CORSO ELETTRICITA

 Carica elettrica


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 Proprietà fondamentale della materia, che sta all’origine di tutti i fenomeni elettrici e magnetici. Esistono due tipi di carica elettrica: quella positiva e quella negativa. La prima è quella che si osserva su un corpo vetroso quando viene strofinato con un panno; la seconda quella che si osserva su un corpo resinoso trattato allo stesso modo. Due cariche dello stesso tipo si respingono, mentre due cariche di tipo diverso si attraggono, esercitando l’una sull’altra una forza detta di Coulomb, dal nome del fisico francese Charles-Augustine de Coulomb che per primo la studiò; l’intensità di questa forza è direttamente proporzionale alle cariche interagenti e inversamente proporzionale al quadrato della loro reciproca distanza.

L’elettrone piu distante dal nucleo è quello che prima si stacca verso un ‘altro nucleo creando cosi la corrente o tensione elettrica.

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Origine microscopica dei fenomeni elettrici e magnetici

Le proprietà elettriche della materia derivano dal fatto che gli atomi, pur essendo complessivamente neutri, sono costituiti da particelle cariche: gli elettroni, dotati di carica negativa, e i protoni, dotati di una carica uguale in valore assoluto, ma di segno opposto (i neutroni, che insieme ai protoni costituiscono il nucleo, sono elettricamente neutri). Un corpo, quindi, è elettrizzato quando possiede un numero di elettroni in eccesso o in difetto rispetto al numero totale di protoni.

A seconda che le cariche siano ferme o in moto, si osservano fenomeni puramente elettrici (elettrostatici) o elettromagnetici: infatti una particella carica ferma nello spazio genera intorno a sé un campo elettrostatico (attraverso il quale attira o respinge altre cariche vicine); una carica in moto, invece (in particolare una corrente elettrica), genera intorno a sé un campo magnetico.

Conduttori e isolanti

Un conduttore è una sostanza in cui una carica può scorrere facilmente.

I metalli, oro e argento in particolare, sono buoni conduttori perché i loro atomi hanno elettroni liberi di muoversi, che trasferiscono facilmente l'energia.

Un isolante è una sostanza in cui una carica elettrica non scorre facilmente. La plastica e la gomma sono buoni isolanti perché gli elettroni nei loro atomi hanno poca libertà, perciò non si trasferiscono con facilità da un atomo all'altro.

Alcuni di questi materiali sono impiegati per isolare i fili conduttori o le macchine elettriche.

Trasformatore

 Dispositivo elettrico usato per accoppiare circuiti a corrente alternata (AC) sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. È composto essenzialmente da due o più avvolgimenti (solenoidi), dei quali il primario è connesso alla sorgente di energia elettrica, i secondari sono connessi all'utilizzatore. Un trasformatore in cui la tensione del solenoide secondario sia più alta di quella del primario è chiamato trasformatore elevatore; uno in cui la tensione più alta è quella del solenoide primario si dice trasformatore abbassatore. Il prodotto tra corrente e tensione in un sistema di solenoidi è costante, cosicché l'aumento di tensione nell'avvolgimento secondario di un trasformatore elevatore è accompagnato da una diminuzione della corrente.

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Trasformatore di alimentazione

Anteprima della sezione

I trasformatori di alimentazione o di potenza, industriali e residenziali, possono essere monofase o trifase, e servono per produrre alte tensioni e correnti intense. Un efficiente sistema di trasmissione di potenza richiede un trasformatore elevatore in corrispondenza della centrale di produzione dell'energia elettrica, che innalzi il voltaggio e conseguentemente riduca la corrente. Poiché infatti le perdite lungo le linee elettriche sono proporzionali al prodotto tra il quadrato dell'intensità di corrente e la resistenza della linea stessa, per le trasmissioni a lunga distanza conviene utilizzare voltaggi molto alti e correnti poco intense. Al punto di arrivo, i trasformatori abbassatori riducono il voltaggio e innalzano la corrente ai livelli tipici degli usi residenziali o industriali, cioè generalmente intorno ai 220 V.

Il rendimento dei trasformatori, tanto maggiore quanto minore è la quantità di energia dissipata sotto forma di calore durante il processo di trasformazione, supera generalmente il 99%, ed è dovuto all'uso di particolari leghe di acciaio che facilitano l'accoppiamento dei campi magnetici indotti tra l'avvolgimento primario e il secondario. La dissipazione di una quantità anche piccola di potenza trasmessa da un grande trasformatore sviluppa grandi quantità di calore, per cui sono richieste speciali misure per il raffreddamento. I trasformatori di potenza più comuni sono installati in contenitori sigillati, all'interno dei quali si fa circolare olio o qualche altra sostanza che faccia da tramite per il trasferimento all'ambiente circostante del calore sviluppato.

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Elettronica

In molte apparecchiature elettroniche, prima del raddrizzatore che fornisce corrente continua al sistema, si colloca un trasformatore di potenza con capacità dell'ordine di 1 kW. Questo tipo di trasformatore di potenza elettronico è generalmente costituito da lamine sovrapposte di opportune leghe di acciaio, intorno alle quali sono disposti gli avvolgimenti di filo di rame. Ad esempio, per collegare i circuiti elettronici agli amplificatori nelle radio, nei televisori e nelle apparecchiature ad alta fedeltà, si usano trasformatori abbassatori, con livelli di potenza compresi tra 1 e 100 W (vedi Registrazione e riproduzione del suono). Conosciuti come trasformatori per audio, questi strumenti usano solo una piccola parte della loro potenza per emettere segnali nell'intervallo di frequenze udibili, che siano caratterizzati da una distorsione minima. L'efficienza di questo genere di trasformatori viene valutata in base alla capacità di riproduzione delle frequenze sonore (da 20 a 25 kHz). Vedi Frequenza; Suono.

A potenze inferiori al mW (1 mW = 1/1000 W) i trasformatori sono usati principalmente per accoppiare segnali UHF, VHF, RF e IF. Si tratta di dispositivi ad alta frequenza, che operano in circuiti accordati, o risonanti, in cui si sfrutta il processo della sintonia per eliminare il rumore elettrico.

 

L' ELETTRICITA'

Corso teorico-pratico

Parte 1ª

Introduzione

Scopo del corso è quello di introdurre i concetti di base della tecnica legata all'utilizzo dell'energia elettrica, tramite una trattazione elementare, adatta anche a chi è completamente a digiuno della materia. Non si esporranno quindi complesse teorie scentifiche né si farà riferimento a formule di difficile applicazione: esistono già svariati libri sull'argomento, che trattano la materia in modo approfondito, ma la possibilità di trarne reale vantaggio è legata al possesso di una valida preparazione a monte.

Le pagine che seguono, usando un linguaggio facilmente comprensibile a tutti, consentiranno di impadronirsi di quelle poche nozioni di base, indispensabili per utilizzare l'energia elettrica con più consapevolezza, con maggiori vantaggi, ed anche, diciamo la verità, con la soddisfazione di capirci qualcosa di piu'.

Parliamo dunque della corrente elettrica.

Come dice la parola stessa, corrente e' qualcosa che scorre, che fluisce. Semplificando, la corrente elettrica e' un flusso di cariche elettriche che ha luogo all'interno di alcuni materiali. Tali materiali, proprio perche' si prestano a consentire questo flusso, vengono definiti conduttori. Altri materiali, che invece si oppongono al passaggio della corrente, vengono definiti isolanti.

I materiali conduttori che piu' ci interessano sono i metalli (ad esempio il rame, l'argento e l'alluminio, che vengono usati per costruire i cavi elettrici) ed i tessuti organici, vale a dire il nostro corpo (purtroppo anche noi siamo dei conduttori!). Tra i materiali isolanti ricordiamo il vetro, il marmo, la plastica, la gomma, il sughero, il legno e la carta (se sono ben asciutti).

E' importante osservare che il flusso di corrente all'interno di un corpo, non e' qualcosa che viene dall'esterno: ogni corpo e' fatto di atomi, e sono proprio gli elettroni degli atomi che, per effetto di una forza applicata dall'esterno, cominciano a spostarsi da un atomo all'altro, dando origine al flusso di cariche chiamato corrente elettrica.

La forza esterna che determina lo spostamento degli elettroni è detta forza elettromotrice, o anche tensione o differenza di potenziale (in realtà questi tre nomi non hanno esattamente lo stesso significato, ma analizzeremo in seguito le sottili differenze che esistono tra essi).

La corrente elettrica puo' essere debolissima, come quella che, all'interno degli organismi viventi, trasmette gli impulsi nervosi; puo' essere abbastanza forte, come quella che accende la lampadina della nostra stanza, e puo' essere fortissima, come quella che fonde i metalli in un altoforno o fa camminare un treno a 150 km all'ora.

Sappiamo bene che oggi senza la corrente elettrica si fermerebbe tutto, a cominciare dal computer dove stiamo leggendo queste parole. Dove troviamo la corrente in casa nostra? Naturalmente nelle prese, le comunissime prese di corrente. Occorre pero' fare una precisazione: nelle prese non c'e' la corrente, ma c'e' la tensione, ovvero quella forza che spinge gli elettroni a muoversi, dando origine alla corrente. Questa forza ha un valore ben preciso, che si indica con un numero, abbinato ad una unita' di misura:  il volt 

Così come diciamo che una cassa pesa 90 kg oppure che un palazzo è alto 15 metri, possiamo dire che la tensione disponibile nelle prese di casa nostra misura 220 volt.

