fondamenti di elettrotecnica

LEZIONI DI ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA 2NDA EDIZIONE Prof. Sarlo Enrico

INDICE DEGLI ARGOMENTI 1. LA CARICA ELETTRICA .............................................. ..................................................................... .............................................. ......................................4 ...............4 2. IL POTENZIALE ELETTRICO.............................. ELETTRICO..................................................... .............................................. ...............................................5 ........................5 3. LA DIFFERENZA DIFFERENZA DI POTENZIAL POTENZIALE: E: TENSIONE ELETTRICA. ELETTRICA...... .......... .......... .......... .......... ............. ................... ............7 .7 4. LA CORRENTE ELETTRICA............................. ELETTRICA.................................................... .............................................. ................................................10 .........................10 5. IL CIRCUITO ELETTRICO.................................. ELETTRICO......................................................... ............................................... ...............................................1 .......................12 2 6. IL CARICO ELETTRICO E LA RESISTENZA.............................. RESISTENZA..................................................... ...........................................13 ....................13 7. CODICE DEI COLORI DELLE DELLE RESISTEN RESISTENZE ZE A STRATO.... STRATO......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... ........... ...............1 .........16 6 8. RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE...................................... SERIE.............................................................. ...............................................1 .......................17 7 9. RESISTENZ RESISTENZE E COLLEGATE COLLEGATE IN PARALLELO. PARALLELO...... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .............. .................... .................18 ......18 10. LE LEGGI DI OHM........................................................... OHM.................................................................................. .............................................. ...................................20 ............20 11. LA POTENZA ELETTRICA............................. ELETTRICA..................................................... ............................................... ..................................................24 ...........................24 12. EFFETTO JOULE............................... JOULE...................................................... .............................................. .............................................. ...........................................25 ....................25 13. IL LAVORO E IL CONSUMO ELETTRICO.................................................. ELETTRICO......................................................................... ...........................27 ....27 14. Componenti di uso comune comune in elettronica ed elettrotecnica ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ............................................................30 .....................................30 15. IL DIODO........................... DIODO.................................................. .............................................. .............................................. ................................................... ............................ ........30 16. Diodi a ponte.................................... ponte........................................................... .............................................. .............................................. .................................... .......................30 ..........30 17. Il diodo led........................................... led.................................................................. .............................................. .............................................. ...........................................30 ....................30 18. Come si calcola la resistenza in serie al led................................... led.............................................................................. ........................................... ...31 19. IL CONDENSATORE..................................... CONDENSATORE............................................................ .............................................. .....................................................31 ..............................31 20. .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .........................................................31 ..................................31 21. Condensatori elettrolitici................................. elettrolitici........................................................ .............................................. ..................................................... .............................. .32 22. Altri tipi di condensatori.............................................. condensatori..................................................................... .............................................. ..........................................32 ...................32 23. Condensatori in parallello......................... parallello................................................ .............................................. ............................................... ........................ .............32 ............. 32 24. Il relè.............................................. relè..................................................................... .............................................. .............................................. .............................................. ..........................33 ...33 25. LA TENSIONE ALTERNATA.............................. ALTERNATA..................................................... .............................................. .......................................... .......................34 ....34 26. IL SISTEMA TRIFASE................................................... TRIFASE.......................................................................... .............................................. .....................................38 ..............38 27. ALTA TENSIONE................................. TENSIONE........................................................ .............................................. .............................................. ........................................39 .................39 28. PERICOLOSITA' DELLA CORRENTE CORRENTE ELETTRICA................................ ELETTRICA..............................................................40 ..............................40 29. ANOMALIE ELETTRICHE................................ ELETTRICHE....................................................... ................................................................ ......................................... .......40 30. COMPONENTI DI UN IMPIANTO ............................................. ........................................................................................41 ...........................................41 31. APPARECCHI DI COMANDO.................................... COMANDO........................................................... ............................................................. ...................................... .43 32. RELE' BISTABILI................................................. BISTABILI........................................................................ .............................................. ...............................................43 ........................43 33. CONTATTORE.............................. CONTATTORE..................................................... .............................................. ..................................................................... .............................................. .43 34. INTERRUTTORI........... INTERRUTTORI.................................. .............................................. .............................................. .............................................. .........................................43 ..................43 35. INTERRUTTORE MAGNETOTERMICO.......................... ................................................. .............................................. ................................ ......... 44 36. INTERRU INTERRUTTORE TTORE DIFFERENZI DIFFERENZIALE ALE........ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ............... ............ ......... ........ ........ .... 44 37. FUSIBILI...................... ............................................. .............................................. .............................................. .............................................. ........................................... .................... 45 38. IMPIAN IMPIANTO TO DI TERRA........ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................. ................. .............. .......... ........ ........ ........ .... 45 39. IL TESTER............................... TESTER...................................................... .............................................. .............................................. .............................................. ...............................46 ........46 40. IL DISPLAY....................... DISPLAY.............................................. .............................................. .............................................. ................................................... ............................ ........46 41. IL SELETTORE......................... SELETTORE................................................ .............................................. .............................................. ....................................................46 .............................46 42. INSERIMENTO DEI PUNTALI................ PUNTALI....................................... .............................................. ..........................................................47 ...................................47 43. MISURARE UNA TENSIONE............... TENSIONE...................................... .............................................. .............................................................47 ......................................47 2

44. MISURARE UNA CORRENTE................................ CORRENTE....................................................... .............................................. ...........................................48 ....................48 45. IL MAGNETISMO ................................. ........................................................ .............................................. .............................................................48 ......................................48 46. L’ ELETTRO-MAGNETISMO ELETTRO-MAGNETISMO E LA LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ............ FARADAY-NEUMANN-LENZ............ ....50 47. TRASFORMATORE.... TRASFORMATORE........................... .............................................. .............................................. .............................................. .................................... ...................50 ......50 48. COME COSTRUIRE UN UN ALIMENTATORE...................... ALIMENTATORE............................................. ...................................................... ............................... 52 49. MOTORI E GENERATORI GENERATORI ELETTROMAGNETICI.................. ELETTROMAGNETICI......................................... ............................................. ......................55 55 50. MOTORE IN CORRENTE CONTINUA............................ CONTINUA................................................... ........................................................55 .................................55 51. DINAMO......................................... DINAMO................................................................ .............................................. ............................................... ...............................................5 .......................57 7 52. Motore sincrono................................ sincrono....................................................... ............................................... ........................................................... ................................... .........59 53. Motore asincrono................................. asincrono........................................................ .............................................. .............................................. ...........................................59 ....................59 54. L’ALTERNATORE...... L’ALTERNATORE............................. .............................................. .............................................. .............................................. ................................... ...................62 .......62 55. Elevamento a potenza......................................... potenza................................................................. ............................................... ..................................................66 ...........................66 56. i prefissi nelle unità unità di misura........................ misura............................................... .............................................. ............................................ ................................67 ...........67

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LA CARICA ELETTRICA Tutta la materia che ci circonda, e di cui anche noi siamo composti, è composta da ATOMI. L’atomo è quindi la più piccola particella di materiale osservabile. Ad esempio paragoniamo l’atomo a una piccola goccia d’acqua: il mare e’ quindi composto da un numero grandissimo di gocce d’acqua, così come ad esempio un filo di rame è composto da una moltitudine di atomi dello stesso materiale. L’atomo presenta al suo centro una carica elettrica positiva FISSA, chiamata PROTONE, e attorno ad essa ruota una carica elettrica negativa MOBILE, chiamata ELETTRONE. Nel nucleo esistono anche altre particelle fisse, con carica NULLA, chiamate NEUTRONI. Sappiamo che normalmente le cariche

simili

tendono

ad

allontanarsi, cioè due particelle con carica positiva si respingono. Nel nucleo dell’atomo tuttavia i protoni sono tenuti uniti e compatti da una forza molto grande, che impedisce loro di separarsi. Gli elettroni che girano attorno al nucleo sono attratti dai protoni e assomigliano a piccoli sassi legati con una cordicella: ruotano in orbite a forma di ellisse senza però potersi allontanare dal nucleo. La materia e quindi ogni atomo, pur avendo elettroni ed elettroni, risulta essere a carica NULLA. Il motivo sta nel fatto che il numero di protoni nel nucleo è uguale al numero di elettroni nell’orbita. 5 cariche positive e 5 cariche negative si annullano a vicenda. Ogni atomo e’ legato ad altri atomi da una forza molto meno potente, che ci permette appunto di poter separare la materia, ad esempio possiamo spezzare una trave di legno, limare un pezzo di ferro, piegare un foglio di carta. La materia in natura si può presentare sotto diverse forme: solida, liquida o gassosa. Questa forza che lega gli atomi è presente allo stato solido, è lieve allo stato liquido ed è quasi nulla allo stato gassoso. Ricordando che gli elettroni (negativi) sono le uniche particelle in grado di spostarsi, rimbalzando da un atomo all’altro, provate a strofinare la punta di una bacchetta di plastica su di un panno e provate ad avvicinarla a dei piccoli pezzettini di carta. Vedrete che essa è in grado di attrarli. Questo fatto si giustifica dicendo che la bacchetta di plastica si è caricata di elettricità negativa, cioè ha acquistato una carica elettrica negativa durante lo 4

strofinio con il panno poiché alcuni elettroni, che sono cariche mobili, sono passati dal panno alla punta della bacchetta. Quando noi avviciniamo la bacchetta alla carta, si verifica che gli elettroni presenti sulla carta tendono ad allontanarsi dalla punta della bacchetta, lasciando i protoni, che sono la carica fissa. Cariche positive e cariche negative tendono ad avvicinarsi ed è così che il pezzettino di carta viene attirato dalla bacchetta di plastica. Quindi l'esperienza ci dice che esistono delle cariche elettriche. La carica elettrica può essere di segno positivo, che indichiamo con simbolo + o di segno negativo che indichiamo con il simbolo - . La proprietà di un elettrone di passare da un atomo all’altro non è valida per ogni tipo di materiale, ecco perché li possiamo dividere in conduttori e in isolanti. Materiali conduttori sono quelli che consentono il passaggio della carica elettrica cioè che consentono agli elettroni di spostarsi. Sono conduttori l'argento, il rame, l'oro, l'alluminio, il ferro, i metalli in generale e l'acqua. Si dicono isolanti i materiali che non consentono il passaggio della carica elettrica; sono isolanti il marmo, il legno, la gomma, le materie plastiche in generale, il vetro e la carta.

DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 1. COS’E’ L’ATOMO? 2. DA CHE PARTICELLE E’ FORMATO? 3. COME MAI LA MATERIA E’ ELETTRICAMENTE NEUTRA? 4. PERCHE’ UN MATERIALE SI PUO’ ROMPERE? 5. COME MAI IL FERRO E’ UN MATERIALE CONDUTTORE?

IL POTENZIALE ELETTRICO Quando un elettrone, cioè una carica mobile, si sposta, l’atomo che prima era neutro diventa positivo, viceversa se un atomo all’inizio neutro acquista un elettrone diventa negativo. Se un oggetto possiede un certo numero di atomi incompleti, cioè con abbondanza o carenza di elettroni, l’oggetto ha una carica elettrica cioè un POTENZIALE ELETTRICO.

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Nell’esempio precedente, la bacchetta è strofinata da un panno. Il panno ha rilasciato elettroni sul materiale “vetro” lasciando atomi del panno con carenza di elettroni. Quindi la bacchetta si è caricata negativamente, cioè ha acquisito un potenziale. Il panno ora ha un potenziale identico a quello della bacchetta, però di segno opposto, cioè positivo. Ovviamente il numero totale di cariche del panno e della bacchetta non e’ cambiato. Le cariche si sono semplicemente distribuite in maniera diversa. Un paragone può essere di aiuto: prendiamo 2 bottiglie d’acqua, da un litro, entrambe piene a metà (mezzo litro). Ogni goccia consideriamola come un elettrone. Se svuotiamo la prima bottiglia riempiendo la seconda avremo una situazione diversa: la prima bottiglia vuota e la seconda con un litro d’acqua. Ora la prima bottiglia sarà “povera”di acqua rispetto all’inizio (1/2 litro). La seconda bottiglia invece sarà piena e quindi più ricca di acqua rispetto all’inizio. In totale però, la quantità d’acqua delle due bottiglie non è cambiata: sempre un litro. Quindi in conclusione possiamo dire che:

(DEFINIZIONE:) IL POTENZIALE ELETTRICO E’ LA CARICA ELETTRICA TOTALE CHE UN CORPO POSSIEDE, SIA POSITIVO CHE NEGATIVO Abbiamo detto all’inizio che la materia, se ha un numero uguale di elettroni e protoni risulta nulla. In questo caso si dice che la materia ha un potenziale elettrico pari a zero. Maggiore è il numero di elettroni che si spostano, più grande sarà il potenziale elettrico della materia. Il potenziale elettrico, ripetiamo, può essere sia positivo che negativo, quindi e’ obbligatorio indicarlo col segno + o il segno -. Ogni materiale conduttore, se messo in contatto con un oggetto dotato di potenziale diverso da zero, assume anch’esso un potenziale diverso da zero.

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DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 6. QUANDO UN ATOMO DIVENTA POSITIVO? 7. QUANDO UN ATOMO DIVENTA NEGATIVO? 8. QUAND’ E’ CHE UN OGGETTO HA UN POTENZIALE ELETTRICO? 9. QUAL’E’ LA DEFINIZIONE DI POTENZIALE ELETTRICO? 10. NORMALMENTE LA MATERIA NEUTRA CHE POTENZIALE HA?

