Comunicare conoscenza è il compito  degli insegnanti. La conoscenza non è certamente nozionismo puro, ma senza nozioni basilari la conoscenza non può esserci. Il bignami è dunque un piccolo manuale che ricorda le nozioni basilari. Di sicuro comunque, se i concetti non sono stati adeguatamente compresi, a poco serve una rapida occhiata al manualetto. 

Scopo di questa pagina è di fornire sinteticamente le nozioni fondamentali dell'Elettrotecnica elementare: conoscerle e saperle ripetere non autorizza nessuno a pensare di essere il nuovo Faraday, ma può evitare le figuracce di cui sono spesso testimone.

I professori di una volta, pubblicamente almeno (in privato forse qualcuno di loro li utilizzava),  aborrivano i Bignami. Lo studente che li possedeva faceva di tutto per non farsi pescare a leggerli. Ma, come avrete notato in molti altri campi, se si ha la pazienza di lasciar trascorrere qualche decennio, ciò che appariva deplorevole viene dapprima riabilitato, poi se ne scopre una validità per troppo tempo ingiustamente misconosciuta, infine diventa un oggetto quasi di culto, di quelli che "ormai nei nostri tempi non ce ne sono più". (Es: Le canzoni degli anni '60, poi degli anni settanta, degli anni 80 etc; Totò ora è, giustamente, un mito. Le trasmissioni della Rai quasi sempre criticate al loro esordio per lo scarso contenuto culturale, vengono "rivisitate" e la TV in bianconero (vedi "teche RAI" ) viene indicata come fulgido irripetibile esempio dei tempi d'oro. Potrei continuare ma osservo solo che,

Ciò che segue è un  "bignami" di Elettrotecnica elementare, prodotto e fornito dallo staff tecnico del sito. 

CARICA ELETTRICA. (Q)

Per la fisica attuale è  una proprietà della materia. La carica può essere positiva o negativa. La sua unità di misura è il Coulomb (C).

La più piccola carica esistente in natura, detta carica elementare, è quella dell'elettrone (negativa) esattamente (si pensa) uguale a quella del protone (positiva). Essa vale 1,602*10^-19C. Il protone ha una massa pari a 1840 la massa dell'elettrone.

INTENSITA' DI CORRENTE. (I=Q/t) 

Si definisce intensità di corrente la quantità di carica che attraversa la sezione di un conduttore nell'unità di tempo. Il nome dell'unità di misura è l' Ampere (A) che corrisponde ad 1 Coulomb al secondo.

Si assume come verso convenzionale della corrente il verso secondo cui si muovono le cariche positive.

Nei conduttori metallici le cariche che si muovono sono gli elettroni, quelli di valenza, responsabili anche delle reazioni chimiche. 

L'intensità di corrente è assunta come campione di unità di misura. Si definisce AMPERE ASSOLUTO l'intensità di quella corrente che, percorrendo due fili paralleli di sezione trascurabile e lunghezza infinita posti nel vuoto alla distanza di un metro fa sì che essi si attraggano ( correnti concordi) o si respingano (correnti opposte) con una forza pari a 2*10^-7 N per ogni metro di lunghezza dei fili.

POTENZIALE. (V=W/Q)

Si definisce potenziale di un punto l'energia posseduta dall'unità di carica positiva posta in quel punto. si misura in Volt che corrisponde pertanto a Joule/Coulomb (V=J/C).

DIFFERENZA DI POTENZIALE O TENSIONE ELETTRICA (U).

Dati due punti A, B caratterizzati da un potenziale V_A e V_B, si definisce tensione elettrica esistente tra A e B la differenza U_AB=V_A-V_B 

Essa rappresenta il lavoro fatto (l'energia trasformata) (U_AB >0) dall'unità di carica positiva che si trasferisce da A a B.

MASSA.

E' il punto a cui,convenzionalmente, si attribuisce un potenziale nullo.

GENERATORE ELETTRICO

E' una  macchina che utilizzando una diversa forma di energia (termica, meccanica, chimica, solare ecc.) fornisce energia alle cariche elettriche separandole, creando cioè un eccesso di elettroni al polo negativo e una corrispondente carenza di elettroni al polo positivo.

Se i poli del generatore vengono collegati tra loro, si stabilisce nel circuito una corrente elettrica il cui verso convenzionale esce dal polo positivo del generatore. All'interno del generatore il verso convenzionale della corrente è dunque dal polo negativo al polo positivo, all'esterno dal polo positivo a quello negativo.