Osservando una presa, vedremo che in essa ci sono tre fori: lasciamo perdere per il momento il foro centrale, che ha solo una funzione di sicurezza, e parliamo dei due fori laterali. La forza elettromotrice, o tensione, di 220 volt, e' presente sui fori laterali (in realta' solo uno dei due fori è realmente sotto tensione, ma questo si capirà meglio in seguito). Per semplificare, possiamo immaginare che in uno dei fori sia presente la forza che serve a spingere le cariche elettriche e che l'altro, al contrario, serva per ricevere le cariche che, uscite dal primo foro, hanno terminato il loro percorso utile nel circuito esterno alla presa.

La tensione presente sulla presa non produce alcun effetto finche' niente vi viene inserito; nel momento in cui vi inseriamo una spina, per esempio la spina di una lampada, non facciamo altro che creare un collegamento tra il foro che spinge e quello che risucchia: nel filo della lampada comincia a scorrere una corrente elettrica, che ha come effetto l'accensione della lampadina. In figura 1 e' schematizzato il percorso seguito dalla corrente, supponendo che essa si sposti nel verso indicato dalle piccole frecce bianche: la corrente esce dal foro numero 1, percorre il filo di collegamento ed arriva alla lampadina sulla parte filettata, o torso, indicata con T; il torso e' a sua volta collegato col filamento e cosi', come si vede in figura, la corrente prosegue il suo percorso, attraversando il filamento della lampada (che si accende) ed uscendo dall'altro punto di contatto, rappresentato dal bottone metallico situato sul fondo della lampadina, indicato con C. Da qui la corrente, percorrendo il filo di ritorno, arriva nuovamente alla presa, dove entra nel foro numero 2 e se ne va.

E' bene adesso spendere qualche parola sulla lampadina: come mai alcune lampade fanno tanta luce ed altre ne fanno molto poca, pur essendo tutte ugualmente collegate alla stessa presa dove, abbiamo visto, ci sono 220 volt? La spiegazione e' nella quantita' di corrente che passa nella lampadina. Quelle che fanno poca luce vengono attraversate da poca corrente; quelle che fanno piu' luce vengono attraversate da una corrente piu' forte.

Abbiamo visto che la corrente scorre per effetto di una forza detta forza elettromotrice o tensione; c'e' pero' qualcosa che contrasta di più o di meno questa forza e tende a frenare lo scorrere degli elettroni: questa forza frenante, che dipende dalla natura del materiale attraversato, viene detta resistenza elettrica.

Maggiore e' la resistenza e minore e' la corrente che riesce a passare (abbiamo visto che in certi materiali, detti isolanti, la corrente non passa per niente). Le lampadine che fanno piu' luce sono costruite in modo tale che il loro filamento, cioe' quel filo che si scalda e diventa incandescente, abbia una resistenza bassa e possa quindi far passare piu'corrente. Questo risultato si puo' ottenere in vari modi:

1- si puo' usare un materiale che per sua natura abbia una minore resistenza elettrica e quindi presenti una maggior attitudine ad essere attraversato dalla corrente

2- a parita' di materiale, si puo' usare un filo piu' grosso: piu' e' grosso il filo, maggiore e' la corrente che riesce a passare

3- si puo' fare in modo che la lunghezza del filo sia minore: piu' corto e' il filo, piu' corrente passa.

Riepilogando possiamo dire che: Un materiale puo' essere attraversato da corrente se e' conduttore. La corrente che passa in un materiale dipende da due fattori: 1- dalla forza elettromotrice, o tensione, applicata 2- dalla resistenza del materiale

Con riferimento ad un conduttore di determinate dimensioni, se indichiamo con  V  la tensione applicata, con  I  la corrente che attraversa il conduttore e con  R  la sua resistenza, possiamo esprimere matematicamente la relazione che esiste fra le tre grandezze:

  

Aggiungiamo che la tensione si misura in Volt (lo abbiamo gia' visto), la corrente si misura in Ampere e la resistenza si misura in Ohm.

In pratica questo vuol dire che conoscendo il valore di due delle tre grandezze in gioco, e' possibile calcolare la terza. Se io ho un utilizzatore la cui resistenza R e' di 44 ohm e lo collego ad una tensione V di 220 volt, posso dire subito che nel mio utilizzatore passera' una corrente di 5 ampere, perche' 220 : 44 da' come risultato 5.

Due parole sulla potenza elettrica

Quando una lampada fa piu' luce di un'altra si dice comunemente che e' di maggiore potenza: cerchiamo allora di definire esattamente che cos'è la potenza e come può essere calcolata. E' intuitivo dire che la potenza dipende dalla corrente assorbita, ma non basta, perchè se io faccio funzionare la stessa lampada con una tensione più alta, ottengo una luce ancora più forte (e magari la lampada mi si brucia). Ciò significa che per parlare di potenza devo considerare non solo la corrente assorbita, ma anche la tensione a cui la lampada assorbe una certa corrente: questo porta a concludere che, dal punto di vista numerico, la potenza si calcola moltiplicando la tensione per la corrente.

Per chiarire meglio quanto affermato, consideriamo due lampadine : una lampadina per fari di automobili, ed è progettata per funzionare con la batteria da 12 volt; 

e una comune lampada per l'illuminazione casalinga a 220 V.

Pur essendo diverse nella forma e nella tensione di funzionamento, le due lampade sono progettate per assorbire la stessa potenza di 40 W; infatti, la prima, collegata alla batteria dell'auto, assorbe una corrente di 3,3 A mentre la seconda, collegata alla presa da 220 V, assorbe una corrente di 0,18 A.

Calcoliamo la potenza nei due casi: per la lampada da auto abbiamo P = 12 x 3,3 = 39,6 watt; per la lampada di tipo domestico abbiamo P = 220 x 0,18 = 39,6 watt. Come si vede, a parità di potenza, più bassa è la tensione di funzionamento, più alta è la corrente assorbita.

Tutti i dispositivi che funzionano con la corrente elettrica, sono chiamati utilizzatori.

La nostra casa e' piena di esempi di utilizzatori: frigorifero, lavatrice, asciugacapelli, televisione, stufette elettriche, tutti i dispositivi di illuminazione (piantane, lampadari, ecc.) e tanti altri.

 Se avete in casa il contatore, quella scatola nera con un disco che gira e che misura l'energia consumata, divertitevi a vedere come il disco gira con velocita' diverse a seconda degli utilizzatori che accendete;

noterete che girera' piano quando attaccate per esempio un frullatore o un ventilatore, ma girera' molto piu' velocemente se attaccate alla corrente una stufetta o il forno elettrico. In pratica la velocita' di rotazione del disco dipende dalla corrente che in quel momento sta passando negli utilizzatori che voi avete collegato alla rete elettrica.

Ogni utilizzatore e' caratterizzato da due dati: la tensione di funzionamento e la potenza che assorbe quando funziona a quella tensione.

 La tensione di funzionamento deve essere assolutamente rispettata, pena la distruzione dell'utilizzatore stesso; attualmente, come abbiamo gia' visto, la tensione nelle nostre case ha il valore unificato di 220 volt, e quindi e' poco probabile che un utilizzatore venga collegato ad una tensione errata.

 La potenza puo' variare, anche di molto, da un apparecchio all'altro; un televisore da 14 pollici assorbe circa 50 W, un trapano elettrico circa 450 W, un forno puo' assorbire piu' di 1500 W. Non e' possibile in genere far funzionare in casa utilizzatori di potenza superiore a circa 3000 W, altrimenti scatta la protezione di sovraccarico e si resta al buio. Naturalmente il discorso vale anche per piu' utilizzatori di potenza minore, ma fatti funzionare contemporaneamente: una lampada da 250 w, accesa mentre si usa un asciugacapelli da 1500 w, e mentre magari ci si scalda con una stufetta da 750 w, equivale ad una potenza totale assorbita di 250+1500+750, e cioe' 2500 w.

Una volta era comune trovare nelle case piu' di una tensione: non solo 220, ma anche 160 e 110 volt. Qualcuno si divertiva a prendere una lampada del tipo a 160 volt e la collegava a 220. La lampada faceva una bella luce vivida, molto piu' bianca e forte di quella normale, ma dopo poche ore era bella che bruciata! Questo succede perche', a causa della forza elettromotrice (o tensione) troppo elevata, nella lampada passa una corrente superiore a quella che il filamento puo' sopportare senza distruggersi.

Se la stessa lampada fosse stata progettata per funzionare a 220 volt, il suo filamento sarebbe stato costruito con filo piu' sottile e sarebbe stato piu' lungo, in modo da opporre una maggiore resistenza alla corrente che cerca di passare sotto la spinta di una tensione piu' elevata. Questo ragionamento trova conferma nelle tre formule che abbiamo visto prima: una di esse ci dice che la corrente e' pari al valore della tensione diviso il valore della resistenza; e' chiaro quindi che se una lampadina deve funzionare ad una tensione piu' alta, deve essere maggiore anche la sua resistenza. Ma e' possibile calcolare quanto vale la resistenza di un filo? Certamente, e' possibile calcolare la resistenza di qualsiasi corpo o materiale, in base alle sue dimensioni ed alla sua composizione chimica e fisica.

