CARICA ELETTRICA

Appunti di elettronica
classe 3° informatica
NOZIONI INTRODUTTIVE SUI CIRCUITI ELETTRICI
CARICA ELETTRICA
La carica elettrica è una proprietà delle particelle elementari che compongono la materia.
Gli elettroni hanno carica negativa, mentre i protoni hanno una carica positiva.
L' unità di misura della carica è il coulomb
Un coulomb è pari alla carica posseduta da 6,28.1018 elettroni
Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attirano.
La forza elettrica f che si esercita tra due cariche Q1 e Q2 immerse in un certo mezzo e poste
ad una distanza d è data da:
Q1 . Q2
f = --------4   d²

è una caratteristica del mezzo e prende il nome di costante dialettrica
DIFFERENZA DI POTENZIALE E POTENZIALE
La presenza di cariche elettriche genera un campo di forze chiamato campo elettrico.
Per spostare cariche da un punto ad un altro del campo elettrico occorre compiere lavoro.
Siccome il campo elettrico è un campo di forze conservativo, il lavoro necessario per spostare
una carica unitaria da un punto A ad un punto B non dipende dal percorso eseguito.
La differenza di potenziale (o tensione elettrica) tra due punti A e B rappresenta il lavoro
che si deve compiere per spostare una carica unitaria dal punto A al punto B.
La differenza di potenziale tra due punti A e B si indica VAB
L' unità di misura della differenza di potenziale è il VOLT
Fra due punti c'è la differenza di potenziale di un VOLT quando per spostare la carica di un
COULOMB da un punto all' altro si deve compiere il lavoro di un JOULE.
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Di solito un punto del campo elettrico viene scelto come punto di riferimento per le tensioni
elettriche. A questo punto, denominato massa, è assegnato il potenziale zero.
La differenza di potenziale tra un qualsiasi altro punto A del campo elettrico e la massa prende il
nome di potenziale del punto A e è indicata con VA.
Valgono le seguenti relazioni :
VAB = VA - VB
VBA = VB - VA
VAB = - VBA
Dati due punti con potenziale diverso ci indica con un + quello a potenziale maggiore.
La differenza di potenziale è la causa che determina lo spostamento delle cariche da un
punto ad un altro.
CORRENTE ELETTRICA
Se colleghiamo tra loro due punti A e B di potenziale elettrico diverso con un materiale
conduttore, gli elettroni “liberi” del conduttore vengono attratti dal punto a potenziale maggiore.
All’interno del conduttore si genera perciò un movimento di cariche elettriche.
La quantità di carica che attraversa una sezione del conduttore nell’unità di tempo è chiamata
corrente elettrica.
Q
I = -----t
Come verso convenzionale della corrente si assume quello opposto al movimento degli elettroni.
Pertanto il verso della corrente è quello che va dal punto a potenziale maggiore al punto a
potenziale minore.
I
A +
B
verso degli elettroni
L' unità di misura della corrente è l'Ampere
Si ha la corrente di un ampere quando la carica di un coulomb attraversa la sezione di un
conduttore in un secondo.
1 coulomb
1 ampere = -----------1 secondo
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GENERATORE DI TENSIONE
Il generatore di tensione è un dispositivo con due morsetti (poli), in grado di fornire una
differenza di potenziale costante fra i suoi due morsetti.
La tensione prodotta da un generatore è anche detta forza elettro-motrice (f.e.m.).
Il polo con potenziale maggiore viene indicato con un +.
Un generatore funziona a vuoto se i suoi morsetti sono lasciati aperti.
In questo caso il generatore non eroga corrente.
Un generatore funziona a carico se fra i suoi morsetti è collegato un utilizzatore.
Quando tra i due morsetti (poli) di un generatore viene collegato un conduttore (utilizzatore)
circola corrente.
Nel conduttore collegato esternamente ai morsetti di un generatore la corrente scorre dal (+)
verso il (-), mentre all' interno del generatore la corrente scorre in senso opposto, dal (-) al
(+).
Il generatore di tensione funziona pertanto come una “pompa elettrica” che, al proprio interno,
spinge gli elettroni verso la polarità negativa.
Per svolgere questa funzione occorre fornire energia.
Il generatore di tensione è dunque un dispositivo che trasforma energia di tipo non elettrico
(chimica, meccanica, ecc.) in energia elettrica.
GENERATORE IDEALE : la tensione di uscita a vuoto è uguale alla tensione di uscita a
carico e coincide con la f.e.m. prodotta internamente.
GENERATORE REALE :
la tensione di uscita a carico è inferiore di quella a vuoto.
Un generatore reale è equivalente ad un generatore ideale con in
serie una resistenza.
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CIRCUITO ELETTRICO
Il circuito elettrico più elementare è costituito da un generatore elettrico che mediante
un’interconnessione alimenta un utilizzatore ad esso collegato.