LA DIFFERENZA DI POTENZIALE: TENSIONE ELETTRICA La tensione, cioè la differenza di potenziale elettrico, è come dice il nome la differenza di cariche elettriche che esiste tra due corpi. Quindi per parlare di tensione elettrica dobbiamo confrontare due oggetti: non posso dire che la bacchetta di plastica ha una tensione (la bacchetta al massimo ha un potenziale), ma se confronto la bacchetta col panno, allora posso dire che tra il panno e la bacchetta c’e’ una tensione elettrica. Per  spiegare il significato di tensione, riprendiamo l’esempio delle due bottiglie d’acqua:

All’inizio entrambe le bottiglie sono mezze piene, cioè hanno entrambe un “potenziale”. Tra le due bottiglie che differenza di acqua c’e’? Zero! Hanno la stessa quantità d’acqua. Ma se svuoto la prima bottiglia nella seconda cosa succede? La prima bottiglia non ha potenziale, è vuota. La seconda bottiglia ha un potenziale di un litro di acqua. E tra le due che differenza di potenziale c’e’? un litro.

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Parlando di atomi, al posto dell'acqua abbiamo le cariche elettriche. Il potenziale elettrico è la quantità di carica e la differenza di potenziale è il confronto tra due oggetti con numero diverso di cariche. Questa differenza di potenziale (d.d.p.) prende il nome di tensione.

(DEFINIZIONE:) LA TENSIONE O D.D.P. E’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE TRA DUE OGGETTI E si calcola:

(FORMULA:) D.D.P. = Potenziale maggiore – Potenziale minore = V (+) – V(-) La tensione si misura in volt, che si abbrevia con la lettera v minuscola e la tensione si indica con la lettera V maiuscola . Facciamo ora un esempio reale: l’oggetto A ha un potenziale positivo di +10, l’oggetto B ha un potenziale positivo di +30. il potenziale maggiore spetta all’oggetto B, quello minore all’oggetto A. OGGETTO A:

OGGETTO B:

Che differenza di potenziale ho tra i due oggetti? V = +20v, vuol dire che esiste una tensione V, che ha il valore di 20 volt. Cioè che il potenziale dell’oggetto A meno il potenziale dell’oggetto B è uguale a +20 volt. Per indicare che tra due oggetti esiste una differenza di potenziale, si usa una freccia curva che parte dal potenziale più basso e finisce al potenziale più alto come in figura. Un componente in grado di far separare le cariche elettriche si dice generatore di tensione, come una pila o una batteria d'auto. Esso è in grado di separare le cariche elettriche, facendo in modo che tutte le cariche elettriche positive si trovino da un lato del generatore, e che tutte le cariche elettriche negative si trovino dal lato opposto. Il simbolo del generatore di tensione e com’e’ fatta una pila da 1,5v? Eccoli in figura:

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Si dice morsetto o polo del generatore una delle due parti terminali di un generatore di tensione. Quindi il generatore ha due morsetti. Nel generatore di tensione continua vi è un morsetto positivo, chiamato CATODO che indichiamo col segno +, dove sono concentrate solo cariche positive. Vi è inoltre un morsetto negativo, l’ ANODO che indichiamo col segno -, dove sono concentrate tutte le cariche negative.

In generale ogni oggetto che ha un potenziale, viene riferito a MASSA o a TERRA, cioè si fa la differenza tra il potenziale dell’oggetto e il potenziale del terreno, che è SEMPRE a potenziale nullo. Quindi se per esempio un oggetto ha un potenziale di +12, allora la tensione tra l’oggetto e la terra è uguale a +12v. Il simbolo di MASSA o TERRA o MESSA A TERRA e’:

ESERCIZIO •

CALCOLARE LA TENSIONE CHE ESISTE TRA DUE CORPI: IL CORPO A HA UN POTENZIALE DI +15, IL CORPO B HA UN POTENZIALE DI +5

PER CALCOLARE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA: V=POT MAGGIORE -

POT MINORE. ORA, L’OGGETTO A HA IL POTENZIALE MAGGIORE (+15) E

L’OGGETTO B QUELLO MINORE (+5). APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V= (+15) - (+5) = +15 – 5 = + 10 V QUINDI TRA A E B ESISTE UNA TENSIONE DI + 15 VOLT.

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ESERCIZIO •

CALCOLARE LA TENSIONE CHE ESISTE TRA DUE CORPI: IL CORPO A HA UN POTENZIALE DI +30, IL CORPO B HA UN POTENZIALE DI -5

PER CALCOLARE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA: V=POT MAGGIORE - POT MINORE. ORA, L’OGGETTO A HA IL POTENZIALE MAGGIORE (+30) E L’OGGETTO B QUELLO MINORE (-5). APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V= (+30) - (-5) = +30 + 5 = + 35 V QUINDI TRA A E B ESISTE UNA TENSIONE DI + 35 VOLT.

ESERCIZIO •

CALCOLARE LA TENSIONE CHE ESISTE TRA IL CORPO A E LA TERRA SAPENDO CHE IL CORPO A HA UN POTENZIALE DI +12

PER CALCOLARE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA: V=POT MAGGIORE - POT MINORE. ORA, L’OGGETTO A HA IL POTENZIALE MAGGIORE (+12) E LA TERRA QUELLO MINORE (0). APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V= (+12) - (0) = +12 - 0 = + 12 V QUINDI TRA A E LA TERRA ESISTE UNA TENSIONE DI + 12 VOLT.

DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 11. QUANTI OGGETTI PARAGONO SE PARLO DI TENSIONE ELETTRICA? 12. QUAL’ E’ LA DEFINIZIONE DI TENSIONE ELETTRICA? 13. COME SI INDICA E COME SI MISURA LA TENSIONE ELETTRICA? 14. CALCOLA LA TENSIONE ELETTRICA TRA UN OGGETTO CON POTENZIALE = +20 E UN OGGETTO CON POTENZIALE = -5 15. CALCOLA LA TENSIONE ELETTRICA TRA UN OGGETTO CON POTENZIALE = -15 E UN OGGETTO CON POTENZIALE = +15 16. CALCOLA LA TENSIONE ELETTRICA TRA UN OGGETTO CON POTENZIALE = +20 E LA TERRA. 17. COS’E’ UN GENERATORE ELETTRICO? COME SI DISEGNA? 18. COS’E’ IL CATODO? COS’E’ L’ANODO? RIDISEGNA UNA BATTERIA

LA CORRENTE ELETTRICA Per spiegare cos’e’ la corrente elettrica, riprendiamo l’esempio delle due bottiglie d’acqua. 10

Supponiamo di collegare le due bottiglie con un tubo, e osserviamo cosa succede. Se tra le due bottiglie esiste una differenza di acqua, nel tubicino vedremo scorrerne fino a che in entrambe le bottiglie non avremo lo stesso livello di liquido.

La corrente elettrica non è nient’altro che il passaggio di elettroni da un oggetto ad un altro, se tra questi esiste una differenza di potenziale. Affinché gli elettroni passino, è fondamentale che: •

Tra i due oggetti ci deve essere una tensione elettrica, cioè una differenza di potenziale, cioè i potenziali dei due oggetti devono essere diversi.

•

Devo collegare i due oggetti tramite un collegamento elettrico: il collegamento deve essere fatto con un materiale conduttore.

Osserviamo la figura sopra: l’oggetto blu ha un potenziale di +30, l’oggetto azzurro ha un potenziale di +10, tra i due esiste quindi una tensione, cioè una differenza di potenziale uguale a: Pot. Magg. – Pot. Min. = +30 – (+10) = +20v. Ora, se collego i due oggetti con un filo di materiale CONDUTTORE, gli elettroni passano dall’oggetto a potenziale alto all’oggetto a potenziale basso. Quanti ne passeranno? Sino a che entrambi gli oggetti avranno lo stesso potenziale, cioè +20. Si dice quindi che: 11

(DEFINIZIONE:) LA CORRENTE ELETTRICA E’ IL MOVIMENTO DI CARICHE ELETTRICHE (ELETTRONI) DA UN POLO A TENSIONE ALTA VERSO UN POLO A TENSIONE PIÙ BASSA. La corrente si misura in Ampere ( si legge: amper, senza la e finale), e si abbrevia con la lettera A. Usiamo la lettera I per indicare la corrente. Esempio volendo dire che vi è una corrente di 10 Ampere scriviamo: I = 10 A, che vuol dire che vi è la corrente I che ha il valore di 10 ampere. Per indicare che tra due oggetti collegati elettricamente sta scorrendo una corrente elettrica, si usa una freccia con la punta rivolta nel verso di scorrimento che è dal potenziale più alto al potenziale più basso come in figura. Inoltre è fondamentale sapere che:

SE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE E’ UGUALE A ZERO, NON HO CORRENTE

DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 19. COS’E’ LACORRENTE ELETTRICA? 20. COS’E’ FONDAMENTALE PER FAR PASSARE CORRENTE ELETTRICA? 21. QUAL’E’LA DEFINIZIONE DI CORRENTE ELETTRICA? 22. COME INDICO CHE SU UN FILO C’E’ UN PASSAGGIO DI CORRENTE PARI A 15 AMPERE? 23. QUANDO NON HO PIU’ PASSAGGIODI CORRENTE ELETTRICA?

IL CIRCUITO ELETTRICO Come detto nel paragrafo precedente, non basta la sola tensione (differenza di potenziale) per avere circolazione di corrente, ma occorre un collegamento tra i due punti a differente potenziale per creare un circuito elettrico chiuso.

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In figura è mostrato, a sinistra, un generatore di tensione che crea una differenza di potenziale tra i poli A e B (il potenziale del polo A e più alto di quello del polo B). La mancanza di un collegamento elettrico (ad esempio un filo), impedisce il passaggio di corrente (I=0). A destra, invece, la presenza del collegamento, permette il passaggio della corrente I dal polo positivo a quello negativo. NOTA BENE: Una civetta, posata su un cavo elettrico sospeso, non subisce conseguenze (non è attraversata da corrente), poiché tocca il solo potenziale A del cavo, senza toccare contemporaneamente un altro punto a differente potenziale. Se noi tocchiamo, invece, lo stesso cavo elettrico, chiudiamo, con il percorso mano-piedi, un circuito tra il cavo (potenziale A) e la terra (potenziale B=0) e siamo attraversati da una corrente elettrica con conseguenze più o meno gravi.

(DEFINIZIONE:) SI DICE CIRCUITO ELETTRICO CHIUSO QUANDO DUE POLI A DIFFERENTE POTENZIALE VENGONO COLLEGATI ELETTRICAMENTE, PERMETTENDO PASSAGGIO DI CORRENTE.

IL CARICO ELETTRICO E LA RESISTENZA Dai paragrafi precedenti sappiamo che ho un circuito chiuso quando un “oggetto” conduttore, in grado di far passare corrente, viene collegato tra due poli a differente potenziale.

Come notiamo in figura, un oggetto conduttore (una lampadina), se collegata ad una batteria d’automobile a 12 volt, si illumina, facendo passare una corrente elettrica che parte dal polo A a potenziale alto, percorre la lampadina e ritorna al polo B a potenziale basso. In genere qualunque oggetto che funziona grazie a una tensione viene detto CARICO.

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(DEFINIZIONE:) SI DICE CARICO ELETTRICO UN QUALUNQUE OGGETTO CHE, SE COLLEGATO AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE, ASSORBE CORRENTE ELETTRICA. Un carico elettrico può essere un motore, una lampadina, un elettrodomestico. Per  esempio un cellulare e’ il carico elettrico della batteria che ha al suo interno, oppure un altoparlante e’ il carico elettrico dell’amplificatore all’interno del vostro Hi-Fi, così come le cuffie auricolari sono il carico elettrico del vostro lettore MP3. Quindi in generale tra i poli di un generatore scorre corrente se e solo se vi è applicato un carico. La quantità di corrente che scorre è determinata dalla “resistenza” che il carico offre nel farsi attraversare. Facciamo un esempio per capire come la resistenza di un carico può far scorrere nel circuito più o meno corrente. Prendiamo due serbatoi d’acqua: a pieno e B vuoto, e li colleghiamo con un tubo affinché l’acqua possa andare da A a B. Sul tubo piazziamo un rubinetto in modo da poterlo aprire e chiudere e cambiare quindi la quantità di acqua che passa. In pratica il rubinetto e’ la resistenza al passaggio dell’acqua. Ora Il serbatoio A e’ il polo a potenziale maggiore e B e’ il polo a potenziale minore di un generatore di tensione, il tubo e’ il filo che chiude il circuito e il rubinetto supponiamo che sia la lampadina della figura di una pagina fa, l’acqua che scorre e’ la corrente che passa nel circuito.

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Nell’ultimo caso vediamo come, se i due poli del generatore sono allo stesso potenziale, non c’e’ differenza di potenziale (non c’e’ tensione) e quindi non può scorrere alcuna corrente. Una lampadina potente ha una resistenza bassa, fa scorrere più corrente e fa più luce, una lampadina fioca ha una resistenza alta, fa scorrere poca corrente e fa una piccola luce. Una lampadina bruciata ha una resistenza altissima: non scorre corrente. Quindi riepilogando:

(DEFINIZIONE:) SI DICE RESISTENZA ELETTRICA DI UN CARICO L'OSTACOLO CHE ESSO OPPONE AL PASSAGGIO DELLA CORRENTE ELETTRICA. Unità di misura della resistenza è l'ohm, che si abbrevia col simbolo Ώ Ad esempio, R = 1.000 Ώ vuol dire che esiste una resistenza elettrica R che ha il valore di 1.000 ohm. Ogni materiale ha la sua resistenza. Un buon conduttore oppone poca resistenza al passaggio della corrente, invece un isolante ha un’elevata resistenza. 15

In elettronica ed elettrotecnica si usano tantissimi tipi di resistenze, ma la loro funzione rimane sempre quella di determinare un ostacolo al passaggio degli elettroni, e quindi di ottenere nel circuito la giusta corrente. Più avanti scopriremo come calcolare la corrente sapendo la resistenza del carico. In elettronica e in elettrotecnica si usano “resistenze calcolate”, cioè piccoli elementi a forma di cilindro con 2 poli e delle bande colorate. In un circuito elettrico, la resistenza viene disegnata con questo simbolo: In un semplice circuito con un generatore e una resistenza, il disegno che andremo a fare sarà così:

CODICE DEI COLORI DELLE RESISTENZE A STRATO

Colore Valore Moltiplicatore

Nero Marrone Rosso Arancio Giallo Verde Blu Violetto Grigio Bianco Oro Argento niente

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 -2 -

Tolleranza (%)

Esempio 1 (Marrone =1), (Nero=0), (Arancio=3) 10 x 103 = 10k ohm Tolleranza (Oro) = ±5%

±1 ±2 ±0.05 ±0.5 ±0.25 ±0.1 ±5 ±10 ±20

Esempio 2 (Giallo =4), (Violetto=7), (Nero=0), (Rosso=2) 470 x 102 = 47k ohm Tolleranza (Marrone) = ±1%

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DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 24. COS’E’ UN CARICO ELETTRICO? 25. COS’E’ UNA RESISTENZA ELETTRICA? 26. COME SI MISURA, SI INDICA E SI DISEGNA UNA RESISTENZA ELETTRICA? 27. UNA RESISTENZA ALTISSIMA QUANTA CORRENTE FA PASSARE? 28. DISEGNA UN CIRCUITO CON UN GENERATORE DA 25 VOLT E UNA RESISTENZA DA 560 OHM, CON TUTTE LE FRECCE CHE INDICANO TENSIONI E CORRENTI E USANDO TUTTI I SIMBOLI DI TENSIONE, RESISTENZA E CORRENTE

RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE Se colleghiamo più resistenze in modo che al terminale di uscita di ognuna sia collegato il solo terminale di ingresso di un'altra, otteniamo un collegamento IN SERIE.