FORZA ELETTROMOTRICE (E)  

E' l'energia che il generatore effettivamente fornisce alla unità di carica positiva. Essa corrisponde alla tensione presente ai morsetti del generatore quando esso non eroga corrente (funzionamento a vuoto, circuito aperto). Si misura quindi in Volt.

RESISTENZA ELETTRICA (R=U/I) - Leggi di Ohm.

E' il rapporto tra la tensione ai capi di un conduttore e la corrente che lo percorre. Esso si mantiene pressoché costante se la temperatura del conduttore non subisce grandi variazioni. E' dunque una proprietà di quel dato conduttore che dipende dal materiale di cui è costituito ed è proporzionale al rapporto tra la lunghezza del conduttore e la sua sezione.

Si misura in Ohm. Un Ohm corrisponde ad un Volt diviso un Ampere.

Il verso della corrente convenzionale che attraversa una resistenza va dal punto a potenziale più alto verso il punto a potenziale più basso. Tenendo presente quest'ultimo punto, la resistenza è definita dalla legge di Ohm come il rapporto tra la tensione applicata al bipolo conduttore e la corrente che lo percorre.

La resistenza di un filo conduttore è proporzionale al rapporto l/S dove l è la lunghezza del filo ed S la sua sezione. La costante di proporzionalità, indicata con r si chiama resistività. Nel sistema MKSA si misura in W*m.

POTENZA ELETTRICA (P=U*I)  

La potenza in fisica corrisponde al lavoro nell'unità di tempo. Applicando le definizioni di tensione e di intensità di corrente, si ha che l'espressione della potenza elettrica corrisponde al prodotto dell'intensità di corrente per la tensione. Si misura, come qualsiasi potenza, in Watt.

UTILIZZATORE PASSIVO

E' un componente in cui tutta l'energia elettrica si trasforma in calore (resistenza). La potenza trasformata in calore su una resistenza è proporzionale al quadrato della tensione o al quadrato dell' intensità di corrente. La costante di proporzionalità è l'inverso della resistenza, quando si considera la tensione, la resistenza stessa quando si considera la corrente (Leggi di Joule: P=U²/R; P=R*I²).  

UTILIZZATORE ATTIVO

E' un componente in cui l'energia elettrica si trasforma in una forma diversa dal calore (meccanica, chimica ecc). E' schematizzabile con una forza elettromotrice avente polarità opposta al verso della corrente e viene perciò detta forza controelettromotrice.

RAMO

E' un bipolo caratterizzato da un dato valore dell'intensità di corrente.

NODO

E' una qualsiasi superficie chiusa in cui confluiscono 3 o più rami.

MAGLIA

Insieme di rami che formano una poligono chiuso.

RETE

Insieme di maglie aventi rami in comune.

PRIMO PRINCIPIO DI KIRCHOFF(I pdK: SI=0)

In un nodo la somma algebrica delle intensità di corrente è sempre nulla, o, ciò  che è lo stesso, la somma aritmetica delle correnti entranti è uguale alla somma aritmetica delle correnti uscenti. 

SECONDO PRINCIPIO DI KIRCHOFF (II pdK: SU=0))

In una maglia la somma algebrica delle tensioni dei rami è nulla.

CORTOCIRCUITO. 

Si ha quando due punti di una rete sono collegati con un conduttore avente, idealmente, resistenza nulla.

La differenza di potenziale tra i punti è in tal caso nulla, qualunque sia l'intensità di corrente del collegamento, che pertanto si può chiamare anche collegamento equipotenziale.

SERIE.

Più bipoli si dicono in serie se sono attraversati dalla stessa intensità di corrente.

PARALLELO.

Più bipoli si dicono in parallelo se i loro terminali sono sottoposti alla stessa tensione.

BIPOLI EQUIVALENTI.

Due bipoli si dicono elettricamente equivalenti se, per ogni valore di tensione presente ai loro terminali sono attraversati da una corrente avente la stessa intensità. In altre parole se la funzione I=f(U) è la stessa per i due bipoli.

RESISTENZA EQUIVALENTE SERIE (R_s=

Il bipolo costituito da più resistenze in serie equivale ad un'unica resistenza il cui valore è la somma delle singole resistenze.

-La resistenza equivalente è più grande della più grande delle resistenze.

