Elettrotecnica: fondamenti, legge di Ohm e circuiti per la scuola superiore

2A ITIS RIGHI DI CHIOGGIA STA 2024-25

A cura della Prof.ssa Marchesan Elisabetta

1. Sommario ..... 1
2. La struttura della materia 3
   1. L'atomo ...... 3
   2. Struttura dell'atomo 3
   3. Carica elettrica 4
   4. Legge di Coulomb 4
3. Materia ed elettricità 5
   1. Caratteristiche dei conduttori 6
4. Potenziale elettrico e differenza di potenziale. 7
5. Corrente elettrica 8
6. Densità di corrente elettrica 8
7. Resistenza elettrica e prima legge di Ohm 8
8. Seconda legge di Ohm 9
9. Codice dei colori 12
10. Potenza elettrica 14
11. Energia elettrica 15
12. Resistenze in serie 16
13. Resistenze in parallelo 20
    1. Esercizio guida 3 (resistenze in parallelo) 22
    2. Esercizio guida 4 (resistenze in parallelo) 23
14. SCHEDA 1 28
15. Generatori di tensione in serie e in parallelo 34
16. Esercizi svolti 35
17. SCHEDA 2 (esercizi svolti alla lavagna) .... .... 36
18. Conduttanza 38
19. - Partitore resistivo di tensione 41
    1. Esercizio guida 1 (partitore resistivo di tensione). ...... 43
    2. Esercizio guida 2 (partitore resistivo di tensione). 44

Esercizio guida 8 (circuito elettrico misto)

1. 1. 1. Esercizio guida 8 (circuito elettrico misto) .......... 44
      2. Esercizio da fare in autonomia 3 (partitore resistivo di tensione) ......... 45

La struttura della materia

L'atomo

Con la parola atomo (dal greco a-tomos: non divisibile), si intende la parte che per lungo tempo è stata ritenuta la più piccola di ogni oggetto, di ogni corpo, della materia. Possiamo pensare all'atomo come al mattoncino di "lego" più piccolo che, combinato assieme a tanti altri mattoncini simili a lui, permette di realizzare anche le costruzioni più complicate.

Struttura dell'atomo

Ogni atomo, dal più semplice al più complesso, è formato da un nucleo e da un certo numero di elettroni (particelle con carica negativa) che girano attorno al nucleo stesso. Il nucleo è composto da due tipi di particelle: · protoni con carica positiva; · neutroni privi di carica In ogni atomo il numero di protoni è sempre uguale al numero di elettroni; a causa di questo fatto l'atomo risulta nel suo complesso privo di carica, poiché ogni carica positiva presente nel nucleo è bilanciata da una carica negativa che gli orbita attorno. Figura 1: esempio di atomo

Carica elettrica

In fisica, la carica elettrica è una grandezza scalare dotata di segno, ed è una proprietà fondamentale della materia. La carica elettrica è responsabile dell'interazione elettromagnetica, essendo sorgente del campo elettromagnetico. La carica elettrica è una grandezza quantizzata, ossia essa esiste solo in forma di multipli di una quantità fondamentale: la carica dell'elettrone, che viene definita come negativa ed indicata con e -. Nel Sistema internazionale di unità di misura l'unità di carica è il coulomb che corrisponde a 6,24*1018 elettroni

Legge di Coulomb

In fisica, la forza di Coulomb, descritta dalla legge di Coulomb, è la forza esercitata dal campo elettrico la cui sorgente è dunque la carica elettrica. Si tratta della forza che agisce tra oggetti elettricamente carichi (ad esempio due cariche elettriche), ed è operativamente definita dal valore dell'interazionetra due cariche elettriche puntiformi e ferme nel vuoto. F Q-q +q +Q 1L Fa-Q +q -Q 1 r Iq × QI IF Q-a q-Q r2 La forza di Coulomb è repulsiva nel caso le cariche abbiano segno uguale, attrattiva altrimenti.

Formulazione della legge di Coulomb

Si considerino due cariche puntiformi interagenti, il cui valore (positivo o negativo) è indicato con q1 e q2 , nelle posizioni r1 e r2. La forza di Coulomb è la forza esercitata da q2 su q1 (o, in modo equivalente, da q1 su q2) , e ha l'espressione: F= k ď2 dove: k è la costante di Coulomb, che è pari a: k=8,987*109Nm2/C2; d è la distanza tra le cariche. La forza tra due cariche è proporzionale al prodotto dei loro valori q1 e q2 , inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, ed è diretta come la congiungente r 1 - 1'2 delle due cariche. Si tratta di una forza repulsiva nel caso le cariche abbiano segno uguale, attrattiva altrimenti.

Materia ed elettricità

Dal punto di vista elettrico, tutta la materia si divide in tre categorie ben distinte, in base al comportamento elettrico del materiale. Queste categorie sono: · gli isolanti: materiali che non permettono alla carica elettrica di attraversarli; · i semiconduttori:materiali che, a seconda delle condizioni, lasciano passare o non lasciano passare la carica elettrica al loro interno; · conduttori: materiali che permettono alla carica elettrica di attraversarli con facilità in ogni condizione. Tutti e tre i tipi di materiale trovano impiego negli impianti elettrici: i conduttori vengono usati per collegare tra loro le diverse parti che compongono il circuito; gli isolanti per impedire alla corrente elettrica di prendere "strade sbagliate" e per proteggere dal contatto accidentale che potrebbe causare danni alle persone o all'impianto stesso; i semiconduttori trovano larghissimo impiego nelle apparecchiature elettroniche, che spesso governano alcuni componenti di impianti elettrici.

