4. Corrente elettrica
La materia è costituita da molecole
composte da particelle ancora più
piccole chiamate atomi.
Un atomo si compone di un nucleo
centrale formato da neutroni e
protoni attorno al quale ruotano
delle particelle di dimensioni
microscopiche chiamate elettroni.
Gli elettroni sono dotati di carica
elettrica negativa, mentre il nucleo
centrale dell’atomo ha carica
elettrica positiva. La carica elettrica
si misura in coulomb.
5. Il movimento di elettroni determina la
corrente elettrica che può essere continua
o variabile.
L’intensità di corrente elettrica I è definita
come il valore della carica elettrica Q che
Corrente Elettrica
attraversa una generica sezione di un
conduttore nel tempo t.
L’unità di misura di I è l’ampere.
Il potenziale V è il
I=Q/t rapporto tra l’energia
potenziale E e la
quantità di carica Q.
V=E/Q
6. Leggi fondamentali
dell’elettrotecnica.
LEGGE DI OHM: esiste una proporzionalità diretta tra
differenza di potenziale ed intensità di corrente continua.
V=RI
R è la resistenza elettrica del materiale costituente il corpo,
ed è una caratteristica dei diversi materiali disponibili in
natura. L’unità di misura della resistenza elettrica è l’ ohm.
R=V/I
PRIMA LEGGE DI KIRCHHOFF: la somma delle correnti
entranti in un nodo è uguale alla somma delle correnti
uscenti dallo stesso nodo.
SECONDA LEGGE DI KIRCHHOFF: in ogni maglia la somma
algebrica delle forze elettromotrici è uguale alla somma
algebrica delle intensità di corrente per le rispettive
resistenze dei singoli rami.
LEGGE DI JOULE: dà la potenza elettrica dissipata in calore
per effetto della resistenza che una corrente di intensità I
incontra al passaggio in un conduttore di resistenza R:
P=RI
7. Il condensatore
Tra i componenti di un circuito elettrico, oltre alla
resistenza R ed al generatore di tensione E (a volte
si può avere anche un generatore di corrente),
vediamo ora come funziona il condensatore.
Un condensatore elettrico è un sistema formato da
due conduttori isolati tra loro che, sottoposti ad una
differenza di potenziale, si caricano con cariche
uguali ed opposte.
I due corpi conduttori si dicono armature e lo spazio
tra di essi, vuoto o contenente qualsiasi materiale, è
detto dielettrico.
Una grandezza che caratterizza il condensatore è la
capacità elettrica:
C=Q/V
Dove Q è la carica elettrica di un’armatura e V è la
differenza di potenziale fra le due armature. La
capacità si misura in Farad (F); spesso si usano i
sottomultipli.
1 farad= 1 coulomb/ 1 volt
8. Alle estremità di un magnete la forza attrattiva è
Magnetismo e circuiti magnetici
particolarmente intensa. Le due estremità
vengono dette poli; polo nord e polo sud. Poli
contrari si attraggono mentre poli uguali si
respingono B=uH dove B è l’induzione magnetica,
H il vettore campo magnetico e u la costante di
proporzionalità che li lega. L’induzione magnetica
si misura in tesla T, mentre il campo magnetico in
ampere/metro.
La permeabilità ci consente di individuare il
comportamento magnetico di un materiale.
Possiamo porre la permeabilità magnetica di un
materiale in funzione della permeabilità del vuoto
uo: u=ur uo dove ur è la permeabilità magnetica
relativa. I materiali diamagnetici hanno
permeabilità relativa di poco inferiore ad uno,
quelli paramagnetici hanno invece un valore di
permeabilità relativa di poco più grande di uno. I
materiali che mostrano una permeabilità
magnetica molto più grande di uno sono detti
ferromagnetici. I campi magnetici si possono
creare anche con circuiti percorsi da correnti
elettriche. Una spira è un circuito elettrico di
forma circolare. Un solenoide è un circuito
costituito da più spire vicine. Un campo
magnetico determinato da un fascio di linee di
induzione prende il nome di circuito magnetico.
9. Induzione Elettromagnetica
Un circuito a forma di spira è cioè contenuto in un piano e
racchiudente una superficie di detto piano. Se la superficie è
attraversata da un flusso di induzione magnetica, ogni qual
volta varia il valore nel circuito che racchiude l’area si genera
una forza elettromotrice detta fem indotta.