Tanto per gradire, anche la resistenza elettrica si calcola con una formula

Forse non tutti conoscono quella lettera che sembra un nove allo specchio: si tratta di una lettera greca, e si chiama ro. Con questa strana lettera ro (ma si potrebbe usare qualsiasi altra lettera) si indica la resistivita', cioe' una caratteristica fisica che è specifica di ciascun materiale: il rame, per esempio, ha una resistivita' minore del ferro e quindi e' piu' adatto a far passare la corrente. Il nichelcromo ha una resistivita' elevata, pari a circa 60 volte quella del rame, e cosi' risulta adatto per la costruzione di resistenze elettriche, cioe' apparecchiature che sono utili proprio perche' presentano una resistenza elevata.

Come esempio, proviamo a calcolare la resistenza di un filo di nichelcromo avente una sezione di 0,2 mm quadrati e una lunghezza di 10 metri. Occorre conoscere quanto vale la resistivita' del nichelcromo; cercando in un apposito manuale si trova

resistivita' del nichelcromo = 0,9 ohm mmq/m

il che significa 0,9 ohm di resistenza per ogni metro di lunghezza, quando la sezione misura 1 millimetro quadrato.

Moltiplico il valore della resistività (0,9) per la lunghezza del mio filo, che era 10 (metri) e poi divido per la sezione, che era 0,2 (millimetri quadrati)

:ottengo come risultato 45; siccome e' il valore di una resistenza, diremo 45 ohm. Tanto per dare soddisfazione a qualche matematico di passaggio, possiamo analizzare la formula della resistenza dal punto di vista dimensionale si verifica facilmente che esprimendo la resistività in ohm mmq/m, la lunghezza in m e la sezione in mmq, si ottiene il valore della resistenza in ohm.

L' ELETTRICITÀ

Corso teorico-pratico

Parte 2ª

Nella parte 1ª abbiamo parlato di tensione, corrente e resistenza, facendo sempre riferimento alle prese di corrente che si trovano nelle nostre case: l'elettricità che vi arriva è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri. Esistono comunque altre sorgenti di elettricità, ciascuna con caratteristiche proprie e, come vedremo, molto diverse l'una dall'altra.

Tutti noi ci siamo serviti almeno qualche volta delle pile, le comuni pile dette anche, impropriamente, batterie; le abbiamo usate magari per far funzionare la radiolina o il walkman.

Quattro tipi di pile, tutte con la stessa tensione di 1,5V; da sinistra a destra: ministilo, stilo, mezza torcia, torcia.

Quelle cilindriche, per esempio, esistono in vari formati (ministilo, stilo, mezzatorcia, torcia), ma forniscono tutte la stessa tensione: 1,5 volt. Che differenza c'è allora tra una pila e l'altra? La risposta più intuitiva è: la quantità di energia che essa contiene. Se ad una di queste pile colleghiamo una piccola lampadina da torcia elettrica, adatta a funzionare a 1,5 volt, la lampadina si accenderà nello stesso identico modo con ciascuna pila; vedremo, però, che con una pila grande la lampadina rimarrà accesa più a lungo. Tale durata, che è tanto maggiore quanto più grande è la pila, è determinata da quella che viene definita "capacità" della pila. La capacità è una grandezza che tiene conto sia della corrente erogata, sia del tempo per cui la pila riesce ad erogare tale corrente; per questo motivo, la capacità si calcola moltiplicando la corrente per le ore, e si misura in Ah (cioè: amper-ora). Per fare un esempio, con la stessa pila possiamo far accendere per due ore una lampadina che assorbe una corrente di 0,5 A, oppure per quattro ore una lampadina che assorbe 0,25 A (cioè metà corrente della precedente); se calcoliamo la capacità, abbiamo nel primo caso: 0,5 x 2 = 1 Ah e nel secondo caso: 0,25 x 4 = 1 Ah. La capacità è in ogni caso di 1Ah.

Occorre comunque precisare che, a parte ciò che si è detto sulla diversa capacità, le dimensioni della pila determinano anche la massima corrente che questa può fornire: proprio a causa delle diverse caratteristiche costruttive, una pila piccola non potrà mai fornire la corrente che è in grado di erogare una pila grande, nemmeno per un istante brevissimo.

Batteria da 12V per auto; questa nella foto ha una capacità di 60 Ah

Quanto si è detto fino ad ora, vale per quegli altri generatori di energia elettrica, come gli accumulatori o le batterie che troviamo nelle nostre auto o nei telefonini cellulari. A differenza delle pile, questi sono ricaricabili, sono cioè in grado di incamerare nuovamente l'energia che hanno fornito e possono quindi essere usati per parecchio tempo. Una batteria per auto, come molti sapranno, ha una tensione caratteristica di 12 volt, mentre la capacità può variare da circa 35 Ah a 70 od 80 Ah o più. Quella raffigurata a lato ha una capacità di 60 Ah: può fornire, ad esempio, 1 A per 60 ore, oppure 5 A per 12 ore, o ancora 10 A per 6 ore.

Più alta è la capacità della batteria e più forte è la corrente che essa può fornire: in certi istanti, per esempio all'avviamento del motore, la batteria eroga, sia pure per tempi brevissimi, una corrente detta di spunto che può arrivare ad alcune centinaia di ampere: è chiaro quindi che una batteria di maggiore capacità facilita l'avviamento del motore anche in condizioni sfavorevoli.

Ma esiste una grande differenza fra la tensione di una batteria (o pila o accumulatore) e quella che noi troviamo nelle prese di casa nostra.

Non parlo del diverso valore, e cioè dei 220 volt di casa o dei 12 volt della batteria dell'auto, ma di una proprietà caratteristica che comporta tutta una serie di vantaggi e svantaggi, che cercheremo di analizzare per sommi capi.

Tornando alla nostra pila, la comune pila a stilo per esempio, osserviamo che essa viene utilizzata tramite due contatti metallici, che si trovano sulle due estremità opposte.

 Da un lato troviamo un bottoncino metallico largo pochi millimetri che sporge al centro di una superficie di plastica; in genere in sua corrispondenza è disegnato un "

+". Dall'altra parte troviamo il fondo della pila, completamente in metallo, che è quello che in genere viene a contatto con una molla, quando la pila viene inserita nell'apparecchiatura ove deve funzionare. I due punti di contatto che abbiamo visto vengono chiamati "poli". Per la precisione uno, quello dove c'è il bottoncino piccolo contrassegnato col "+", viene detto polo positivo; l'altro, il fondo metallico della pila, è il polo negativo.

La corrente fornita da una pila (o da una batteria o accumulatore che dir si voglia) esce sempre dal polo positivo, attraversa l'utilizzatore (per esempio la lampadina) e rientra dal polo negativo. Finchè la pila è carica ed eroga corrente, questa fluisce sempre nella stessa direzione e con un valore praticamente costante: una corrente con tali caratteristiche viene definita "corrente continua".

Ben diversa è la corrente che usiamo in casa prelevandola dalle prese, e che è detta corrente di rete. Tanto per farci un'idea del suo comportamento, possiamo supporre che per un breve tempo la corrente esca da un foro della presa e rientri in quell'altro subito dopo immaginiamo che la stessa corrente cominci ad uscire dal foro in cui prima rientrava, per rientrare in quello da cui prima usciva (istante 2). Supponiamo poi che, dopo un altro breve intervallo di tempo, la situazione si inverta ancora, e così via all'infinito. Nel caso specifico delle reti elettriche in Italia, la corrente cambia effettivamente direzione (o, meglio, "polarità") 50 volte al secondo; ciò vuol dire che nel breve intervallo di un cinquantesimo di secondo, la corrente scorre in un verso per la prima metà (e quindi per un centesimo di secondo) e nel verso opposto per l'altra metà (l'altro centesimo di secondo). Ma non basta: oltre a cambiare direzione, la corrente fluisce con un valore che non è costante, ma varia da zero ad un massimo e poi di nuovo a zero. Una corrente con tali caratteristiche viene definita

"corrente alternata", ed è quella che più usiamo nella vita di tutti i giorni, senza renderci conto di come essa sia "inquieta".

Per chi ama i grafici ed ha un pò di confidenza con essi, la corrente alternata si può rappresentare come nella figura che segue.

Proviamo ad analizzare il grafico; in orizzontale è rappresentato il tempo, con valori che vanno da 0 a 20 millisecondi, mentre sull'asse verticale, a sinistra, si trovano i valori di tensione.

Vediamo che, a partire dal tempo 0, il valore della tensione cresce e, a 5 millisecondi dall'inizio, raggiunge un valore massimo di 310 volt. La tensione comincia poi a scendere, ed arriva a zero quando sono passati 10 millisecondi dall'inizio.

Si vede poi che la tensione scende al di sotto del valore 0, per raggiungere nel punto più basso un valore di -310 volt. Cosa significa il meno davanti al numero? Niente di particolare; una tensione di -310 volt è esattamente uguale ad una di 310 volt: l'unica differenza è che la corrente scorre in senso contrario. La tensione riprende poi a salire e, a 20 millisecondi dall'inizio, torna a zero. Da questo momento ricomincia un altro ciclo, esattamente uguale a quello appena visto. Come abbiamo detto, questi cicli completi si ripetono 50 volte in un secondo, e con la stessa successione di valori: per tale motivo, si dice che la corrente alternata ha una frequenza di 50 hertz, ed è una grandezza periodica; per essere più precisi, la tensione di rete è una grandezza "sinusoidale", poiché i valori che assume nell'ambito di un ciclo corrispondono esattamente ai valori della funzione matematica chiamata "seno".

