SOLUZIONE ESERCIZI 1.6.1. – Esercizio quasi svolto (serie, parallelo, legge di Ohm) E = 12V R 1 = R 3 = R 4 = R 6 = 2KΩ ; - Si segnano le correnti - Si disegnano i circuiti equivalenti Circuito ridotto 1 Circuito ridotto 3 ; R 2 = R 5 = R 7 = R 8 = 4KΩ Circuito ridotto 2 Circuito ridotto 4 1 Circuito ridotto 5 - Calcolo delle resistenze equivalenti R 45 = R 5 + R 5 = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6KΩ R 46 = ; R4 ⋅R6 6 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 3 = 1,5KΩ = R 4 + R 6 6 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 R 37 = R 3 + R 46 + R 7 = 2 ⋅ 10 3 + 1,5 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 7,5KΩ R 27 R 2 ⋅ R 37 4 ⋅ 10 3 ⋅ 7,5 ⋅ 10 3 = = 2,6KΩ = R 2 + R 37 4 ⋅ 10 3 + 7,5 ⋅ 10 3 R eq = R 18 = R 1 + R 27 + R 8 = 2 ⋅ 10 3 + 2,6 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 8,6 KΩ - Circuito ridotto 5 - Circuito ridotto 4 I1 = E 12 = = 1,395mA R 18 8,6 ⋅ 10 3 V1 = R 1 ⋅ I1 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 1,395 ⋅ 10 −3 = 2,79V V27 = V2 = V37 = R 27 ⋅ I1 = 2,6 ⋅ 10 3 ⋅ 1,395 ⋅ 10 −3 = 3,63V V8 = R 8 ⋅ I1 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 1,395 ⋅ 10 −3 = 5,58V V2 3,63 = = 0,908mA R 2 4 ⋅ 10 3 V37 3,63 = = 0,484 mA R 37 7,5 ⋅ 10 3 - Circuito ridotto 3 I2 = - Circuito ridotto 2 V3 = R 3 ⋅ I 3 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,484 ⋅ 10 −3 = 0,968V ; I3 = V46 = V45 = V6 = R 46 ⋅ I 3 = 1,5 ⋅ 10 3 ⋅ 0,484 ⋅ 10 −3 = 0,726 V V7 = R 7 ⋅ I 3 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,484 ⋅ 10 −3 = 1,936 V - Circuito ridotto 1 - Circuito iniziale I4 = V45 V 0,726 0,726 = = 0,121mA ; I 6 = 6 = = 0,363mA 3 R 45 6 ⋅ 10 R 6 2 ⋅ 10 3 V4 = R 4 ⋅ I 4 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,121 ⋅ 10 −3 = 0,242V V5 = R 5 ⋅ I 4 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,121 ⋅ 10 −3 = 0,484 V Riassumendo R 18 = 8,6KΩ ; I1 = 1,395mA ; I 2 = 0,908mA ; I 3 = 0,4841mA ; I 4 = 0,121mA I 6 = 0,363mA ; V1 = 2,79V ; V2 = 3,63V ; V3 = 0,968V ; V4 = 0,242 V ; V5 = 0,0,484 V V6 = 0,726 V ; V7 = 1,936 V ; V8 = 5,58V 2 1.6.2. – Esercizio facilitato (serie, parallelo, legge di Ohm) E = 12V - ; R 1 = R 3 = R 4 = R 6 = 2KΩ R 2 = R 5 = R 7 = R 8 = 4KΩ Si segnano le correnti e si disegnano i circuiti equivalenti Circuito iniziale Circuito ridotto 1 Circuito ridotto 2 - ; Circuito ridotto 3 Circuito ridotto 4 Calcolo delle resistenze equivalenti R 12 = R4 ⋅R5 R1 ⋅ R 2 2 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 2 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = Ω ; R = = 1,33KΩ = 1 , 33 K = 45 R 4 + R 5 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 R 1 + R 2 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 R 67 = R 6 + R 7 = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6KΩ R 37 = ; R 47 = R 45 + R 67 = 1,33 ⋅ 10 3 + 6 ⋅ 10 3 = 7,33KΩ R 3 ⋅ R 47 2 ⋅ 10 3 ⋅ 7,33 ⋅ 10 3 = 1,57KΩ = R 3 + R 47 2 ⋅ 10 3 + 7,33 ⋅ 10 3 3 R eq = R 18 = R 12 + R 37 + R 8 = 1,33 ⋅ 10 3 + 1,57 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6,9KΩ - Circuito ridotto 4 - Circuito ridotto 3 I8 = E 12 = = 1,793mA R 18 6,9 ⋅ 10 3 V12 = V1 = V2 = R 12 ⋅ I 8 = 1,33 ⋅ 10 3 ⋅ 1,793 ⋅ 10 −3 = 2,32V V37 = V3 = V47 = R 37 ⋅ I 8 = 1,57 ⋅ 10 3 ⋅ 1,793 ⋅ 10 −3 = 2,73V V8 = R 8 ⋅ I1 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 1,793 ⋅ 10 −3 = 6,95V V3 V 2,73 2,73 = = 1,365mA ; I 6 = 47 = = 0,372 mA 3 R 3 2 ⋅ 10 R 47 7,33 ⋅ 10 3 - Circuito