Una conseguenza di questo tipo di collegamento è che tutte le resistenze in serie sono attraversate dalla stessa corrente. L'effetto globale è uguale a quello di un' unica resistenza, chiamata resistenza equivalente, avente come valore la somma delle singole resistenze.

(FORMULA:)

REQUIVALENTE = R1+R2+R3+....

(DEFINIZIONE:) I COMPONENTI ELETTRICI COLLEGATI IN SERIE SONO ATTRAVERSATI DALLA STESSA CORRENTE. LA RESISTENZA EQUIVALENTE E’ PIU’ GRANDE DEL VALORE DELLA RESISTENZA PIU’ GRANDE Quindi in un circuito, se ho più resistenze in serie, le posso sostituire con una sola resistenza, di un valore pari alla somma delle singole resistenze.

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NOTA BENE: Le luci di Natale, da appendere all’albero sono di solito tutte in serie. Sono quindi attraversate dalla stessa corrente, ma nel caso in cui se ne bruci una, il circuito risulta aperto e la corrente smette di circolare, spegnendo tutte le luci ancora funzionanti.

RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELO Componenti elettrici con tutti i poli di ingresso connessi tra loro, come i poli di uscita, si dicono collegati IN PARALLELO. Nell'esempio in figura le resistenze R1, R2 e R3 sono collegati in parallelo:

L'effetto globale è uguale a quello di un'unica resistenza, chiamata resistenza equivalente, avente come inverso del valore la somma degli inversi delle singole resistenze: (FORMULA:)

(DEFINIZIONE:) I COMPONENTI ELETTRICI COLLEGATI IN SERIE SONO SOTTOPOSTI ALLA STESSA DIFFERENZA DI POTENZIALE. LA RESISTENZA EQUIVALENTE E’ PIU’ PICCOLA DEL VALORE DELLA RESISTENZA PIU’ PICCOLA NOTA BENE: Tutti gli elettrodomestici che abbiamo in casa (televisore, frigorifero, lavatrice, lampade, caldaia, ecc.) sono collegati in parallelo e, quindi, sono alimentati dalla stessa tensione di 230 volt. La corrente risulterà essere la somma di ogni corrente assorbita da ogni elettrodomestico.

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ESERCIZIO •

CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE A 3 RESISTENZE IN SERIE: R1=1Ω , R2=10Ω ED R3=50 Ω.

PER CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE IN SERIE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA: REQUIVALENTE = R1+R2+R3 APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: R EQ= 1 + 10 + 50 = 61 Ω QUINDI 3 RESISTENZE IN SERIE EQUIVALGONO A UNA SOLA RESISTENZA EQUIVALENTE, DI VALORE PARI A 61 OHM.

ESERCIZIO •

CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE A 3 RESISTENZE IN PARALLELO: R1=10Ω , R2=20Ω ED R3=50 Ω.

PER CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE IN SERIE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: R EQ= 1 / (1/10+1/20+1/50) = 1 / (0,1+0,05+0,02)= 1/0,17=5,88 Ω QUINDI 3 RESISTENZE IN PARALLELO EQUIVALGONO A UNA SOLA RESISTENZA EQUIVALENTE, DI VALORE PARI A 5,88 OHM.

DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 29. DISEGNA 4 RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE 30. DISEGNA 4 RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELO 31. QUAL E’ LA DEFINIZIONE DI RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE? QUANTO VALE LA RESISTENZA EQUIVALENTE? 32. QUAL E’ LA DEFINIZIONE DI RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELOSERIE? QUANTO VALE LA RESISTENZA EQUIVALENTE? 33. DISEGNA E CALCOLA LA RESISTENZA EQUIVALENTE DI 3 RESISTENZE IN SERIE DI

VALORI: R1=57 Ω, R2= 23 Ω ED R3= 1500 Ω. 34. DISEGNA E CALCOLA LA RESISTENZA EQUIVALENTE DI 3 RESISTENZE IN PARALLELLO

DI VALORI: R1=2 Ω, R2= 10 Ω ED R3= 100 Ω.

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LE LEGGI DI OHM Osserviamo un semplice circuito chiuso formato da un generatore di tensione e un carico.

Sappiamo che se un carico viene collegato a una differenza di potenziale, scorre una corrente che dipende dalla resistenza che lo stesso carico oppone al passaggio. La corrente circola dal polo più alto al polo più basso. In generale, in un circuito elettrico dobbiamo conoscere almeno tre misure: la tensione V, la corrente I e la resistenza R. Esiste una relazione matematica molto semplice che permette, conoscendo due tra le tre variabili V-tensione, I-corrente e R-resistenza, di ricavare la terza. Si tratta della: PRIMA LEGGE DI

OHM

(FORMULA:) V = R x I che ci permette di calcolare la tensione V che equivale alla resistenza R moltiplicata per la corrente I. In questo caso, per calcolare la tensione abbiamo bisogno sia del valore della corrente che del valore della resistenza. La legge di Ohm esiste in altre due forme:

(FORMULA:)

SECONDA LEGGE DI

OHM I = V / R

TERZA LEGGE DI OHM R = V / I La seconda legge di Ohm I = V / R ci permette di calcolare la corrente I che equivale alla tensione V divisa per la resistenza R. In questo caso, per calcolare la corrente abbiamo bisogno sia del valore della tensione che del valore della resistenza. 20

La terza legge di Ohm R = V / I ci permette invece di calcolare la resistenza R che equivale alla tensione V divisa per la corrente I. In questo caso, per calcolare la resistenza abbiamo bisogno sia del valore della tensione che del valore della corrente.

ESERCIZIO •

CALCOLARE LA TENSIONE CHE OCCORRE PER FAR CIRCOLARE 2 AMPERE DI CORRENTE IN UNA RESISTENZA DA 3 OHM.

PER CALCOLARE LA TENSIONE BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

V=IxR APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V = 2 X 3 = 6 v QUINDI OCCORRONO 6 VOLT PER FAR CIRCOLARE 2 AMPERE DI CORRENTE IN UNA RESISTENZA DA 3 OHM.

ESERCIZIO •

CALCOLARE LA CORRENTE CHE CIRCOLA IN UNA RESISTENZA DA 10 OHM COLLEGATA AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI 30 VOLT.

PER CALCOLARE LA CORRENTE BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

I=V/R APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: I = 30 / 3 = 10 A QUINDI IN UNA RESISTENZA DA 10 OHM COLLEGATA AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI 30 VOLT SCORRONO 10 AMPERE.

ESERCIZIO •

CALCOLARE LA RESISTENZA CHE OCCORRE PER FAR CIRCOLARE 0,5 AMPERE DI CORRENTE IN UN CIRCUITO ALLA TENSIONE DI 220 VOLT.

PER CALCOLARE LA RESISTENZA BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

R=V/I APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: R= 220 / 0,5 = 110 Ω QUINDI PER FAR CIRCOLARE 0,5 AMPERE DI CORRENTE IN UN CIRCUITO ALLA TENSIONE DI 220 VOLT OCCORRE UNA RESISTENZA DA 110 OHM.

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DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA)

RIDISEGNARE INOLTRE IL CIRCUITO GENERATORE –CARICO INDICANDO I SIMBOLI E I VALORI DI TENSIONE RESISTENZA E CORRENTE. 35. IN GENERALE IN UN CIRCUITO CHIUSO, QUANTE E QUALI MISURE DOBBIAMO SAPERE? 36. COSA DICE LA PRIMA LEGGE DI OHM? COSA PERMETTE DI CALCOLARE? 37. COSA DICE LA SECONDA LEGGE DI OHM? COSA PERMETTE DI CALCOLARE? 38. COSA DICE LA TERZA LEGGE DI OHM? COSA PERMETTE DI CALCOLARE? 39. DISEGNA IL CIRCUITO E CALCOLA LA TENSIONE CHE OCCORRE PER FAR CIRCOLARE

4 AMPERE DI CORRENTE IN UNA RESISTENZA DA 2 OHM.. 40. DISEGNA IL CIRCUITO E CALCOLA LA CORRENTE CHE CIRCOLA IN UNA RESISTENZA

DA 100 OHM COLLEGATA AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI 200 VOLT. 41. DISEGNA IL CIRCUITO E CALCOLA LA RESISTENZA CHE OCCORRE PER FAR

CIRCOLARE 0,1 AMPERE DI CORRENTE IN UN CIRCUITO ALLA TENSIONE DI 12 VOLT.

RESISTENZE E CADUTE DI TENSIONE Quando una corrente elettrica I scorre attraverso una resistenza R, tra l'ingresso e l'uscita del carico si crea una diminuzione di tensione ovvero una caduta di tensione che indicheremo come ΔV (delta vu). Il calcolo di questa diminuzione,cioè della tensione misurata ai capi della resistenza, si esegue tramite la legge di Ohm:

(FORMULA:)

CADUTA DI TENSIONE

= ΔV = R x I

Un esempio può aiutare a capire: una lampadina è alimentata da un circuito avente resistenza R=5 ohm e attraversato da una corrente I=2 ampere. Sulla resistenza R si ha una caduta di tensione ΔV pari a 5x2=10 volt e i 230 volt iniziali scendono, sull'utilizzatore, a 220 volt.

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Consideriamo ora il seguente esercizio: una pila da 4,5 volt alimenta quattro resistenze collegate in serie. Le resistenze, indicate come R1, R2, R3, R4, hanno i seguenti valori: R1 = 4 Ω; R2 = 3 Ω; R3 = 2 Ω; R4 = 1 Ω.

La tensione della pila, nel mantenere in circuito la corrente I, deve vincere una dopo l'altra tutte e quattro le resistenze che incontra. Le resistenze sono in serie, e quindi posso sostituirle con una resistenza equivalente:

Req = R1+R2+R3+R4=4+3+2+1= 10 Ω Quanta corrente circola? Ricordiamo la seconda legge di Ohm che dice:

I = V / R = 4,5 / 10 = 0,45 A Diremo quindi che nel nostro circuito circola una corrente di 0,45 ampere. E la tensione della pila che fine fa? Essa si ripartisce sulle varie resistenze, in modo proporzionale ai loro valori: in altre parole, ai capi di una resistenza di valore più alto troveremo una tensione di valore più alto. Cercando di spiegare con parole semplici quello che succede nel circuito, diremo quanto segue: la corrente che circola è una sola, ed è la stessa che attraversa uno dopo l'altro tutti i componenti del circuito (ricorda: i componenti in serie sono attraversati tutti dalla stessa corrente); non potrebbe essere altrimenti, perché non esistono altre strade alternative. Questa corrente circola a spese di una tensione, che 23

deve esercitare uno sforzo ogni volta che la corrente incontra una resistenza. Più grande è la resistenza, maggiore è lo sforzo richiesto per far passare la corrente attraverso quella resistenza: questo sforzo rappresenta la caduta di tensione relativa a quella resistenza. Ma calcoliamo ora la caduta di tensione per ogni resistenza. Per la R1 di 4 Ω vale: CADUTA DI TENSIONE

= ΔV = R x I = 4 x 0,45 = 1,8v

Per la R2 di 3 Ω vale: CADUTA DI TENSIONE

= ΔV = R x I = 3 x 0,45 = 1,35v

Per la R3 di 2 Ω vale: CADUTA DI TENSIONE

= ΔV = R x I = 2 x 0,45 = 0,9v

Per la R4 di 1 Ω vale: CADUTA DI TENSIONE

= ΔV = R x I = 1 x 0,45 = 0,45v

DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA)

42. COSA SUCCEDE QUANDO UNA CORRENTE ELETTRICA I SCORRE ATTRAVERSO UNA RESISTENZA R? 43. COME SI CALCOLA LA CADUTA DI TENSIONE SU UNA RESISTENZA R? 44. DISEGNARE

UN CIRCUITO CON UN GENERATORE DI

R1=5Ω R2=4Ω R3=2Ω R4=1Ω.

CALCOLARE

12

VOLT,

4

LA CORRENTE

RESISTENZE IN SERIE DI VALORI

I

CADUTA DI TENSIONE SU OGNI RESISTENZA.

LA POTENZA ELETTRICA 24

DEL CIRCUITO E CALCOLARE LA

Come mai le pile di dimensioni piccole si esauriscono prima di quelle più grandi? E come mai certi tipi di lampade sono molto più luminose di altre?

