Lezione n. 2 Modello atomico Tensione elettrica Corrente elettrica Resistenza Potenza elettrica Circuiti elettrici Legge di Ohm Leggi di Kirchhoff

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Isabella Carraro
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1 Lezione n. 2 Modello atomico Tensione elettrica Corrente elettrica Resistenza Potenza elettrica Circuiti elettrici Legge di Ohm Leggi di Kirchhoff Teorema di Thevenin Analisi di circuiti resistivi Sorgenti di potenza : Batterie Rete elettrica

2 Modello atomico L'atomo è una struttura nella quale è normalmente organizzata la materia. Più atomi formano le molecole. Il modello di Bohr ipotizza per l atomo una determinata struttura in cui ci sono elementi subatomici protoni, neutroni ed elettroni. Il nucleo è caricato positivamente ed è composto da protoni e neutroni. Gli elettroni sono caricati negativamente e si muovono intorno al nucleo descrivendo determinate orbite. Il numero atomico è il numero di protoni e determina il particolare elemento. Nel atomo neutro, il numero di elettroni è uguale al numero di protoni. Electron Proton Neutron Gli elettroni che si muovono sulle orbite più esterne sono coinvolti in reazioni chimiche e nei metalli essi determinano la conducibilità elettrica e termica.

3 Tensione elettrica Tra cariche elettriche è presente una forza (F). Cariche dello stesso tipo si respingono. Cariche di tipo diverso si attraggono. La forza èdirettamente proporzionale alla carica. La forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza (per sorgenti puntiformi). _

4 Tensione elettrica Si consideri il caso di due distribuzioni di cariche opposte fisse. Introducendo una piccola carica questa è influenzata dalla presenza delle due distribuzioni. La carica positiva sarà attirata dalla distribuzione di cariche negative e sarà respinta dall altra distribuzione. Quando questa carica positiva è mossa da un punto ad un altro, varia anche la sua energia potenziale. La variazione di energia potenziale è pari al lavoro fatto dalla carica positiva. Il potenziale elettrico è definito come la quantità di lavoro richiesto per spostare una carica elettrica unitaria da un punto ad un altro punto. L unità di misura è il Volt (V) E Joule V Volt Q Coulomb 1 C

5 Tensione elettrica Si consideri il caso di due distribuzioni di cariche opposte fisse. Introducendo una piccola carica questa è influenzata dalla presenza delle due distribuzioni. La carica positiva sarà attirata dalla distribuzione di cariche negative e sarà respinta dall altra distribuzione. Quando questa carica positiva è mossa da un punto ad un altro, varia anche la sua energia potenziale. La variazione di energia potenziale è pari al lavoro fatto dalla carica positiva. Il potenziale elettrico è definito come la quantità di lavoro richiesto per spostare una carica elettrica unitaria da un punto ad un altro punto. L unità di misura è il Volt (V) E Joule V Volt Q Coulomb 1 C

6 Corrente Corrente (I) è la quantità di carica ( Q) che scorre attraverso una sezione trasversale nell unità di tempo ( t). Elettrone I Q t A 1 C s A Corrente B L unità di corrente è chiamata Ampere (A) ed è uguale ad Coulomb per secondo 1A=1C/s. Le correnti elettriche tipicamente sono portate da elettroni. La carica dell elettrone è negativa e pari a: e=-1.6*10-19 C E importante tenere presente che una corrente positiva che scorre da B ad A corrisponde a elettroni che scorrono da A a B. Con l acronimo DC (direct current) si indica una corrente elettrica con valore e verso fissi di. Una corrente DC produce una tensione DC (con verso fisso).

Resistenza Elettrica La resistenza elettrica (R) è parametro che descrive la tendenza di un corpo, sottoposto ad una tensione elettrica, ad opporsi al passaggio di corrente elettrica.