Ci sono ancora altre osservazioni da fare, ma credo di avervi annoiato a sufficienza. Non so quanti di voi saranno arrivati a leggere fin qua. Per chi ce l'ha fatta, appuntamento con la Parte 3ª.

L' ELETTRICITÀ

Corso teorico-pratico

Parte 3ª

Nella parte 2ª abbiamo detto che la corrente disponibile nalle prese delle nostre case è in realtà una corrente alternata, il cui valore varia in continuazione, passando da zero a un massimo e addirittura invertendo il senso di scorrimento. Siamo tutti abituati ad indicare la tensione di rete come "tensione a 220 V", ed in effetti tutti gli apparecchi nati per funzionare con la corrente di rete riportano come tensione di funzionamento il valore 220; perchè allora si usa attribuire questo valore ad una tensione che, in realtà (come si è visto nel grafico della lezione precedente) raggiunge valori massimi anche di 310 volt ?

Figura 1 - tester o multimetro

La spiegazione è questa: il valore comunemente indicato di 220 V è il cosiddetto "valore efficace" (una specie di valore medio), e, come dice il nome, è il valore che esprime la reale efficacia di una tensione sinusoidale. Tale valore viene determinato in base all'effetto termico che una certa corrente è in grado di produrre: supponiamo per esempio di alimentare con la nostra tensione alternata una stufetta; essa produrrà una certa quantità di calore, raggiungendo una certa temperatura, di cui prenderemo nota.

 Stacchiamo poi la stessa stufetta dalla rete a corrente alternata ed alimentiamola con una tensione continua; misuriamo il calore prodotto dalla stufa mentre, poco alla volta, aumentiamo il valore della tensione continua. Nel momento in cui ci accorgiamo che il calore prodotto è lo stesso che ottenevamo con la corrente alternata, abbiamo trovato quello che cercavamo: il valore che ha in quell'istante la tensione continua corrisponde esattamente al valore efficace della tensione alternata da cui siamo partiti.

Anche quando si prova a leggere il valore della tensione alternata con un apposito strumento (detto tester o multimetro)

 la lettura che esso ci fornisce è sempre 220 volt, ovvero il valore efficace.

Ugualmente, se noi accendiamo una lampadina collegandola alla presa di 220 volt, la lampada fa la stessa luce che farebbe se funzionasse con una tensione continua di 220 volt.

Questo succede perchè il filamento della lampadina, grazie alla sua inerzia termica, non può seguire le rapide variazioni dei valori di tensione, nè quando diventano zero, nè quando sono massimi, e quindi emette una luce media costante.

Se la tensione di rete avesse una frequenza più bassa, per esempio inferiore ad 1 Hz, la nostra lampada  non sarebbe troppo confortevole!

La corrente alternata ha dei pregi e dei difetti.

E' facile per esempio da una tensione alternata ottenerne una di valore completamente diverso, più alto o più basso, a seconda delle necessità di utilizzazione: basta fare uso di un trasformatore un dispositivo di costruzione abbastanza semplice e dal rendimento elevato.

Così se voglio servirmi di un motore che funziona a 48 volt, e voglio utilizzare la tensione di rete a 220 volt, mi basta procurarmi un trasformatore 220/48 V, e il problema è risolto.

D'altra parte, la tensione (e quindi la corrente) alternata non è adatta, per esempio, a far funzionare apparecchiature audio. Se una tensione alternata arriva ad un altoparlante, questo comincia immediatamente a produrre un caratteristico rombo, ovvero un suono a bassa frequenza, continuo, che non permette di udire altro. Quindi per alimentare un registratore, uno stereo, o qualunque apparecchiatura musicale, devo prima trasformare la corrente di rete in una corrente continua, che avendo un flusso lineare e costante non produce rumore e permette il regolare funzionamento dei circuiti audio, così come di qualunque apparecchiatura elettronica.

Adesso facciamo un piccolo passo indietro: riguardo le prese di corrente, ad esempio, non abbiamo parlato della funzione del foro centrale. Nell'impianto elettrico, il foro centrale delle prese risulta, come si dice comunemente, collegato "a terra" o "a massa". In realtà l'espressione è abbastanza vicina al vero; non si sbaglia dicendo che c'è un filo (cioè un cavo elettrico unico o unipolare) che parte dal foro centrale di ogni presa e va a finire nel terreno, proprio la terra dei giardini, quella dove camminiamo e piantiamo i fiori. Non si tratta di un filo semplicemente infilato nel terreno come una pianta e magari concimato, ma di qualcosa di molto vicino; in realtà si allestisce quella che viene chiamata "presa di terra", facendo uno scavo che viene riempito di sostanze in grado di ridurre la resistività del terreno e quindi di favorire la dispersione dell'elettricità. Abitualmente in questo filo, che parte dal foro centrale della presa, e che è quasi sempre di colore giallo e verde, non passa alcuna corrente; infatti si è detto che la corrente che alimenta i nostri utilzzatori esce da un foro della presa e rientra in quell'altro.

Questo è vero quando tutto funziona regolarmente; ma supponete che, per esempio, all'interno di un ferro da stiro, un filo che porta la corrente si spelli o si bruci, perdendo anche in un solo punto lo strato esterno che lo isola.

Se il filo di rame viene a contatto con la carrozzeria del ferro da stiro, la tensione di 220 V della presa viene ad essere presente su tutte le parti metalliche del ferro. A questo punto la povera stiratrice che tocca il ferro, magari con le mani bagnate, offre senza saperlo una nuova strada al passaggio della corrente: la corrente, invece di rientrare nel secondo foro della presa dopo aver attraversato le resistenze del ferro da stiro, trova magari più semplice attraversare il corpo della povera donna per continuare il suo percorso attraverso il pavimento.

Se questo succede, ed in quale misura, dipende da tanti fattori: per esempio dal tipo di scarpe indossate dalla vittima e dal tipo di pavimento; si tratta comunque di un rischio da evitare. Come? Usando un terzo filo che collega l'involucro metallico del ferro da stiro col foro centrale della presa di corrente. In questo modo, se per disgrazia la tensione di rete viene ad essere presente sulle parti metalliche del ferro da stiro, la corrente scieglie per scaricarsi la strada più facile, ovvero quella di minore resistenza. Se l'impianto di terra a cui abbiamo collegato i fori centrali delle nostre prese è ben costruito, la sua resistenza sarà abbastanza bassa, per cui in presenza di dispersioni, una eventuale corrente sceglierà di scaricarsi attraverso di essa, e non più attraverso il corpo della povera casalinga che stira.

Quindi, se vi capita di sostituire o riparare il cavo di alimentazione di qualche apparecchiatura, specialmente se questa può essere usata con mani umide, prestate la massima attenzione a collegare correttamente il cavo di terra; anzi collegatelo per primo.

Nei cavi di uso comune ci sono tre conduttori: in genere uno è blu, uno marrone e uno giallo-verde. E' il filo giallo-verde che dovete collegare alle parti metalliche dell'apparecchio (in genere c'è un morsetto da avvitare) e al contatto centrale della spina. I CAVI CHE PARTONO DAI CONTATTI LATERALI DELLA SPINA NON DEVONO MAI ESSERE COLLEGATI ALLE PARTI METALLICHE DEGLI ELETTRODOMESTICI ! Nella figura viene illustrato il cavo di alimentazione ad una lampada da tavolo: si utilizza un cavo (nella figura è di colore grigio) detto "tripolare", cioè che contiene al suo interno tre cavetti di diverso colore; per esempio: blu, marrone e giallo/verde.

Quello giallo-verde deve essere collegato da una parte al contatto centrale della spina e, arrivato alla lampada, deve essere stretto sotto una vite, in modo da risultare a diretto contatto con le parti metalliche della lampada stessa

Gli altri due cavetti andranno collegati ai contatti laterali della spina, non importa da quale parte il blu e da quale il marrone, ed al portalampada, cioè a quel componente della nostra lampada da tavolo, dove avvitiamo la lampadina.

LE NOZIONI FORNITE IN QUESTE PAGINE HANNO UNO SCOPO PURAMENTE INFORMATIVO - NON SI CONSIGLIA, A CHI NON ABBIA LA NECESSARIA ESPERIENZA, DI EFFETTUARE RIPARAZIONI O MODIFICHE SU APPARECCHIATURE ELETTRICHE DESTINATE A FUNZIONARE CON LA TENSIONE DI RETE !

 

L' ELETTRICITÀ

Corso teorico-pratico

Parte 4ª

Nella lezione precedente abbiamo visto che i trasformatori consentono di trasformare il valore della tensione, purchè si tratti di una tensione alternata; cercheremo adesso di capire più da vicino, sia pure sommariamente, come è fatto e come funziona un trasformatore elettrico.

Fondamentalmente esso è costituito da un nucleo metallico, chiuso ad anello, la cui grandezza può variare anche di molto, in funzione della potenza erogata.