Esaminiamo le pile stilo (piccole) e le pile torce (grandi). Sono tutte dei generatori di tensione, e forniscono tutte 1,5v tra i poli. Esaminiamo ora le lampadine: dal neon, alla lampada ad incandescenza, sino al potente proiettore. Sono tutti oggetti che funzionano a una differenza di potenziale di 220v. Quindi la differenza di potenziale è la stessa nei due casi, ma la pila più grande e il faro più luminoso sono più potenti. Ma cosa determina questa “potenza”? la pila grande riesce a dare più corrente di quella piccola, mentre il faro più grande assorbe più corrente (ed emette più luce) rispetto ad un piccolo neon. Questo concetto viene espresso sotto forma di POTENZA ELETTRICA.

(DEFINIZIONE:) SI DICE POTENZA ELETTRICA IL LAVORO ELETTRICO, EROGATO DA UN GENERATORE O ASSORBITO DA UN CARICO, IN UN SECONDO DI TEMPO. La potenza si esprime in WATT, si indica con la lettera P, ed è il prodotto tra tensione e corrente:

(FORMULA:) P = V x I La potenza si misura in Watt, con il simbolo W. Ad esempio se una batteria ha una potenza di 50 watt, scriverò che P=50W.

EFFETTO JOULE Quando una corrente I attraversa una resistenza R si ha il riscaldamento di quest' ultima. E' l'effetto Joule. Il fenomeno è indispensabile, ad esempio, nel filamento di una lampadina a incandescenza, nelle stufe elettriche, nei ferri da stiro e nelle saldatrici ad elettrodo. E', invece, inutile e dannoso quando non si ha la necessità di produrre calore elettricamente, 25

per esempio nei motori elettrici. Nei componenti elettrici, se la corrente supera il limite previsto, l'effetto Joule crea surriscaldamento e deterioramento dell'isolante, sino all’innesco di scintille e fiamme. NOTA BENE: Spesso le potenze sono molto elevate, migliaia se non milioni di WATT. Quindi spesso, invece di usare il simbolo W (watt), si usa il simbolo kKW (chilowatt), dove: 1 kKW = 1000 W Ad esempio, per dire che un motore elettrico assorbe 3000 watt, è meglio dire che assorbe 3 chilowatt. Quindi la potenza è P = 3 kKW

Attenzione: se ho un valore di tensione in volt e un valore di corrente in milliampere non posso fare subito la moltiplicazione VxI per trovare la potenza W, ma devo trasformare o i volt in millivolt o i milliampere in ampere, ad esempio: millivolt (mV) x milliampere (mA) = milliWatt (mW) volt (V) x ampere (A) = watt (W) kilovolt (kV) x kiloampere (kA) = kiloWatt (kW)

ESERCIZIO •

Calcolare la potenza elettrica di una lampadina che, funzionando a +220 volt, assorbe una corrente di 0,5 ampere.

Per calcolare la potenza elettrica assorbita in un secondo da un carico elettrico, bisogna applicare la formula: P=VxI. Ora, il carico elettrico funziona a una tensione V (differenza di potenziale) di +220v e per  funzionare assorbe una corrente elettrica I di 0,5A. Quindi : P = VxI = 220 x 0,5 = 110W. Quindi la lampadina ha una potenza elettrica pari a 60 WATT.

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ESERCIZIO •

Calcolare la potenza elettrica di una batteria da automobile che puo’ dare una tensione di 12 volt e una corrente elettrica di 5 ampere.

Per calcolare la potenza elettrica erogata da un generatore di tensione, bisogna applicare la formula: P=VxI. Ora, il generatore ha ai suoi poli una tensione V (differenza di potenziale) di+12v e riesce a dare una corrente elettrica I di 5A. Quindi : P = VxI = 12 x 5 = 60W. Quindi la batteria ha una potenza elettrica pari a 60 WATT.

DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 45. COSA DISTINGUE UNA BATTERIA PIU’ POTENTE RISPETTO AD UN’ALTRA ? 46. QUAL’E’ LA DEFINIZIONE DI POTENZA ELETTRICA? 47. COME SI CALCOLA LA POTENZA ELETTRICA? 48. COS’E’ L’EFFETTO JOULE? 49. CALCOLA LA POTENZA DI UN GENERATORE DA +30 VOLT IN GRADO DI DARE 20 AMPERE DI CORRENTE. 50. CALCOLA LA POTENZA ASSORBITA DA UN FORNO A MICROONDE CHE FUNZIONA A 220 VOLT ED ASSORBE 2 AMPERE DI CORRENTE.

IL LAVORO E IL CONSUMO ELETTRICO Sappiamo ora calcolare la potenza di un qualsiasi carico sottoposto a tensione elettrica. Ricordiamo che la potenza non e’ altro che la capacità di fare un lavoro, mentre il consumo elettrico è esattamente quanta energia elettrica il carico ha consumato durante il suo periodo di utilizzo. Facciamo un esempio automobilistico: una macchina sportiva spenta in garage, ha un motore da 200 cavalli. Questa è la potenza della macchina, che non cambia. Ma quando effettivamente consuma? Quando percorro del tempo guidandola. In questo caso il motore da 200 cv che funziona per un certo periodo consuma un certo quantitativo di benzina. Una macchina con un motore meno potente guidata per lo stesso periodo di tempo ovviamente consumerà di meno. Lo stesso concetto vale per il concetto di potenza e consumo nel campo elettrico. 27

Il wattora (simbolo Wh) è un'unità di misura dell'energia o del lavoro elettrico. Il wattora deriva dalla moltiplicazione della potenza (watt) con l'unità di misura del tempo (ora). Esattamente si definisce:

(DEFINIZIONE:) IL WATTORA È L’ENERGIA FORNITA DALLA POTENZA DI 1 WATT PER UN PERIODO DI 1 ORA. (FORMULA:) CONSUMO = POTENZA PER ORE = P x h Di fatto vengono usati solo i multipli dell'unità, in particolare il kilowattora (kW), che equivale a mille wattora. Nonostante quanto possa sembrare, il wattora misura una quantità di energia (non in "movimento"), mentre il watt misura una potenza, che equivale ad una certa unità di energia per un certo intervallo di tempo. Si può quindi dire che una lampadina ha una potenza di 100 W e che in due ore la lampadina consuma 200 Wh. L'elettricità che consumiamo infatti viene pagata in euro/wattora, attualmente si pagano 0,18 € per ogni kWh consumato.

ESERCIZIO •

Calcolare il consumo elettrico di un forno a microonde che funziona ad una tensione di 220 volt, una corrente elettrica di 5 ampere e che rimane acceso per  2 ore. Calcolare inoltre il costo in bolletta.

Per calcolare la potenza elettrica del microonde, bisogna applicare la formula: P=VxI. Ora, il forno funziona ad una tensione V (differenza di potenziale) di 220 v e assorbe una corrente elettrica I di 5A. Quindi : P = VxI = 220 x 5 = 1100 W. Quindi il forno ha una potenza elettrica pari a 1100 WATT. Se il forno funziona per 2 ore, il suo consumo e’ pari alla sua potenza moltiplicata per il numero di ore: CONSUMO=POTENZA x ORE= P x h = 1100 x 2 = 2200 Wh Ora calcoliamo quanti kilowattora sono. Basta dividere per 1000. Wattora / 1000 = kiloWattora e quindi 2200 / 1000 = 2,2 kWh Il forno in 2 ore ha consumato 2,2 kiloWattora. Se ogni kWh costa 0,18 euro, basta moltiplicare il prezzo per i chiloWattora consumati: 2,2 x 0,18 = 0,40 € circa. Usare il forno 2 ore ci è costato 40 centesimi in bolletta.

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DOMANDE (RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA) 51. CHE DIFFERENZA C’E’ TRA LA POTENZA E IL CONSUMO ELETTRICO ?

52. QUAL’E’ LA DEFINIZIONE DI CONSUMO ELETTRICO? 53. COME SI MISURA IL CONSUMO ELETTRICO? 54. UN KILOWATTORA A QUANTI WATTORA CORRISPONDE? 55. CALCOLA IL COSTO IN EURO DI UN GENERATORE DA +30 VOLT IN GRADO DI DARE 20 AMPERE DI CORRENTEE CHE FUNZIONA PER 24 ORE. 56. CALCOLA IL COSTO IN EURO AL MESE DI UN COMPUTER CHE FUNZIONA A 220 VOLT ED ASSORBE 2 AMPERE DI CORRENTE ACCESO 4 ORE AL GIORNO.

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COMPONENTI DI USO COMUNE IN ELETTRONICA ED ELETTROTECNICA

IL DIODO Il diodo è un componente elettronico attivo a due terminali la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra. Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la direzione che permette il flusso di corrente elettrica considerato convenzionalmente positivo (dal polo negativo a quello positivo), mentre la sbarra ne indica il blocco. Vedremo come il diodo sia fondamentale in molti dispositivi di uso comune.

DIODI A PONTE Si tratta di un componente che integra al suo interno quattro diodi rettificatori collegati a ponte. Sono utilizzati prevalentemente nei circuiti di alimentazione. Nell'acquisto di un diodo a ponte (o ponte di diodi) occorre precisare due parametri: la tensione, espressa in Volt e la corrente, espressa in Ampere. Sono utilizzati, come vedremo, nei raddrizzatori, da tensione alternata a tensione continua.

IL DIODO LED Il termine "LED" è una sigla che sta per "Light Emitting Diode", ovvero "diodo che emette luce". I led sono costituiti da materiali in grado di emettere radiazioni luminose quando siano attraversati da una corrente elettrica; il valore di tale corrente è compreso fra 10 e 30 mA. I led hanno un terminale positivo ed uno negativo, e per funzionare devono essere inseriti in circuito rispettando tale polarità; in genere il terminale positivo è quello più lungo, ma lo si può individuare con certezza osservando l'interno del led in controluce: come si vede in figura, l'elettrodo positivo è sottile, a forma di lancia, mentre il negativo ha l'aspetto di una bandierina. Quando si utilizza un led, è necessario disporre sempre una resistenza in serie ad esso, allo scopo di limitare la corrente che passa ed evitare che possa distruggersi; la caduta di tensione ai capi di un led può variare da 1,1 a 1,6 V, in funzione della luce emessa. I led più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde. In tempi relativamente recenti si è riusciti a produrre un led caratterizzato dall'emissione di luce blu chiara. 30

COME SI CALCOLA LA RESISTENZA IN SERIE AL LED Abbiamo già detto che in serie al led occorre inserire una resistenza per limitare il passaggio di corrente; il valore di tale resistenza può essere calcolato con la legge di Ohm: - indichiamo con Vs la tensione di alimentazione cui vogliamo collegare il nostro led - indichiamo con Vl la caduta di tensione presente ai capi del led (per esempio di 1,4 V) - indichiamo con I il valore della corrente che vogliamo far passare nel led. Per calcolare il valore della resistenza basterà fare la differenza fra Vs e Vl e dividere il risultato per I (il cui valore può variare, come detto, da 20 a 40 mA) Esempio: vogliamo far funzionare un led con una tensione di 12 V, limitando la corrente a 20 mA (e cioè a 0,02 A). R = (12 - 1,4) : 0,02 = 530 ohm (poiché tale valore non esiste in commercio, useremo il valore standard più vicino, ad esempio 470 oppure 560 ohm)

IL CONDENSATORE Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica. La capacità di contenere energia elettrica di un condensatore si misura in farad; questa unità di misura risulta però troppo grande per gli usi dell'elettronica ed allora si usano dei sottomultipli, molto più piccoli, che sono il microfarad (si scrive µF), ed il picofarad (si scrive pF). I condensatori sono fra i componenti più utilizzati nei circuiti elettronici. In funzione della tecnologia costruttiva e degli impieghi specifici, i condensatori si presentano nelle forme più diverse, dai grossi contenitori cilindrici degli elettrolitici da 10.000 e più µF alle minuscole pastiglie dei condensatori ceramici o alla forma a goccia di quelli al tantalio. Possiamo vederlo praticamente con un semplice esperimento, per cui basta procurarsi una pila da 4,5 V, un condensatore elettrolitico da circa 1000 µF ed un led cui aggiungeremo in serie una resistenza da 100 ohm.

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Colleghiamo il condensatore alla pila, facendo attenzione alla polarità (il segno "+" del condensatore deve corrispondere al segno "+" della pila); dopo pochi secondi il condensatore si sarà caricato stacchiamo adesso il condensatore carico dalla pila e colleghiamolo al led, facendo attenzione alla giusta polarità dei terminali ed interponendo la resistenza da 100 Ω: per  qualche istante il led si illuminerà, come se lo avessimo collegato alla pila, spegnendosi gradualmente man mano che il condensatore si scarica. La resistenza serve per far scorrere la corrente più lentamente durante la scarica, altrimenti il led farebbe solo un rapido lampo di luce, ri schiando anche di bruciarsi. Usando condensatori di maggiore capacità, il led rimarrà acceso più a lungo.

CONDENSATORI ELETTROLITICI Gli elettrolitici sono condensatori di grande capacità, in grado di accumulare notevoli quantità di energia e sono i più comuni. Il valore della capacità e della tensione di lavoro sono in genere stampati chiaramente sull'involucro; i condensatori elettrolitici sono "polarizzati", il che vuol dire che devono necessariamente essere collegati ad una tensione continua, rispettando le polarità, positiva e negativa, indicate sull'involucro. Una banda laterale indica di solito l’elettrodo negativo. Collegando il condensatore al contrario, esso si distrugge rapidamente e rischia di esplodere. Anche l'applicazione di una tensione superiore a quella di lavoro può causare l'esplosione del condensatore.

ALTRI TIPI DI CONDENSATORI Tranne i condensatori elettrolitici, tutti gli altri condensatori non sono polarizzati, per cui possono essere montati indifferentemente in circuito in un verso o nell'altro, e funzionare anche in assenza di una tensione continua di polarizzazione. I più comuni sono i condensatori radiali in poliestere e i condensatori ceramici disco. Le capacità di questi condensatori è più piccola di quella dei condensatori elettrolitici.

CONDENSATORI IN PARALLELLO Se occorre una capacità più alta di quella che ci può offrire un solo condensatore, è possibile usare più condensatori collegati uno di fianco all'altro, e cioè in parallelo; in questo modo la capacità totale equivale alla somma delle singole capacità. Come si vede in figura 7, affiancando due condensatori da 1µF si ottiene un capacità complessiva di 2µF; aggiungendone un altro da 0,47µF, la capacità totale arriva a 2,47µF.