7 Resistenza Elettrica La resistenza elettrica (R) è parametro che descrive la tendenza di un corpo, sottoposto ad una tensione elettrica, ad opporsi al passaggio di corrente elettrica. Le cause di tale resistenza sono: la natura del materiale, il riscaldamento esterno, le impurezze del materiale, ecc. Componenti che hanno una specifico valore di resistenza sono denominati resistori. Il Color bands simbolo del resistore è mostrato in figura: Resistance material (carbon composition) Insulation coating Leads Se una tensione (V) è applicata ai capi del resistore, una corrente (I) scorre attraverso il resistore e questa è proporzionale a V e inversamente proporzionale alla resistenza (R). Tale relazione è la legge di Ohm: V I R L unità di misura di R è l ohm ( ) V A La conduttanza (G) è 1/R.

Resistenza Elettrica Esempio 4 Anelli (Marrone=1), (Nero=0), (Arancio=3) 10 x 10 3 = 10k ohm Tolleranza (Oro) = ±5% Esempio 5 Anelli (Giallo=4), (Violetto=7), (Nero=0), (Rosso=2) 470 x 10 2 = 47k ohm

8 Resistenza Elettrica Esempio 4 Anelli (Marrone=1), (Nero=0), (Arancio=3) 10 x 10 3 = 10k ohm Tolleranza (Oro) = ±5% Esempio 5 Anelli (Giallo=4), (Violetto=7), (Nero=0), (Rosso=2) 470 x 10 2 = 47k ohm Tolleranza (Marrone) = ±1% Colore Valore Moltiplicatore Tolleranza (%) Nero Marrone Rosso Arancio Giallo Verde Blue Violetto Grigio Bianco Oro Argento Nulla R R 1 R n

Resistenza Elettrica Talvolta i valori sono specificati mediante due o tre cifre e una delle seguenti lettere R, K, o M usate per identificare il valore della resistenza.

9 Resistenza Elettrica Talvolta i valori sono specificati mediante due o tre cifre e una delle seguenti lettere R, K, o M usate per identificare il valore della resistenza. La lettera è utilizzata per indicare il moltiplicatore, e la sua posizione specifica la posizione del punto decimale. Resistori variabili: potenziometri e reostati. R Il terminale centrale è connesso al wiper Shaft Variable (potentiometer) Wiper Resistive element R Variable (rheostat)

10 Potenza elettrica La potenza è definita come l energia trasferita, prodotta o utilizzata nell'unità di tempo. A seconda del tipo di energia, si parla di: potenza meccanica, termica, elettrica Unità di misura della potenza è il Watt (W) definito come rapporto tra l unità di energia in joule (J) e unità di tempo in secondi (s). In DC la potenza elettrica (P) fornita a un componente (o circuito) è il prodotto della tensione e corrente applicate al componente (o circuito). Energia Carica Energia P V I Carica Tempo Tempo L energia (E) dissipata dal componente (o circuito) è il prodotto della potenza per il tempo di utilizzo (il tempo, di solito, si misura in ore). E Unità di misura pratica dell'energia è il chilowattora, che si abbrevia in kwh. P t Al fornitore elettrico si paga l'energia consumata; ma la stessa azienda elettrica fa pagare anche una quota base, proporzionale alla potenza nominale (chilowatt), cioè la potenza massima del contatore a cui questo stacca la corrente. Ciò perché il fornitore deve garantire all'utente in ogni momento la fornitura della potenza nominale e anche perché il costo della linea elettrica a monte del contatore è proporzionale alla potenza nominale

Legge di Joule Parte dell energia cinetica della corrente di elettroni che scorre attraverso un componente elettrico con resistenza R è convertita in energia termica (vibrazione del reticolo di

11 Legge di Joule Parte dell energia cinetica della corrente di elettroni che scorre attraverso un componente elettrico con resistenza R è convertita in energia termica (vibrazione del reticolo di atomi/ioni nel resistore ). La potenza persa in queste collisioni è pari a: Potenza elettrica 2 P I R V 2 / R Tale potenza si considera potenza perduta, eccetto il caso in cui il componente viene utilizzato come generatore di calore