ridotto 2 I3 = - Circuito ridotto 1 V45 = V4 = V5 = R 45 ⋅ I 6 = 1,33 ⋅ 10 3 ⋅ 0,372 ⋅ 10 −3 = 0,496 V V6 = R 6 ⋅ I 6 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,372 ⋅ 10 −3 = 0,744 V ; V7 = R 7 ⋅ I 6 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,372 ⋅ 10 −3 = 1,488V - I1 = Circuito iniziale I4 = V1 V 2,32 2,32 = = 1,16mA ; I 2 = 2 = = 0,58mA 3 R 1 2 ⋅ 10 R 2 4 ⋅ 10 3 V V4 0,496 0,496 = = 0,248mA ; I 5 = 5 = = 0,124 mA 3 R 4 2 ⋅ 10 R 5 4 ⋅ 10 3 Riassumendo R 18 = 6,9KΩ ; I1 = 1,16 mA ; I 2 = 0,58mA ; I 3 = 1,365mA ; I 4 = 0,248mA ; I 5 = 0,124 mA I 6 = 0,372 mA ; I 8 = 1,379 mA ; V1 = V2 = 2,32 V ; V3 = 2,73V ; V4 = V5 = 0,496 V V6 = 0,744 V ; V7 = 1,488V ; V8 = 6,95V 1.6.3. – Esercizio (serie, parallelo, legge di Ohm) E = 12V ; R 1 = R 3 = R 4 = R 6 = 2KΩ 4 ; R 2 = R 5 = R 7 = R 8 = 4KΩ - Si segnano le correnti e si disegnano i circuiti equivalenti Circuito iniziale Circuito ridotto 1 Circuito ridotto 2 - Circuito ridotto 3 Circuito ridotto 4 Calcolo delle resistenze equivalenti R 12 = R 1 + R 2 = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6KΩ R 67 = R 6 + R 7 = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6KΩ ; R 45 = R 4 + R 5 = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6KΩ R 47 = ; R 45 ⋅ R 67 6 ⋅ 10 3 ⋅ 6 ⋅ 10 3 = 3KΩ = R 45 + R 67 6 ⋅ 10 3 + 6 ⋅ 10 3 R 38 = R 3 + R 47 + R 8 = 2 ⋅ 10 3 + 3 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 9KΩ R eq = R 18 = - Circuito ridotto 4 - Circuito ridotto 3 - Circuito ridotto 2 R 12 ⋅ R 38 6 ⋅ 10 3 ⋅ 9 ⋅ 10 3 = 3,6KΩ = R 12 + R 38 6 ⋅ 10 3 + 9 ⋅ 10 3 I= I1 = E 12 = = 3,33mA R 18 3,6 ⋅ 10 3 E 12 = = 2mA R 12 6 ⋅ 10 3 ; I3 = E 12 = = 1,33mA R 38 9 ⋅ 10 3 V3 = R 3 ⋅ I 8 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 1,33 ⋅ 10 −3 = 2,67 V V47 = V45 = V67 = R 47 ⋅ I 3 = 3 ⋅ 10 3 ⋅ 1,33 ⋅ 10 −3 = 4V V8 = R 8 ⋅ I 3 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 1,33 ⋅ 10 −3 = 5,33V 5 - Circuito ridotto 1 - Circuito iniziale I4 = V45 V 4 4 = = 0,67 mA ; I 6 = 67 = = 0,67 mA 3 R 45 6 ⋅ 10 R 67 6 ⋅ 10 3 V1 = R 1 ⋅ I1 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 −3 = 4V ; V2 = R 2 ⋅ I1 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 −3 = 8V V4 = R 4 ⋅ I 4 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,67 ⋅ 10 −3 = 1,34V ; V5 = R 5 ⋅ I 4 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,67 ⋅ 10 −3 = 2,68V V6 = R 6 ⋅ I 6 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,67 ⋅ 10 −3 = 1,34V ; V7 = R 7 ⋅ I 5 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,67 ⋅ 10 −3 = 2,68V Riassumendo R 18 = 3,6KΩ ; I1 = 2mA ; I 3 = 1,33mA ; I 4 = 0,67 mA ; I 6 = 0,67 mA ; V1 = 4V ; V2 = 8V V3 = 2,57 V ; V4 = 1,34 V ; V5 = 2,68V ; V6 = 1,34V ; V7 = 2,68V ; V8 = 5,33V 1.9.2. - Esercizio da svolgere (generatore equivalente) Dopo avere risolto il circuito, applicare il principio del generatore equivalente tra i punti A e B, C e D, E e F. dei circuiti equivalenti ottenuti, calcolare la corrente e la tensione per, rispettivamente, le resistenze R 4 , R 2 , R 5 . E = 12V ; R 1 = R 3 = 2KΩ R 2 = R 5 = 4KΩ ; R 4 = 3KΩ Risoluzione del circuito R 12 = R3 ⋅ R4 R1 ⋅ R 2 2 ⋅ 10 3 ⋅ 3 ⋅ 10 3 2 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = Ω ; R = = 1,2KΩ = 1 , 33 K = 34 R 3 + R 4 2 ⋅ 10 3 + 3 ⋅ 10 3 R 1 + R 2 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 6 I5 = E 12 = = 1,836mA 3 R 12 + R 34 + R 5 1,33 ⋅ 10 + 1,2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V12 = V1 = V2 = R 12 ⋅ I 5 = 1,33 ⋅ 10 3 ⋅ 1,836 ⋅ 10 −3 = 2,45V V34 = V31 = V4 = R 34 ⋅ I 5 = 1,2 ⋅ 10 3 ⋅ 1,836 ⋅ 10 −3 = 2,2V V5 = R 5 ⋅ I 5 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 1,836 ⋅ 10 −3 = 7,35V I1 = V1 2,45 = = 1,225mA R 1 2 ⋅ 10 3 ; I2 = V2 2,45 = = 0,612 mA R 2 4 ⋅ 10 3 V3 2,2 = = 1,1mA R 4 2 ⋅ 10 3 ; I4 = V4 2,2 = = 0,73mA R 4 3 ⋅ 10 3 I3 = - Si applica il principio del generatore equivalente tra i punti A e B Calcolo di E 0 R 12 = Eo = R1 ⋅ R 2 2 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = 1,33KΩ = R 1 + R 2 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 R3 2 ⋅ 10 3 12 = 3,27 V E= R 12 + R 3 + R 5 1,33 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 Calcolo di I 0 7 Io = E 12 = = 2,25mA R 12 + R 5 1,33 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 Ro = Calcolo di R 0 Eo 3,27 = = 1,45KΩ Io 2,25 ⋅ 10 −3 Si calcola, per i due circuiti equivalenti ottenuti, la tensione V4 e la corrente I 4 e si confrontano i valori con quelli già calcolati. I4 = Eo 3,27 = = 0,73mA R o + R 4 1,45 ⋅ 10 3 + 3 ⋅ 10 3 V4 = R 4 ⋅ I 4 = 3 ⋅ 10 3 ⋅ 0,73 ⋅ 10 −3 = 2,2V R o4 = Ro ⋅R4 1,45 ⋅ 10 3 ⋅ 3 ⋅ 10 3 = 0,98KΩ = R 0 + R 4 1,45 ⋅ 10 3 + 3 ⋅ 10 3 V4 = R 04 ⋅ I o = 0,98 ⋅ 10 3 ⋅ 2,25 ⋅ 10 −3 = 2,2V I4 = V4 2,2 = = 0,73mA R 4 3 ⋅ 10 3 I valori coincidono con quelli già calcolati. - Si applica il principio del generatore equivalente tra i punti C e D Calcolo di E 0 R 34 R3 ⋅ R4 2 ⋅ 10 3 ⋅ 3 ⋅ 10 3 = = 1,2KΩ = R 3 + R 4 2 ⋅ 10 3 + 3 ⋅ 10 3 8 Eo = R1 2 ⋅ 10 3 12 = 3,33V E= R 1 + R 34 + R 5 2 ⋅ 10 3 + 1,2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 Calcolo di I 0 Io = Calcolo di R 0 E 12 = = 2,31mA 3 R 34 + R 5 1,2 ⋅ 10 + 4 ⋅ 10 3 Ro = Eo 3,33 = = 1,44KΩ Io 2,31 ⋅ 10 −3 Si calcola, per i due circuiti equivalenti ottenuti, la tensione V2 e la corrente I 2 e si confrontano i valori con quelli già calcolati. I2 = Eo 3,33 = = 0,612 mA R o + R 2 1,44 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V2 = R 2 ⋅ I 2 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,612 ⋅ 10 −3 = 2,448V R o2 = Ro ⋅R2 1,44 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = 1,06KΩ = R o + R 2 1,44 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V2 = R o 2 ⋅ I o = 1,06 ⋅ 10 3 ⋅ 2,31 ⋅ 10 −3 = 2,446 V I2 = I valori coincidono con quelli già calcolati. 9 V2 2,446 = = 0,612 mA R 2 4 ⋅ 10 3 - Si applica il principio del generatore equivalente tra i punti E e F Calcolo di E 0 E o = E = 12V Io = Calcolo di R 0 E 12 = = 4,74mA 3 R 12 + R 34 1,33 ⋅ 10 + 1,2 ⋅ 10 3 Ro = Eo 12 = = 2,53KΩ Io 4,74 ⋅ 10 −3 Si calcola, per i due circuiti equivalenti ottenuti, la tensione V5 e la corrente I 5 e si confrontano i valori con quelli già calcolati. I5 = Eo 12 = = 1,837 mA R o + R 5 2,53 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V5 = R 5 ⋅ I 5 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 1,83712 ⋅ 10 −3 = 7,35V 10 R o5 = Ro ⋅ R5 2,53 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = 1,55KΩ = R o + R 5 2,53 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V5 = R o 5 ⋅ I o = 1,55 ⋅ 10 3 ⋅ 4,74 ⋅ 10 −3 = 7,35V I5 = V5 7,35 = = 1,836 mA R 5 4 ⋅ 10 3 I valori coincidono con quelli già calcolati. Riassumendo I1 = 1,225mA ; I 2 = 0,612 mA ; I 3 = 1,1mA ; I 4 = 0,73mA ; I 5 = 1,836 mA V1 = V2 = 2,44V ; V3 = V4 = 2,2V ; V5 = 7,35V punti AB : E o = 3,27 V ; I o = 2,25mA ; R o = 1,45KΩ punti CD : E o = 3,33V ; I o = 2,31mA ; R o = 1,44KΩ punti