 Intorno a questo nucleo si realizzano due avvolgimenti, con filo di rame smaltato, proprio avvolgendo il filo come si vede in figura: da una parte si realizza l'avvolgimento che sarà collegato alla tensione più alta (quello di sinistra, con tante spire, che collegheremo per esempio a 220 volt); dall'altra parte si realizza l'avvolgimento con meno spire, quello che fornirà una tensione più bassa (per esempio 12 V).

Naturalmente non avvolgeremo il filo direttamente sul ferro, perchè l'isolamento del filo stesso potrebbe deteriorarsi e quindi la tensione di rete sarebbe pericolosamemnte presente sul ferro del trasformatore. I due avvolgimenti saranno eseguiti su appositi cartocci isolanti; le estremità di ciascun avvolgimento verranno poi portate all'esterno, facendo capo eventualmente ad appositi terminali, in modo da poter essere facilmente collegati. Se noi, stando ai valori citati come esempio, colleghiamo alla rete i due capi dell'avvolgimento a 220 V, dall'altra parte (ai capi dell'avvolgimento con poche spire) troveremo una tensione di 12 V. Ma come fa la corrente a passare dal primo avvolgimento al secondo, se questi sono completamente isolati?

In effetti la corrente non passa, ma succede un'altra cosa, che cercherò di spiegare in modo molto semplificato. Noi abbiamo collegato alla rete (le famose prese di corrente di casa) l'avvolgimento con molte spire: in questo avvolgimento quindi passa una corrente, che da un capo entra e dall'altro esce; passando nelle spire, la corrente produce un effetto: crea un campo magnetico, cioè il nucleo di ferro del trasformatore diventa una specie di calamita.

 Infatti, se avvicinate al nucleo una lametta da barba, sentirete che la lametta vibra, per effetto del campo magnetico che vi si induce. Attenzione: a differenza della calamita che attrae a sè e basta, il campo magnetico del trasformatore è un campo magnetico alternato, così come è alternata la corrente che lo crea, e le vibrazioni che avvertite nella lametta sono esattamente a 50 hertz, ovvero la frequenza della corrente di rete.

È proprio questo campo magnetico continuamente variabile che, attraversando tutto il nucleo metallico del trasformatore, dà origine ad una corrente indotta nell'altro avvolgimento, e ci permette di prelevare da quest'ultimo una tensione, anche se non esiste nessun collegamento elettrico. Occorre infatti sottolineare questo aspetto fondamentale: il trasformatore, oltre a consentire di variare il valore della tensione, permette di ottenere in uscita un circuito completamente isolato da quello principale, e quindi sicuro anche per chi dovesse accidentalmente venire a contatto con i fili ad esso collegati.

Attenzione: Talvolta, col nome di TRASFORMATORI, si trovano in commercio apparecchi che sono in realtà AUTOTRASFORMATORI.

I vari avvolgimenti di un autotrasformatore NON sono isolati fra loro: si tratta di un unico avvolgimento con varie prese, dove tutti i terminali risultano direttamente COLLEGATI ALLA RETE - occorre quindi la massima attenzione nell'uso di tali apparecchi.

Per concludere, aggiungiamo che i due avvolgimenti del trasformatore, quello di entrata e quello di uscita, si chiamano rispettivamente primario e secondario.

Ciascuno di essi è composto da un numero di spire che naturalmente non è casuale: le spire sono esattamente proporzionali alle diverse tensioni, e dipendono inoltre dalla potenza del trasformatore. Il rapporto fra il numero di spire primarie ed il numero di spire secondarie è esattamente uguale al rapporto fra le tensioni dei due avvolgimenti e viene definito "rapporto di trasformazione" Ma i trasformatori sono importantissimi anche per un altro motivo: essi rendono possibile il trasporto dell'energia elettrica dai luoghi di produzione a quelli di utilizzazione. La quantità di energia che richiede la nostra società è inimmaginabile; centinaia e centinaia di megawatt (1 megawatt = 1 milione di watt) viaggiano di continuo sulle linee elettriche che, effettivamente poco piacevoli, attraversano le nostre campagne .

 Come sarebbe possibile far viaggiare tali enormi potenze? La corrente sarebbe così forte che per consentirne il passaggio occorrerebbero cavi grossi come tronchi d'albero!

Per fortuna (vedere parte 1ª) la potenza è uguale al prodotto della corrente per la tensione; ciò significa che la potenza in gioco non cambia se la corrente diminuisce ma nel frattempo aumenta proporzionalmente la tensione. Ecco allora che per trasportare l'energia elettrica a distanza, senza usare cavi giganteschi, conviene aumentare notevolmente la tensione in modo da ottenere che la corrente nella linea sia più bassa e quindi possa viaggiare su cavi di dimensioni accettabili. La tensione che si usa è effettivamente alta (varie decine di migliaia di volt) e la si avverte anche a distanza; se siete in campagna e passate sotto uno di questi elettrodotti fermatevi e fate silenzio: sentirete il classico crepitio dell'alta tensione, come aria che frigge, e vi renderete conto di quale campo elettrico si generi intorno a tali linee! Grazie a trasformatori enormi (ben più sofisticati del semplice esempio visto prima) la tensione viene elevata prima di essere instradata sulle linee per il trasporto. All'arrivo, un altro trasformatore realizza l'operazione opposta: riabbassa la tensione, portandola ai valori adatti alle applicazioni comuni.

Tutto questo non sarebbe possibile con la corrente continua, poichè essa non è in grado di dare origine ad un campo magnetico variabile e quindi non permette di usare i trasformatori.

L' ELETTRICITÀ

Corso teorico-pratico

Parte 5ª

Carichi resistivi e carichi induttivi.

I vari utilizzatori che funzionano con la corrente elettrica possono differenziarsi, oltre che per la tensione e per la potenza richiesta, anche per il loro comportamento nei confronti della corrente stessa.

Ci sono infatti utilizzatori, detti appunto carichi resistivi, che sono costituiti unicamente da una resistenza, cioè un filo realizzato con materiale di resistività elevata che, come abbiamo visto, viene percorso da corrente e si riscalda; utilizzatori di questo tipo sono, ad esempio, il forno di casa, la stufetta e le sempre presenti lampadine: in effetti delle lampadine a noi interesserebbe di più la luce, ma il calore, purtroppo, è sempre presente, e non è neppure poco.

Ci sono però altri utilizzatori (anche fra i comuni elettrodomestici) che non sono delle resistenze; un ventilatore, per esempio, o un frullatore, fanno uso di un motore che è prevalentemente costituito da avvolgimenti (come i trasformatori), ed abbiamo visto che un avvolgimento produce campi magnetici.

E' proprio l'effetto di questi campi magnetici che permette al motore di girare e produrre energia meccanica. In questi casi si parla di carichi induttivi.

La principale caratteristica di un carico induttivo è quella di opporsi alle variazioni rapide della corrente: se si applica tensione a un induttore, la corrente non inizia a passare subito, ma dopo un certo tempo ed aumentando gradualmente. Analogamente, nel momento in cui si toglie tensione, la corrente in un induttore non può cessare di colpo, ma tende ad estinguersi con ritardo. Questo è il motivo per cui, quando si stacca alimentazione ad un'apparecchiatura di tipo induttivo, si vede scoccare una scintilla fra i contatti dell'interruttore: è la corrente che stava circolando fino ad un attimo prima e che, non potendo cessare istantaneamente, cerca di continuare a scorrere attraversando anche lo spazio d'aria fra i contatti dell'interruttore aperto. La scintilla si verifica poichè l'interruzione improvvisa di un circuito induttivo determina anche la nascita di una sovratensione, cioè di una tensione più elevata di quella di normale funzionamento, che permette alla corrente di vincere anche la resistenza dell'aria. Mentre gli utilizzatori di tipo resistivo possono funzionare indifferentemente sia con una tensione alternata che con una continua, purchè dello stesso valore, gli utilizzatori di tipo induttivo devono assolutamente funzionare col tipo di tensione per cui sono stati progettati; e tale tensione deve avere non solo il giusto valore in volt, ma anche la giusta frequenza. Un trasformatore progettato ad esempio per funzionare con una tensione di 220V a 60Hz, può surriscaldarsi (ed anche andare incontro ad avaria) se viene fatto funzionare con una tensione di 220V ma a 50Hz.

Collegamenti in parallelo e in serie.

Volendo collegare alla rete diverse lampadine,

Figura 1 - Collegamento in parallelo:  la tensione è la stessa per tutti gli utilizzatori; ogni utilizzatore assorbe la sua corrente

è possibile collegarle come si vede nella prima delle figure a lato; in tal modo la lampada risulta collegata ed assorbe la corrente che il suo filamento lascia passare. Un simile collegamento si chiama collegamento in parallelo.

Sarebbe poi possibile fare una cosa più originale: collegare  lampade non una di fianco all'altra, ma una in fila all'altra, in modo che l'uscita di una sia collegata all'entrata di quella che segue, così come si vede nella seconda figura.

Cosa succede in questo caso? La corrente che esce dalla presa attraversa una dopo l'altra tutte le lampadine; si tratta dell'unica corrente che circola, essendo solo uno il

circuito possibile.