Per effetto di tale fem, nel circuito circola una corrente
indotta, di intensità dipendente dal valore della fem e dalla
resistenza opposta dal materiale e dalle caratteristiche
geometriche della spira.
In pratica, una variazione di flusso attraverso la superficie si
può produrre facendo ruotare la spira nel campo che si
determina tra i due poli di una calamita. La spira gira attorno
a un asse perpendicolare alla direzione del campo
magnetico, per cui il flusso di induzione varierà da un valore
massimo in un certo verso al valore nullo, per tornare a un
valore massimo di verso opposto al precedente quando la
spira, continuando a girare propone alla direzione del campo
la faccia opposta a quella di cui si è detto precedentemente,
per tornare successivamente al valore nullo dopo un altro
quarto di giro. Infine, la fem indotta sarà del tipo sinusoidale
e la corrente che attraversa il circuito sarà del tipo alternata.
11. Tipi di macchine elettriche
Le macchina elettriche si dividono in:
• macchine operatrici (dinamo e alternatore): sono
caratterizzate dal fatto che ricevono energia meccanica
dall’esterno per rendere disponibile una diversa forma di
energia, in questo caso quella elettrica.
• macchine motrici (motori sincroni ed asincroni): ad un
motore elettrico si fornisce energia elettrica per rendere
disponibile energia meccanica, sotto forma di moto
rotatorio all’asse del rotore.
• macchine trasformatrici (trasformatori e convertitori):
sono macchine elettriche di tipo statico che si limitano a
ricevere dall’esterno energia elettrica per fornire
all’esterno ancora energia elettrica, ma potenziale e
intensità di corrente elettrica sono cambiati nella
trasformazione.
• macchine trasmettitrici (linee elettriche): sono quelle
che si limitano a trasmettere energia da un punto a un
altro, conservandone le caratteristiche.
12. La Dinamo
I generatori di corrente funzionano utilizzando
l’induzione elettromagnetica. Un circuito
chiamato indotto è attraversato da un campo
magnetico di variabile intensità prodotto da un
altro circuito chiamato induttore; in questo
modo si determina nell’indotta una variazione
di flusso e quindi una fem indotta alternata.
Entrambi i circuiti sono avvolti su una carcassa
di ferro laminato. La parte ruotante si chiama
rotore, mentre quello fisso si chiama statore.
La corrente prodotta da un generatore è
alternata. Se si vuole ottenere corrente
continua si usa un particolare generatore che
utilizza un trasformatore chiamato collettore
per trasformare la corrente alternata in
corrente continua.
13. Gli Alternatori
Sono generatori che producono corrente alternata. Sono
costituiti da un solo induttore e tre circuiti indotti,
producendo tre forze elettromotrici alternate distinte.
Nei cantieri edili si può trovare, tra le macchine di cantiere,
dei gruppi elettrogeni che sono generatori di corrente
alimentati da motori a combustione interna.
Un elemento caratterizzante la corrente prodotta è la
frequenza: pn
f
60
Dove n è il numero di giri e p le coppie polari (all’aumentare
di coppie polari diminuisce il numero di giri del rotore)
14. Gli Alternatori
Ricordiamo che l’alternatore ha avuto ed ha un grande ruolo
in quanto rappresenta il cuore delle centrali elettriche,
qualunque sia la fonte energetica che determina l’energia
meccanica di cui essa ha bisogno. Infatti l’energia primaria
utilizzata da un alternatore, per produrre l’energia
secondaria elettrica, può essere data da:
-combustibile o energia nucleare, destinata a produrre il
vapore che attivi le apposite turbine
-da combustibile che alimenta turbine a gas o motori a
combustione interna
-da “salti” di acqua che mettono in moto turbine idrauliche
-fino ai moderni tentativi di utilizzo di energia
eolica, energia delle maree, energia
geotermica ed energia solare.
16. MOTORE ELETTRICO
Il motore elettrico a corrente continua è
uguale a una dinamo ma è alimentato
elettricamente dall’esterno e raccoglie
energia meccanica all’asse del rotore.
Praticamente, la coppia motrice che
mette in rotazione l’asse della macchina è
prodotta dalle forze elettromagnetiche
che nascono tra i conduttori dell’indotto
ed il flusso dell’induttore.
