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ELETTROTECNICA

1- LA CORRENTE ELETTRICA

2- IL CIRCUITO ELETTRICO

3- DIFFERENZA DI POTENZIALE: IL VOLT

4- INTENSITA' E RESISTENZA: LEGGE DI OHM

5- LAVORO E POTENZA DI UNA CORRENTE

6- CORRENTE CONTINUA E ALTERNATA

7- FUSIBILI

1- La corrente elettrica

L'elettricità è una forza naturale, sfruttabile per produrre energia e lavoro, utilizzabile per i più disparati scopi. Alcuni apparecchi sono capaci di produrre energia elettrica, e si dicono generatori. Altri la trasformano in qualcosa d'altro (luce, calore, energia meccanica) e sono detti utilizzatori.

La corrente elettrica è sostanzialmente il prodotto di un flusso di elettroni, particelle microscopiche che rientrano nella costituzione dell'atomo. La struttura dell'atomo prevede infatti un nucleo fisso, contenente un certo numero di cariche positive (protoni), e un numero corrispondente di elettroni, particelle dalla carica elettrica negativa, che orbitano intorno al nucleo.

Sebbene in elettrotecnica si sia stabilito per convenzione che il movimento delle cariche elettriche vada dal polo positivo a quello negativo, nella realtà sono gli elettroni a muoversi, quindi la corrente elettrica vera e propria si sviluppa sempre dal polo negativo a quello positivo.

La pila e la dinamo elettrica sono due esempi di generatori; presentano dei morsetti sui quali vengono continuamente sviluppate notevoli quantità di cariche elettriche, ovvero: in un polo vengono a trovarsi elettroni negativi in quantità, mentre l'altro polo, privato di elettroni, assumerà una carica positiva data dai protoni dei nuclei degli atomi che si trovano lì. Se i due poli vengono collegati da un conduttore, in esso si sviluppa un passaggio continuo di elettricità, cioè una corrente elettrica.

Per trasferire l'energia dai generatori agli utilizzatori bisogna metterli in contatto attraverso dei materiali capaci di condurre
l'elettricità, detti buoni conduttori, per esempio: i metalli, il carbone, le soluzioni saline o acide. Esistono poi delle sostanze che ostacolano o impediscono il passaggio di corrente, e perciò si dicono cattivi conduttori o isolanti o coibenti: il gas, il vetro, la gomma, la carta, la ceramica etc.

L'apparecchio utilizzatore, i conduttori e la fonte erogatrice di energia elettrica, nel loro insieme, costituiscono un sistema chiuso per il passaggio di elettricità, detto circuito.

2- Il circuito elettrico

Il circuito elettrico è un sistema chiuso per la distribuzione e l'utilizzo di energia elettrica.
Il circuito basilare è formato da alcuni elementi essenziali:

un generatore (per esempio una pila)

un conduttore di andata (cavo elettrico o "filo")

un conduttore di ritorno (cavo elettrico o "filo")

l'apparecchio utilizzatore (per esempio una lampadina) Il generatore sviluppa ai suoi poli o morsetti delle cariche
elettriche, le quali hanno l'attitudine a scorrere in un conduttore se questo viene collegato ai due morsetti stessi.
La corrente scorre nel circuito fintanto che il conduttore, immaginiamo un cavo elettrico, non presenta interruzioni ed è ben attaccato ai poli del generatore.
Se poi lungo il cavo viene collegata una lampadina, anch'essa posta in modo da non interrompere la continuità del circuito, la corrente elettrica scorrerà anche attraverso di essa provocando un effetto luminoso. La lampadina viene quindi alimentata dalla corrente elettrica.
Il cavo elettrico che, uscendo dalla lampadina, si porta al secondo morsetto del generatore, può essere considerato un conduttore di ritorno, cioè gli elettroni trasportati dalla corrente, una volta passati attraverso l'apparecchio utilizzatore, ritornano al generatore, per essere reimmessi nel circuito.

L'Interruttore
L'interruttore è un dispositivo che ha l'effetto di interrompere la continuità di un circuito. Significa che il circuito elettrico, in
qualche sua parte, viene aperto e perciò messo in condizione di non potere condurre la corrente. In qualsiasi punto del circuito venga applicata l'interruzione, l'effetto è quello di fare mancare il collegamento di continuità e perciò la corrente elettrica non sarà più rilevabile in nessun punto del circuito stesso.