Figura 2 - Collegamento in serie: tutti gli utilizzatori sono attraversati dalla stessa corrente; la tensione si ripartisce sui vari utilizzatori

Quanta corrente passa? La tensione di 220 volt della presa risulta applicata a tutta la fila di lampadine, quindi per far passare corrente deve vincere la resistenza non di una sola, ma di tutte le lampadine, una dopo l'altra; la resistenza che incontra è equivalente quindi alla somma di tutte le resistenze.

La tensione di 220 volt si suddividerà allora tra le varie lampadine, e su ogni lampadina sarà presente la tensione che occorre perchè la corrente in circuito possa superare la resistenza di quella lampadina. Se supponiamo di collegare in fila 10 lampadine identiche, troveremo che su ogni lampada sarà presente una tensione di 22 volt.

Un simile collegamento si chiama collegamento in serie. Esempio caratteristico di collegamento in serie sono le lampadine dell'albero di natale. Una serie è costituita da 10 o più lampadine colorate, tutte aventi le stesse caratteristiche elettriche. Se una di esse venisse collegata da sola alla rete a 220 volt, scoppierebbe immediatamente; insieme alle altre invece essa sopporta solo una piccola parte della tensione di rete e può funzionare senza bruciarsi.

Potenza ed energia.

Vorrei spendere qualche parola su due concetti che spesso sono oggetto di confusione: quelli di potenza e di energia.

 Per essere più chiaro, farò un esempio pratico: abbiamo un carico di materiali che pesano 400 kg e che noi vogliamo portare su un solaio che si trova all'altezza di 20 metri. Supponiamo di sollevare questo peso con un paranco elettrico, e che il paranco, girando lentamente, impieghi 50 secondi per portare il carico a 20 metri. Se facciamo due conti, vediamo che il paranco ha compiuto un lavoro pari a 8000 kgm (chilogrammetri). Per compiere questo lavoro ho consumato una certa quantità di energia elettrica.

 Supponiamo ora di rifare lo stesso lavoro, usando un paranco di potenza doppia; questo mi solleverà il peso in 25 secondi, ma avrà compiuto lo stesso lavoro dell'altro e consumato la stessa quantità di energia: si tratta dell'energia che corrisponde a quel determinato lavoro, e non ha niente a che fare col tempo impiegato a compierlo. Il paranco dotato di motore più potente è in grado di sollevare il peso più velocemente; rimane attaccato alla corrente per meno tempo ma in quel tempo assorbe una corrente più alta. Il paranco meno potente solleva il peso lentamente, e assorbe una corrente più bassa per un tempo più lungo: la quantità di energia è la stessa. E infatti l'energia si misura in kwh (chilowattora), una unità di misura che corrisponde al prodotto di una potenza per un tempo!

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL TRASFORMATORE IDEALE

IDEALE significa: 

• assenza di fenomeni termici dissipativi
• 
  
  Circuito primario e secondario perfettamente accoppiati ( il flusso magnetico prodotto in uno dei due circuiti si concatena totalmente con l'altro circuito)
  
  
  
• Permeabilità magnetica infinita (Riluttanza del circuito magnetico nulla)

Il funzionamento del trasformatore si basa sulla legge di Faraday-Neumann-Lenz. 

Essa lega indissolubilmente flussi magnetici variabili nel tempo e tensioni indotte. 

La tensione alternata applicata al primario (U₁) stabilisce una corrente che dà luogo ad un flusso magnetico alternato (F) che produce una forza elettromotrice (E₁) uguale e contraria alla tensione applicata. 

Il valore della corrente necessaria (corrente magnetizzante:I₁m ) dipende dalla permeabilità del circuito magnetico nel quale il flusso si stabilisce. La legge di Hopkinson permette di stabilire una relazione del tipo:

dove , 

è detta riluttanza magnetica.

Lo stesso flusso, nel secondario, fa nascere una forza elettromotrice E₂. 

Se nel secondario può circolare una corrente (I₂), questa produce un flusso magnetico alternato opposto a quello che ne è stato la causa. Il flusso pertanto, per effetto della corrente secondaria, tende ad annullarsi. Ma poiché la tensione primaria è mantenuta costante, il flusso non può cambiare. Nel primario nasce per questo una nuova corrente in grado di annullare l'azione smagnetizzante della corrente secondaria (corrente di richiamo o di reazione: I₁r). La corrente primaria è in definitiva costituita da questa corrente di reazione che si aggiunge alla corrente magnetizzante necessaria per il flusso.

Nel caso di permeabilità infinita la corrente primaria corrisponde alla sola corrente di reazione essendo nulla la corrente magnetizzante. 

Il rapporto tra le forze elettromotrici E₁  ed E2 è dato dal rapporto tra il numero di spire dell'avvolgimento primarioN₁ e quello del secondario N₂ ed è chiamato rapporto di trasformazione.

essendo per la legge di Fardaday-Neumann-Lenz

dove w è la pulsazione della tensione alternata e F è il flusso magnetico.

Il rapporto di trasformazione corrisponde anche al rapporto esistente tra la corrente secondaria e la corrente primaria di richiamo: infatti, affinché l'azione smagnetizzante secondaria sia annullata dalla corrente primaria di reazione, occorre che le due forze magnetomotrici siano uguali e contrarie

Si hanno inoltre le relazioni

dove Z₂ è l'impedenza di carico del secondario.

Si hanno anche le seguenti relazioni tra valori efficaci: U₁/U₂=I₂/I_1, relazione ricavabile anche con  considerazioni di tipo energetico: se il secondario alimenta un carico puramente resistivo, la potenza attiva è U₂*I₂; questa potenza non può che essere tutta quella assorbita dal primario, essendo nulle le perdite interne, nell'ipotesi di trasformatore ideale; essa si può esprimere con U₁*I₁ quando è nulla la corrente magnetizzante (comunque in ogni caso con U₁*I_1r) 

Inoltre, nell'ipotesi di corrente magnetizzante nulla si ha:

cioè, l'impedenza vista dal primario è uguale alla impedenza vista dal secondario moltiplicata per il quadrato del rapporto di trasformazione.

Il simbolo circuitale del trasformatore ideale è (nel caso perfettamente ideale di corrente magnetizzante nulla)

E nel caso di corrente magnetizzante non nulla.

TRASFORMATORE TRIFASE E ALTRO                          Verrès    

                                                              

                                           

1.    QUALI VANTAGGI OFFRE UN TRASFORMATORE TRIFASE RISPETTO AD UN MONOFASE?

Il trasformatore trifase è la macchina elettrica più importante per quanto riguarda la distribuzione di energia elettrica. Esso serve  a variare i valori di tensione e di corrente mantenendo la  potenza costante. Questi tre elementi sono legati dalla formula 

 

Offre sia vantaggi economici che funzionali, ad esempio:

 MOMENTO DI ROTAZIONE:

 è più facile con le tre fasi creare il c.m. necessario. Ciò fa aumentare il rendimento.

 OTTIMIZZAZIONE DEI CONDUTTORI

 Immaginando il trifase  come 3 generatori ognuno con i suoi 2 cavi di andata e ritorno dai carichi ci sarebbe bisogno  di 6 cavi. Invece in questo caso visto che i generatori sono sincronizzati e sfasati di 120° tra loro, la corrente in uno dei cavi di ogni generatore rendendolo inutile (se il sistema è equilibrato). Ciò rende possibile trasportare la stessa energia  in  3 cavi risparmiando rame.

MINORI PERDITE NEL TRASPORTO:

Potendo trasportare l’energia su tre cavi la sua dispersione e la perdita di potenza risulta essere la metà.

2.    COSA SONO IL  PRIMARIO E IL SECONDARIO?

Il primario è l’avvolgimento al quale viene fornita l’energia da “trasformare” mentre il secondario è quello in cui viene prevelata l’energia “trasformata”.

 

Formula nella quale le V sono le tensioni tra primario e secondario e le N il numero di spire e la n trovata è data rapporto di trasformazione.

3.    COME DEVE ESSERE IL COS Ǿ?

 Il rifasamento è un intervento che serve ad aumentare il  cos phi detto anche fattore di potenza ed il cui  valore  determina l’utilizzo  più o meno migliore ed economico  dell’energia. 

 Esso  consiste  nella formula della potenza 

   è chiaro che il cos phi deve essere il più possibile vicino a uno. Tramite delle tariffe l’ente distributrice dell’elettricità costringe l’utente a rifasare il proprio impianto specialmente se l’impianto è a bassa tensione e con potenza superiore a 15 KW:

 A.    Se il   COS Ǿ   è inferiore a 0,7, il rifasamento è d’obbligo

 B.    Se il  COS Ǿ   è tra 0,7 e 0,9 non c’è nessun obbligo di rifasamento ma si deve pagare una  penale a causa dell’energia  reattiva.

 C.    Se il   COS Ǿ è superiore a 0,9 non c’è nessun obbligo di rifasamento   e non si paga nessuna penale per l’energia reattiva.

 Per aumentare il   COS Ǿ si cerca di limitare la corrente che circola nell’impianto a parità di potenza attiva assorbita diminuendo  le perdite energie e le potenze apparenti.

 Il  si ottiene della formula :

 COS Ǿ  = cos arctg  Q/P

 Formula in cui Q e P  sono la Potenza reattiva e attiva e phi è l’angolo tra i vettori della tensione e della corrente in un sistema trifase. Quindi rifasare significa ridurre tale l’angolo quindi  la potenza reattiva Q.