EF : E o = 12V ; I o = 4,74mA ; R o = 2,53KΩ 1.10.2. - Esercizio da svolgere (Thèvenin, Norton) Trovare la resistenza equivalente R o , secondo Thèvenin e Norton dell’esercizio di paragrafo 1.9.2. E = 12V ; R 1 = R 3 = 2KΩ R 2 = R 5 = 4KΩ ; R 4 = 3KΩ - Punti A e B 11 Ro = - R 12 + R 5 + R 3 = (1,33 ⋅10 ) + 4 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 3 = 1,45KΩ 1,33 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 3 Punti C e D Ro = - (R 12 + R 5 ) ⋅ R 3 ( ) ⋅ R 1 ⋅ (R 34 + R 5 ) 2 ⋅ 10 3 ⋅ 1,2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 1,44KΩ = R 1 + R 34 + R 5 2 ⋅ 10 3 + 1,2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 Punti E e F R o = R 12 + R 34 = = 1,33 ⋅ 10 3 + 1,2 ⋅ 10 3 = 2,53KΩ Riassumendo: punti AB : R o = 1,45KΩ ; punti CD : R o = 1,44KΩ ; punti EF : R o = 2,53KΩ 2.2.2. – Esercizi da svolgere (principi di Kirchhoff) Risolvere i seguenti circuiti applicando i principi di Kirchhoff. Esercizio parzialmente risolto 12 E1 = 8V ; E 2 = 12V ; R 1 = R 4 = 2KΩ ; R 2 = R 3 = R 4 = 4KΩ Vi sono 5 rami, 2 nodi indipendenti e 3 maglie indipendenti. Si scrivono 2 equazioni ai nodi A e B e 3 equazioni alle maglie ACA, ABCA, BCB: A: I1 + I 4 = I 3 ACA : I 2 = I 4 + I5 B: E 1 = R 1 I1 + R 3 I 3 ABCA : 0 = −R 3 I 3 − R 4 I 4 + R 5 I 5 BCB : E 2 = R 2I 2 + R 5I5 ⎧I = I − I 3 4 ⎪1 ⎪I 2 = I 4 + I 5 ⎪ ⎨R 1 (I 3 − I 4 ) + R 3 I 3 = E 1 ⇒ R 1 I 3 + R 3 I 3 − R 1 I 4 = E 1 ⇒ (R 1 + R 3 )I 3 − R 1 I 4 = E 1 ⎪ ⎪− R 3 I 3 − R 4 I 4 + R 5 I 5 = 0 ⎪R (I + I ) + R I = E ⇒ R I + R I + R I = E ⇒ R I + (R + R )I = E 5 5 2 2 4 2 5 5 5 2 2 4 2 5 5 2 ⎩ 2 4 5 Si sostituiscono i valori delle resistenze e delle forze elettromotrici e si risolve il sistema costituito dalle ultime 3 equazioni. ⎧2 ⋅ 10 3 I 3 + 6 ⋅ 10 3 I 4 = 8 ⎪ 3 3 3 ⎨− 4 ⋅ 10 I 3 − 2 ⋅ 10 I 4 + 4 ⋅ 10 I 5 = 0 ⎪ 3 3 ⎩4 ⋅ 10 I 4 + 8 ⋅ 10 I 5 = 12 ⇒ ⎧1 ⋅ 10 3 I 3 + 3 ⋅ 10 3 I 4 = 4 ⎪⎪ ⎨− 2 I 3 − I 4 + 2 I 5 = 0 ⇒ ⎪ ⎪⎩1 ⋅ 10 3 I 4 + 2 ⋅ 10 3 I 5 = 3 I 4 = −2 I 3 + 2 I 5 Si sostituisce l’espressione di I 4 trovata nelle altre due: ⎧⎪1 ⋅ 10 3 I 3 − 6 ⋅ 10 3 I 3 + 6 ⋅ 10 3 I 5 = 4 ⎨ ⎪⎩− 2 ⋅ 10 3 I 3 + 2 ⋅ 10 3 I 5 + 2 ⋅ 10 3 I 5 = 3 ⇒ ⎧⎪− 5 ⋅ 10 3 I 3 + 6 ⋅ 10 3 I 5 = 4 ⎨ ⎪⎩− 2 ⋅ 10 3 I 3 + 4 ⋅ 10 3 I 5 = 3 ⇒ Si moltiplica la prima equazione per 2 e la seconda per 5 e si sottrae membro a membro: ⇒ ⎧⎪− 10 ⋅ 10 3 I 3 + 12 ⋅ 10 3 I 5 = 8 ⎨ 3 3 ⎪⎩− 10 ⋅ 10 I 3 + 20 ⋅ 10 I 5 = 15 8 ⋅ 10 3 I 5 = 7 ⇒ I5 = 7 = 0,875mA 8 ⋅ 10 3 Sostituendo nella seconda si calcola I 3 : − 2 ⋅ 10 3 I 3 + 4 ⋅ 10 3 I 5 = 3 ⇒ I3 = 4 ⋅ 10 3 I 5 − 3 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,875 ⋅ 10 −3 − 3 = = 0,23mA 2 ⋅ 10 3 2 ⋅ 10 3 Dalle equazioni ai nodi si calcolano I 4 , I1 e I 2 : 13 I 4 = −2I 3 + 2I 5 = −2 ⋅ 0,25 ⋅ 10 −3 + 2 ⋅ 0,875 ⋅ 10 −3 = 1,25mA I1 = I 3 − I 4 = 0,25 ⋅ 10 −3 − 1,25 ⋅ 10 −3 = −1mA I 2 = I 4 + I 5 = 1,25 ⋅ 10 −3 + 0,875 ⋅ 10 −3 = 2,125mA Il segno meno indica che il verso di I1 è opposto a quello scelto. Si calcolano le differenze di potenziale: V1 = R 1 ⋅ I1 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 1 ⋅ 10 −3 = 2V V2 = R 2 ⋅ I 2 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 2,125 ⋅ 10 −3 = 8,5V V4 = R 4 ⋅ I 4 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 1,25 ⋅ 10 −3 = 2,5V V3 = R 3 ⋅ I 3 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 10 −3 = 1V V5 = R 5 ⋅ I 5 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,875 ⋅ 10 −3 = 3,5V Riassumendo I1 = 1mA ; I 2 = 2,125mA ; I 3 = 0,25mA ; I 4 = 1,25mA ; I 5 = 0,875mA V1 = 2V ; V2 = 8,5V ; V3 = 1V ; V4 = 2,5V ; V5 = 3,5V Esercizio facilitato (principi di Kirchhoff) E 1 = 8V ; E 2 = 4V ; E 3 = 12V R 1 = R 3 = 2 KΩ ; R 2 = 4 K Ω Nel circuito vi sono 3 rami, 1 nodo indipendente e 2 maglie indipendenti. Si scelgono i versi delle correnti, i versi di percorrenza e si scrive 1 equazione ai nodi (A) e 2 equazioni alle maglie. 