Il generatore
L’interconnessione
L' utilizzatore
fornisce energia
trasmette energia
assorbe energia
interconnessione
+
GENERATORE
UTILIZZATORE
-
Affinchè in un circuito elettrico possa circolare corrente ed esserci trasmissione di energia
dal generatore all'utilizzatore, occorre continuità fisica tra i due poli del generatore e
l'utilizzatore.
INTERRUTTORE
Il dispositivo in grado di interrompere o di ristabilire la continuità di un circuito è l'interruttore.
In un circuito elettrico complesso si possono distinguere i seguenti elementi :
RAMI, NODI, MAGLIE
A
B
+
G
C
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PRINCIPIO DI CONTINUITÀ DELLA CORRENTE
Se colleghiamo due punti a potenziale diverso con un conduttore di qualsiasi forma, in ogni
istante la corrente è la stessa in ogni sezione del conduttore.
I
A +
B
La corrente I è la stessa sia nella parte di conduttore a sezione grande sia in quella a sezione piccola.
Principio di EQUIPOTENZIALITÀ dei conduttori nel caso in cui la corrente venga interrotta
A +
C
D
B
Se la continuità fisica del conduttore, che collega due punti A e B di potenziale diverso, viene
interrotta (ad esempio con un interruttore), dopo un brevissimo transitorio necessario agli
elettroni per trovare una nuova condizione di equilibrio, si ottiene la seguente situazione :



la corrente è nulla  I = 0
il tratto di conduttore collegato ad A si porta tutto al potenziale di A
il tratto di conduttore collegato a B si porta tutto al potenziale di B


VC = VA
VD = VB
RELAZIONE TRA CORRENTE E DIMENSIONI DEI CONDUTTORI
Se colleghiamo due punti a potenziale diverso con due conduttori di lunghezza uguale e sezione
diversa, circola più corrente in quello che ha sezione maggiore.
I1
A +
B
I1 > I 2
I2
Se colleghiamo due punti a potenziale diverso con due conduttori di sezione uguale e lunghezza
diversa, circola più corrente in quello più corto.
I1
A +
B
I1 > I 2
I2
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LEGGE DI OHM
La corrente che circola in un conduttore è proporzionale alla differenza di potenziale
applicata ai suoi capi.
A
VAB = R  I
VAB
I = ---R
VAB
R = ----I
La costante di proporzionalità (R) tra tensione e corrente è chiamata resistenza
R
B
La resistenza di una conduttore dipende dal materiale, di cui è costituito, e dalle sue
dimensioni:
 l
R = ------S
 resistività
l
lunghezza
S sezione
L' unità di misura della resistenza è l' ohm
Un conduttore ha la resistenza di un ohm, quando applicando ai suoi capi una tensione di un
Volt circola la corrente di un Ampere.
1 volt
1 ohm = ----------1 ampere
CADUTA DI TENSIONE
La differenza di potenziale ai capi di una resistenza è data dal prodotto RI e prende anche il
nome di caduta di tensione.
Se una resistenza non è percorsa da corrente, la caduta di tensione ai suoi capi è zero e ogni
punto della resistenza ha lo stesso potenziale.
1° PRINCIPIO DI KIRCHHOFF
In un nodo, la somma delle correnti entranti è uguale alla somma delle correnti uscenti.
2° PRINCIPIO DI KIRCHHOFF
In una maglia la somma algebrica delle forze elettromotrici è uguale alla somma algebrica
delle cadute di tensione.
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BIPOLO
Un bipolo è una dispositivo che comunica con l' esterno mediante due terminali detti poli
BIPOLO
BIPOLO ATTIVO
Un bipolo attivo è un bipolo in grado di fornire una differenza di potenziale tra i suoi poli.
Un bipolo attivo ha al suo interno almeno un generatore ed è in grado di erogare corrente e di
fornire energia elettrica.
Il bipolo attivo più semplice è costituito da un generatore di tensione.
Un bipolo attivo funziona a vuoto quando tra i suoi poli non è collegato alcun utilizzatore, per
cui non eroga corrente.
Un bipolo attivo funziona a carico quando tra i suoi poli è collegato almeno un utilizzatore per
cui eroga corrente.
BIPOLO PASSIVO
Un bipolo passivo è un bipolo che non fornisce tra i suoi poli una differenza di potenziale.
Un bipolo passivo ha al proprio interno solo degli utilizzatori e può solo assorbire corrente e
ricevere energia elettrica.
Il bipolo passivo più semplice è costituito da una resistenza.
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BIPOLI EQUIVALENTI
Due bipoli passivi sono equivalenti quando, applicando tra i loro poli la stessa tensione,
assorbono la stessa corrente.
Un bipolo passivo costituito da sole resistenze, comunque collegate, è equivalente ad un'unica
resistenza.
Due bipoli attivi sono equivalenti quando, collegando tra i loro poli lo stesso carico, erogano
la stessa corrente e la stessa energia.
Un bipolo attivo, costituito internamente da generatori di tensione e da resistenze, comunque
collegati, è equivalente ad un unico generatore di tensione con in serie una resistenza
(Teorema di Thevenin).
