1 Elettrotecnica Ingegneria Meccanica Ingegneria Chimica A.A 2019/2020 Barbara Cannas 070 675 5858 [email protected]Libro di testo Circuiti elettrici, Renzo Perfetti, Zanichelli (circuiti) Altri testi: Elettrotecnica e Applicazioni, G. Fabricatore, Liguori editore (macchine) Elettrotecnica. Principi e applicazioni, Giorgio Rizzoni, Mc Graw Hill
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In una regione di spazio sede di un campo elettrico,
per spostare una carica da A a B occorre un certo lavoro/energia.
Se una carica si sposta lungo un percorso chiuso, il lavoro totale è nullo
(campo conservativo→energia potenziale, di posizione)
Q+ sorgente del campo elettrico,
Se volessimo avvicinare una carica q+ alla carica Q+ occorrerebbe compiere
un lavoro contro le forze del campo, che in questo caso tenderebbero ad
allontanare le cariche. Il lavoro è un lavoro negativo (perché "fornito"
dall'esterno rispetto al sistema di cariche). La variazione di energia potenziale
è positiva.
Se volessimo avvicinare una carica q- a Q+, dovremmo assecondare le forze
attrattive tra le due cariche e quindi compiere un lavoro positivo.
L’energia potenziale elettrica w è il lavoro che le forze elettrostatiche devono
compiere per portare una carica da un punto qualsiasi del campo elettrico
all'infinito (dove l’energia potenziale è nulla).
A A Aw w w w w w L = − = − = − =
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Il potenziale elettrico
Si definisce potenziale elettrico in un punto, e si indica con V, il lavoro che
occorre compiere per portare una carica unitaria da un punto qualsiasi del
campo elettrico all'infinito (energia potenziale elettrica dell’unità di carica w/q).
V=L/q
➢ L’infinito è un punto infinitamente lontano esterno al campo, ove si assume
potenziale nullo.
➢ Il potenziale elettrico varia da punto a punto in un campo: a punti diversi dello spazio
corrispondono potenziali diversi.
A AA
w w wL wV
q q q q
−= = − = − =
La tensione elettrica
Una carica q ha un’Energia potenziale w.
L’energia per unità di carica è detta Potenziale V=w/q.
L’energia cambia se la carica si sposta.
Il lavoro prodotto dalle forze del campo elettrico (energia richiesta)
associato al moto della carica unitaria tra i due punti A e B all’interno della
regione sede del campo è detto
Tensione elettrica (vAB)
A
B
q q
Non dipende da q o dal percorso seguito, ma solo da A e B.
Un volt è la d.d.p. tra 2 punti tali
che il lavoro necessario per
spostare la carica unitaria da un
punto all’altro è pari ad 1 Joule.C
Nm
C
JV 111 ==
Unità di
misura:
volt (V)
Differenza di potenziale elettrico (VA-VB).
Corrisponde alla differenza tra l’energia potenziale elettrica che ha la carica
unitaria in A e in B:
B Aw w w = −
A B A BAB A B
w w w wL wv V V
q q q q q
−= = − = = − = −
AB BAv v= −
Strumento di misura: voltmetro
iv piccolissima → ideale Rv = A B
V
VAB
iv
La polarità (verso di riferimento) della tensione si indica con
la coppia di segni + e – o con una freccia
La scelta del verso di riferimento è arbitraria e normalmente viene
fatta a priori. Non è detto che coincida con la polarità effettiva → VAB
potrebbe essere positivo ma anche negativo (o nulllo)
vAB=5V significa che A ha un potenziale maggiore di 5 rispetto a B.
La differenza di potenziale elettrico corrisponde alla differenza tra l’energia
potenziale elettrica che ha la carica unitaria in A e in B → la carica
spostandosi da A a B perde 5J per ogni C.
+-
AB
VAB
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Se il campo elettrico è uniforme (costante in intensità, direzione e verso), si
può ricavare la relazione tra campo elettrico e potenziale.