14 ⎧I 1 + I 3 = I 2 ⇒ I 1 = I 2 − I 3 ⎪⎪ ⎨E 1 + E 2 = R 1 I1 + R 2 I 2 ⇒ R 1 (I 2 − I 3 ) + R 2 I 2 = E 1 + E 2 ⎪ ⎪⎩E 2 + E 3 = R 2 I 2 + R 3 I 3 ⇒ R 2 I 2 + R 3 I 3 = E 2 + E 3 ⇒ (R 1 + R 3 )I 2 − R 1 I 3 = E1 + E 2 Si sostituiscono i valori delle resistenze e delle forze elettromotrici e si risolve il sistema costituito dalle ultime 2 equazioni. ⎧⎪6 ⋅ 10 3 I 2 − 2 ⋅ 10 3 I 3 = 12 ⎨ 3 3 ⎪⎩4 ⋅ 10 I 2 + 2 ⋅ 10 I 3 = 16 10 ⋅ 10 3 I 2 = 28 ⇒ I2 = 28 = 2,8mA 10 ⋅ 10 3 Sostituendo nella seconda si calcola I 3 : 4 ⋅ 10 3 I 2 + 2 ⋅ 10 3 I 3 = 16 ⇒ I3 = 16 − 4 ⋅ 10 3 I 2 16 − 4 ⋅ 10 3 ⋅ 2,8 ⋅ 10 −3 = = 2,4mA 2 ⋅ 10 3 2 ⋅ 10 3 Dall’equazioni al nodo A si calcola I1 : Si calcolano le differenze di potenziale: I1 = I 2 − I 3 = 2,8 ⋅ 10 −3 − 2,4 ⋅ 10 −3 = 0,4mA V1 = R 1 ⋅ I1 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,4 ⋅ 10 −3 = 0,8V V2 = R 2 ⋅ I 2 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 2,8 ⋅ 10 −3 = 11,2V V3 = R 3 ⋅ I 3 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 2,4 ⋅ 10 −3 = 4,8V Riassumendo I1 = 0,4mA ; I 2 = 2,8mA ; I 3 = 2,4mA ; V1 = 0,8V ; V2 = 11,2V ; V3 = 4,8V Esercizio (principi di Kirchhoff) E 1 = 8V ; E 2 = 4V R 1 = R 2 = 2KΩ ; R 3 = 4KΩ Nel circuito vi sono 3 rami, 1 nodo indipendente e 2 maglie indipendenti. Si scelgono i versi delle correnti, i versi di percorrenza e si scrive 1 equazione ai nodi (A) e 2 equazioni alle maglie. 15 ⎧I = I + I 2 3 ⎪⎪ 1 ⎨E 1 = R 1 I1 + R 3 I 3 ⇒ R 1 (I 2 + I 3 ) + R 3 I 3 = E 1 ⎪ ⎪⎩E 2 = R 2 I 2 − R 3 I 3 ⇒ R 2 I 2 − R 3 I 3 = E 2 ⇒ R 1 I 2 + (R 1 + R 3 )I 3 = E 1 Si sostituiscono i valori delle resistenze e delle forze elettromotrici e si risolve il sistema costituito dalle ultime 2 equazioni. ⎧⎪2 ⋅ 10 3 I 2 + 6 ⋅ 10 3 I 3 = 8 ⎨ 3 3 ⎪⎩2 ⋅ 10 I 2 − 4 ⋅ 10 I 3 = 4 2 ⋅ 10 3 I 3 = 4 ⇒ I3 = 4 = 0,4mA 10 ⋅ 10 3 Sostituendo nella seconda si calcola I 2 : 2 ⋅ 10 3 I 2 − 4 ⋅ 10 3 I 3 = 4 ⇒ I2 = 4 + 4 ⋅ 10 3 I 3 2 + 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,4 ⋅ 10 −3 = = 2,8mA 2 ⋅ 10 3 1 ⋅ 10 3 Dall’equazioni al nodo A si calcola I1 : Si calcolano le differenze di potenziale: I1 = I 2 + I 3 = 2,8 ⋅ 10 −3 + 0,4 ⋅ 10 −3 = 3,2mA V1 = R 1 ⋅ I1 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 3,2 ⋅ 10 −3 = 6,4V V2 = R 2 ⋅ I 2 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 2,8 ⋅ 10 −3 = 5,6V V3 = R 3 ⋅ I 3 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,4 ⋅ 10 −3 = 1,6V Riassumendo I1 = 3,2mA ; I 2 = 2,8mA ; I 3 = 0,4mA ; V1 = 6,4V ; V2 = 5,6V ; V3 = 1,6V 16 2.3.2. – Esercizio da assegnare (sovrapposizione degli effetti) Del circuito di figura calcolare la corrente I 2 . E 1 = 8V ; E 2 = 4V ; E 3 = 12V R 1 = R 3 = 2KΩ ; R 2 = 4KΩ Si assume quale verso positivo della corrente I 2 quello verso il basso. I 2 = I 21 + I 22 + I 23 è la somma algebrica dei contributi di E1 , E 2 ed E 3 . Si cortocircuita E 2 e E 3 e si calcola il contributo I 21 dovuto ad E1 : R 23 R2 ⋅ R3 4 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 3 = = 1,33KΩ = R 2 + R 3 4 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 