RESISTENZE IN SERIE
Due o più resistenze sono in serie se sono poste sullo stesso ramo.
Resistenze in serie sono attraversate dalla stessa corrente.
Due resistenze (R1, R2) in serie sono equivalenti ad un’unica resistenza (Rs) pari alla somma
delle due resistenze.
Rs = R1 + R2
RESISTENZE IN PARALLELO
Due o più resistenze sono in parallelo se sono collegate tra gli stessi nodi.
Resistenze in parallelo hanno la stessa tensione applicata.
Due resistenze (R1 e R2) in parallelo sono equivalenti ad un'unica resistenza (Rp) ottenibile
nel seguente modo :
1
1
1
---- = ---- + ---Rp R1 R2
da cui si ricava :
R1  R2
Rp = ---------R1 + R2
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GENERATORI DI TENSIONE IN SERIE
Due o più generatori di tensione sono in serie se sono posti sullo stesso ramo.
Due generatori di tensione (E1, E2) in serie sono equivalenti ad un unico generatore E.
E = E1 + E2
se le tensioni E1 e E2 sono concordi
E = E1 - E2
se le tensioni E1 e E2 sono discordi
GENERATORI DI TENSIONE IN PARALLELO
Due o più generatori di tensione sono in parallelo se sono collegati tra gli stessi nodi.
È bene evitare di collegare generatori in parallelo. In ogni caso è opportuno collegare in
parallelo solo generatori che forniscono la stessa tensione.
Due generatori in parallelo, aventi la stessa tensione E, sono equivalenti ad un unico
generatore, che fornisce una tensione E.
PARTITORE DI TENSIONE
Due o più resistenze collegate in serie costituiscono un partitore di tensione, in quanto la
tensione applicata alla serie si ripartisce sulle resistenze (2° Principio di Kirchhoff).
Se E è la tensione applicata ad n resistenze in serie (R1,..,Rn), valgono le seguenti relazioni :
E = VR1 + VR2 + ... + VRn
R1
VR1 = -------------------- E
R1 + ... + Rn
...........
Rn
VRn = -------------------- E
R1 + ... + Rn
Un partitore di tensione può essere utilizzato per ottenere tensioni più basse di quella fornita dal
generatore di tensione.
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POTENZA ELETTRICA
DEFINIZIONI
 LAVORO
Una forza che sposta un corpo compie lavoro.
Il lavoro compiuto da una forza è dato dal prodotto della forza per lo spostamento.
L=F.s
La forza si misura in NEWTON.
Il lavoro si misura in JOULE.
Il JOULE è il lavoro compiuto dalla forza di un NEWTON che produce uno spostamento di un
METRO.
 ENERGIA
L' energia è la possibilità di compiere lavoro.
L' energia si misura in JOULE (come il lavoro).
L' energia si presenta in natura sotto varie forme : energia cinetica, energia termica, ecc.
L' energia può essere trasformata da un tipo ad un altro e trasmessa da un corpo ad un altro.
 POTENZA
La potenza è l' energia trasformata o trasmessa nell' unità di tempo.
energia
Potenza = ---------tempo
La potenza si misura in WATT
WATT = Joule / sec
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ENERGIA ELETTRICA
Per spostare cariche elettriche (e quindi per far circolare corrente in una resistenza) occorre
compiere del lavoro. Occorre perciò fornire al circuito una certa quantità di energia.
L' energia necessaria per far circolare corrente in una resistenza viene fornita dal generatore di
tensione.
Il generatore di tensione trasforma energia non elettrica (chimica, meccanica, termica ...) in
energia elettrica.
L' energia necessaria per spostare una quantità di carica Q fra due punti aventi differenza di
potenziale VAB vale :
W = Q . VAB
L' energia elettrica fornita da un generatore di tensione può essere trasmessa a distanza
attraverso le linee elettriche e può essere utilizzata per compiere lavoro o trasformata in un
altra forma di energia da un utilizzatore (resistenza, motore elettrico, ecc.).
L' energia fornita da un generatore di tensione ad una resistenza per far circolare corrente
viene trasformata in calore (cioè in energia termica).
Per questa ragione una resistenza percorsa da corrente si riscalda.
POTENZA ELETTRICA
La potenza elettrica è l'energia fornita dal generatore e assorbita dall'utilizzatore nell'unità di
tempo ed è data da:
P=V.I
LEGGE DI JOULE
La potenza elettrica dissipata (cioè trasformata in calore) da una resistenza R percorsa da una
corrente I è data da :
P = R . I²
Attenzione !
Quando un componente elettrico (resistenza, diodo, transistor..) è percorso da corrente, si
scalda e la quantità di calore prodotto nell' unità di tempo è proporzionale al quadrato della
corrente.
Siccome al crescere della temperatura i componenti elettrici modificano le loro caratteristiche
(funzionano peggio) fino a bruciarsi, è necessario limitare le correnti al di sotto dei valori
consenti (generalmente indicati dai data sheet).
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