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IL RELÈ Il

relè è un dispositivo che utilizza le variazioni della corrente per influenzare le condizioni di un altro circuito. Se ne possono trovare elettronici, elettromagnetici, a induzione, a semiconduttore e termici. Il relè elettromagnetico è il più diffuso ed è costituito da un elettromagnete, che eccitato con l'elettricità, facendo passare un flusso di corrente in una bobina di filo (1), attrae una struttura di ferro (2), aprendo e chiudendo un contatto(3). In sostanza il relè è un i nterruttore che non viene azionato a mano ma da un elettromagnete. Un relè può azionare un circuito sia se è a riposo, non attraversato da corrente (in quel caso tale circuito va collegato ai terminali centrale e di sinistra del relè nella foto), sia se è attivo, attraversato da corrente (in questo caso il circuito va collegato ai terminali centrale e di destra). Il nome relè deriva dal francese relais che indicava ognuna delle stazioni di posta dove i messi postali, durante il loro itinerario, potevano cambiare i cavalli in modo da svolgere più celermente il loro servizio. Per analogia, ai primordi della telegrafia si usò il termine relè nell'indicare i dispositivi grazie ai quali si trasferiva un messaggio in codice Morse da una stazione di partenza a una stazione di arrivo, come se un virtuale messo postale si servisse di tali dispositivi per arrivare finalmente alla meta.

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LA TENSIONE ALTERNATA

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Ben diversa è la tensione che usiamo in casa prelevandola dalle prese, e che è detta tensione 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. 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 po’ 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 36

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. Perché una tensione come quella che abbiamo appena descritto viene detta "a 220 V"? Per il semplice motivo che ciò che interessa di una tensione alternata non è il suo valore massimo ( VALORE

DI PICCO), ma la sua capacità di sviluppare energia; si è così convenuto di indicarne quello che viene definito "VALORE EFFICACE", ovvero il valore che dovrebbe avere una tensione continua per produrre lo stesso effetto termico. La tensione efficace si trova moltiplicando la tensione di picco per 0,707.

(FORMULA:)

VEFFICACE = 0,707 x VPICCO

La porzione che si ripete uguale nel tempo prende il nome di periodo. La frequenza f, misurata in hertz (Hz), indica quante volte il periodo si ripete in un secondo.

Per quanto riguarda i simboli, una tensione continua si indica col simbolo

--

(V-- TENSIONE CONTINUA), mentre una tensione alternata si indica col simbolo ~ (V~ TENSIONE ALTERNATA). In conclusione definiamo le seguenti definizioni: (DEFINIZIONE:) = TENSIONE ALTERNATA: TENSIONE CHE VARIA PERIODICAMENTE NEL TEMPO (DEFINIZIONE:) CICLO = ANDAMENTO DELLA TENSIONE CHE SI RIPETE UGUALI IN TEMPI UGUALI (DEFINIZIONE:) PERIODO = TEMPO IMPIEGATO A COMPIERE UN CICLO (DEFINIZIONE:) FREQUENZA = NUMERO DI CICLI COMPIUTI IN 1000 MILLISECONDI (ms). La frequenza si indica con la lettera f, si misura in Hertz, abbreviato Hz. Il periodo si può calcolare dividendo il numero mille per il valore della frequenza.

(FORMULA:) PERIODO = 1000 / FREQUENZA 37

La distribuzione della tensione alternata nelle nostre abitazione avviene tramite due fili: il filo di colore marrone o nero (chiamato FASE) è il filo con un potenziale alternato pari a 220, il filo blu o azzurro (chiamato NEUTRO) è invece il filo con un potenziale nullo. Quindi tra fase e neutro c’e’ una differenza di potenziale pari a 220 volt alternati. In casa, alle nostre prese elettriche, arriva un ulteriore filo, di colore giallo a bande verdi (chiamata TERRA) che ha il compito di disperdere nel terreno eventuali correnti che si possono disperdere dal filo di fase. Il filo si massa è collegato sempre al telaio metallico dell’elettrodomestico.

IL SISTEMA TRIFASE Un sistema trifase è costituito, come si intuisce, da tre fasi che alimentano contemporaneamente l'utilizzatore. Non si tratta di una banale moltiplicazione della singola fase, ma esse, indicate dalle lettere R, S e T, sono interessate da tensioni alternate aventi la stessa frequenza e normalmente la stessa tensione, ma sfasate tra loro di 120 gradi. L'utilizzo del sistema trifase in bassa tensione (230 V) si ha per utilizzatori di media e alta potenza, mentre per la bassa potenza si usa il sistema monofase. In media e alta tensione si usa esclusivamente il sistema trifase.

Il potenziale del neutro è rappresentato dal punto N e ogni fase ha una differenza di potenziale rispetto al neutro di 230 volt.

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ALIMENTAZIONE MONOFASE: L'alimentazione monofase, come quella che arriva nelle abitazioni, deriva da un sistema trifase: l'ENEL mette a nostra disposizione solo una delle tre fasi di cui dispone a monte, più il neutro, quindi una differenza di potenziale di 230 volt ALIMENTAZIONE TRIFASE: L'alimentazione trifase offre due possibilità di collegamento: A STELLA - si collegano i tre ingressi dell'utilizzatore tra fase e neutro (R-N, S-N, T-N) applicando, quindi, ad ognuno una tensione di 230 volt (come nella figura precedente). Se le tre fasi sono interessate dalla stessa corrente (IR = IS = IT), non si ha circolazione di corrente sul neutro (IN = 0). Infatti sul neutro circola la somma delle tre correnti, ma tre correnti uguali sfasate tra loro di 120° danno come somma un valore nullo. A TRIANGOLO - si collegano i tre ingressi dell'utilizzatore tra fase e fase (R-S, S-T, T-R) applicando una tensione di 400 volt. Non si ha bisogno del neutro.

NOTA BENE: Tra fase e neutro abbiamo una differenza di potenziale di 230 volt. Tra due fasi abbiamo una differenza di potenziale di 400 volt.

ALTA TENSIONE Perché si utilizza l'alta tensione (AT) per trasportare l'energia elettrica fino alle nostre città, per poi passare alla media tensione (MT) e infine alla bassa

tensione

(BT),

che

arriva

nelle

nostre

abitazioni?

Abbiamo visto che la potenza dipende da due grandezze: la tensione V e la corrente I e, in particolare dal loro prodotto. Semplificando la parte matematica e utilizzando semplici valori, sappiamo che la potenza (espressa in watt) é pari a: P = V x I Ad esempio devo alimentare una lampadina da 100 watt. Posso scegliere diverse soluzioni tra cui, ad esempio:

1 volt con 100 ampere oppure 100 volt con 1 ampere

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Si nota subito che se aumento la tensione (in volt) posso ridurre la corrente (in ampere). Poiché una corrente elevata mi crea grosse perdite e mi costringe ad usare cavi di maggiore sezione, scelgo la soluzione dell'alta tensione, con una corrente più bassa.

PERICOLOSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA Normalmente, in presenza di un incidente di natura elettrica, si è abituati a far riferimento alla tensione quale causa dei danni (infatti si leggono o si ascoltano frasi del tipo: "... è rimasto folgorato da un a scarica a 20.000 volt"). In realtà, anche se è dalla tensione che parte il meccanismo, quella che produce direttamente i danni è la corrente. Quando una corrente elettrica attraversa il corpo umano, i danni conseguenti dipendono dal suo valore e dalla durata del fenomeno: 

La tetanizzazione si ha quando i muscoli rimangono contratti fino a quando il passaggio di corrente elettrica non cessa: il soggetto può sembrare attaccato alla parte in tensione, in quanto incapace di eseguire movimenti.

Paradossalmente può accadere che valori più elevati di tensione provochino una violenta reazione del muscolo, tale da allontanare la persona dalla parte in tensione. 

Per correnti più alte può intervenire l'arresto della respirazione.



Il cuore funziona grazie a stimoli elettrici, pertanto una corrente elettrica esterna può alterare il suo funzionamento fino alla fibrillazione ventricolare.



La corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda le parti attraversate. Si possono, quindi, avere ustioni.

In figura sono rappresentate, in base al valore della corrente (espresso in mA milliampere) e alla durata del fenomeno (in secondi ), quattro zone di pericolosità, per una frequenza compresa tra i 15 e i 100 Hz: -zona 1 - al di sotto di 0,5 mA la corrente elettrica non viene percepita (si tenga presente che una piccola lampada da 15 watt assorbe circa 70 mA); -zona 2 - la corrente elettrica viene percepita senza effetti dannosi; -zona 3 - si possono avere tetanizzazione e disturbi reversibili al cuore, aumento della pressione sanguigna, difficoltà di respirazione; -zona 4 - si può arrivare alla fibrillazione ventricolare e alle ustioni.

ANOMALIE ELETTRICHE 40

BLACK OUT E' la mancanza totale di tensione. Se la causa è interna a un appartamento dotato di impianto elettrico realizzato a regola d'arte, ci si trova in  presenza dell'intervento o della protezione differenziale o di quella magnetotermica.

SOTTOTENSIONE E' una riduzione, più o meno breve, della tensione. Può essere causata dall'eccessivo assorbimento di corrente e quindi dalla conseguente caduta di tensione nei cavi di alimentazione. Bisogna considerare, ad esempio, la corrente di spunto dei motori elettrici: durante l'avviamento, l'assorbimento di corrente è sensibilmente superiore a quello che si ha a regime. RUMORE La tensione di alimentazione e quindi la corrente devono avere una forma perfettamente sinusoidale. A volte interferenze elettromagnetiche possono modificare in modo più o meno rilevante questa forma. PICCO DI TENSIONE E' un aumento repentino e di breve durata della tensione di alimentazione. Può verificarsi, ad esempio, a causa di un fulmine caduto nelle vicinanze della rete elettrica. SOVRATENSIONE E' un aumento, più o meno breve, della tensione. Ogni componente elettrico possiede una tolleranza, diversa da caso a caso, a questo tipo di variazione. I danni, pertanto, possono essere anche immediati. In ogni caso sovratensioni ripetute risultano dannose per quasi tutti gli utilizzatori elettrici.

COMPONENTI DI UN IMPIANTO

PRESE E SPINE TIPO A - Standard italiano - E' la presa più diffusa nelle nostre abitazioni e può sopportare una corrente massima di 10 ampere, cioè una potenza di circa 2000 watt. Nel suo uso bisogna evitare il sovraccarico con prese multiple o con adattatori che permettano l'inserimento di spine da 16 A (adatte per le prese di tipo B). Il morsetto di terra è quello centrale. TIPO B - Standard italiano - Può sopportare una corrente massima di 16 ampere (circa 3500 watt). Si trova in casa in alcuni punti ove è previsto un maggiore assorbimento di corrente (ad es. lavatrice). Il morsetto di terra è quello centrale. TIPO C - Presa bivalente - Unisce i due tipi precedenti permettendo l'inserimento sia delle spine da 10 A, sia di quelle da 16 A. Il morsetto di terra è quello centrale. TIPO D - Standard tedesco - Si può trovare generalmente in cucina per l'uso di alcuni elettrodomestici come il frigorifero. La corrente può al massimo raggiungere 16 A. I morsetti di terra sono posti lateralmente. Non basta la sola presa per stabilire quanta corrente possiamo prelevare. Ad esempio: - in impianti non eseguiti a regola d'arte, una presa da 16 ampere potrebbe essere alimentata da cavi non idonei a sopportare tale corrente. 41

- una linea da 16 ampere può alimentare più prese da 16 ampere. Se preleviamo questa corrente da una sola presa, alle altre non è possibile collegare alcun carico (ovviamente deve esserci una protezione a monte per evitare il sovraccarico).

LAMPADE AD INCANDESCENZA Inventata nel 1879 da Thomas Edison, la lampada ad incandescenza è la più comune nelle nostre case. Sfrutta l'effetto Joule in quanto un filamento di tungsteno viene riscaldato dal passaggio della corrente elettrica e diviene incandescente. Il bulbo in vetro permette di creare il vuoto all'interno della lampada in modo che il filamento non possa bruciare. L'impiego è molto semplice poiché la loro accensione è immediata, non sono richieste apparecchiature ausiliarie e la resa dei colori è ottima. Purtroppo hanno una bassa efficienza luminosa e una vita limitata (1000 ore), se confrontata con altri tipi di lampade. Solo il 5% dell'energia viene convertita in luce, il resto viene perso come calore. Variazioni nella tensione di alimentazione si riflettono sensibilmente sul flusso luminoso.

LAMPADE ALOGENE Sono anch'esse lampade ad incandescenza e quindi sfruttano lo stesso principio. Nel bulbo sono introdotte piccole quantità di alogeno che danno luogo a un processo che riporta sul filamento il tungsteno volatilizzato. Esistono lampade alogene del tipo rappresentato in figura, ma sono in commercio anche lampade con normale attacco a vite o quelle miniaturizzate alimentabili in bassa tensione. Queste ultime possono essere dotate anche di specchio ellittico, parabolico o dicroico. Anche le lampade alogene hanno accensione immediata, non richiedono apparecchiature ausiliarie e hanno un'ottima resa dei colori. Hanno una efficienza luminosa superiore alle normali lampade ad incandescenza e una vita doppia (2000 ore), ma hanno un costo decisamente più elevato, una maggiore temperatura di funzionamento e sono più delicate. Il bulbo non deve essere toccato con mani nude, poiché le tracce lasciate innescano un processo di devetrificazione. Esistono lampade alogene miniaturizzate, alimentate anche a bassa tensione (6-12V) con e senza specchio.