Azionando l'interruttore esso interrompe la corrente aprendo il contatto, perciò si dice che l'interruttore o il circuito
sono "aperti". La lampadina si spegne.

Tornando ad agire sull'interruttore, esso ripristina la continuità del circuito, perciò si dice che il contatto, l'interruttore e il circuito sono "chiusi". La lampadina si accende.

3- Differenza di potenziale o tensione: il Volt

Il circuito elettrico presenta alcune particolarità per capire le quali sarà utile illustrare il cosiddetto paragone idraulico, ovvero
un'analogia del comportamento della corrente elettrica rispetto all'acqua.

Il paragone idraulico

Una cisterna d'acqua situata ad una determinata altezza rispetto al suolo rappresenta una data energia potenziale, ovvero; se l'acqua viene fatta scorrere lungo un tubo verso un bacino di raccoglimento posto più in basso, essa mostrerà alcune proprietà quali: la velocità con cui scende e quindi la quantità di acqua erogata dal tubo in un'unità di tempo.
Da notare che, a parità di condizioni, quanto più in alto si trova la cisterna, tanto maggiori saranno sia la velocità che la quantità di acqua scesa.
Cadendo, l'acqua produce energia, ed aumentando l'altezza della cisterna aumenta anche l'energia sviluppata dalla caduta. Finchè però l'acqua non percorre il tubo, questa energia rimane allo stato virtuale, e si dice energia potenziale. All'aumentare dell'altezza, dunque, aumenta anche l'energia potenziale attribuibile all'acqua della cisterna.
Finchè si conserva un dislivello tra le due superfici del liquido, rispettivamente nella cisterna e nel bacino di raccoglimento, il
passaggio dell'acqua nel tubo si manterrà costante.
Nel circuito elettrico riscontriamo una condizione analoga a quella del bacino idrico.
Le cariche di nome diverso (positive e negative) che si sviluppano ai morsetti di un generatore, data la loro propensione a scorrere fino ad equilibrare tali differenze, fanno assumere ai due poli un certo potenziale elettrico; finchè si manterrà questa tensione -o differenza di potenziale- tra gli estremi di un conduttore, si avrà in esso un passaggio di corrente elettrica.

In elettrotecnica, la tensione o differenza di potenziale, si misura in Volt (simbolo: V) ed è per questo chiamata pure voltaggio.

Come nel paragone idraulico, anche nel circuito elettrico maggiore è la tensione e tanto maggiore sarà la corrente che scorre lungo il conduttore, quindi anche l'energia che è in grado di produrre.
La tensione, o differenza di potenziale, esistente tra due punti di un circuito, può essere rilevata da uno speciale apparecchio detto voltmetro, che deve essere collegato attraverso i suoi morsetti ai due punti tra cui si vuole misurare il voltaggio.

4- Intensità e resistenza: la Legge di Ohm

L'intensità di una corrente elettrica si indica con I, un'unità di misura detta Ampere, e risulta essere quella quantità costante di elettricità che percorre il conduttore in un'unità di tempo.

Per riprendere il paragone idraulico, abbiamo visto che, tanto più in alto è posta la cisterna, tanto più velocemente l'acqua scende; di conseguenza diviene anche maggiore la quantità di acqua che scende in una determinata unità di tempo.
Se però lungo il tubo si trovano dei restringimenti oppure degli ingorghi, l'acqua in quei punti farà più fatica a passare; il liquido, incontrando queste resistenze, scenderà con una velocità minore, e anche la quantità di acqua che scorre nell'unità di tempo sarà tanto minore quanto maggiore è l'impedimento incontrato.

Nel circuito elettrico, per analogia, troviamo che quanto più alta è la tensione (V) applicata al conduttore, tanto maggiore risulterà la corrente (I) che vi fluisce, attenuata però dalle resistenze attraversate.