I 21 = ; R 23 1,33 ⋅ 10 3 V21 = 8 = 3,2V E1 = R 1 + R 23 2 ⋅ 10 3 + 1,33 ⋅ 10 3 V21 3,2 = = 0,8mA R 2 4 ⋅ 10 3 17 Si cortocircuita E1 e E 3 e si calcola il contributo I 22 dovuto ad E 2 : R 13 = R1 ⋅ R 3 2 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 3 = 1KΩ = R 1 + R 3 2 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 I 22 = ; E2 4 = = 0,8mA 3 R 13 + R 2 1 ⋅ 10 + 4 ⋅ 10 3 Si cortocircuita E1 e E 2 e si calcola il contributo I 23 dovuto ad E 3 : R 12 R1 ⋅ R 2 2 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = 1,33KΩ = = R 1 + R 2 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 I 23 = ; R 12 1,33 ⋅ 10 3 12 = 4,8V V23 = E3 = R 12 + R 3 1,33 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 V23 4,8 = = 1,2mA R 2 4 ⋅ 10 3 Si sommano i tre contributi, tutti con segno positivo, essendo tutti concordi col verso positivo scelto per I 2 : I 2 = I 21 + I 22 + I 23 = 0,8 ⋅ 10 −3 + 0,8 ⋅ 10 −3 + 1,2 ⋅ 10 −3 = 2,8mA 18 2.4.2. – Esercizi da assegnare (Millman) Risolvere applicando Millman Esercizio N°1 E 1 = 12V ; E 3 = 8V ; E 4 = 4V ; I 2 = 2mA ; R 1 = R 3 = R 4 = 2KΩ ; R 2 = R 5 = 4KΩ Si calcola VAB : VAB E E1 E4 12 8 4 − I2 + 3 − − 2 ⋅ 10 −3 + − 3 3 3 R R3 R4 + R5 2 ⋅ 10 2 ⋅ 10 + 4 ⋅ 10 3 = = 1 = 2 ⋅ 10 1 1 1 1 1 1 1 1 + + + + + + 3 3 3 3 R1 R 2 R 3 R 4 + R 5 2 ⋅ 10 4 ⋅ 10 2 ⋅ 10 2 ⋅ 10 + 4 ⋅ 10 3 = I1 : poiché VAB < E 1 ⇒ I1 = 6 ⋅ 10 −3 − 2 ⋅ 10 −3 + 4 ⋅ 10 −3 − 0,66 ⋅ 10 −3 ⋅ 10 3 = 5,18V 0,5 + 0,25 + 0,5 + 0,66 ⇒ I1 esce dal ramo dal punto A e rientra dal punto B ⇒ E 1 − VAB 12 − 5,18 = = 3,41mA R1 2 ⋅ 10 3 I2 = IR2 : I 3 : poiché VAB < E 3 ⇒ I3 = ⇒ ; VAB 5,18 = = 1,295mA R2 4 ⋅ 10 3 I 3 esce dal ramo dal punto A e rientra dal punto B ⇒ E 3 − VAB 8 − 5,18 = = 1,41mA R3 2 ⋅ 10 3 I 4 : poiché VAB > E 4 ⇒ V1 = E 1 − VAB = 12 − 5,18 = 6,82 V ; V3 = E 3 − VAB = 8 − 5,18 = 2,82V I 4 entra nel ramo dal punto A ed esce dal punto B ⇒ 19 ⇒ I4 = VAB + E 4 5,18 + 4 = = 1,53mA R4 + R5 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V4 = R 4 ⋅ I 4 = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 1,53 ⋅ 10 −3 = 3,06V Riassumendo ; V5 = R 5 ⋅ I 4 = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 1,53 ⋅ 10 −3 = 6,12V VAB = 5,18V ; I1 = 3,41mA ; I R 2 = 1,295mA ; I 3 = 1,41mA ; I 4 = 1,53mA Esercizio N°2 E 1 = 8V ; E 2 = 4V ; E 3 = 12V ; R 1 = R 3 = 2KΩ ; R 2 = 4KΩ Si calcola VAB : VAB E1 E 2 E 3 8 4 12 − + − + 3 3 3 R1 R 2 R 3 4 ⋅ 10 −3 − 1 ⋅ 10 −3 + 6 ⋅ 10 −3 2 ⋅ 10 4 ⋅ 10 2 ⋅ 10 = = ⋅ 10 3 = 7,2V == 1 1 1 1 1 1 0,5 + 0,25 + 0,5 + + + + 3 3 3 R1 R 2 R 3 2 ⋅ 10 4 ⋅ 10 2 ⋅ 10 I1 : poiché VAB < E 1 ⇒ I1 = I2 = I1 esce dal ramo dal punto A e rientra dal punto B ⇒ E 1 − VAB 8 − 7,2 = = 0,4mA R1 2 ⋅ 10 3 I 2 : poiché VAB > E 2 ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ V1 = E 1 − VAB = 8 − 7,2 = 0,8V I 2 entra nel ramo dal punto A ed esce dal punto B ⇒ VAB − E 2 7,2 + 4 = = 2,8mA R2 4 ⋅ 10 3 I 3 : poiché VAB < E 3 ; ; V2 = VAB + E 2 = 7,2 + 4 = 11,2 V I 3 esce dal ramo dal punto A e rientra dal punto B ⇒ 20 ⇒ I3 = Riassumendo E 3 − VAB 12 − 7,2 = = 2,4mA R3 2 ⋅ 10 3 V3 = E 3 − VAB = 12 − 7,2 = 4,8V ; VAB = 7,2V ; I1 = 0,4mA ; I 2 = 2,8mA ; I 3 = 2,4mA 3.4.2. – Esercizi da assegnare (condensatori) Risolvere i circuiti di figura. Esercizio 1 E = 12V ; C1 = 20µF ; C 2 = 30µF ; C 3 = 40µF C eq = 1 1 = = 9,23µF 1 1 1 1 1 1 + + + + C1 C 2 C 3 20 ⋅ 10 −6 30 ⋅ 10 −6 40 ⋅ 10 −6 Q = C eq E = 9,23 ⋅ 10 −6 ⋅ 12 = 110,77µC Q 110,77 ⋅ 10 −6 V2 = = = 3,69 