LAMPADE TUBOLARI FLUORESCENTI Queste lampade fanno parte della categoria delle lampade a scarica nei gas. Sono costituite da un tubo le cui pareti sono rivestite di fosfori, che emettono luce poiché colpiti dalla luce ultravioletta prodotta dal gas di mercurio all'interno. Per accendersi hanno bisogno di una tensione di innesco che si crea grazie allo starter e quindi di un dispositivo che limiti la corrente di funzionamento ovvero del reattore. La loro efficienza luminosa è più alta di quella delle lampade ad incandescenza e la durata può arrivare alle 10000 ore. Purtroppo hanno bisogno di apparecchiature ausiliarie (starter e reattore), hanno grandi dimensioni e generalmente non hanno un'accensione immediata e non si possono usare con regolatori di luce. La durata risente del numero di accensioni e le basse temperature possono ridurne sensibilmente il flusso. 42

APPARECCHI DI COMANDO INTERRUTTORE Apparecchio che ha solo due posizioni definite, adatto ad aprire e chiudere, sotto carico, un circuito elettrico. IN FIGURA: circuito per l'accensione di una lampada da un solo punto.

COMMUTATORE Apparecchio adatto a commutare, sotto carico, due o più circuiti. IN FIGURA: circuito per l'accensione indipendente di due lampade di un unico lampadario.

DEVIATORE Apparecchio adatto a commutare fra loro, sotto carico, due conduttori di una porzione di circuito bifilare avente la stessa polarità. IN FIGURA: circuito per  l'accensione di una lampada da due punti (comune nei corridoi degli appartamenti).

INVERTITORE Per comandare l'accensione da più di due punti è pratico l'uso dei relè. Esistono, comunque, gli invertitori da usare insieme ai deviatori. Questi ultimi vengono posti alle estremità del circuito. IN FIGURA: circuito per l'accensione di una lampada da tre punti

PULSANTE Ha due posizioni, di cui una di riposo. Sono disponibili sia pulsanti che a riposo sono normalmente aperti (NO), sia pulsanti che a riposo sono normalmente chiusi (NC).

RELE' BISTABILI Per comandare l'accensione di lampade da più di due punti, risulta comodo l'utilizzo di relè bistabili, cioè con entrambe le posizioni (aperto-chiuso) di riposo. Su questo apparecchio non si agisce manualmente, come per quelli sopra descritti, ma tramite un circuito elettrico che viene alimentato premendo uno qualsiasi dei  pulsanti  predisposti nei vari punti. Ogni volta il relè commuta in una delle due posizioni (aperto-chiuso) e vi rimane fino alla successiva pressione.

CONTATTORE Interruttore comandato a distanza grazie a un elettromagnete che, fino a quando risulta alimentato, mantiene chiusi i contatti. Permette molte manovre ogni ora e per questo è impiegato specie nel comando di macchine operatrici.

INTERRUTTORI 43

Gli interruttori sono tra i componenti elettrici più utilizzati, ma forse non tutti sanno che essi appartengono a due categorie ben distinte: interruttori unipolari e interruttori bipolari.

INTERRUTTORE UNIPOLARE In un'altra pagina si è spiegato come la corrente arriva alle varie apparecchiature, in un sistema monofase, sfruttando due cavi: la fase e il neutro. Basta interrompere indifferentemente uno solo dei due conduttori per  interrompere la circolazione di corrente e quindi il funzionamento dell'apparecchiatura. A questo compito si presta bene l'interruttore unipolare, cioè che agisce su un solo polo. Sono unipolari, ad esempio, gli interruttori che si usano per comandare le lampade di un normale appartamento.

INTERRUTTORE BIPOLARE Per scollegare completamente l'utilizzatore elettrico dall'impianto, l'interruzione deve avvenire, invece, sia sulla fase che sul neutro ovvero sui due poli. In questo caso bisogna usare l'interruttore bipolare. Normalmente sono bipolari, ad esempio, tutti gli interruttori di protezione presenti nel quadro elettrico di un appartamento.

INTERRUTTORE MAGNETOTERMICO La corrente elettrica, percorrendo i circuiti, produce fenomeni magnetici e fenomeni termici (riscaldamento per effetto Joule. L'interruttore magnetotermico, come si evince dal nome, racchiude due sganciatori: uno magnetico e uno termico. Il primo, con intervento istantaneo, scatta a causa di un rapido e consistente aumento della corrente, ben oltre il limite consentito. Questa situazione è tipica del cortocircuito. L'interruttore termico interviene per sovraccarico ovvero quando assorbiamo più corrente del consentito: il sensore all'interno dell'interruttore si riscalda e provoca lo scatto. E' lo stesso tipo di interruttore che l'ENEL usa per impedire un assorbimento superiore a quello previsto nel contratto.

L'interruttore magnetotermico protegge dal cortocircuito e dal sovraccarico. L'interruttore è caratterizzato dalla tensione nominale, cioè dalla tensione del suo normale utilizzo (assegnata dal costruttore). Per i circuiti domestici è di 230 volt. La sua corrente nominale (In) è invece quella che può circolare senza problemi a una certa temperatura ambiente (indicata sulla targa se diversa da 30°C). Le correnti nominali in uso hanno i seguenti valori espressi in ampere: 6 10 13 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 Le modalità di intervento magnetico sono tre in base ai limiti della corrente di intervento (riferiti alla corrente nominale In) in caso di cortocircuito:

INTERRUTTORE DIFFERENZIALE L'interruttore differenziale, se presente nel nostro quadro elettrico d'appartamento, è facilmente riconoscibile per la presenza di un pulsante, utile per la manutenzione, contrassegnato dalla lettera T. I cavi che conducono la corrente elettrica sono generalmente due: la fase e il neutro. Poiché la corrente entra dalla fase, percorre i circuiti ed esce dal neutro, in condizioni normali quella entrante deve essere uguale a quella uscente. Se ciò non accade significa che una parte di essa sta percorrendo strade diverse, come il corpo umano in caso di scossa elettrica (contatto diretto) o per cedimento dell'isolante, ad esempio, di un elettrodomestico collegato all'impianto di terra. L'interruttore differenziale (conosciuto anche come salvavita) confronta continuamente la corrente entrante con quella uscente e scatta quando avverte una differenza.

44

In figura è rappresentato un contatto diretto: in sua assenza le correnti A e C sono uguali e il differenziale non interviene, ma nel caso specifico C=A-B, per cui il differenziale avverte una differenza pari a B e se questa è superiore alla sua soglia di sensibilità, interviene. La sensibilità è indicata sull'interruttore. Bisogna, quindi, stare attenti alle cause che hanno provocato lo scatto, prima di richiudere l'interruttore.

L'interruttore differenziale, in un impianto domestico, deve avere una sensibilità di valore non superiore a 30 milliampere Un qualunque impianto elettrico, specie se vecchio e con componenti non in perfette condizioni, ha delle piccole dispersioni di corrente che, sommate tra loro, possono provocare lo scatto dell'interruttore differenziale, senza particolari situazioni di pericolo. Per questo è consigliabile non usare nel quadro elettrico generale un interruttore differenziale con sensibilità di valore inferiore a 30 milliampere (30 mA). Singole prese possono comunque essere protette con sensibilità di 10 mA. Esistono anche interruttori magnetotermici differenziali che racchiudono in un solo componente anche gli sganciatori magnetici e termici.

FUSIBILI I fusibili, come il nome stesso suggerisce, sono dispositivi la cui parte conduttrice fonde per  effetto Joule in presenza di correnti con valore maggiore della soglia ammessa. In pratica interrompono il circuito in presenza di sovraccarico o di corto circuito. Rispetto al passato hanno perso importanza a favore degli interruttori magnetotermici, ma sono ancora utilizzati. Tutto l'insieme costituito dalla parte conduttrice, dal contenitore isolante e dai contatti prende il nome di cartuccia e va sostituita, ovviamente, dopo l'intervento. La cartuccia viene alloggiata in un portafusibili. Per un uso generale esistono fusibili di tipo gG, mentre per la protezione dei motori esistono fusibili di tipo gM e aM. La corrente nominale è quella che il fusibile può sopportare senza fondere. I valori disponibili, in ampere, sono: 2 - 4 - 6 - 8 - 10 - 12 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40 - 50 - 63 - 80 - 100 Esistono anche fusibili con correnti nominali più elevate, ma adoperabili solo da personale addestrato. Anche i circuiti elettronici (tensioni e correnti basse) sono spesso protetti con fusibili. Accade in particolare nella sezione di alimentazione. Sono ovviamente più piccoli di quelli utilizzati negli impianti elettrici. All'interno del cilindro trasparente è visibile l'elemento destinato a interrompersi in caso di intervento. Anche in questo caso, per ripristinare il funzionamento del circuito, bisogna sostituirlo con un fusibile dalle identiche caratteristiche. E' opportuno, però, indagare prima sulle cause che hanno portato all'intervento.

IMPIANTO DI TERRA Può succedere di toccare un oggetto conduttore che normalmente si trova a potenziale zero, ma che per  un'anomalia nel funzionamento si trova a potenziale diverso da zero (contatto indiretto). Ad esempio se cede l'isolante del circuito elettrico di una lavatrice, l'intera parte metallica dell'elettrodomestico si potrebbe portare a 230 volt, con pericolo in caso di contatto. L’impianto di terra collega l'oggetto con un corpo che è costantemente vincolato a potenziale zero. Se il collegamento è a resistenza nulla (R=0), anche l'oggetto si porta a potenziale zero, eliminando il pericolo. Il corpo che ci garantisce un potenziale costantemente vincolato a zero è il nostro pianeta Terra. Il collegamento a terra non è mai a resistenza zero, in quanto qualsiasi conduttore elettrico possiede una certa resistenza. Comunque si fa in modo che questa sia la più bassa possibile, avvicinandosi così al caso ideale. Collegando a terra le previste parti metalliche di apparecchi elettrici, ci poniamo al sicuro da contatti con potenziali pericolosi. Normalmente le apparecchiature elettriche che abbiamo in casa vengono collegate a terra tramite l'alveolo centrale delle prese (solo se l'impianto di terra è esistente). Il collegamento a terra provoca, in caso di guasto, una circolazione di corrente dall'oggetto verso terra. Questa corrente viene avvertita dall'interruttore differenziale (salvavita), che scatta eliminando la tensione da tutto l'impianto elettrico collegato. In un impianto elettrico ogni massa, tramite il conduttore di protezione, è collegata al collettore (o nodo) principale di terra. A sua volta il conduttore di terra collega il nodo ai dispersori e i dispersori tra loro. Questi ultimi, in intimo contatto col terreno, costituiscono la parte terminale dell'impianto. Al nodo di terra vanno collegati anche i conduttori equipotenziali, che collegano le masse estranee come tubazioni e strutture metalliche. La sezione del conduttore di protezione deve essere la stessa dei conduttori di fase fino a 16 mmq. 45

IL TESTER Ecco alcuni consigli pratici su come utilizzare il tester per le varie misure. Le parti principali di un tester sono: il display, dove appaiono i valori misurati il selettore, che permette di scegliere la portata corretta per la misura da effettuare i puntali, uno rosso (positivo) ed uno nero (negativo), che andranno inseriti nelle apposite boccole.  



Quanto descritto si riferisce al tester che appare in figura, ma, a parte piccole differenze, i metodi di utilizzo restano validi anche altri tester.

IL DISPLAY Normalmente il display è a cristalli liquidi; un display di 3 cifre e mezzo. Si può considerare sufficientemente preciso per l’utilizzo hobbistico - amatoriale. Occorre scegliere per ogni misura la portata corretta, al fine di sfruttare tutte le cifre disponibili per la lettura del valore misurato.

IL SELETTORE La manopola che si trova al centro del tester permette di scegliere, sia il tipo di grandezza che si vuol misurare, sia la portata massima, più correttamente il valore massimo misurabile. La rotazione è suddivisa in vari settori. Troviamo le misure di resistenza, indicate dal caratteristico simbolo "Ω"; in funzione della resistenza che pensiamo di misurare, sceglieremo una delle portate indicate: 200 (ohm), 2k (2 kohm), 200k (200 kohm), 2M (2 megaohm), 20M (20 megaohm). La scelta della portata corretta è importante per avere una misura precisa. Es. se vogliamo misurare una resistenza di 350 ohm: impostando la portata 2K, leggeremo sul display ".350" che significa 0,250 Kohm e, quindi, 250 ohm. Scegliendo invece la portata 20k: leggeremo "0.25", che significa che abbiamo già perso la precisione corrispondente all'ultima cifra. Infine impostando come portata 200k, otteniamo addirittura sul display "00.2", che perde quasi significato. La prima posizione, contrassegnata dal simbolo della nota musicale o dal simbolo del diodo, si utilizza per i controlli di continuità (per esempio per verificare se un cavo è interrotto), se il cavo è integro , il 46

tester emette un segnale acustico. Troviamo poi le misure di tensioni continue, con le portate 200m (200 millivolt), 20, 200 e 1000 V. Anche per queste misure vale il principio di scegliere sempre la portata più vicina, o meglio immediatamente superiore, al valore che si intende misurare. Subito dopo si trova il settore per le misure di corrente alternata (settore rosso), indicate da "A~" e successivamente il settore per le misure di corrente continua (settore verde), indicate da "A--". Per ogni misura, occorre quindi posizionare la manopola all'interno del settore corrispondente, scegliendo la portata più vicina e corretta.

INSERIMENTO DEI PUNTALI Nella parte bassa del tester si trovano quattro boccole rosse, dove bisogna inserire gli spinotti dei puntali per effettuare le misurazioni; il puntale nero va inserito sempre nella boccola contrassegnata con "COM", che sta per "comune", invece la posizione del puntale rosso cambia in funzione del tipo di misura. Per le misure di tensione e di resistenza, il puntale rosso va inserito nella boccola contrassegnata "V/Ω". Per misure di corrente fino a 2 A, il puntale rosso va inserito nella boccola 2A. Notare che la manopola del selettore di misura deve trovarsi sul 2 del settore verde se si tratta di corrente continua, oppure sul 2 del settore rosso se si deve misurare corrente alternata. Per misurare correnti fino a 10 A (figura 5), il puntale rosso va nella boccola "10A”.

