#4 Generatore di tensione

Nella lezione precedente abbiamo analizzato il pilastro fondamentale dell'elettrotecnica, ovvero la legge di Ohm. In questa lezione, invece, vi parlerò del generatore di tensione, l'ultimo argomento riguardante la teoria dell'elettrotecnica. Come abbiamo visto nella lezione sulla #1 Corrente elettrica, il generatore di corrente doveva fornire una certa potenza per poter imporre una corrente costante. Per il generatore di tensione il concetto è lo stesso, ovvero deve fornire una certa potenza, ma per poter imporre una tensione costante e non una corrente. I simboli utilizzati per indicare un generatore di tensione generico sono i seguenti:

Simboli utilizzati per indicare un generatore di tensione

Qual'é la differenza tra generatore di corrente e generatore di tensione?

Ambedue sono due strumenti in grado di fornire energia elettrica, ma il primo impone una corrente costante, quindi la tensione sarà direttamente proporzionale alla resistenza che andremo a collegare. Il secondo, invece, impone una tensione costante, di conseguenza la corrente sarà inversamente proporzionale alla resistenza che collegheremo.

Se analizziamo il seguente circuito con la legge di Ohm:

Circuito di esempio con un generatore di tensione e un resistore

Notiamo che la corrente che attraversa il nostro resistore risulta pari a:

Legge di Ohm applicata al circuito precedente

Risulta chiaro che si tratta di una proporzionalità inversa, come accennato in precedenza, poiché all'aumentare della resistenza R diminuisce la corrente I. Per quanto riguarda la potenza essa è sempre pari al prodotto della tensione con la corrente.

Nella vita quotidiana la maggior parte dei generatori sono di tensione (come le classiche batterie). Un classico esempio di un generatore di corrente è un generatore di tensione da laboratorio limitato in corrente, ovvero un generatore che non può erogare più corrente di quanto sia stato precedentemente stabilito. Supponiamo che sia stato impostato un valore massimo di corrente in uscita pari a 0,5 A. Se si collegano in uscita resistori con valore sempre più basso, la corrente aumenta fino a raggiungere 0,5 A. Da questa soglia il generatore di tensione si comporterà come un generatore di corrente, infatti se si diminuisce ancora il valore dei resistori collegati in uscita la corrente resterà costante, ma diminuirà la tensione.

► Esercizio di esempio

Si consideri il seguente circuito:

Dove:
E = 24 V
R = 96 Ω
Calcolare la corrente erogata e la potenza sviluppata dal circuito.
Applicando la legge di Ohm la corrente risulta:

La potenza invece risulta:

 

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#3 Legge di Ohm

Dopo aver studiato nella lezione precedente la tensione elettrica, passiamo ora ad analizzare la legge di Ohm, un pilastro fondamentale dell'elettrotecnica.

La fisica ci insegna che la tensione che si crea ai capi di un conduttore a cui è collegato un generatore di corrente, dipende proprio dalle caratteristiche del conduttore stesso. Il parametro che identifica queste caratteristiche viene detto resistenza, ed esso non è altro che il rapporto tra la tensione ai capi di un conduttore e la corrente che lo attraversa.

Legge di Ohm

La formula 1) costituisce la legge di Ohm, dalla quale si deduce che con una tensione di 1 volt e un'intensità di corrente di 1 ampere, si avrà un valore di resistenza di 1 ohm, il cui simbolo è Ω.

Ohm nei suoi studi dimostrò che alcuni materiali come i metalli presentano sempre la stessa resistenza al variare di V e di I. Questi conduttori vengono chiamati lineari e fanno parte di questa famiglia i metalli (come un filo di rame). L'elemento elettrico utilizzato per avere un certo valore di resistenza è il resistore, il cui simbolo è il seguente.

Simbolo utilizzato per indicare un resistore

Dove si trovano questi resistori?
I resistori si trovano praticamente in tutte le apparecchiature elettriche/elettroniche che abbiamo, per esempio sono resistori: la classica lampadina ad incandescenza, uno scaldabagno, oppure un forno elettrico. Va ricordato però che anche i fili che si utilizzano all'interno di un circuito sono anch'essi dei resistori, solamente che il loro valore di resistenza è molto basso (valori attorno ai mΩ), ed in generale nei circuiti questo valore viene considerato trascurabile.