La resistenza, in elettrotecnica, è una proprietà che i corpi manifestano nel momento in cui vengono attraversati da una corrente elettrica, ovvero presentano al suo passaggio una specie di attrito che dipende dalla loro qualità e dalle dimensioni. Le resistenze possono essere rappresentate, per esempio, dal filamento di una lampadina. La resistenza elettrica si indica con R e per essa è stata stabilita un'unità di misura, l'ohm, che corrisponde al simbolo .
E' stato stabilito per convenzione che l'ohm è quella resistenza manifestata da una colonnina di mercurio di 1 mmq di sezione e di 106,3 cm di lunghezza, posta alla temperatura di 0°.
Anche la resistenza elettrica può essere misurata direttamente dal circuito tramite un apparecchio detto ohmetro. Teniamo presente però che tutte le grandezze elettriche vengono oggi rilevate grazie ad un unico apparecchio tester sul quale si possono selezionare le diverse funzioni.

Legge di Ohm

Quanto detto finora costituisce la spiegazione della formula matematica detta Legge di Ohm, dal nome del suo teorizzatore.
La Legge di ohm può considerarsi come la pietra miliare dell'elettrotecnica; esprime che, in un circuito elettrico, l'intensità
I della corrente è direttamente proporzionale alla tensione V applicata, mentre si dimostra inversamente proporzionale alla
resistenza R incontrata:

I = V/R ovvero A = V/

Da cui si ricava la formula derivata:

R = V/I

Oppure ancora:

V = I R

Questa espressione della legge di ohm denota che il Volt è quella differenza di potenziale che si rileva agli estremi di una resistenza di 1 ohm percorsa dalla corrente di 1 ampere.

Resistività o Resistenza Specifica

La resistenza R, espressa in , di un elemento specifico, dipende dalle sue qualità di conducibilità, ma anche dalla sua massa e dalle dimensioni, perciò si rivela utile determinare la resistenza specifica di ciascun materiale indipendentemente da una data lunghezza e da una data sezione.

Resistività

Il valore di resistenza specifica o resistività si indica con la lettera greca (ro greca) e viene calcolata in rapporto alla resistenza
in ohm per metro di lunghezza e mmq di sezione:

resistenza complessiva = resistività x lunghezza in metri

sezione in mmq

ovvero: R = m. / S mmq

da cui si ricava:

l = R S/ ; S = l /R; = R S/ l

5- Quantità di carica, lavoro e potenza di una corrente

La quantità di carica Q portata da una corrente elettrica e raccolta su di un conduttore rappresenta una grandezza cui è stato dato il nome di Coulomb (sigla C).
Un Coulomb consiste nella quantità di elettricità trasferita dalla corrente di 1 ampere in un secondo, cioè in un'unità di tempo. Va detto che il Coulomb risulta nella pratica un'unità di misura troppo piccola, perciò è più frequente trovare la grandezza della quantità di carica espressa in amperora (Ah), cioè la quantità di carica trasmessa in un'ora.
Le proprietà di un circuito riferite alla quantità di carica sono riassunte nella legge matematica nota come Legge di Coulomb:

Q = I T

Da cui si deducono le formule derivate:

I = Q/T e T = Q/I

Lavoro di una corrente elettrica

Come nel paragone idraulico avviene per l'acqua, la caduta di una massa pesante da una certa altezza produce energia e lavoro; anche lo scorrere di una carica elettrica da un potenziale più alto a uno più basso produce energia. L'unità di misura dell'energia o lavoro elettrico è il joule (J).

Il Joule è quell'energia sviluppata dalla corrente di 1 ampere sotto la tensione di 1 Volt in un secondo.

L'energia, o lavoro elettrico L di una scarica elettrica o corrente, dipende dalla quantità di carica Q e dal potenziale (V) di cui essa é caduta:

L = Q V

Ricordando che Q = I T si determina la relazione: L = V I T la quale esprime il fatto che un determinato lavoro è stato compiuto in un determinato intervallo di tempo.

Il Watt e la Potenza Elettrica

Per determinare invece la potenza P -espressa in Watt (W)- di una corrente elettrica, cioè il lavoro compiuto ogni secondo, si usa la seguente formula:

P = L/T ovvero P = V I T/T; P = V I altrimenti scrivibile come: W = V A

In sostanza, dunque, la potenza di una corrente elettrica si ricava dal prodotto della tensione per l'intensità di corrente, Volt per Ampere. Possiamo definire il Watt come la potenza di una corrente elettrica dell'intensità di 1 ampere sotto la tensione di 1 Volt.

