Tensione alternata, fase e neutro

[LilloAndre]

Sapresti dire che tensione c'è tra B e B' ?

-9 volt?

[BrunoValente]

La tensione tra quei due punti è indefinita perché i due oggetti, le due pile, sono tra loro isolate ed inoltre sono isolate anche da tutto il resto dell'universo, o almeno dallo schema non si vede alcun collegamento tra esse e qualcos'altro.

Per andare avanti nel discorso conviene anzitutto introdurre il concetto di terra elettrica.

Così come in generale è possibile misurare la tensione elettrica tra due qualsiasi oggetti, così è pure possibile misurare la tensione che c'è tra un qualsiasi oggetto e la terra, intendendo per terra il nostro pianeta che andiamo a considerare come fosse un conduttore, quindi con lo stesso potenziale in tutti i punti (in realtà non è proprio così ma facciamo finta che lo sia).

Noi non sappiamo quanto vale la tensione tra la terra e la luna o tra la terra e il sole o verso altri pianeti ma non ci interessa: visto che siamo sulla terra ed elettricamente siamo ben isolati dagli altri corpi celesti e visto che i valori delle tensioni non sono assoluti, possiamo assumere per comodità che la terra sia il polo di riferimento per le misure e assumiamo arbitrariamente che sia lo 0V, un po' come facciamo con le quote e il livello del mare.

Ti propongo a questo punto un paragone che in questo caso mi pare possa funzionare e che spero possa aiutarti.

Due oggetti elettricamente isolati tra di loro e anche da tutto il resto possiamo considerarli come fossero due mongolfiere e le tensioni possiamo considerarle come fossero delle quote, per cui lo schema precedente possiamo convertirlo nel seguente

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Nel paragone le due pile sono diventate due mongolfiere che fluttuano nell'aria e le tensioni possiamo farle corrispondere alle loro altezze in metri.

Le altezze delle mongolfiere AB e B'C quindi valgono entrambi 9m, sono fisse e non variano se le mongolfiere salgono o scendono, varia invece la distanza (differenza di quota verticale) tra B e B' che a priori è indefinibile e che dipende da molti fattori come il vento, le correnti ascendenti e discendenti, la temperatura del gas nel pallone ecc.

Come due mongolfiere possono ritrovarsi a quote casuali rispetto alla terra (livello del mare), così due oggetti elettricamente isolati possono quindi trovarsi ad una tensione qualsiasi rispetto alla terra (elettrica) e quindi ad una tensione qualsiasi anche tra di loro.

Quando prendiamo la scossa toccando la carrozzeria dell'auto è proprio perché, essendo elettricamente isolata, si è "spostata di quota" a causa dello strofinio con il vento o per altre cause.

Una mongolfiera che si sposta verticalmente, varia la sua distanza dalla terra ma non varia la distanza tra i punti A e B, così in una pila isolata da tutto la tensione che si stabilisce tra uno dei suoi morsetti e la terra può assumere valori qualsiasi, anche di migliaia di volt, ma la "distanza" tra A e B rimane invariata e questo è quello che conta: anche se tra B e terra dovessero esserci 1000 volt, tra A e B continuerebbero ad esserci 9 V e in queste condizione se venisse collegata una lampadina da 9V tra A e B si accenderebbe normalmente, così come se venisse fatto cadere un peso da A verso B nella prima mongolfiera, il tempo che impiegherebbe a raggiungere B non dipenderebbe dalla quota della mongolfiera rispetto al livello del mare.

Volendo insistere con il paragone possiamo dire che la situazione corrispondente al primo schema, quello con le pile collegate tra loro, è la seguente

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dove il collegamento elettrico tra le pile che impone la stessa tensione al negativo della pila 1 e al positivo della pila 2, è diventato un collegamento meccanico tra la parte bassa della mongolfiera 1 e la parte alta della mongolfiera 2 (ora sono attaccate) che impone a quei due punti la stessa quota.

Come vedi le distanze "algebriche" tra A B e C corrispondono alle tensioni delle pile e anche ora che le mongolfiere sono attaccate possono avvenire variazioni casuali della loro distanza verso terra, quindi della tensione verso terra nelle pile ma ora a causa del collegamento non varia più la "distanza" tra le mongolfiere e tra le pile che se si "spostano" lo fanno insieme.

[LilloAndre]

Finora mi sembra di aver capito. Almeno spero.

[BrunoValente]

Veniamo al dunque.