-Se le n resistenze in serie sono uguali la resistenza equivalente vale R_s=n*R)

RESISTENZA EQUIVALENTE PARALLELO (Rp=1/S(1/R))

Il bipolo costituito da più resistenze in parallelo equivale ad un'unica resistenza il cui valore è l'inverso della somma degli inversi delle singole resistenze.

-La resistenza equivalente è più piccola della più piccola delle resistenze.

-Se n resistenze in parallelo sono uguali,  il valore dell'equivalente è R_p=R/n).

NB: per approfondire il concetto di resistenza equivalente andare QUI. Se volete avere a disposizione un agile formulario andate QUI.

GENERATORE IDEALE DI TENSIONE (U=E per ogni I).

E' un generatore elettrico che mantiene costante la tensione tra i suoi morsetti qualunque sia il valore della intensità della corrente che lo attraversa.

GENERATORE IDEALE DI CORRENTE(I=I₀ per ogni U).

E' un generatore elettrico che mantiene costante la corrente erogata qualunque sia il valore della tensione ai suoi morsetti.

GENERATORE REALE LINEARE DI TENSIONE (U_AB=E-R_iI)

E' un generatore elettrico nel quale la tensione ai morsetti decresce proporzionalmente alla intensità di corrente da cui è attraversato. E' schematizzato da un generatore ideale di tensione con in serie una resistenza R_i, detta resistenza interna del generatore.

La forza elettromotrice del generatore ideale di tensione è la tensione a vuoto. 

La massima corrente che il generatore può erogare, si ha in condizioni di cortocircuito, cioè quando la tensione ai morsetti è azzerata mediante un collegamento di resistenza nulla. Tale corrente si chiama corrente di cortocircuito del generatore e vale I_cc=E/Ri. Il prodotto della resistenza interna per la corrente rappresenta la caduta di tensione interna.

GENERATORE REALE LINEARE DI CORRENTE (I=I₀-U_AB/R_i)

E' un generatore elettrico nel quale l'intensità della corrente erogata decresce proporzionalmente alla tensione presente ai suoi morsetti. Viene schematizzato con un generatore ideale di corrente, il cui valore, I₀, corrisponde alla corrente massima erogabile dal generatore ( che si ha in cortocircuito) con in parallelo una resistenza R_i detta resistenza interna. Se ai terminali del generatore è presente una tensione pari ad R_i*I₀ la corrente erogata è nulla ( il generatore funziona a vuoto)

TEOREMA DEL GENERATORE EQUIVALENTE DI TENSIONE (THEVENIN)

Ogni bipolo ricavato da una rete comunque complessa composta di generatori ideali di tensione e/o di corrente e da bipoli passivi lineari (resistenze; impedenze in c.a.) è sempre schematizzabile con un generatore reale di tensione lineare detto generatore di Thevenin. La forza elettromotriche del generatore di Thevenin (E_th) è uguale alla tensione a vuoto misurata tra i morsetti del bipolo (E_Th=(U_AB)_I=0). La sua resistenza interna (R_th) si ricava: 

1. dal rapporto tra la forza elettromotrice e la corrente di cortocircuito che si ottiene quando si collegano i terminali del bipolo con un filo di resistenza nulla

2. determinando la resistenza equivalente del bipolo che si ottiene annullando l'azione di tutti i generatori (quindi aprendo i rami con i generatori ideali di corrente (I₀=0), e cortocircuitando i generatori ideali di tensione (U=0)).

TEOREMA DEL GENERATORE EQUIVALENTE DI CORRENTE (NORTON)

Ogni bipolo ricavato da una rete comunque complessa composta di generatori ideali di tensione e/o di corrente e da bipoli passivi lineari (resistenze; impedenze in c.a.) è sempre schematizzabile con un generatore reale di corrente lineare detto generatore di Norton. L'intensità di corrente del generatore ideale di corrente (I_No, corrente di Norton) è la corrente che si ha cortocircuitando i terminali del bipolo. La sua resistenza interna (R_No) si ricava: 

1. dal rapporto tra la tensione a vuoto e la corrente di Norton.

2. determinando la resistenza equivalente del bipolo che si ottiene annullando l'azione di tutti i generatori (quindi aprendo i rami con i generatori ideali di corrente (I₀=0), e cortocircuitando i generatori ideali di tensione (U=0)). Quindi R_No=R_th

PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI

In un rete lineare, composta cioè di generatori ideali di tensione e di corrente e di resistenze costanti, l'intensità di corrente in un ramo e  la tensione ai capi di un bipolo (gli effetti) si ricavano dalla somma algebrica rispettivamente delle intensità di corrente e delle tensioni ai capi del bipolo, prodotte da ogni generatore ( la causa) agente singolarmente.