V C2 30 ⋅ 10 − 6 ; ; V1 = Q 110,77 ⋅ 10 −6 = = 5,54 V C1 20 ⋅ 10 − 6 Q 110,77 ⋅ 10 −6 V3 = = = 2,77 V C3 40 ⋅ 10 − 6 E = V1 + V2 + V3 = 5,54 + 3,69 + 2,77 = 12 = E Esercizio 2 E = 12V ; C1 = 20µF ; C 2 = 30µF ; C 3 = 40µF C eq = C1 + C 2 + C 3 = 20 ⋅ 10 −6 + 30 ⋅ 10 −6 + 40 ⋅ 10 −6 = 90µF ; Q1 = C1 E = 20 ⋅ 10 −6 ⋅ 12 = 240µC Q 2 = C 2 E = 30 ⋅ 10 −6 ⋅ 12 = 360µC ; 21 Q 3 = C 3 E = 40 ⋅ 10 −6 ⋅ 12 = 480µC Q = C eq E = 90 ⋅ 10 −6 ⋅ 12 = 1080µC ; Q 1 + Q 2 + Q 3 = 240 ⋅ 10 −6 + 360 ⋅ 10 −6 + 480 ⋅ 10 −6 = 1080µC Esercizio 3 E = 12V ; C1 = C 3 = C 5 = 20µF C 2 = C 4 = C 6 = 40µF C12 = C1 + C 2 = 20 ⋅ 10 −6 + 30 ⋅ 10 −6 = 50µF ; C 45 C 4 C5 20 ⋅ 10 −6 ⋅ 30 ⋅ 10 −6 = = = 12µF C 4 + C 5 20 ⋅ 10 −6 + 30 ⋅ 10 −6 C 35 = C 3 + C 45 = 20 ⋅ 10 −6 + 12 ⋅ 10 −6 = 32µF C16 = 1 1 = = 11,822µF 1 1 1 1 1 1 + + + + C12 C 35 C 6 50 ⋅ 10 −6 32 ⋅ 10 −6 30 ⋅ 10 −6 Q = C16 E = 11,822 ⋅ 10 −6 ⋅ 12 = 141,87µC ; V12 = V1 = V2 = V35 = V3 = V45 = Q 141,87 ⋅ 10 −6 = = 2,84 V C 12 50 ⋅ 10 − 6 Q 141,87 ⋅ 10 −6 Q 141,87 ⋅ 10 −6 ; = = 4 , 43 V V = = = 4,73V 6 C 35 C6 32 ⋅ 10 − 6 30 ⋅ 10 − 6 Q 3 = C 3 V3 = 20 ⋅ 10 −6 ⋅ 4,43 = 88,6µC Q1 = C1 V1 = 20 ⋅ 10 −6 ⋅ 2,84 = 56,8µC Q 4 = C 45 V45 = 12 ⋅ 10 −6 ⋅ 4,43 = 53,16µC ; ; 22 Q 2 = C 2 V2 = 30 ⋅ 10 −6 ⋅ 2,84 = 85,2µC V4 = Q 4 53,16 ⋅ 10 −6 = = 1,772 V C4 30 ⋅ 10 − 6 ; V5 = Q 4 53,16 ⋅ 10 −6 = = 2,658V C5 20 ⋅ 10 − 6 V12 + V35 + V6 = 2,84 + 4,43 + 4,73 = 12 = E Riassumendo C eq = 11,822µF ; Q = 141,87µC ; Q1 = 56,8µC ; Q 2 = 85,2µC ; Q 3 = 88,6µC Q 4 = 53,16µC ; V1 = V2 = 2,84V ; V3 = 4,43V ; V4 = 1,772 V ; V5 = 2,658V ; V6 = 4,73V 3.5.4. – Esercizi da assegnare (transitori) Esercizio 1 Del circuito di figura calcolare l’equazione di carica della capacità, supponendola inizialmente scarica, allorché viene chiuso il tasto T. Dopo un tempo superiore a 5τC (τC è la costante di carica della capacità) si riapre il tasto T; calcolare l’equazione di scarica della capacità. E = 10V ; C = 10µF R 1 = R 2 = 2KΩ R 3 = R 4 = 4KΩ Supponendo la capacità inizialmente scarica, si chiude il tasto T. Si applica il teorema di Thèvenin ai capi della capacità e si riduce il circuito, visto dalla capacità, ad un generatore di tensione. 23 Calcolo di E o Eo = = R3 E= R1 + R 3 + R 4 4 ⋅ 10 3 ⋅ 10 = 4V 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 Calcolo di R o R 14 = R 1 + R 4 = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 6KΩ R 13 = ; R 14 ⋅ R 3 6 ⋅ 10 3 ⋅ 4 ⋅ 10 3 = = 2,4KΩ R 14 + R 3 6 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 R o = R 2 + R 13 = 2 ⋅ 10 3 + 2,4 ⋅ 10 3 = 4,4KΩ Equazione di carica τ C = R o C = 4,4 ⋅ 10 3 ⋅ 10 ⋅ 10 −6 = 44ms t t t − − ⎛ − ⎧t = 5τ C ⎧t = 0 τC τC τ ⎜ = Eo 1− e ; ⎨ ; v c ( t ) = Vf + (Vi − Vf )e = E o − E o e ⎨ ⎜ ⎩Vi = 0 ⎩Vf = E o = 4V ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Sostituendo i valori, si ha: t − ⎛ −3 v c ( t ) = 4⎜1 − e 44⋅10 ⎜ ⎝ ⎞ ⎟ = 4 1 − e − 22, 73 t V ⎟ ⎠ ( ) Una volta esaurito il transitorio, ossia quando v c = E o = 4V , si apre l’interruttore T. Inizia un transitorio di scarica. 24 La capacità, dal valore E o , si scarica, attraverso la resistenza equivalente R 2 + R 3 , fino a zero. ( ) τ S = R eq C = (R 2 + R 3 )C = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 ⋅ 10 ⋅ 10 −6 = 60ms ⎧t = 0 ⎨ ⎩Vi = E o = 4V Sostituendo i valori, si ha: ; ⎧t = 5τ S ⎨ ⎩Vf = 0 v c ( t ) = 4e v c ( t ) = Vf + (Vi − Vf )e ; − − t τ = Eoe − t τS t 60⋅10 − 3 = 4e −16, 67 t V Esercizio 2 Dopo avere ridotto il circuito applicando il teorema di Thèvenin ai capi del condensatore, calcolare: la tensione ai capi del condensatore, esauriti i transitori. La costante di tempo τ del circuito. Il tempo minimo dopo il quale si può considerare esaurito il transitorio. Disegnare il grafico, nel piano V-t, della curva di carica VC del condensatore in funzione del tempo. 