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

Legge di CoulombAfferma che tra due cariche elettriche Q1 e Q2 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*109 [N]

e carica dell’elettrone = 1,602*10-19 [C]

costante dielettrica del vuoto = 8,85*10-12 [C2/(N*m2]

Esercizio: due cariche q1= +4 [µC] e q2= -3 [µC] si trovano nel vuoto a 2[m] di

distanza. Con quale forza si attirano?

Soluzione: F=K q1*q2/(r2)= 9*109*(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.

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 E1 ed

il vettore E2 creati

rispettivamente da Q1 e Q2

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 :

VA - VB

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 / Δt

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.

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 circuito

conduttore.Utilizzazioni:

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

Soluzione1 [Watt]= 1 [Joule]/ 1 [sec] 1 [Wh]= 3600 [J] 1[KWh] = 3,6* 106 [J]

Potenza= 4/2= 2 [KWh] oppure Potenza= 2*3,6* 106 /3.600 = 2.000 [Watt]

I= P/V= 2000/220= 9,09 [Ampere]

Q= I*t = 9,09*3600*2= 65.448 [Coulomb]= 65.448/3.600=18,18 [Ah]

1 Coulomb= 1 ampere* 1 secondo 1Ah= 3.600 [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

SoluzioneP= V*I= 380*10= 3.800 [Watt] Ep= m*g*h= 500*9,81*20= 9,81*104 [J]

P= Ep/t t= Ep/P= 9,81*104 /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

SoluzioneP= 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] = 4.186 [J]

1KWh= 3,6*106 [J]= 3,6*106 /4.186= 860 [Cal] 1 CV= 736 [W]

P= 440 [W]= 0,44 [KW] Calorie orarie prodotte= 0,44*860= 378,4 [Cal/h]