MISURARE UNA TENSIONE Ci sono vari modi di misurare una tensione. Il riferimento nelle nostre misure si ottiene mettendo in contatto il puntale nero col punto del circuito rispetto al quale si vuole effettuare la misura.

Esempio: per misurare la tensione rispetto a massa in vari punti di un circuito, occorre collegare il puntale nero al negativo dell'alimentazione del circuito e il puntale rosso nel punto in cui voglio sapere che tensione c’è.

47

MISURARE UNA CORRENTE Per misurare una corrente occorre che questa passi attraverso i l tester; occorre staccare uno dei cavi (per esempio il rosso) e ricreare il collegamento usando il tester per unire l'alimentatore alla batteria.

E' importante in queste misure fare molta attenzione a selezionare correttamente la portata, e ad inserire i puntali nelle boccole giuste, in caso contrario si rischia di danneggiare il tester. Anche effettuando misure di corrente, se il display indica un valore preceduto dal segno "-", vuol dire che la corrente sta entrando nel tester dal puntale nero, invece che dal puntale rosso.

IL MAGNETISMO

48

Per magnetismo si intende la proprietà di attirare dei pezzettini di ferro. Un pezzo di materiale

che

è

dotato

di

magnetismo

si

chiama

magnete

o

calamita.

In natura esistono delle rocce che si comportano da magneti; per esempio la magnetite; tali magneti vengono detti naturali perché esistono in natura. Si chiamano magneti artificiali quelli costruiti dall'uomo; per esempio la calamita è un magnete artificiale in quanto è costruita prendendo un pezzo di ferro e magnetizzandolo con la corrente. I magneti artificiali si possono costruire di due tipi: magneti permanenti e magneti temporanei. Un magnete si dice permanente se conserva la magnetizzazione per molto tempo; la calamita e' un magnete permanente. Un magnete si dice temporaneo se si comporta da magnete quando attorno ad esso si fa circolare della corrente elettrica e poi perde il magnetismo non appena finisce la corrente. Per esempio nel relè e' presente un magnete temporaneo. Non tutti i metalli si magnetizzano. Si chiamano ferromagnetici i materiali che si magnetizzano molto bene, come il ferro. Si chiamano diamagnetici i materiali che non si magnetizzano affatto come il rame e l'alluminio. Nei magneti distinguiamo

un

polo

nord

N

e

un

polo

sud

S.

Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N esiste un polo S. Poli dello stesso nome si respingono; poli di nome contrario si attraggono. Si chiama campo magnetico lo spazio che circonda un magnete. Il campo magnetico si rappresenta con delle linee di forza che partono dal polo nord e terminano al polo sud esternamente al magnete. Un filo percorso da corrente genera attorno a sé un campo magnetico. Se la corrente e' diretta verso l'alto il verso del campo magnetico e' antiorario, cioè contrario alle lancette dell'orologio tradizionale. Se il filo lo ripiego a forma di circonferenza, cioè creo una spira, e la corrente circola in senso antiorario nel filo il polo nord si trova sopra e quindi il sud sotto.

Il tipo di magnetismo generato dalla corrente elettrica si dice elettromagnetismo. Si chiama solenoide un lungo filo avvolto in modo da formare tante spire; il solenoide e' detto anche bobina. Per costruire un 49

elettromagnete occorre un pezzo di ferro su cui avvolgiamo un certo numero di spire, cioè un solenoide. Se il pezzo di ferro e' molto puro, cioè e' ferro dolce, quando stacco la corrente il magnetismo sparisce. Se invece il ferro non e' puro ma e' misto a carbonio o nichel allora il magnetismo resta anche quando stacco la corrente e il pezzo di ferro si chiama calamita o magnete permanente.

L’ ELETTRO-MAGNETISMO E LA LEGGE DI FARADAYNEUMANN-LENZ Consideriamo il seguente esempio. Un magnete genera un campo magnetico che influenza un solenoide. L’intensità del campo magnetico può essere variata avvicinando o allontanando il magnete dalle spire. Collego un tester al solenoide in grado di misurare valori di tensione. Se il solenoide e il magnete restano fermi, non si nota alcuna tensione misurata dal tester. Qualora, invece, anche uno solo dei due componenti si muove, vi sarà una tensione misurata. Quindi per ottenere una certa tensione nella spira si può: Tenere fermo il solenoide e muovere il magnete. Tenere ferma il magnete e muovere il solenoide. Muovere sia il solenoide sia il magnete. Solo durante il movimento o la variazione, vi è tensione; non appena il movimento o la variazione si arresta, la tensione sparisce. La tensione che si forma nel solenoide si dice forza elettromotrice indotta. La causa che genera tale forza elettromotrice indotta è la variazione di flusso magnetico all’interno delle spire. Ciò può essere sintetizzato con la legge di Faraday - Neumann - Lenz che dice:

(DEFINIZIONE): LA FORZA ELETTRO-MOTRICE VIENE INDOTTA IN UNA SPIRA A CAUSA DI UNA VARIAZIONE DI UN FLUSSO MAGNETICO.

TRASFORMATORE

50

Il trasformatore è una macchina elettrica che ha lo scopo di trasformare una tensione alternata avente un certo valore in un'altra, sempre alternata ma di valore diverso. La realizzazione pratica e lo schema elettrico sono i seguenti:

Il trasformatore è costituito da due avvolgimenti, cioè da due solenoidi costituiti da spire di filo di rame smaltato. Quello di alimentazione viene detto avvolgimento primario. Il secondo avvolgimento viene detto secondario. All'interno degli avvolgimenti vi è un nucleo di materiale ferromagnetico, che ha lo scopo di far circolare il flusso magnetico all'interno dei due avvolgimenti. Il trasformatore è una macchina reversibile, cioè può essere alimentata sia dal primario, con tensione V 1, ottenendo in uscita una tensione V 2; oppure dal secondario con tensione V2, ottenendo in uscita la tensione V1. La tensione di alimentazione deve essere sempre di tipo alternato, con valore di tensione e di frequenza stabiliti dal costruttore. Il trasformatore non può funzionare con tensione continua, perché il flusso magnetico sarebbe costante e non vi sarebbero forze elettromotrici. Se indichiamo con N1 il numero di spire del primario e con N2 il numero di spire del secondario, si dice rapporto spire il rapporto:

RAPPORTO SPIRE = N1 N2 Si dice rapporto di trasformazione il rapporto:

RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE = V 1 V2 Si ottiene che:

(FORMULA:)

V2 x N1 = V1 x N2

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cioè il rapporto di trasformazione è uguale al rapporto spire. In pratica se N 1=N2 si ha che V1=V2. Se N1>N2 la tensione al primario sarà maggiore della tensione al secondario, cioè V1>V2 ed il trasformatore si dice di tipo abbassatore, cioè la tensione di uscita è inferiore a quella di ingresso. Se, invece, N 2 > N1 la tensione al secondario sarà maggiore di quella al primario, cioè V2>V1, e quindi il trasformatore sarà di tipo elevatore, cioè una bobina.

COME COSTRUIRE UN ALIMENTATORE Un alimentatore serve a far funzionare con l'energia elettrica di rete tutte quelle apparecchiature che non possono essere collegate direttamente alla presa a 220V, ma necessitano di una tensione diversa, in genere molto più bassa, simile a quella fornita dalle pile. Per fare in modo che la tensione alternata disponibile nelle prese di casa diventi uguale a quella di una pila, l'alimentatore utilizza diversi componenti, ciascuno con una specifica funzione: vedremo quali sono questi componenti, esaminando la realizzazione del più semplice degli alimentatori.

IL TRASFORMATORE Il trasformatore ha il compito di abbassare la tensione di rete; esso è composto in genere da due avvolgimenti distinti: uno, di entrata, detto primario, che viene collegato a 220V; uno di uscita, detto secondario, che fornisce una tensione più bassa di quella in entrata, adatta alle esigenze dell'utilizzatore, cioè dell'apparecchio che si vuole alimentare. A seconda dei tipi, il trasformatore può avere uno o due avvolgimenti secondari; vedremo come sfruttare nel modo migliore sia un tipo che l'altro.

IL RADDRIZZATORE La tensione che esce dal trasformatore non può alimentare un apparecchio fatto per  funzionare con delle pile; mentre le pile hanno infatti una tensione continua, la tensione che esce dal trasformatore è ancora una tensione alternata, il che vuol dire che cambia di polarità continuamente (per l'esattezza: 50 volte al secondo). Occorre allora "raddrizzare" tale tensione, per ottenere che all'utilizzatore arrivi un flusso di corrente diretto sempre nello stesso verso. Il compito di bloccare la corrente nei momenti in cui il flusso si inverte è affidato al ponte a diodi.

52

IL CONDENSATORE DI LIVELLAMENTO La tensione alternata che arriva dal trasformatore, resa monodirezionale tramite i diodi, non ha ancora un valore costante: il suo valore cambia continuamente, passando da zero a un valore massimo, e questo accade, come si è detto prima, cinquanta volte in un secondo. Il condensatore che si aggiunge al circuito funziona come serbatoio di riserva: immagazzina energia quando la tensione è massima e la restituisce quando la tensione tende a scendere.

53

L'alimentatore descritto è molto semplice, per cui non dispone di un sistema di regolazione della tensione che arriva all'utilizzatore; per ottenere in uscita la tensione desiderata, l'unico modo è quello di usare un trasformatore il cui secondario dia una tensione ben precisa. Vediamo allora come va calcolata la tensione secondaria del trasformatore: •

chiamiamo VU la tensione che deve arrivare all'utilizzatore all'util izzatore

•

aggiungiamo 1 al valore di V U per tenere conto della caduta di tensione nei diodi raddrizzatori

•

dividiamo il valore ottenuto per 1,41 per passare dal valore massimo al valore efficace

•

moltiplichiamo il valore ottenuto per 1,1 per tenere conto della caduta di tensione nel trasformatore durante il funzionamento sotto carico

Con questi calcoli si ottiene V S e cioè il valore della tensione che deve avere il secondario del trasformatore; chi non ha voglia di fare conti, nella tabella a destra trova i valori già calcolati. Occorre tenere presente che i valori indicati sono approssimativi, anche perché, a meno meno di non farlo farlo avvol avvolger gere e appos appositam itament ente, e, diffic difficilm ilment ente e si riuscir riuscirà à a trova trovare re un trasformatore con le tensioni esatte. Il trasformatore deve poi essere adatto alla potenza richiesta: occorre moltiplicare la tensione di funzionamento dell'utilizzatore per la corrente che esso richiede; il valore ottenuto va maggiorato di circa il 20% se l'alimentatore deve funzionare saltuariamente, oppure del 40% nel caso di funzionamento prolungato o continuo. Esempio pratico: un apparecchio deve funzionare a 12 V ed assorbe 1,5 A di corrente; la potenza del trasformatore è: •

12 x 1,5 x 1,2 = 21,6 VA (per funzionamento saltuario)

•

12 x 1,5 x 1,4 = 25,2 VA (per funzionamento prolungato)

I diodi vanno scelti in base alla tensione ed alla corrente che li attraversa. Per la tensione non ci sono problemi, considerato che qualunque diodo raddrizzatore può funzionare tranquillamente fino a tensioni di almeno 50V. La corrente va calcolata in previsione del fatto che, al momento dell'accensione, i diodi sono attraversati dal forte picco di corrente che va a caricare il condensatore elettrolitico completamente scarico; per tale motivo è bene bene utili utilizz zzar are e diod diodii in grad grado o di sopp soppor orta tare re corr corren entiti magg maggio iori ri di quel quelle le rich richie iest ste e dall'ut dall'utiliz ilizzat zatore ore,, e ciò tanto tanto più quanto quanto maggio maggiore re è la capaci capacità tà del conden condensat satore ore di livellamento. 54

Il condensatore deve essere adatto alla tensione di uscita dell'alimentatore; in merito alla sua capacità, questa dipende sia dalla corrente richiesta dall'utilizzatore, sia dal circuito utilizzato: con un raddrizzatore ad una semionda, per esempio, occorre un condensatore di capacità doppia rispetto ad un raddrizzatore a due semionde. Il calcolo del condensatore è piuttosto complesso, e ti ene anche conto della percentuale di ondulazione residua che si è disposti ad accettare in uscita; per tale motivo consiglio allora di procedere per via sperimentale, usando per esempio un valore di capacità iniziale di circa 1000 µF. In certi casi ci si accorge che tale valore è insufficiente: per esempio, usando l'alimentatore per far funzionare una radiolina, si avverte nell'altoparlante un certo ronzio; in tal caso è senz'altro possibile passare gradualmente a valori più alti, come 2200, 3300 o 4700 µF (si noterà che man mano il ronzio diminuisce).

MOTORI E GENERATORI ELETTROMAGNETICI MOTORE IN CORRENTE CONTINUA Il motore in corrente continua è una macchina elettrica che trasforma la potenza elettrica assorbita dall'alimentazione in movimento rotatorio. Il motore in corrente corrente continua (brevement (brevemente e motore in CC) è stat stato o il prim primo o moto motore re elet elettr tric ico o real realiz izza zato to,, ed è tutt tuttor ora a utilizzato ampiamente per piccole e grandi potenze, inoltre tale motore può funzionare da dinamo. Sono a corrente contin continua ua (o comunq comunque ue alimen alimentab tabili ili in corren corrente te contin continua) ua) numerosi motori di piccola potenza per usi domestici, come anche motori per trazione ferroviaria e marina della potenza di molte centinaia di kW. Il classico motore in corrente Continua ha una parte che gira detta appunto rotore o anche armatura armatura e una parte che genera un campo magnetico magnetico fisso (nell'esempio (nell'esempio i due magneti colorati) detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o collettore a spazzole inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica che percorre i due avvolgimenti generando un campo magnetico che entra ed esce dalle parti arrotondate dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i magneti permanenti fissi (indicati con N ed S nelle figure). -

La velo veloci cità tà di rota rotazi zion one e dip dipen ende de da: da: 55

-

Tension ione ap applica icata.

-

Corr Corren ente te asso assorb rbitita a dal dal roto rotore re..

-

Carico ap applicato.