Conoscendo la tensione V che alimenta un circuito elettrico (frequentemente, la tensione di rete), si può misurare la corrente in ampere che percorre un utilizzatore e perciò ricavarne l'assorbimento in Watt.
Esistono dei multipli del watt che risultano più comodi nell'uso comune: il chilowatt (KW), che è mille volte più grande, aderisce bene all'ordine di grandezza della potenza, per esempio, di apparecchi come amplificatori del suono per i diffusori (casse), che possono assorbire anche 20 KW.

In rapporto alle conoscenze acquisite, possiamo anche dare qui una definizione di Ampere: L'Ampere è un'intensità di corrente rappresentata da quella corrente costante che, attraversando la resistenza di 1 ohm, sviluppa la potenza di un watt.

6- Corrente continua e corrente alternata

Nei paragrafi precedenti abbiamo fatto riferimento alla corrente elettrica in modo indistinto, supponendo che il verso di scorrimento vada sempre, secondo convenzione, da un polo positivo (+) ad uno negativo (-).
La corrente di questo tipo si mantiene costante in intensità e direzione e si dice CORRENTE CONTINUA; viene indicata, sugli apparecchi che la producono o la utilizzano, con la sigla C.C. o col simbolo .

Un esempio elementare di impiego della C.C. è dato dalla normale pila da 1,5 V che si utilizza negli orologi o nelle radioline. Nella pila infatti il polo positivo rimane tale, così come il negativo, fino a quando la pila stessa non si esaurisce.

Esiste anche un altro tipo di energia elettrica che viene erogata sottoforma di CORRENTE ALTERNATA e si indica con C.A. o col simbolo .
La corrente si dice alternata quando il suo verso di scorrimento nel circuito si inverte continuamente; ciò che varia è la sua polarità, ovvero quello che a un dato momento è il polo positivo diviene negativo un attimo dopo. In queste continue inversioni, i valori di intensità e voltaggio della corrente variano rapidamente, da zero a un massimo per poi tornare a zero.
Le varie alternanze possono avvenire con la frequenza di parecchie volte al secondo, ed infatti l'unità di misura della corrente
alternata, l'Hertz (Hz) si riferisce proprio alla sua frequenza.
Le continue inversioni di polarità fanno descrivere alla corrente alternata una forma di onda sinusoidale che si porta da valori positivi a valori negativi.

La corrente alternata è in verità molto diffusa, infatti è comunemente distribuita come energia elettrica di rete nelle case e nelle fabbriche, dove ha una frequenza standard di 50 - 60 Hz.
Gli apparecchi generatori che producono la C.A. si chiamano alternatori, e possono essere facilmente realizzati per potenze molto grandi e per tensioni di migliaia di Volt.

7- Fusibili

Il fusibile è un elemento di sicurezza che viene inserito nel circuito con lo scopo di entrare in crisi a determinati valori di intensità di corrente (potere di interruzione), salvaguardando così il resto dell'impianto.
Se infatti un fusibile si "brucia", la corrente elettrica non può più attraversarlo e quindi cessa di percorrere il circuito, il che
impedisce di danneggiare ciò che si trova ad esso collegato.

Se un fusibile si interrompe vuole dire che si sono venute a creare delle condizioni di tensione e/o intensità di corrente anomale per quel circuito elettrico. Il valore di resistenza dei fusibili, espresso in Ohm, viene infatti calcolato in modo preciso per le caratteristiche del particolare circuito in cui viene inserito.

Sul corpo del fusibile viene indicato il valore della tensione che deve sopportare e il potere di interruzione espresso in ampere, valore oltre il quale il fusibile si interrompe.

I fusibili possono essere in vetro, per la protezione di circuiti elettrici ed elettronici, e hanno normalmente un potere di interruzione espresso in mA -milliampere- e in A -ampere-.

I fusibili in ceramica o in cemento, materiali che dissipano il calore dovuto all'assorbimento, sono impiegati per utilizzatori di notevole potenza, e si interrompono per valori dell'ordine dell'ampere e del kA -kiloampere- (motori, pompe, autoclavi, centrali termiche etc.).

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