto alla corrente. 61. Su una linea di trasmissione viene trasferita energia ad una potenza di 20.0 kW per mezzo di un doppino di rame ai cui capi è presente una differenza di potenziale DVeff = 1.50 3 103 V. Assumendo una perdita dell’1.00% su una distanza di 18.0 km e assumendo la densità di corrente uniforme nei conduttori, si determini il diametro di ciascuno dei fili. 62. Su una linea di trasmissione si deve trasferire una potenza P con una perdita percentuale f su una distanza , ed una differenza di potenziale DVeff fra i conduttori. Assumendo una densità di corrente uniforme nei conduttori, si determini l’espressione del diametro di ciascuno dei fili. 63. Un resistore da 400 Ω, un induttore ed un condensatore sono in serie con un generatore di c.a. La reattanza dell’induttore è 700 Ω e l’impedenza del circuito è 760 Ω. (a) Che cosa si può dire riguardo alla reattanza del condensatore? (b) Vedendo che la potenza fornita dal generatore diminuisce all’aumentare della frequenza, cosa si può dire relativamente alla reattanza capacitiva del circuito iniziale? (c) Si ripeta il punto (a) assumendo una resistenza di 200 Ω invece che di 400 Ω e un’impedenza del circuito ancora pari a 760 Ω. 64. Si mostri che il valore efficace della tensione a dente — di sega mostrata in Figura P33.64 è DVmax/√ 3. v Vmax t Vmax Figura P33.64 65. Un trasformatore può essere utilizzato per ottenere il massimo trasferimento di potenza tra due circuiti in c.a. che abbiano diverse impedenze Z1 e Z2. Questo processo è chiamato adattamento di impedenza. (a) Si dimostri che il rapporto di spire N1/N2 per tale trasformatore è N1 Z1 5 N2 ÅZ2 (b) Si supponga di voler utilizzare un trasformatore come adattatore di impedenza tra un amplificatore audio che ha un’impedenza di uscita di 8.00 kΩ ed un altoparlante che ha un’impedenza di ingresso di 8.00 Ω. Quanto deve valere in questo caso il rapporto N1/N2? 66. Un circuito in corrente alternata è formato da un condensatore, una bobina e due resistori di uguale resistenza, come mostrato in Figura P33.66. Un generatore di c.a. fornisce una f.e.m. di tensione efficace DVeff = 20.0 V a una frequenza di 60.0 Hz. Quando l’interruttore a due vie S è aperto, come nella figura, la corrente efficace è 183 mA. Quando invece esso è chiuso nella posizione a, la corrente efficace è 298 mA, mentre quando è in posizione b essa vale 137 mA. Si trovino i valori di (a) R, (b) C e (c) L . (d) Ci sono più insiemi possibili dei tre valori? Si spieghi. C R a Veff R S b L Figura P33.66 67. Intorno al 1880, il fisico dell’Istituto Politecnico di Parigi Marie Cornu inventò il metodo dei fasori. In questo problema si vuole più approfonditamente mettere in luce la sua utilità nello studio dei fenomeni oscillatori. Si considerino due vibrazioni meccaniche descritte dalle equazioni y1 5 12.0 sin 4.50t e y 2 5 12.0 sin (4.50t 1 70.0°) dove y1 e y2 sono in centimetri e t in secondi. Si calcolino l’ampiezza e la costante di fase della somma di queste due funzioni (a) usando le identità trigonometriche fornite nell’Appendice B e (b) rappresentando tali oscillazioni con il metodo dei fasori. (c) Si faccia il confronto tra i risultati ottenuti in (a) e in (b). (d) Il 1028Capitolo 33 Circuiti in corrente alternata metodo dei fasori semplifica anche il processo di addizione di onde progressive. Si calcolino l’ampiezza e la costante di fase della somma delle tre onde rappresentate dalle equazioni seguenti: y1 5 12.0 sin (15.0x 2 4.50t 1 70.0°) gia massima immagazzinata nell’induttore durante le oscillazioni. (h) Se la frequenza del generatore viene raddoppiata, si calcoli la differenza di fase fra corrente e tensione. (i) Si trovi la frequenza che rende la reattanza induttiva metà della reattanza capacitiva. S1 y 2 5 15.5 sin (15.0x 2 4.50t 2 80.0°) y 3 5 17.0 sin (15.0x 2 4.50t 1 160°) dove x, y1, y2 e y3 sono in centimetri e t in secondi. 