 4.    QUANDO UN TRASFORMATORE TRIFASE FUNZIONA IN MANIERA IDEALE E COSA ACCADE SE NON FUNZIONA IN TAL MODO?

il funzionamento ideale si ha quando il carico collegato è equilibrato però nella pratica accade spesso che i carichi siano squilibrati quindi bisogna analizzare le situazioni e scegliere il tipo di collegamento migliore.

PRIMARIO E SECONDARIO A STELLA CON NEUTRO:  situazione ideale per carichi squilibrati.

PRIMARIO A STELLA SENZA NEUTRO E SECONDARIO A STELLA CON NEUTRO:

collegamenti adatti a situazione in cui è sicuro che il carico sia equilibrato. E’ dotato si protezioni in caso di squilibri causati da guasti.

STELLA SENZA NEUTRO TRIANGOLO:

Anch’esso adatto a carichi squilibrati

PRIMARIO A TRIANGOLO:

Usato per i carichi fortemente squilibrati.

AVVOLGIMENTO A ZIG-ZAG:

Usato per forti squilibri al carico sul secondario.

5.    COME FUNZIONA UN TRASFORMATORE TRIFASE?

Sono macchine che convertono  una tensione trifase . Possono essere costituiti da tre trasformatori monofasi indipendenti uno dall’altro , ma spesso sono realizzati con tre avvolgimenti primari e tre avvolgimenti secondari montati su un unico nucleo con tre rami paralleli. Gli avvolgimenti possono essere collegati a stella, a triangolo o a zig-zag.

6.    QUALI SONO LE REGOLAZIONI DEL TRASFORMATORE TRIFASE?

Le regolazioni possono essere modificate da vari elementi:

•    Numero di spire tra primario e secondario

•    Il volume

•    La sezione delle colonne

•    La sezione dei conduttori

7.    LE FORMULE UTILE AL PROGETTO DEL TRASFORMATORE TRIFASE?

 Le formule utili sono quelle della prova a vuoto e quella di corto circuito

il quale corrisponde al rapporto delle spire m  nel caso in cui il collegamento sia stella-stella o triangolo-triangolo.

Quando invece il collegamento è stella-triangolo la relazione cambia  mentre col  triangolo-stella la corrente  a vuoto   è ricavata dalla media della 3 correnti calcolati  nello schema

   

La P1 e la P2 rappresentano le perdite a vuoto P0  Le perdite di potenza ed è la potenza attiva che viene assorbita durante la prova.

 P0 = P1 + P2

 Conoscendo ciò, si può ricavare il fattore di potenza a vuoto COS Ǿ0:

   

 La S0 è invece la potenza apparente assorbita durante la prova, quindi avendo anche quella attiva la potenza reattiva assorbita Q0

  

   

 Per finire i valori di resistenza

•    PROVA DI CORTO CIRCUITO CALCOLO DI R2eq e X2eq

    

 Si esegue collegando un voltmetro, due wattmetri in inserzione Aron e tre amperometri come nello schema. Il primario viene alimentato con la V1cc cosi da far circolare nel secondario la I2n nominale. Se gli amperometri non indicano le stesse correnti, la I2n  sarà data dalla media delle tre correnti calcolate da essi.

Avendo il coefficiente di trasformazione K0 possiamo trovare la tensione di corto circuito.

La potenza apparente di cortocircuito sarà:

E quella reattiva

 Per finire X2eq   e  R2eq :

  = 

  = 

E Il fattore di potenza:

8.    ESEMPIO DEL PROGETTO DI UN TRASFORMATORE TRIFASE?

Collaudo di un trasformatore  trifase . MISURA DELLE RESISTENZE DEGLI AVVOLGIMENTI.

 Tutto inizia sul lato B.T del circuito

Una potenza nominale S = 5 KVA

Rapporto di trasformazione m = 380/220

Frequenza = 50 Hz

Collegamento Y/Y

Questi dati sono casuali e l’esperimento ha lo scopo di misurare le resistenze in continua  ed il risultato rappresenterà le ulteriori  perdite di energia per effetto Joule.

Strumenti Utilizzati:

•    Amperometro

•    Voltmetro

•    Alimentatore a tensione variabile in cortocircuito

•    Termometro ambientale

•    Interruttore

Dopo aver disposto il circuito, misurare i valori di tensione, e metterli in tabella.

•    In seguito  si misurano i valori di resistenza tra il morsetto 3 ed 1 e poi si calcola la media tra le resistenze misurate in precedenza.

•    Lo stesso lavoro viene fatto tra i morsetti 1-2 e 2-3

V(V)    I(A)    R1 3  (Ω)    V(V)    I(A)    R1 2 (Ω)    V(V)    I    R2 3 (Ω)

0,5    0,544    0,9190    0,5    0,558    0,896    0,5    0,53    0,943

1    1,091    0,9166    1    1,118    0,894    1    1,075    0,93

2    2,184    0,9157    2    2,239    0,893    2    2,11    0,947

Media R1 3   = 0,9172 Ω    Media R1 2   = 0,894 Ω    Media R2 3   =  0,9404 Ω

Si trova  di nuovo una media Rm delle tre medie trovate prima . La Rm   sarà utile a ricavare la resistenza di fase e la quale essendo il collegamento stella-stella, sarà:

  0,917 Ω

 Una procedura  identica dovrà essere fatta sul lato A.T.

C’è da tener conto che la temperatura influenza i valori di resistenza che in questo caso sono stati misurati ad  una temperatura di 19°.

9.    LUOGHI IN CASA IN CUI è POSSIBILE VEDERE UN TRASFORMATORE TRIFASE?

Generalmente non ci sono macchine trifase nelle abitazioni civile perché non ce n’è bisogno ma al limite ci sono gli interruttori magnetotermici che funzionano con il sistema trifase.

10.    LUOGHI DEL TERRITORIO IN CUI è POSSIBILE VEDERE UN TRASFORMATORE TRIFASE?

Un trasformatore trifase nei pressi di Pont-Saint-Martin può essere visto nella centrale dell’Enel , Nella centrale Idroelettrica e  sicuramente i tralicci dell’alta tensione in tutta la Valle d’Aosta trasportano corrente trifase come in molte zone del mondo.

Il principio di Kirchhoff ai nodi

Il primo principio di Kirchoff si riferisce ai nodi della rete ed è del tutto intuitivo, esso esprime il fatto che i movimenti degli elettroni che costituiscono le correnti elettriche soddisfano alla cosiddetta condizione di continuità, vale a dire che in ogni elemento di volume del conduttore interessato entrano da una parte tanti elettroni quanti ne escono contemporaneamente da un’altra parte.
Ciò significa che per ciascun nodo la somma delle correnti in esso entranti è sempre eguale alla somma delle correnti da esso uscenti.
Se si considerano positive le correnti che sono dirette verso il nodo e negative tutte quelle che si allontanano, si può dire che la somma algebrica di queste correnti è nulla.

Più in generale lo stesso principio vale non solo per i nodi veri e propri del tipo rappresentato ad esempio in fig. 1.a) ma anche per qualunque insieme di correnti comunque connesse con un sistema elettrico racchiuso entro una superficie chiusa qualsiasi, reale o immaginaria, del tipo schematizzato ad esempio in fig. 1.b). Nei riguardi delle correnti relative alle connessioni con l’esterno, tale superficie chiusa può essere quindi considerata come un unico “nodo gigante”, qualunque sia la complessità dei circuiti interni. Per entrambi i tipi di nodi rappresentati in fig. 1 si ha quindi la relazione I1+I2+I3+I4+I5 =0
Il primo principio di Kirchhoff viene anche designato col nome di principio di Kirchhoff per le correnti, brevemente indicato con la sigla PKC. Come vedete non è nulla di particolarmente complicato, tutto sommato è un concetto abbastanza intuitivo, soprattutto alla luce delle considerazioni sui flussi di lavoro elettrico che abbiamo fatto altre volte.