Per annullare l'azione di un generatore di corrente si apre il ramo in cui esso è inserito; per annullare l'azione di un generatore di tensione si cortocircuita la sua forza elettromotrice. I simboli adottati per questi bipoli ricordano proprio questa operazione.

Metodo delle correnti di maglia.

RENDIMENTO ELETTRICO DI UN GENERATORE REALE DI TENSIONE (h=P_u/P_G=U/E).

E' il rapporto tra la potenza erogata al circuito alimentato dal generatore e la potenza da quest'ultimo generata. Indicando con E la forza elettromotrice del generatore e con U la tensione ai suoi morsetti, la potenza erogata è data da P_u=U*I mentre la potenza generata è data da P_G=E*I. Il rendimento elettrico è perciò anche dato dal rapporto tra la tensione ai morsetti del generatore e la sua forza elettromotrice. La differenza tra la potenza generata e la potenza erogata (o utile) va persa sotto forma di calore all'interno del generatore e, per la legge di joule, si può porre pari al prodotto della resistenza interna per il quadrato della corrente (P_j=R_i*I²).

RENDIMENTO DI UN UTILIZZATORE ATTIVO REALE (h=P_u/P_A=E_C/U).

E' il rapporto tra la potenza utile (per un motore è la potenza trasferita all'asse di rotazione che, trascurando gli attriti meccanici, è quella prelevabile all'asse,  data dal prodotto della coppia motrice per la velocità angolare di rotazione) e la potenza assorbita dalla sorgente di alimentazione. La differenza tra la potenza assorbita e la potenza utile corrisponde alla potenza persa sotto forma di calore. La potenza assorbita è data dal prodotto della tensione applicata ai morsetti dell'utilizzatore e la corrente assorbita (P_A=U*I); la potenza utile è il prodotto tra la forza controelettromotrice e la corrente (P_u=E_C*I); la potenza persa si può porre uguale al prodotto di una resistenza per il quadrato della corrente (P_j=R_i*I²). Il rendimento è allora anche il rapporto tra la forza controelettromotrice e la tensione applicata.

RENDIMENTO DI UNA LINEA BIFILARE. (h=P_u/P_i=U_u/U_i).

Una linea bifilare è un quadripolo costituito da due bipoli che sono i due fili. La linea trasmette ai morsetti d'uscita la maggior parte della potenza elettrica ricevuta ai terminali di ingresso. La differenza tra la potenza in ingresso e quella in uscita corrisponde alla potenza persa per effetto joule nei fili. L'intensità di corrente, uguale nei due fili (sono in serie) è la corrente di linea. La potenza in ingresso è data dal prodotto della tensione in ingresso per la corrente di linea; la potenza in uscita dal prodotto della stessa corrente per la tensione d'uscita. Il rendimento della linea è il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso. La differenza tra la potenza in uscita e quella in ingresso è pari alla potenza persa per effetto joule nei fili di linea. La potenza persa diviso il quadrato della corrente di linea corrisponde alla resistenza totale di linea.

Condensatore

Qualsiasi coppia di conduttori (armature) separati da un isolante(dielettrico), costituiscono un condensatore.

Se si applica una tensione tra le armature, si separano cariche elettriche e, nel dielettrico, si forma un campo elettrico. L'armatura collegata al potenziale più alto si carica positivamente, negativamente l'altra. Le cariche positive e negative sono uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica  Q del condensatore. La carica è proporzionale alla tensione applicata e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità. Si misura in farad: [F]=[C][V]^-1

La capacità di un condensatore piano (armature piane e parallele) è proporzionale al rapporto tra la superficie (A) di una delle armature e la loro distanza (d). La costante di proporzionalità (e) è un a caratteristica dell'isolante interposto e si chiama costante dielettrica assoluta e si misura in farad/m [F][M]

La costante dielettrica assoluta del vuoto vale e₀=8,85*10^-12 F/m. Il rapporto tra la costante dielettrica assoluta di un isolante e la costante dielettrica assoluta del vuoto è un numero puro chiamato costante dielettrica relativa (e_r=e/e₀).

Sintetizzando matematicamente quanto detto:

Q=C*U ( definizione di capacità di un condensatore)  

C=e_re₀A/d (capacità condensatore piano)

K=U/d (campo elettrico nel dielettrico di un condensatore piano)