La tensione alternata disponibile nelle prese casalinghe sarebbe potuta arrivare semplicemente dal secondario di un trasformatore in cabina elettrica più o meno così

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cioè con un semplice collegamento a due fili tra il secondario a 230V del trasformatore in cabina elettrica e la nostra presa.

Il secondario di un trasformatore è accoppiato al primario magneticamente, non elettricamente, questo significa che, pur producendo una tensione alternata di 230V, è elettricamente isolato da tutto, proprio come le nostre pile del secondo disegno.

Essendo quindi il secondario isolato da tutto ed essendo isolati da tutto anche i conduttori ad esso collegati fino alle nostre prese, se l'impianto di distribuzione fosse stato fatto semplicemente così, vi sarebbe stato il rischio di un possibile innalzamento della tensione verso terra di entrambi i conduttori, soprattutto in considerazione del fatto che nel trasformatore, in prossimità del secondario a 230V, c'è il primario a 20000V.

Ad esempio, nel caso di perdita di isolamento tra primario e secondario del trasformatore, la tensione tra i due conduttori sarebbe comunque rimasta a 230V ma la tensione di entrambi verso terra sarebbe variata e soprattutto sarebbe potuta diventare pericolosa.

Per evitare che questo potesse accadere il costruttore della cabina ha provveduto a collegare a terra, chiamandolo neutro, uno dei due conduttori, imponendo quindi ad esso una tensione nulla rispetto a terra, e di conseguenza imponendo anche all'altro (fase) una tensione verso terra ben determinata di 230V.

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Ma gli utilizzatori non si accorgono di tutto questo perché ad essi importa solo della tensione tra i due conduttori che non è stata influenzata dal collegamento a terra.

[LilloAndre]

Grazie, molto chiaro.

[atomorama]

Mi piacerebbe fisicamente capire come la tensione si "smorza" da 230 V alternata a zero, passando attraverso l'utilizzatore dalla fase al neutro.

Gli elettroni nella fase si muovono in senso alternato a causa del campo elettromagnetico nel conduttore, ma che succede nell'utilizzatore? (lampadina o carico induttivo)

Nessuno?

[BrunoValente]

La tua domanda, almeno a me, non è chiara, spiegati meglio.

[atomorama]

La tua domanda, almeno a me, non è chiara, spiegati meglio.

Ci provo, la tensione della fase è 230 V (efficace) alternata rispetto al neutro ed alla terra.

Quando collego una utilizzatore, ad esempio una resistenza, si ha che la stessa viene interessata dalla differenza di tensione fra fase e neutro, ovvero gli elettroni all'interno del metallo di cui è composta si muovono e per effetto Joule dissipano calore.

Il punto è: come si comporta la tensione all'interno della resistenza per passare da 230 V (fisicamente dove collego la fase alla resistenza) ai 0 V (dove collego il neutro)? Decade linearmente lungo la resistenza?

[BrunoValente]

Sì, certamente, la tensione si distribuisce linearmente dentro alla resistenza obbedendo alla legge di Ohm.

Puoi pensare alla tua resistenza di valore R come fosse costituita da un gran numero N di piccole resistenze collegate in serie, tutte dello stesso valore pari a R/N, quindi se applichi la legge di Ohm al partitore puoi calcolare la caduta di tensione su ogni resistenza e verificare che risulta pari alla tensione iniziale divisa per N, quindi che la tensione iniziale si è distribuita in parti uguali su tutte le resistenze.

I potenziometri funzionano proprio sfruttando questo comportamento: il cursore, in funzione di dove è posizionato sulla resistenza, va a "pescare" una porzione della tensione totale applicata ai capi della resistenza.

[atomorama]

Sì, certamente, la tensione si distribuisce linearmente dentro alla resistenza obbedendo alla legge di Ohm.

Puoi pensare alla tua resistenza di valore R come fosse costituita da un gran numero N di piccole resistenze collegate in serie, tutte dello stesso valore pari a R/N, quindi se applichi la legge di Ohm al partitore puoi calcolare la caduta di tensione su ogni resistenza e verificare che risulta pari alla tensione iniziale divisa per N, quindi che la tensione iniziale si è distribuita in parti uguali su tutte le resistenze.

I potenziometri funzionano proprio sfruttando questo comportamento: il cursore, in funzione di dove è posizionato sulla resistenza, va a "pescare" una porzione della tensione totale applicata ai capi della resistenza.

E per un carico induttivo come un motore trifase?

Posso immaginare che la spira che genera il campo magnetico abbia una tensione decrescente linearmente mano a mano che dalla fase vado verso il neutro?

Grazie per la risposta!