Il lavoro elettrico è dato da:
L=Fs=qEs=qvAB
E=vAB/s
Questa formula ci dice che in un campo elettrico uniforme, conoscendo la
differenza di potenziale tra due punti, possiamo esprimere l'intensità del
campo elettrico. La direzione e il verso del campo saranno diretti dai punti
a potenziale più alto ai punti a potenziale più basso.
La relazione tra campo elettrico e potenziale
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Quando carichiamo un conduttore isolato, le cariche si distribuiscono sulla
superficie in modo che dappertutto il campo elettrico sia nullo, (tutti i punti
hanno lo stesso potenziale). Quando poniamo in contatto due conduttori − per
esempio, due sfere cariche − le cariche sulla superficie si distribuiscono in
modo che il sistema dei due conduttori abbia potenziale uniforme (i due
conduttori allo stesso potenziale).
Se una delle sfere possiede una carica superiore all'altra, parte della carica
presente sulla sfera "più" carica fluisce sull’altra e il flusso di cariche si
arresta quando le due sfere sono equipotenziali.
Ora si può chiarire il significato del termine "messa a terra". La Terra può
essere considerata una grande sfera conduttrice. Essendo la terra dotata di
una superficie immensa, rispetto a quelle comparabili con la nostra esperienza
quotidiana, la sua capacità di assorbire carica elettrica è infinitamente
maggiore di quella dei conduttori che maneggiamo: mettere in contatto un
conduttore carico con la Terra (“messa a terra” del conduttore) ha quindi
l’effetto di “scaricare” il conduttore, rendendolo elettricamente neutro senza
che il potenziale di quest'ultima vari in maniera apprezzabile.
"Mettere a terra" un conduttore significa eliminare le sue cariche in eccesso e
portarlo al potenziale della Terra.
La distribuzione delle cariche – messa a terra
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La corrente elettrica, dovuta allo spostamento di elettroni nei conduttori, si muove in modo analogo all'acqua nella
tubazione del circuito idrico. I fili conduttori corrispondono ai tubi nei quali scorre il liquido, l’interruttore elettrico
funziona in modo analogo ad un rubinetto, al generatore corrisponde la pompa, alla lampada il serbatoio.
Una differenza che si può notare tra il circuito elettrico e quello idraulico, è che mentre nel primo l’interruttore deve
essere chiuso perché possa passare elettricità, nel secondo il rubinetto deve essere aperto perchè possa passare
l’acqua.
Affinché i due circuiti possano funzionare e fornire l’acqua o la corrente ai rispettivi utilizzatori è necessario che vi
siano dei componenti in grado di fornire energia, ovvero la pompa e il generatore rispettivamente. Se manca la pompa,
l'acqua non si muove avendo continuo bisogno di essere rifornita dell'energia che ha perso nel passaggio attraverso i
tubi. Inoltre, l’acqua non si consuma, ma passa sempre, fino a che la pompa viene spenta, oppure viene interrotto il
flusso di acqua con il rubinetto. Analogamente, la lampadina si accende solo se il circuito è chiuso e, se non ci
fosse il generatore non ci sarebbe la corrente e la lampadina si spegnerebbe. Per mantenere accesa la lampadina, è
necessario rifornire continuamente l'energia che si perde nel passaggio delle cariche elettriche attraverso i fili, e
soprattutto attraverso gli utilizzatori.
L’analogia idraulica
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Si ha un morsetto positivo (quello a potenziale
maggiore) e un morsetto negativo (quello a potenziale
minore).
Quattro tipi di pile, con
tensione di 1,5V;
ministilo, stilo, mezza torcia,
torcia.
Batteria per auto da 12 V
La tensione continua
Accumuli
di carica
Forza elettromotice→ generatore non connesso al circuito
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La tensione alternata, come quella a 230V presente nelle nostre case, si inverte continuamente, per cui non è possibile contrassegnare i morsetti come positivo e negativo.