17. MOTORE SINCRONO.
• Il motore sincrono è un alternatore, alimentato elettricamente
all’indotto per raccogliere energia meccanica di rotazione.
• Si definisce sincrono quando il rotore gira con la stessa velocità angolare
della pulsazione ω della corrente statorica.
• Questo motore però, può funzionare solo alla velocità di sincronismo e
quindi non può avviarsi da solo né con facilità, in quanto a velocità
inferiore a quella di sincronismo produrrebbe coppie motrici modeste
che non gli consentirebbero di raggiungere le condizioni di regime. Tra
l’altro, se durante il funzionamento, per cause accidentali, il motore
sincrono perde in numero di giri, esso tende a fermarsi in breve tempo.
Ne segue che un motore sincrono richiede un altro motore che lo porti
a velocità di sincronismo, il che ne ha impedito lo sviluppo, limitato a
casi particolari.
• A causa della limitata praticità del motore sincrono, il suo uso è limitato
a campi di applicazione ove sia richiesta una velocità di rotazione
particolarmente precisa e stabile. È invece molto usato per azionare
carichi a velocità variabile ove alimentato da convertitore statico
(inverter).
• Esistono anche piccoli motori sincroni ad avvio automatico ed
alimentazione monofase utilizzati in meccanismi temporizzatori quali i
timer delle lavatrici domestiche e un tempo in alcuni orologi, sfruttando
la buona precisione della frequenza della rete elettrica
18. Motore asincrono
Nel motore asincrono trifase le correnti statoriche generano nell’intraferro una forza magnetica
ruotante con la velocità di sincronismo costante ns=60f/p.
Il rotore viene trascinato ad una velocità nr, minore di ns, determinando lo scorrimento s:
ns nr
s
ns
Il motore asincrono è fondamentalmente caratterizzato dal tipo di avvolgimento rotorico più
utilizzato.
Il rotore si può distinguere in:
• rotore a gabbia semplice: i conduttori sono formati da barre di rame, sistemate in cave realizzate sul
tamburo che forma il rotore, le barre sono unite tra loro da anelli frontali. Le barre e gli anelli frontali
formano circuiti nei quali si muovono le correnti indotte.
• rotore a doppia gabbia: è realizzato con due gabbie, una esterna piccola, ed una interna molto più
estesa. Le gabbie sono isolate elettricamente tra di loro e distanziate nella direzione radiale.
• rotore a cave profonde: è un rotore a gabbia caratterizzato da barre ce hanno sezione rettangolare,
strette ed alte, e con i bordi arrotondati.
• rotore avvolto ad anelli: ha i tre avvolgimenti tradizionali che fanno capo a tre anelli montati
sull’albero del motore, sui quali scorrono le spazzole.
19. I Trasformatori
Il trasformatore è costituito da un nucleo di ferro a forma toroidale, costituito da lamiere
sovrapposte ed isolate tra loro.
Su due lati del nucleo sono avvolti due circuiti fatti di metallo conduttore. Il circuito primario è
collegato a un generatore, inducendo nel materiale di cui è costituito il nucleo un campo
magnetico variabile. Questo campo raggiunge l’interno del circuito secondario, inducendo in
esso forze elettromotrici e correnti.
Tra la tensione applicata al circuito primario E’ e quella che si registra nel circuito secondario
E’’ esiste la relazione: E’/E’’=N’/N’’ dove N’ ed N’’ sono il numero di spire nel circuito primario
e nel secondario
Un trasformatore avrà funzione di riduttore, se la tensione in uscita è minore di quella in
entrata, e pertanto il rapporto di trasformazione sarà maggiore dell’unità.
Un problema dei trasformatori è lo smaltimento del calore che si produce per effetto delle
perdite nella trasmissione dal primario al secondario.
20. I CONVERTITORI
I convertitori sono macchine trasformatrici, in
quanto trasformano corrente alternata in
corrente continua o viceversa.
Un gruppo convertitore è costituito da un
motore a corrente alternata (in genere,
asincrono) con l’asse collegato a una dinamo.
Alimentando il motore a corrente alternata, il
rotore della dinamo sarà messo in moto,
funzionando da generatore di corrente
continua. Il gruppo potrebbe funzionare anche
in senso inverso.
