APPUNTI DEL CORSO DI SISTEMI IMPIANTISTICI E SICUREZZA INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI ELETTRICI: FONDAMENTI DI ELETTROTECNICA Concetti e grandezze fondamentali CAMPO ELETTRICO: è un campo vettoriale di forze, generato nello spazio dalle cariche elettriche. In un punto dello spazio, si può definire l intensità del campo elettrico, E, misurando la forza, F, che è capace di provocare su una carica elettrica di prova, q: E F q Newton Coulomb Se a generare il campo elettrico è una carica di valore q1, essa esercita sulla carica di prova una forza, F (studiata e caratterizzata dallo Scienziato Coulomb), di intensità pari a: F q1 r essendo: εo la costante dielettrica del vuoto ed r la distanza tra le due cariche, q1 e q. ε o 2 q
L intensità del campo elettrico, generato nel vuoto da una carica q1, può essere, quindi, riscritta nel seguente modo: F q1 E ε 0 2 q r Newton Coulomb Volt metro POTENZIALE ELETTRICO Poiché un campo elettrico può esercitare una forza su una carica elettrica, esso può anche produrre lavoro, spostando la suddetta carica elettrica, da un punto iniziale ad un altro (si ricordi che il lavoro è pari al forza per spostamento). Il lavoro, p, svolto dal campo elettrico per spostare una carica di valore unitario, da un punto iniziale, p, e fino all infinito, prende il nome di energia potenziale elettrica o, più semplicemente, potenziale, Vp, del campo elettrico. Il potenziale elettrico è una grandezza scalare (è caratterizzata solo dall intensità) ed il suo valore risulta dato da: V p p q Joule Coulomb Volt Si noti che il valore del potenziale elettrico in un punto, p, generico è definito a meno di una costante (il potenziale nel punto all infinito); il valore del potenziale nel punto all infinito è convenzionalmente fissato pari a zero.
Una osservazione molto importante è che il lavoro, AB, compiuto dal campo elettrico per spostare una carica elettrica, q, da un punto iniziale A ad un punto finale B, non dipende dal percorso seguito dalla carica, ma unicamente dalla differenza del potenziale elettrico nel punto A, VA, e quello nel punto B, VB: AB ( V ) q V. A B La differenza di potenziale tra due punti A e B è anche detta TENSIONE ELETTRICA, VAB. RIASSUMENDO Nello spazio ove è presente un campo elettrico, una differenza di potenziale elettrico tra due punti (tensione) può provocare lo spostamento di una carica elettrica tra gli stessi punti, compiendo lavoro. CORRENTE ELETTRICA: non è altro che una quantità di carica elettrica in movimento; se osserviamo una sezione, S, fissa nello spazio dove vige un campo elettrico, la corrente elettrica, I, attraverso tale sezione è più propriamente definita come la variazione nel tempo della quantità di carica elettrica, Q, che passa attraverso la superficie stessa.
CORRENTE ELETTRICA Dalla sua stessa definizione, la corrente elettrica è una grandezza vettoriale (dotata di direzione e verso, oltre che di intensità) e la sua intensità può essere misurata come: I dq Coulomb Ampere dt secondo E importante sottolineare che, una differenza di potenziale che agisce su delle cariche può provocare circolazione di corrente. POTENZA ELETTRICA Abbiamo già trattato il lavoro elettrico, che è assimilabile direttamente al concetto di ENERGIA ELETTRICA. D altra parte, esiste un legame diretto tra energia,, e potenza, P: ( V V ) A B Joule P t P q I VAB att secondo att t t [ secondo]
CIRCUITI ELETTRICI Le grandezze elettriche sopra introdotte diventano utili nella pratica allorquando di riesce a confinarle in luoghi fisici ben definiti piuttosto che non genericamente nello spazio; tali luoghi fisici sono definiti circuiti elettrici. Un primo componente fondamentale dei circuiti elettrici sono i conduttori: si tratta di materiali che hanno la caratteristica intrinseca di possedere una grande quantità di elettroni (cariche elettriche con segno negativo) che possono muoversi con estrema facilità lungo i conduttori stessi, quando sottoposti a forze elettriche, provocate da un campo elettrico o, più convenientemente, da una tensione elettrica presente ai terminali (o capi, o morsetti) del materiale conduttore stesso. Per provocare una corrente elettrica (cariche elettriche in movimento) in un conduttore, quindi, è necessario creare ai morsetti (terminali) del conduttore stesso una tensione. Nella pratica sono state pensate e costruite delle macchine elettriche capaci di generare tensioni elettriche; esse vengono chiamati generatori di tensione. Per far si che l energia elettrica che può fluire in un circuito elettrico venga trasformata in lavoro utile nella pratica, è necessario che una corrente elettrica venga fatta confluire all interno di apparecchiatura elettrica ai cui morsetti venga, altresì, mantenuta una tensione elettrica, per un certo tempo. Tali apparecchiature vengono chiamate anche utilizzatori elettrici. Esistono diversi tipi di utilizzatori elettrici, che si distinguono l uno dall altro sia per come sono costruiti che per come sfruttano l energia elettrica ricevuta in ingresso; a titolo di esempio (non esaustivo) si citano le lampade ed i motori.
CIRCUITI ELETTRICI UN ESEMPIO DI SEMPLICE CIRCUITO ELETTRICO Pg Generatore vg(t) Conduttore i(t) Pu Utilizzatore vu(t) Conduttore
REGIMI DI FUNZIONAMENTO DEI CIRCUITI ELETTRICI: REGIME STAZIONARIO: tutte le grandezze elettriche rimangono costanti nel tempo. CORRENTE CONTINUA Le grandezze fisiche (tensione, corrente, potenza) essendo costanti nel tempo sono caratterizzabili con numeri reali, dotati di segno positivo o negativo; è come se fossero grandezze scalari. Relazioni molto semplici. Trova molte applicazioni nella pratica, ma per noi è di secondaria importanza! REGIME VARIABILE: le grandezze elettriche sono variabili nel tempo Variazioni qualsiasi (poco significativo nella pratica) CORRENTE ALTERNATA SINUSOIDALE (è quello di maggiore interesse) MONOFASE TRIFASE