LA LEGGE DI OHM

Prima Legge di Ohm Il rapporto tra la d.d.p. V tra due punti di un conduttore metallico a temperatura costante e l'intensità di corrente che fluisce in esso è costante. R = V/i V = Ri (R = resistenza elettrica). I conduttori che seguono questa legge sono detti ohmici. [u.m.1e (Ohm)= 1V/1A] Seconda legge di Ohm A parità di ogni altra condizione, la resistenza R di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione (u.m. emm2/m) Legge di Ohm generalizzata f = i (R+ri) dove ri è la resistenza interna La LEGGE DI OHM Possiamo affermare che in un circuito elettrico se la differenza di potenziale applicata tra due suoi punti è uguale ad 1 volt e la resistenza parziale del tratto compreso tra questi due punti è di 1 Ohm in questo tratto circola la corrente di 1 ampere. La legge di Ohm stabilisce in maniera molto semplice le relazioni esistenti tra le seguenti tre grandezze elettriche: tensione ( V ), Corrente ( I ) e resistenza (R) Questa legge e stata enunciata dal famoso fisico tedesco George Simon Ohm ed è sicuramente la più importante fra quelle relative all'elettricità. L'enunciato suona esattamente così: "L'intensità di corrente in un circuito è direttamente proporzionale alla tensione ad esso applicata ed inversamente proporzionale alla resistenza del circuito stesso". La sua espressione matematica è: I = V / R che permette di calcolare la corrente conoscendo la tensione e la resistenza. Da questa formula derivano: V = I * R e R = V / I che permettono di determinare la tensione o la resistenza quando siano note le altre due grandezze. Se al circuito è applicata una sola f.e.m. (forza elettromotrice) di valore E, vedremo che la formula della legge di Ohm si trasforma nella seguente: I = E / (R +r) dove "r" è la resistenza interna dei generatore. Se consideriamo il circuito con un solo resistore e supponendo che la differenza di potenziale tra i morsetti A e B abbia il valore V, la corrente che circola nella resistenza R sarà: I = V / R Considerando invece il circuito con due resistori alimentato da un generatore di f.e.m. E e di resistenza interna r, se R1, ed R2, sono le resistenze esterne o di carico collegate in serie, avremo: I = E / (R1 + R2 + r) da cui si ricava E = I(R1 + R2 + r) = I R1 + I R2 + I r. I prodotti I R1, I R2, ed I r (correnti per resistenze) esprimono rispettivamente le differenze di potenziale esistenti tra i punti (A C) e (C B), nonchè la caduta di tensione interna del generatore. Possiamo constatare che la f.e.m. E applicata al circuito è uguale alla somma delle differenze di potenziale parziali, che vengono anche denominate "cadute di tensione". Le cadute di tensione IR1 ed IR2, avvengono nel circuito esterno, e possono produrre un effetto utile. La caduta di tensione Ir avviene invece all'interno del generatore, e non ha nessuna utilità. Supponiamo ora che l'interruttore sia aperto: nel circuito non circola corrente e, poichè I = 0, la caduta di tensione interna sarà nulla e la d.d.p. tra i due morsetti A e B del generatore sarà uguale alla f.e.m del generatore stesso: VAB = E. Se invece il circuito viene chiuso e circola una corrente I, avremo tra A e B una differenza di potenziale (d. d. p.) VAB = E - I * r Un altro caso nel quale si verifica la condizione VAB = E si ha quando la resistenza interna del generatore è nulla (r = 0). Anche se la maggior parte di noi conosce e sa correttamente usare la "Legge di Ohm", non dobbiamo dimenticare che ci sono persone alle prime armi che pur conoscendo l'esistenza di questa legge non sanno utilizzarla nella pratica in modo da ricavarne il maggior vantaggio possibile. Le formule che riporto potranno servire inoltre come promemoria per risolvere tutti quei piccoli problemi che si presentano giornalmente in campo elettronico. OHM conoscendo VOLT e AMPER VOLT conoscendo AMPER e OHM VOLT conoscendo WATT e AMPER VOLT conoscendo WATT e OHM AMPER conoscendo WATT e OHM AMPER conoscendo VOLT e OHM OHM conoscendo VOLT e WATT AMPER conoscendo WATT e VOLT OHM conoscendo AMPER e WATT WATT conoscendo VOLT e AMPER WATT conoscendo VOLT e OHM WATT conoscendo AMPER e OHM    Circuiti in serie e in parallelo   (Reindirizzamento da Circuiti in serie e parallelo) Vai a: Navigazione, cerca Circuiti serie (sinistra) e parallelo (destra) con due resistori e misuratori di tensione e corrente. I componenti elettrici di un circuito elettrico, generalmente detti resistori (o resistenze), condensatori, induttori e, naturalmente, una sorgente di tensione (un generatore di corrente), possono essere collegati fra loro in serie oppure in parallelo per mezzo di un conduttore elettrico che "trasporta" la corrente per il funzionamento. (In pratica un filo elettrico, che naturalmente varia a seconda della quantitâ di corrente che vi deve scorrere). Conoscendo il valore della resistenza (in ohm) e l'intensità della corrente elettrica (in Ampère) è possibile determinare la tensione elettrica (in Volt) su una resistenza con la Legge di Ohm Ovviamente, conoscendo la tensione sulla resistenza e il valore stesso della resistenza, è possibile calcolare l'intensità della corrente elettrica che circola utilizzando la stessa formula all'inverso: La legge di Ohm è valida sia con corrente continua che alternata. Circuiti in serie Si parla di collegamento in serie quando due o più componenti sono collegati in modo da formare un percorso unico per la corrente elettrica che li attraversa; nel caso di componenti elettrici a due terminali (detti bipoli) il collegamento in serie prevede che l'estremità di ciascuno di essi sia collegata solo con l'estremità di un altro, come se fossero persone che si prendono per mano a formare una catena. Il primo e l'ultimo componente hanno una estremità libera, e a queste si applica la tensione elettrica, in pratica cioè si infilano le due estremità libere del conduttore (filo) in una presa elettrica o vi si applica una batteria o qualsiasi altro generatore di corrente, che grazie alla propria tensione genera una corrente, o meglio un flusso di corrente, che permette il funzionamento di tutto l'insieme. Resistori La resistenza totale di n resistori in serie è data dalla somma delle resistenze di ciascun resistore: Il collegamento in serie di resistori a volte si adotta per necessità. Un tipico esempio è il circuito che genera l'alta tensione nei vecchi oscilloscopi a tubo catodico; Un resistore da 50 Megaohm avente ai suoi capi una tensione di 2000 volt, va incontro a conseguenze distruttive nel caso si verifichi un arco voltaico; per prevenire questo rischio, il costruttore realizza il resistore da 50 Megaohm collegando in serie 5 resistori da 10 Megaohm, conseguentemente ciascun resistore vede ai suoi capi una tensione di 400 volt, un valore di tutta sicurezza. Condensatori La capacità totale di n condensatori in serie è data dalla seguente relazione: . La tensione di funzionamento di una serie di condensatori è data dalla somma delle singole tensioni di funzionamento Circuiti in parallelo Si parla invece di collegamento in parallelo quando i componenti sono collegati ad una coppia di conduttori in modo che la tensione elettrica sia applicata a tutti quanti allo stesso modo. Riprendendo l'esempio delle persone, queste sono disposte fra due corde distese e parallele, ed ogni persona stringe ciascuna corda con una mano in modo che ognuno tenga con la mano destra la stessa corda che tutti gli altri tengono con la mano destra, e lo stesso per la mano sinistra. Resistori La resistenza totale di n resistori in parallelo è data dalla relazione: ovvero è il reciproco della somma dei reciproci delle resistenze dei singoli resistori La formula sopra citata si semplifica notevolmente nel caso di sole due resistori. In questo caso si avrà: Condensatori La capacità totale di n condensatori in parallelo è in questo caso la somma delle singole capacità: Un esempio di condensatori collegati in parallelo si può trovare negli alimentatori per computer e negli apparecchi Hi-fi; se necessita una capacità di 20.000 microfarad, è più conveniente impiegare 5 condensatori da 4000 microfarad piuttosto di uno solo da 20.000. Una soluzione analoga si può verificare con i resistori; se in un circuito occorre dissipare in calore 100 watt tramite un resistore da 50 ohm, a volte risulta più conveniente impiegare due resistori da 100 ohm - 50 watt, collegati in parallelo.

11.    EFFETTO DELLA CORRENTE ELETTRICA, IL FATTORE DI PERCORSO, LA RESISTENZA UMANA AL PASSAGGIO DELLA CORRENTE?

Il corpo umano usa dei segnali elettrici per stimolare i muscoli cosicché  quindi altri segnali esterni  possono creare gravi danni.

Se stimolato ad una certa frequenza da un segnale il muscolo rimane contratto e va in tetanizzazione. In questi casi il malcapitato rimane attaccato al contatto benché voglia staccarsi. Ciò dipende da una corrente di rilascio che non deve essere superata e che varia a secondo dal tipo di alimentazione. In continua  la corrente di rilascio va da 50 a 70 mA mentre in alternata, ad una frequenza di 50 Hz (quella usata in Europa e negli USA) , scende addirittura tra 10 e 16 mA .  

Ci sono situazioni in cui la tetanizzazione ha una violenza tale da scagliare lontano l’individuo e se sono i muscoli della respirazione ad essere interessati si dovrà praticare una respirazione artificiale.

Pur producendo un’elettrolisi nel corpo, la corrente continua è meno pericolosa di quella alternata perché essendo il cuore instabile per un certo instante quest’ultima può sovrapporsi al segnale elettrico biologico proprio mentre è presente quest’ instabilità mandando il cuore in fibrillazione (Contrazione disordinata). La fibrillazione è molto pericolosa perché può avvenire anche con piccole correnti. Tornando all’elettrolisi, c’è da tener conto che essa giunge dopo molti altri effetti letali.

La fibrillazione dipende fattore di percorso F , cioè il percorso che fa la corrente nel corpo.  

 Per evitare danni irreversibili bisogna defibrillare l’individuo con un defibrillatore entro 2-3 minuti.

Il Corpo umano ha una resistenza di circa tre 3KΩ e quindi come ogni resistenza il passaggio della corrente produce calore quindi può provocare ustioni anche gravi. La resistenza varia comunque perché influenzato da altri fattori

•    L’umidità della pelle

•    La superficie di contatto  che è inversamente proporzionale alla resistenza

•    La pressione di contatto  inversamente proporzionale alla resistenza

•    La durata del contatto anch’essa inversamente proporzionale alla resistenza a causa delle alterazioni alla pelle.