68. Un circuito RLC in serie è in risonanza alla frequenza angolare di 2.00 3 103 rad/s. Quando è in funzione ad una certa frequenza, si ha XL 5 12.0 Ω e XC 5 8.00 Ω. (a) Tale frequenza è maggiore, uguale o minore di quella di risonanza? Si spieghi. (b) Si dica se è possibile determinare i valori di L e C. (c) In caso affermativo, si calcolino tali valori. In caso contrario, si scriva la relazione che L e C devono soddisfare. 69. Problema di riepilogo. Il filo di una comune prolunga ha una massa per unità di lunghezza di 19.0 g/m. Quando un tratto della prolunga viene tenuto in tensione con due morsetti, una parte di esso si trova a giacere in una regione di spazio nella quale è presente un campo magnetico di 15.3 mT diretto ortogonalmente all’asse del filo. Quando la prolunga è attraversata da una c.a. di 9.00 A a una frequenza di 60.0 Hz, si mette a vibrare, risuonando nello stato di oscillazione fondamentale. (a) Si determini quale relazione intercorre tra la distanza d tra i morsetti e la tensione T della prolunga. (b) Si dica quale può essere una combinazione possibile di questi due valori. 70. (a) Si faccia un grafico qualitativo dell’angolo di fase in funzione della frequenza angolare per un circuito RLC in serie nell’intervallo compreso tra la frequenza zero ed una molto maggiore di quella di risonanza. (b) Si identifichi il valore di f alla frequenza angolare di risonanza v0. (c) Si mostri che la pendenza della curva alla risonanza è data da 2Q/v0. 71.Si calcoli la corrente efficace erogata dal generatore di tensione da 45.0 V efficaci di Figura P33.71 quando (a) la frequenza è molto elevata e (b) la frequenza è molto bassa. 200 200 mF 45.0 V (eff) 3.00 mH 100 Figura P33.71 72. Problema di riepilogo. Si faccia l’ipotesi che nel circuito di Figura P33.72 siano dati tutti i parametri tranne C. Si trovino (a) la corrente che scorre nel circuito in funzione del tempo e (b) la potenza fornita al circuito. (c) Si trovi la corrente in funzione del tempo dopo l’apertura del solo interruttore 1. (d) Dopo che anche l’interruttore 2 è stato aperto, la corrente e la tensione sono in fase. Si trovi la capacità C. Si trovino (e) l’impedenza del circuito quando entrambi gli interruttori sono aperti, (f) l’energia massima immagazzinata nel condensatore durante le oscillazioni e (g) l’ener- L R C S2 Vmax cos vt Figura P33.72 73. Un circuito RLC in serie contiene i seguenti componenti: R = 150 Ω, L = 0.250 H, C = 2.00 mF collegati ad un generatore di tensione alternata con DVmax = 210 V a 50.0 Hz. Si determinino (a) la reattanza induttiva del circuito, (b) la reattanza capacitiva del circuito, (c) l’impedenza del circuito, (d) la corrente massima nel circuito, (e) la fase fra la corrente e la tensione del generatore, (f) il fattore di potenza e (g) la potenza fornita al circuito. 