Caratteristiche dei conduttori

I materiali conduttori si usano per realizzare gli impianti elettrici, collegando tra loro i diversi componenti che sono necessari alla sua operatività. Di questi materiali viene sfruttata la capacità di lasciar passare le cariche elettriche. Le caratteristiche fisiche di un conduttore riguardano: · la sua lunghezza · la sua sezione · il materiale con cui è realizzato materiale (rame, alluminio, argento ... ) materiale (rame, alluminio, argento ... ) sezione lunghezza Come vedremo più avanti, le caratteristiche fisiche dei conduttori influiscono molto sulle loro condizioni di utilizzo. Come detto poco fa, anche gli isolanti trovano il loro impiego negli impianti elettrici, infatti ogni conduttore è ricoperto da una guaina isolante in PVC (Poli Vinil Cloruro). Questa guaina ha almeno due funzioni: la prima è di isolare elettricamente il cavo, in modo che esso non vada a fare contatto con altre parti metalliche (rischiando di fare danni all'impianto), o che non lo si possa toccare direttamente noi (con il rischio di rimanere folgorati); la seconda funzione, non meno importante è che, avendo colori diversi e ben specificati, ogni guaina permette di identificare il cavo (o meglio la sua funzione). La guaina isolante giallo-verde si usa solo per il cavo destinato ad avere la funzione di protezione o di "cavo di terra" (vedremo più avanti cosa vuole dire e che le due cose non sono troppo diverse); la guaina isolante blu viene impiegata per il cavo che è destinato a funzionare come "cavo di neutro" (vedremo più avanti cosa vuole dire); le guaine di colore nero, marrone o grigio vengono impiegate per i conduttori che dovranno funzionare come "cavi di fase" (vedremo più avanti cosa vuole dire).

Potenziale elettrico e differenza di potenziale

Pensa ad una mela che cade da un albero. La mela attaccata al ramo ha una certa energia (che si chiama energia potenziale) che la fisica ci dice essere: E = m. g . h Dove "E" è l'energia (potenziale), "m" è la massa della mela (nell'esempio, dell'oggetto in generale), "h" è l'altezza a cui si trova e "g" è una costante (accelerazione di gravità) che vale sempre 9,81 metri al secondo quadrato (m/s2). Come abbiamo visto nelle pagine precedenti, una carica elettrica corrisponde ad un elettrone o ad un protone, che avrà una certa energia potenziale. Questa energia è calcolata rispetto alla "terra" (intesa come "zero" elettrico e non come suolo o pavimento). L'energia potenziale della singola carica si chiama potenziale elettrico e si misura in volt [V] in onore dello scienziato italiano Alessandro Volta che inventò la prima pila elettrica. Nella pratica dei circuiti elettrici, più che il potenziale elettrico, interessa la differenza di potenziale (o tensione o voltaggio) tra due punti dello spazio o di un circuito aventi diverse energie potenziali. La differenza di potenziale si misura in volt [V] e può essere indicata anche con la sigla d.d.p. ( che sta appunto per Differenza Di Potenziale).

Corrente elettrica

Come abbiamo già detto, gli elettroni sono cariche elettriche (negative). E' conoscenza comune che le pile (generatori di differenza di potenziale o di tensione) hanno due polarità: positiva e negativa. Se tra questi poli creo un percorso chiuso realizzato con materiale conduttore, allora tutte le cariche negative (cioè gli elettroni) saranno attirate verso il polo positivo e potranno muoversi all'interno del percorso chiuso. La corrente elettrica è un flusso ordinato di elettroni che si genera in un conduttore sottoposto a differenza di potenziale. L'intensità di corrente elettrica (comunemente corrente elettrica) si misura in ampère [A], in onore dello scienziato francese Andrè-Marie Ampère, che condusse importanti esperiment sulla corrente.

Densità di corrente elettrica

In elettromagnetismo la densità di corrente elettrica è il vettore il cui flusso attraverso una superficie rappresenta la corrente elettrica che attraversa tale superficie. Nel Sistema internazionale di unità di misura (SI) si misura in ampere/metro quadrato 2 m A Come vedremo più avanti, esistono severe normative che stabiliscono i valori massimi di densità di corrente elettrica per i conduttori.

Resistenza elettrica e prima legge di Ohm

Come abbiamo visto poco fa, ponendo sotto tensione un conduttore che forma un percorso chiuso, al suo interno si genera un flusso di cariche elettriche chiamato corrente elettrica.

Si definisce resistenza elettrica il rapporto tra la differenza di potenziale applicata e l'intensità di corrente che si genera: R=" V I dove R indica la resistenza elettrica, V la tensione e I l'intensità di corrente elettrica. La resistenza elettrica si misura in ohm , in onore dello scienziato tedesco che ha scoperto la relazione scritta qui sopra, che prende il suo nome. Infatti la prima legge di Ohm è la trasposizione matematica della formula precedente e si scrive così: V = R . I le cui formule inverse sono: I = - R e la già scritta V R= I SAPER FARE ESERCIZI (VEDI QUADERNO)

Seconda legge di Ohm

Consideriamo un conduttore qualunque. Sarà stato realizzato usando un materiale con buone caratteristiche elettriche e avrà dimensioni fisiche note, come ad esempio riportato in figura: materiale (rame, alluminio, argento ... ) sezione lunghezza