FONDAMENTI DI ELETTROTECNICA

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Gianmarco Gigli
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1 FONDAMENTI DI ELETTROTECNICA Si può asserire con sicurezza che il tecnico di domani, qualunque sia il suo campo di lavoro, dovrà avere un certo bagaglio di conoscenze di elettrotecnica e di elettronica senza le quali non è possibile la comprensione del funzionamento dei moderni apparati. Soprattutto l elettronica è stata protagonista di quella che molti hanno chiamato la seconda rivoluzione industriale. Primi principi di elettrostatica ed elettronica In condizioni normali la carica elettrica di tutti i protoni è pari alla carica elettrica di tutti gli elettroni così che l atomo nel suo complesso è elettricamente neutro. Sono due le proprietà delle cariche elettriche: 1. cariche elettriche dello stesso segno si respingono 2. cariche elettriche di segno opposto si attraggono L intensità di corrente elettrica è stata scelta dal S. I. come grandezza fondamentale; la sua unità di misura in Ampere e tutte le altre unità usate in elettrologia devono essere definite partendo da essa. Per esempio 1 Coulomb è la q.tà di carica che passa ogni secondo attraverso la sezione di un conduttore percorso dalla corrente di 1 Ampere

2 Legge di Coulomb Afferma che tra due cariche elettriche Q 1 e Q 2 poste alla distanza di d, si esercita una forza calcolabile in questo modo: 1 Coulomb è la quantità di carica che posta nel vuoto alla distanza di 1 metro da una carica uguale, la respinge con una forza pari a 9*10 9 [N] e carica dell elettrone = 1,602*10-19 [C] costante dielettrica del vuoto = 8,85*10-12 [C 2 /(N*m 2 ] Esercizio: due cariche q 1 = +4 [µc] e q 2 = -3 [µc] si trovano nel vuoto a 2[m] di distanza. Con quale forza si attirano? Soluzione: F=K q 1 *q 2 /(r 2 )= 9*10 9 *(4*10-6 *(-3*10-6 ))/4=-0,027 [N] La legge di Coulomb è formalmente identica alla legge di attrazione gravitazionale Per rappresentare il campo gravitazionale si sceglie il vettore accelerazione gravitazionale In modo analogo si può rappresentare il campo elettrostatico con il vettore campo elettrico e ne rappresenta intensità del campo elettrico. Essa dipende dall entità delle due cariche e dalla loro distanza.

3 Le linee di forza si estenderanno con direzione convenzionale dalla carica positiva a quella negativa. q è detta carica di prova ed è positiva e di intensità trascurabile rispetto a Q Il vettore campo elettrico E rappresenta in ogni punto del campo la forza che può agire sulla carica elettrica unitaria positiva posta in quel punto: Il campo si ottiene sommando con la regola del parallelogramma in ogni punto il vettore E 1 ed il vettore E 2 creati rispettivamente da Q 1 e Q 2 Tra le due forze, quella elettrica e gravitazionale, c è una sola fondamentale disimmetria: mentre la forza elettrica dipende dal mezzo interposto, la forza gravitazionale ne è indipendente. Definizione di Volt: 1 Volt= 1 [Joule]/1 [Coulomb] In un punto di un campo elettrico vi è il potenziale di 1 Volt quando la carica di 1 Coulomb posta in quel punto viene ad acquistare una energia potenziale di 1Joule. La differenza di potenziale, detta d.d.p., è chiamata anche tensione elettrica : V A - V B

5 Convenzionalmente il verso della corrente elettrica è l inverso del moto degli elettroni; la q.tà di carica elettrica che attraversa una sezione nell unità di tempo è chiamata intensità della corrente elettrica I = Q / t 1 [Ampere] = 1 [Coulomb]/ 1 [sec] Generatore elettrico: è quel dispositivo che mantiene in circolazione gli elettroni in un circuito; gli elettroni escono dal suo morsetto negativo e rientrano attraverso quello positivo. Il polo + è a potenziale maggiore del polo - Una volta raggiunto l equilibrio elettrico, la ddp raggiunta tra i due poli rimarrà costante e si chiama fem (forza elettromotrice) del generatore. circuito conduttore. Utilizzazioni: Nello spostamento entro il filo gli elettroni incontrano atomi del materiale conduttore e interferiscono con essi. Lo scopo del generatore è quello di rifornire energia che gli elettroni perdono riscaldando il

6 Potenza elettrica del generatore P= L / t = q*fem / t= I*fem 1 [Watt]= 1[Ampere]* 1 [Volt] Il flusso di cariche può essere arrestato disponendo di un tratto di circuito mobile, detto interruttore che può assumere due posizioni: 1. APERTO (OFF) quando la continuità metallica è interrotta e le cariche sono ferme; 2. CHIUSO (ON) quando la continuità è assicurata e le cariche possono fluire liberamente Esercizio 1: un circuito funzionante alla tensione di 220 Volt, assorbe l energia di 4 KWh nel tempo di 2 ore. Calcolare la potenza, l intensità di corrente e la carica Soluzione 1 [Watt]= 1 [Joule]/ 1 [sec] 1 [Wh]= 3600 [J] 1[KWh] = 3,6* 10 6 [J] Potenza= 4/2= 2 [KWh] oppure Potenza= 2*3,6* 10 6 /3.600 = [Watt] I= P/V= 2000/220= 9,09 [Ampere] Q= I*t = 9,09*3600*2= [Coulomb]= /3.600=18,18 [Ah] 1 Coulomb= 1 ampere* 1 secondo 1Ah= [Coulomb] Esercizio 2: un motore elevatore, alimentato da 380 [Volt], assorbe in funzionamento una corrente di 10 [Ampere] per sollevare un peso di 500 Kg all altezza di 20 [metri]. Ammettendo un rendimento del 100% calcolare: la potenza del motore, l energia prodotta, il tempo impiegato e la carica Soluzione P= V*I= 380*10= [Watt] E p = m*g*h= 500*9,81*20= 9,81*10 4 [J] P= E p /t t= E p /P= 9,81*10 4 /3800= 25,8 [sec] Q= I*t= 10*25,8= 258 [C] Esercizio 3: un riscaldatore elettrico funzionante a 220 [Volt] è percorso da una corrente di 2 [A]. Calcolare: la Potenza, le calorie orarie prodotte Soluzione P= V*I= 220*2= 440 [W] Caloria (grande caloria): la q.tà di calore necessaria per innalzare di un grado centigrado un litro di acqua 1 [Cal] = [J] 1KWh= 3,6*10 6 [J]= 3,6*10 6 /4.186= 860 [Cal] 1 CV= 736 [W] P= 440 [W]= 0,44 [KW] Calorie orarie prodotte= 0,44*860= 378,4 [Cal/h]

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