Principi Fondamentali dei Circuiti Elettrici: Leggi di Kirchhoff e Legge di Ohm

Fondamenti dell'Analisi dei Circuiti Elettrici

Legge delle Maglie (Legge di Kirchhoff delle Tensioni - LKT)

Il principio di conservazione dell'energia viene applicato ai circuiti attraverso la Legge delle Maglie. Si consideri un circuito serie composto da tre resistenze; verificando la somma delle tensioni (misurate ai capi dei componenti) si osserverà che essa coincide con la tensione ai terminali della sorgente.

La formulazione chiave è:

La somma algebrica di tutte le differenze di potenziale lungo un percorso chiuso (maglia) nel circuito è zero. Cioè, $\sum \Delta V = 0$ per un giro chiuso.

Questo teorema è semplicemente un modo particolare di affermare il principio di conservazione dell'energia nei circuiti elettrici, poiché la differenza di potenziale è definita in termini di Lavoro ed energia.

Legge dei Nodi (Legge di Kirchhoff delle Correnti - LKC)

Il principio di conservazione della carica elettrica si esprime attraverso la Legge dei Nodi.

Definizione di Nodo

Un nodo è un punto in cui il circuito si divide in rami. Può essere considerato un nodo in ogni punto in cui arrivi almeno un conduttore e ne parta almeno un altro.

La regola fondamentale è:

In qualsiasi nodo, la somma algebrica delle correnti deve essere zero.

Questo teorema, noto anche come KCL, è semplicemente l'affermazione del principio di conservazione della carica. (Esempio: $I_1 - I_2 - I_3 = 0$).

Curve Caratteristiche dei Componenti Passivi

Definizione di Caratteristica

La caratteristica di un elemento è data dalla funzione di intensità = f (tensione) per lo stesso. Per ottenerla, l'elemento viene sottoposto a tensioni diverse e si registrano i valori di intensità attraversanti, costruendo l'insieme dei valori V/I, per poi graficarli.

Il Diodo

Un dispositivo diodo è un semiconduttore che permette il passaggio di corrente elettrica in un'unica direzione, simile a un interruttore. In termini semplici, la caratteristica di un diodo (I-V) è costituita da due regioni:

• Nel quadro di una certa differenza di potenziale, si comporta come un circuito aperto (senza conduzione).
• Al di sopra di tale potenziale, si comporta come un circuito chiuso con una resistenza elettrica molto piccola.

La Resistenza Elettrica

Si chiama resistore un componente elettronico progettato per introdurre una specifica resistenza elettrica tra due punti su un circuito.

In altri contesti, come nei ferri da stiro, nel riscaldamento, ecc., la resistenza al calore è utilizzata per produrre l'effetto Joule.

Tra i tecnici, il termine resistenza è spesso usato per indicare il componente stesso, sebbene tecnicamente si riferisca alla proprietà fisica.

Legge di Ohm

L'intensità della corrente elettrica che passa attraverso un conduttore in un circuito è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata alle sue estremità e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore.

Formulazione Matematica

Matematicamente questa legge è espressa come segue:

$$I = \frac{V}{R} \quad \text{o} \quad V = IR$$

Dove:

• $V$: è la differenza di potenziale applicata alle estremità dei conduttori (in Volt, $V$).
• $R$: è la resistenza del conduttore (in Ohm, $\Omega$).
• $I$: è la quantità di corrente che fluisce attraverso il conduttore (in Ampere, $A$).

Definizione dell'Ohm

Risolvendo per la resistenza l'espressione matematica della Legge di Ohm si ottiene: $R = V / I$. Sulla base di ciò, si definisce l'unità di resistenza elettrica nel seguente modo:

La resistenza di un conduttore è 1 Ohm se una corrente di un Ampere fluisce quando si applica una differenza di potenziale di un Volt attraverso la resistenza:

$$R \, (\text{Ohm}) = \frac{V \, (\text{Volt})}{I \, (\text{Ampere})} \quad \text{quindi} \quad 1\Omega = \frac{1V}{1A}$$

Limitazioni della Legge di Ohm

Va osservato che la Legge di Ohm presenta alcune limitazioni:

1. Può essere applicata ai metalli, ma non al carbone o ai materiali utilizzati nei transistor.
2. Quando si usa questa legge, deve essere ricordato che la resistenza cambia con la temperatura, poiché tutti i materiali si riscaldano a causa del passaggio della corrente.
3. Alcune leghe conducono meglio il carico in una direzione rispetto all'altra.