Fondamenti di Elettrotecnica: Circuiti, Leggi e Fenomeni Elettrici

1. Introduzione ai Circuiti Elettrici

Il circuito elettrico è definito come il percorso seguito dal flusso di energia. In un circuito dinamico esistono tre elementi fondamentali: il generatore, il ricevitore e il conduttore che collega i due elementi citati, attraverso i quali avviene il passaggio o flusso di energia elettrica prodotta dal generatore e assorbita dal ricevitore.

Quando l'energia elettrica si muove lungo il circuito, si manifestano fenomeni il cui studio richiede l'uso di grandezze elettriche specifiche.

Fenomeni legati al passaggio di corrente

Il passaggio di una corrente elettrica attraverso un conduttore produce una serie di fenomeni osservabili quando la differenza di potenziale tra le estremità del conduttore rimane costante per un tempo congruo e la corrente è sufficientemente intensa. Questi fenomeni sono:

• a) Effetti magnetici: Come dimostrato dall'esperienza di Oersted, il passaggio di corrente in un conduttore genera un campo magnetico. L'esperienza di Rowland conferma inoltre che anche lo spostamento di un corpo elettrizzato (corrente di convezione) produce un campo magnetico.
• b) Effetto termico: L'effetto più rilevante è l'effetto Joule, che si manifesta con lo sviluppo di calore in tutti i conduttori attraversati da corrente, causato dall'urto delle particelle elettrizzate in movimento con le particelle del mezzo.
• c) Effetti chimici: Il passaggio di corrente attraverso una soluzione (es. cloruro di rame) produce una decomposizione chimica nota come elettrolisi.
• d) Effetti luminosi: Si verificano quando il flusso di corrente attraversa un gas (come il neon) o tramite l'arco elettrico e l'incandescenza per effetto Joule.
• e) Effetti biologici: Il passaggio di corrente attraverso organismi viventi può causare ustioni, coagulazione e altri danni di gravità variabile in base all'intensità.

2. Grandezze Elettriche Fondamentali

• Differenza di potenziale (Tensione): È il valore del lavoro svolto per unità di carica dal campo elettrico per spostare una carica di prova positiva. L'unità di misura è il Volt (V) e si misura con il voltmetro.
• Corrente elettrica: È la quantità di elettricità che attraversa un circuito nell'unità di tempo. L'unità di misura è l'Ampere (A) e si misura con l'amperometro.
• Forza elettromotrice (fem): È la forza che mantiene gli elettroni in movimento in un circuito. Si misura in Volt. Ogni generatore possiede una resistenza interna, pertanto la fem coincide con la tensione ai terminali solo a vuoto.

3. Resistenza e Capacità

Resistenza e Resistività

• Resistività (ρ): Valore della resistenza di un cilindro di sostanza con sezione di 1 mm² e lunghezza di 1 metro.
• Resistenza (R): Dipende dal materiale, dalla lunghezza (L) e dalla sezione (S). Formula: R = ρ · L / S. L'unità di misura è l'Ohm (Ω).
• Conduttanza: Definita come l'inverso della resistenza.
• Influenza della temperatura: La resistenza aumenta linearmente con la temperatura secondo il coefficiente di temperatura (α). Formula: R = R20 · (1 + α · (t - 20)).

Capacità di un condensatore

È la capacità di un sistema di due conduttori separati da un isolante di accumulare cariche elettriche. Formula: C = Q / V. L'unità di misura è il Farad (F).

4. Potenza, Energia e Corrente Alternata

• Potenza elettrica: P = I · Vab (espressa in Watt).
• Energia: W = P · t = V · I · t.
• Corrente e tensione sinusoidale: Variano nel tempo secondo la funzione i = Im · sin(ωt + φ).
• Periodo (T) e Frequenza (f): La frequenza è il numero di cicli al secondo (Hertz). Relazione: f = 1 / T.
• Valori efficaci: In corrente alternata, il valore efficace è quello che svilupperebbe la stessa quantità di calore in corrente continua. I = Im / √2.

5. Leggi Fondamentali

Legge di Ohm

L'intensità di corrente che attraversa un circuito è direttamente proporzionale alla tensione applicata e inversamente proporzionale alla resistenza: I = V / R.

Legge di Joule

Il passaggio di corrente attraverso un conduttore produce calore a causa dell'urto degli elettroni con gli atomi del materiale.

Leggi di Kirchhoff

• Prima legge (Legge dei nodi): La somma delle correnti che entrano in un nodo è uguale alla somma delle correnti che ne escono.
• Seconda legge (Legge delle maglie): In ogni circuito chiuso, la somma algebrica delle forze elettromotrici è uguale alla somma delle cadute di tensione.