74. Un circuito RLC in serie opera a 2.00 3 103 Hz. A questa frequenza XL 5 XC 5 1 884 Ω. La resistenza del circuito è 40.0 Ω. (a) Si costruisca una tabella che mostri i valori di XL, XC e Z per f = 300, 600, 800, 1.00 3 103, 1.50 3 103, 2.00 3 103, 3.00 3 103, 4.00 3 103, 6.00 3 103 e 1.00 3 104 Hz. (b) Si disegnino, utilizzando gli stessi assi, i grafici di XL, XC e Z in funzione di ln f. 75.Un circuito RLC in serie consiste in un resistore da 8.00 Ω, un condensatore da 5.00 mF e un induttore da 50.0 mH. Il circuito è collegato ai capi di un generatore di frequenza variabile che applica al circuito una f.e.m. efficace di 400 V. Si determini la potenza erogata al circuito quando la frequenza è metà della frequenza di risonanza. 76. Un circuito RLC in serie in cui R 5 1.00 Ω, L 5 1.00 mH e C 5 1.00 nF è collegato ad un generatore di c.a. che fornisce una tensione efficace di 1.00 V. (a) Si disegni, con precisione, il grafico della potenza fornita al circuito in funzione della frequenza e (b) si verifichi che la larghezza del picco di risonanza a metà del massimo è R/2pL. Problemi impegnativi 77. Il resistore in Figura P33.77 rappresenta un altoparlante di un sistema audio. Si assuma la sua resistenza costante al valore di 8.00 Ω. Il generatore rappresenta un amplificatore audio con DVmax = 10.0 V indipendente dalla frequenza. Il circuito deve operare come un filtro passa-banda con DVout /DVin = 1/2 alle frequenze di 200 Hz e 4.00 3 103 Hz. Si determinino (a) i valori di L e C, (b) il valore massimo di DVout /DVin, (c) la frequenza f0 per cui DVout /DVin è massimo, (d) la fase fra Dvin e Dvout alle frequenze di 200 Hz, f0 , 4.00 3 103 Hz, (e) la potenza media trasferita all’altoparlante alle frequenze di 200 Hz, f0 , 4.00 3 103 Hz e (f) il fattore di qualità del circuito risonante. 1029 Problemi L v in pi dei tre elementi di circuito sono le stesse e sono in fase con la corrente che attraversa il resistore. Come mostrato nel diagramma dei fasori di corrente in Figura P33.80b, le correnti in C e L sono in anticipo o in ritardo rispetto alla corrente nel resistore. (a) Si mostri che la corrente efficace erogata dal generatore è 2 1/2 C R v out Figura P33.77 78.Un resistore da 80.0 Ω e un induttore da 200 mH sono collegati in parallelo ai capi di un generatore che forni­ sce la tensione efficace di 100 V alla frequenza di 60.0 Hz. (a) Qual è la corrente efficace nel resistore? (b) Di quale angolo la corrente totale anticipa o segue la tensione? 79. Una tensione Dv 5 100 V sin vt, con Dv in volt e t in secondi, è applicata ai capi di una serie formata da un resistore da 10.0 Ω, un condensatore da 10.0 mF e un induttore da 2.00 H. (a) Si determini la frequenza angolare v0 alla quale la potenza fornita al resistore è massima. (b) Si calcoli la potenza fornita a questa frequenza angolare. (c) Si determinino le frequenze angolari v1 e v2 alle quali la potenza è metà di quella massima. Nota: il Q del circuito è v0/(v2 – v1). 80. La Figura P33.80a mostra un circuito RLC in parallelo. Le tensioni istantanee (e le tensioni efficaci) ai ca- 1 1 I eff 5 DVeff c 2 11 avC 2 1b d 2 1/2 vL R I eff 5 DVeff c 2 1 avC 2 b d vL R (b) Si mostri che l’angolo di fase f tra DVeff e Ieff è dato da 1 1 tan f 5 R a 12 1b XL b tan f 5 RXaC 2 XC XL IC IR V V rms R L C v IL a b Figura P33.80 81. Un generatore di c.a. con DVeff = 120 V è collegato tra i punti a e d di Figura P33.24. A quale frequenza fornirà una potenza di 250 W? Si giustifichi la risposta.