Come si comporta la tensione in un conduttore avente resistenza nulla?
Se in un circuito vengono collegati due punti mediante un conduttore con valore di resistenza nulla (o trascurabile) la tensione che si forma tra questi due punti sarà nulla, indipendentemente dalla corrente che circola. Ce lo dimostra proprio la legge di Ohm. Infatti, invertendo la formula 1), possiamo notare che qualunque sia il valore della corrente applicato, la tensione risulterà sempre zero, essendo la resistenza del conduttore nulla. Immaginiamo sempre che la corrente sia dell'acqua che scorre all'interno di una tubatura. Se posizioniamo quest'ultima perpendicolarmente rispetto al livello del suolo, non abbiamo bisogno di energia (tensione) per far muovere l'acqua (corrente) dall'alto al basso, in quanto nel tubo non vi sono attriti (resistenze).

► Esempio

Si consideri il seguente circuito:

Dove:
I = 0,5 A
R = 5 Ω
Calcolare la tensione ai capi del generatore, la potenza e l'energia che il circuito sviluppa in un arco di tempo di 3 ore.

Applicando la legge di Ohm la tensione ai capi della resistenza, quindi anche ai capi del generatore, risulta:

Per quanto riguarda la potenza essa si calcola con la formula vista nella lezione #2 Tensione elettrica, quindi:

Infine l'energia sviluppata in 3 ore si calcola moltiplicando la potenza per il tempo trascorso in secondi, di conseguenza 3 ore sono 10800 secondi.

 

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#2 Tensione elettrica

Nella precedente lezione abbiamo parlato della corrente e del generatore di corrente, spiegando cosa sono e il principio di funzionamento dell'ultimo. In questa lezione, invece, vedremo cos'è la tensione elettrica.
I simboli che indicano un generatore di tensione elettrica generale sono i seguenti:

 Simboli utilizzati per indicare un generatore di tensione

Iniziamo subito dicendo che un generatore di corrente, per poter imporre un certo valore di corrente elettrica all'interno di un circuito, deve fornire una certa energia (espressa in joule) alle cariche in movimento. Se si considera questa energia in un arco di tempo, essa viene definita come una potenza, che viene misurata in watt.

Formula che descrive l'energia in un arco di tempo

La tensione elettrica tra due punti viene definita come il rapporto tra la potenza necessaria a mantenere una data corrente e il valore della corrente stessa. Essa si esprime in volt e viene indicata con il simbolo V.

Formula che descrive il concetto di tensione elettrica

Quindi cos'è in sostanza la tensione elettrica?
Si può dire che la tensione elettrica tra due punti non è altro che l'energia necessaria a far spostare le cariche da un punto ad un altro. Nello specifico l'energia che serve a "far scorrere la corrente". Ci accorgiamo di questo ricavando l'espressione dell'energia attraverso le formule 1) e 2).

Formula che espone come la tensione sia responsabile del movimento delle cariche

 

Sembra una definizione difficile, ma per semplificarla possiamo immaginare la corrente come dell'acqua all'interno di una tubatura: se questa non viene spinta resta all'interno del circuito idraulico senza muoversi, ma se noi la spingiamo, e quindi forniamo energia (ovvero tensione elettrica), essa si muove (e quindi fa scorrere la corrente). È importante dire che il valore della tensione deve sempre essere definito tra due punti.

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#1 Corrente elettrica

In questo primo post dedicato alla teoria dell'elettrotecnica vi introdurrò la corrente elettrica spiegandovi qual'è il dispositivo in grado di generarla e da cosa è costituita. Prima di continuare con questo post vi consiglio di leggere l'introduzione all'elettrotecnica, per entrare meglio nell'ottica della materia.
Il dispositivo in grado di imporre in un circuito un certo valore fisso di corrente elettrica viene chiamato generatore di corrente. Il simbolo utilizzato per tale dispositivo è il seguente:

Generatore di corrente

Come si propaga la corrente in un circuito e cos'è? 
Senza scendere troppo nei dettagli possiamo dire che essa si propaga attraverso il movimento di elettroni. Essi si propagano a velocità molto bassa, ma all'interno di un conduttore questa velocità diventa prossima a quella della luce.

Movimento di elettroni

Per convenzione si considera questo verso come il movimento delle cariche positive rispetto a quelle negative, ovvero il verso indicato dalla freccia rossa. Nelle realtà sono gli elettroni che si muovono (cariche negative) e seguono il verso indicato dalle frecce blu. Da questo si deduce che il verso reale della corrente risulta opposto a quello convenzionale.
L'unità di misura della corrente è l'ampere e viene indicata con il simbolo A; con 1 ampere di corrente si ha il passaggio di una carica di 1 coulomb in 1 secondo.

Formula che descrive l'unità di misura della corrente

 

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