5. Calcolare la differenza di potenziale e la corrente per ogni resistenza. 6. Si inserisce nel circuito un voltmetro per misurare la differenza di potenziale a regime (esauriti i transitori) ai capi del condensatore. Considerando il voltmetro reale, esso è schematizzabile come un voltmetro ideale con in serie una resistenza R iv che rappresenta la resistenza interna del voltmetro. Inserisce lo strumento, equivale ad inserire nel circuito una resistenza addizionale, per cui la tensione misurata non coincide esattamente con quella calcolata senza inserire il voltmetro. Utilizzando il valore fornito per R iv , calcolare il valore che si leggerà sul voltmetro. 1. 2. 3. 4. E = 10V ; C = 10µF R 1 = R 2 = 2KΩ R 3 = R 4 = 4KΩ 25 Calcolo di Eo Eo = = R2 E= R1 + R 2 + R 3 + R 4 2 ⋅ 10 3 ⋅ 10 = 1,67V 2 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 Calcolo di Ro R 14 = R 1 + R 3 + R 4 = = 2 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 = 10 KΩ Ro = R 14 R 2 = R 14 + R 2 10 ⋅ 10 3 ⋅ 2 ⋅ 10 3 = = 1,67KΩ 10 ⋅ 10 3 + 2 ⋅ 10 3 VCf = E o = 1,67 V ; τ = R o C = 1,67 ⋅ 10 3 ⋅ 10 ⋅ 10 −6 = 16,7 ms ; ∆t C = 5τ = 5 ⋅ 16,7 ⋅ 10 −3 = 83,33ms Vc(t) 1,67 83,33⋅10-3 t Esaurito il transitorio, la capacità equivale ad un circuito aperto. Per calcolare, in tale caso, le tensioni e le correnti nelle resistenze, si ridisegna il circuito omettendo la capacità C. 26 I= E 10 = = 0,833mA 3 3 R 1 + R 2 + R 3 + R 4 2 ⋅ 10 + 2 ⋅ 10 + 4 ⋅ 10 3 + 4 ⋅ 10 3 V1 = R 1 ⋅ I = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,833 ⋅ 10 −3 = 1,67V ; V2 = R 1 ⋅ I = 2 ⋅ 10 3 ⋅ 0,833 ⋅ 10 −3 = 1,67V V3 = R 3 ⋅ I = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,833 ⋅ 10 −3 = 3,33V ; V4 = R 4 ⋅ I = 4 ⋅ 10 3 ⋅ 0,833 ⋅ 10 −3 = 3,33V Inserire un voltmetro, con resistenza interna R iv = 100KΩ , ai capi della capacità C equivale ad inserire nel circuito una resistenza R iv , che altera i valori di tensione e di corrente dell’intero circuito, e, quindi, anche il valore di tensione sulla capacità. Al fine di calcolare il valore letto sul voltmetro, si ridisegna il circuito mettendo al posto della capacità C la resistenza R iv e calcolando la caduta di tensione su di essa. Analogamente, per tale scopo si può utilizzare il circuito equivalente calcolato con Thèvenin, mettendo al posto della capacità (circuito aperto) la resistenza R iv . VCV = R iv 100 ⋅ 10 3 E o == ⋅ 1,67 = 1,642V R o + R iv 1,67 ⋅ 10 3 + 100 ⋅ 10 3 Il valore misurato risulta leggermente più piccolo del valore reale. INDICE SOLUZIONE ESERCIZI 1 1.6.1. – Esercizio quasi svolto (serie, parallelo, legge di Ohm) 1 1.6.2. – Esercizio facilitato (serie, parallelo, legge di Ohm) 3 1.6.3. – Esercizio (serie, parallelo, legge di Ohm) 4 1.9.2. - Esercizio da svolgere (generatore equivalente) 6 1.10.2. - Esercizio da svolgere (Thèvenin, Norton) 11 2.2.2. – Esercizi da svolgere (principi di Kirchhoff) 12 2.3.2. – Esercizio da assegnare (sovrapposizione degli effetti) 17 2.4.2. – Esercizi da assegnare (Millman) 19 3.4.2. – Esercizi da assegnare (condensatori) 21 3.5.4. – Esercizi da assegnare (transitori) 23 27