12 Potenza elettrica P (mw) 2.25 I E (mj) t (s) I 1.5V mA V P VI mW 1000

Circuiti elettrici Un circuito elettrico è una qualsiasi composizione di resistenze, fili o altri componenti elettrici che permette a una corrente elettrica

Tipicamente, un circuito costituito da un generatore di tensione e un numero di componenti collegati insieme per mezzo di cavi o altri mezzi conduttivi.

13 Circuiti elettrici Un circuito elettrico è una qualsiasi composizione di resistenze, fili o altri componenti elettrici che permette a una corrente elettrica di fluire. Tipicamente, un circuito costituito da un generatore di tensione e un numero di componenti collegati insieme per mezzo di cavi o altri mezzi conduttivi. Per comprendere come opera un circuito elettrico è utile far riferimento ad un analogo circuito ad acqua Alta pressione 1Kg f /cm 2 Pompa Bassa pressione 0 Kg f /cm 2 Alta Tensione 12V Bassa Tensione 0V Pressione Flusso Volume Tempo F Forza d Energia A A d Volume Tensione Corrente Energia Carica Carica Tempo

14 Circuiti elettrici Legge di Ohm Un rubinetto chiuso ha all interno una pressione ma nessun flusso. Una presa elettrica ha una caduta di tensione ma nessuna corrente.

15 Circuiti elettrici I circuiti elettrici possono essere classificati come circuiti serie, parallelo o combinazioni di serie parallelo. Switch Metal strip Un esempio di un circuito di base è la torcia elettrica. Metal reflector Spring

16 Circuiti elettrici Resistori in serie Resistori in parallelo

Leggi di Kirckhoff Legge delle tensioni di Kirckhoff: La somma

.. V N Alta pressione 1Kg f /cm 2 1Kg f /cm 2 Pompa 0.

Legge delle correnti di Kirckhoff: in un nodo la somma delle

17 Leggi di Kirckhoff Legge delle tensioni di Kirckhoff: La somma delle cadute di V V tensione su un percorso chiuso è zero V N Alta pressione 1Kg f /cm 2 1Kg f /cm 2 Pompa 0.5Kg f /cm 2 Bassa pressione 0 Kg f /cm 2 0Kg f /cm 2 V V1 V2 Legge delle correnti di Kirckhoff: in un nodo la somma delle correnti che entrano è pari alla somma delle correnti che escono. I in I out I I 1 I 2 I I1 I2

18 Teorema di Thevenin Qualsiasi rete dc lineare a due terminali, può essere rappresentato da una sorgente di tensione in serie con un resistore. La sorgente di tensione è chiamata la tensione Thevenin (V th ), e la resistenza del resistore è chiamata resistenza di Thevenin (R th ); i due formano quello che viene chiamato il circuito equivalente di Thevenin. V th è la tensione tra i terminali della black box (ai terminali non è connesso nulla); V th può essere misurata o calcolata. R th è la resistenza attraverso i terminali della black box in cui tutte le sorgenti interne sono annullate (le tensioni e le correnti delle sorgenti sono annullate) ; anche R th può essere misurata o calcolata.

19 Analisi di circuiti resistivi Tali circuiti sono costituiti da generatori e resistori. L analisi elettrica, conoscendo il valore dei componenti resistivi e le grandezze impresse dai generatori, permette di calcolare i valori delle correnti e tensioni applicate a tutti i resistori del circuito. Circuito con N Resitori 2*N Incognite (N tens. N corr.) Servono 2*N relazioni Legge di Ohm Leggi di Kirckhoff N relazioni N relazioni V R1 - V R2 - V R5 - I R1 V R3 - I R3 I R2 V R4 - I R4 I R5 V R6 - I R6

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