La coppia generata è proporzionale alla corrente ed il controllo più semplice agisce sulla tensione d'alimentazione, mentre nei sistemi più complessi si usa un Controllo automatico in retroazione che legge le variabili per generare la tensione da applicare al motore. Il motore CC a magneti permanenti ha un comportamento reversibile: diventa un generatore di corrente continua se si collega un altro motore all'albero. Si può allora prelevare l'energia elettrica prodotta collegandosi alle spazzole, inoltre da questo si può intuire la sua capacità di agire anche da freno e/o usato per il recupero dell'energia nei mezzi ibridi o essere semplificato come un semplice freno: applicando tra le spazzole un resistore l'energia meccanica trasmessa all'albero si dissipa su questo resistore). Riassumendo si può affermare che il motore CC ha tutte le funzioni necessarie per un mezzo mobile: oltre alla funzione di motore può recuperare l'energia funzionando da dinamo quando serve l'azione frenante o agire semplicemente da freno. fr eno.

Il suo limite principale è nella necessità del commutatore a spazzole: Le spazzole sono in grafite, mentre nei piccoli servomotori e nei tipi utilizzati nei lettori CD/DVD

o

registratori

a

cassette

sono

in

lega

metallica

bianca.

La differenza è nella frequenza della loro sostituzione, infatti nelle macchine utensili come smerigliatrici o trapani, si utilizzano spazzole in grafite, perché è molto semplice e veloce sostituirle, le spazzole in metallo, sono usate su apparecchi dove risulta scomodo o non conveniente cambiarle, come nei motori d'avviamento dei mezzi di trasporto. Le spazzole pongono un limite alla massima velocità di rotazione: maggiore è la velocità e più forte è la pressione che bisogna esercitare su di esse per mantenere un buon contatto, comunque i motori usati negli aspirapolvere e negli elettroutensili portatili (trapani, mole, ect.) possono raggiungere i 35000-45000 giri al minuto. 56

Tra spazzole e collettore, nei momenti di commutazione, si hanno transitori di apertura degli avvolgimenti induttivi e quindi scintillio (attenuabile con opportuni sistemi ma non eliminabile). Queste scintille comportano disturbi elettrici sia irradiati nell'ambiente circostante che trasmessi al generatore di tensione (che alimenta il motore); questi disturbi, in determinati settori di impiego, possono causare problemi di compatibilità elettromagnetica. La presenza di avvolgimenti elettrici sul rotore ha anche due aspetti negativi: Se il motore è di grossa potenza si hanno dei problemi di smaltimento del calore (gli avvolgimenti si riscaldano per effetto Joule e il campo magnetico alternato nel nucleo del rotore genera altre perdite, causate da isteresi magnetica e correnti parassite nel nucleo stesso, e quindi altro calore. Gli avvolgimenti appesantiscono il rotore (aumenta il momento d'inerzia): se il motore deve rispondere con rapidità e precisione (come avviene nelle automazioni industriali e nella robotica) il controllo diventa più complesso; per piccole potenze (da 1 a 200W) e servocontrolli a volte si usano particolari tipi di motori con rotore con avvolgimenti a forma di bicchiere e privo del nucleo di ferro, detti "ironless": hanno bassa inerzia e rendimento elettrico più elevato dei loro corrispondenti con rotore avvolto su nucleo di ferro. Motore brushless I problemi illustrati si potrebbero evitare scambiando il rotore con lo statore (cioè se gli avvolgimenti venissero messi sulla parte fissa e i magneti fossero montati sul rotore). Scomparirebbe il collettore a spazzole, e gli avvolgimenti elettrici potrebbero smaltire più facilmente il calore generato. È quello che si fa nei motori brushless (in inglese letteralmente: senza spazzole). Essi permettono inoltre di ridurre ulteriormente le dimensioni del rotore (e quindi le sue inerzie) usando materiali magnetici più efficienti come le leghe di cobalto. In questi motori il circuito di alimentazione deve essere più sofisticato, dato che le funzioni del collettore meccanico sono svolte tramite un controllo elettronico di potenza.

DINAMO La dinamo è lo stesso motore in corrente continua, che si chiama motore in corrente continua se riceve alimentazione da un generatore di tensione e fornisce un movimento del rotore, se invece non si applica alimentazione o si alimenta uno solo degli avvolgimenti, sull'altro avvolgimento è disponibile una tensione continua che può essere utilizzata, in tal caso si chiama dinamo. La dinamo, quindi, è un generatore di tensione che 57

trasforma il movimento dell'albero rotore in elettricità. Avendo tale proprietà il motore in corrente continua e la dinamo si dicono reversibili. Una dinamo quindi è una macchina elettrica rotante per la trasformazione di lavoro meccanico in energia elettrica, sotto forma di corrente

continua

assumendo

la

funzione

di

trasduttore. Nella sua forma più semplice consiste di una spira conduttrice (rotore) immersa in un campo magnetico (generato ad esempio da una coppia di magneti permanenti, i quali formano lo statore) e messa in rotazione da un albero. Per la legge di Faraday per l'induzione un conduttore che si muove in un campo magnetico (purché non parallelamente ad esso) vede nascere una forza elettromotrice indotta ; chiudendo quindi la spira su un carico elettrico (ad esempio una lampadina, o un accumulatore) si può misurare una corrente scorrere nella spira stessa e nel carico (la lampadina si accende). Se ci fermassimo qui, però, la dinamo non funzionerebbe, infatti fin qui la corrente è tutt'altro che continua, infatti la differenza di potenziale nella singola spira varia con legge sinusoidale con l'angolo di rotazione e quindi cambia segno ogni mezzo giro (producendo corrente alternata). È quindi necessario connettere i capi della spira ad un oggetto chiamato "collettore" o "commutatore", calettato sul rotore e solidale ad esso, che, attraverso un contatto strisciante con spazzole (dette carboncini), scambia i capi della spira ogni mezzo giro mantenendo la tensione in uscita sempre dello stesso segno. Per motivi di corretto funzionamento ed efficienza energetica le realizzazioni reali sono leggermente più complesse, prevedendo diverse spire avvolte sul rotore lungo i 360° ognuna delle quali deve commutare i propri capi ogni mezzo giro. Inoltre, per potenze superiori a pochi watt, anche lo statore (quello che genera il campo magnetico) è "avvolto", cioè il campo magnetico è prodotto da spire avvolte sui poli statorici, all'interno delle quali scorre la corrente di induzione o di eccitazione.

Campi di utilizzo Le dinamo sono oggi utilizzate soprattutto per le piccole potenze. La dinamo è una macchina elettrica reversibile, ovvero può funzionare anche come motore elettrico: se infatti si invia ai morsetti del collettore una tensione continua la corrente che scorre nelle spire interagisce con il campo magnetico di statore generando una forza tangenziale su tutte le spire del rotore, causando la rotazione del rotore stesso ovvero una coppia sull'albero di uscita. Questo è detto motore in CC ed è utilizzato per potenze da pochi watt 58

(nei modellini radiocomandati e in tutti gli utensili ed elettrodomestici a batteria) fino ad alcuni megawatt (in tutte le motrici ferroviarie escluse quelle di ultima generazione, che utilizzano motori asincroni trifase). Nota curiosa: si noti che la cosiddetta "dinamo" applicata alle biciclette è in realtà un alternatore, in quanto produce corrente alternata.

MOTORE SINCRONO La macchina sincrona è una macchina reversibile, nel senso che se al imentiamo lo statore con un sistema trifase di tensioni alternate, ed alimentiamo il rotore con una tensione continua, il motore ruota a velocità costante, anche se aumenta il carico; infatti non rallenta come i comuni motori all'aumentare del carico. La sua velocità è, nel caso di una sola coppia polare:

n = 60 f  dove n è il numero di giri al minuto, mentre f è la frequenza. Poiché la frequenza è quella di rete e resta costante a 50 Hz, anche la velocità resta sempre costante, e per questo il motore si dice sincrono, cioè mantiene sempre la velocità di sincronismo. Un inconveniente del motore sincrono è la incapacità di avviarsi da solo, in quanto non possiede una coppia di spunto, cioè la coppia necessaria a far partire il motore da fermo; per cui necessita di un motore di avviamento, che viene staccato una volta che il motore sincrono ha raggiunto la velocità di sincronismo.

MOTORE ASINCRONO Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è "sincrono" con essa; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di seguito. Questo motore può essere utilizzato come alternatore con o senza l'utilizzo di condensatori a seconda se viene collegato alla rete o no, ma solo una minima parte dei alternatori è di questo tipo dato il suo minore rendimento.

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Il motore si compone di una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore, ambedue di forma cilindrica. In ambedue le parti, delle quali lo statore contiene il rotore, sono praticati dei fori paralleli all'asse del cilindro, detti cave, destinati ad ospitare gli avvolgimenti, ovvero l'insieme dei conduttori. Lo statore contiene in genere un numero pari di avvolgimenti in quanto, normalmente, ce ne sono 2 per ciascuna fase di alimentazione. Un motore a tre fasi, o trifase, avrà di norma sei avvolgimenti ovvero tre coppie polari . I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono collegati in serie e disposti fisicamente l'uno di fronte all'altro. Le coppie polari sono alimentate da una terna di correnti sinusoidali sfasate di 120° che producono un campo magnetico complessivo che ruota nello spazio. Il rotore è dotato di un certo numero di fasi di norma chiuse in corto circuito. La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità fissa n legata alla frequenza di alimentazione f, detta velocità di sincronismo. La velocità di rotazione del rotore nr sarà sempre minore di quella di sincronismo. Questa differenza fa sì che il rotore "veda" un campo magnetico che ruota ad una velocità n-nr, pertanto esso sarà sede di forze elettromotrici e quindi correnti indotte (per questo si parla di motore a induzione). Evidentemente le correnti di rotore produrranno a loro volta un campo magnetico che ruota a velocità n-nr rispetto al rotore il quale ruota a velocità nr rispetto allo statore; il risultato è che il campo di rotore ruota a velocità n rispetto allo statore ed è dunque sincrono con il campo di statore. Tale condizione di sincronismo tra le due onde di campo magnetico assicura che il motore produca una coppia costante. La situazione in cui n=nr, cioè velocità di rotore uguale a quella di sincronismo, è una condizione limite in cui non vi sono forze elettromotrici (e quindi correnti indotte) e dunque la coppia motrice è zero. Diversamente, la mutua interazione attraverso i relativi campi magnetici tra le correnti di rotore e quelle di statore produce una coppia risultante netta. Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza f  di alimentazione ed il numero di coppie polari p è espresso dalla relazione: 60

Dove n è espressa in rpm (rotazioni per minuto) ed f è espressa in Hertz. Per esempio, un motore con tre coppie polari (6 poli totali), alimentato a 50 Hz ha una velocità angolare di sincronismo di 1000 giri al minuto. La velocità del rotore in condizioni nominali è sempre minore di un 3%/6%; è il fenomeno dello scorrimento (slip) che consente la produzione della coppia. Dalla formula dello scorrimento posso esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore (nr):

Ovviamente il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il carico non è mai zero perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito di scorrimento tra parti mobili e con l'aria che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo, impegnando una certa coppia.

Gli avvolgimenti statorici sono in genere inglobati in resine che garantiscono un'ottima protezione dall'acqua e dagli agenti atmosferici. Questi motori sono frequentemente alimentati per mezzo di inverter elettronici che possono variarne la velocità variando in modo coordinato la frequenza e la tensione di alimentazione. L'uso di inverter permette di azionare il motore anche a partire da una corrente continua, come avviene nella trazione ferroviaria. Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo, permettendo di alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di 400 e 230 V. In alcuni

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grossi motori si preferisce avviare a stella e poi commutare a triangolo, al fine di limitare le correnti di spunto, quando non sono utilizzati gli inverter. Esistono motori asincroni di potenza usualmente inferiore a 3 kW alimentati anche con tensioni monofase. Tali motori possono essere dotati di ordinari avvolgimenti a due fasi, dove per alimentare la seconda fase si usa il ritardo di tempo introdotto da un condensatore. Per potenze piccolissime si usano i motori in cui la seconda fase è un circuito spazialmente asimmetrico chiuso in corto circuito (motori a "polo shuntato"). I motori asincroni operano normalmente con gli avvolgimenti di rotore chiusi in corto circuito ma il rotore può essere eseguito in costruzioni differenti.

L’ALTERNATORE L'alternatore è una macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che trasforma energia meccanica in energia elettrica sotto forma di corrente alternata assumendo la funzione di trasduttore. Svolge in pratica l'azione inversa rispetto al motore sincrono e presenta la stessa struttura di base.

GENERATORE SINCRONO La macchina è costituita da una parte cava fissa, chiamata statore, al cui interno ruota una parte cilindrica calettata sull'albero di rotazione, detta rotore. Sullo statore sono presenti gli avvolgimenti elettrici su cui vengono indotte le forze elettromotrici che sosterranno la corrente elettrica prodotta. Il rotore genera il campo magnetico rotante per mezzo di elettromagneti che sono uno per fase e coppia polari, quindi in caso di alternatore trifase a due poli si hanno tre elettromagneti, in caso di alternatore trifase a quattro poli si hanno sei elettromagneti, i quali sono a loro volta opportunamente alimentati oppure vengono utilizzati dei magneti permanenti i quali non necessitano di alimentazione e in quest'ultimo caso si hanno solo una coppia polare (Nord e Sud) per ogni coppia di poli statorici. Unica eccezione si ha nei alternatori trifase o bifase motociclistici, dove gli alternatori non sono dei veri alternatori trifase o bifase, ma sono tre o due alternatori monofase disposti equidistanti soggetti a tre o due coppie polari, quindi si hanno tre o due onde sinusali non sfasate. La tipologia costruttiva varia notevolmente a seconda del tipo di macchina a cui sono accoppiati. In caso di alternatori siti in centrali idroelettriche dove la turbina idraulica ruota a frequenze di centinaia di giri al minuto l'avvolgimento rotorico sporge rispetto all'albero 62

(si parla di macchina ad N "poli salienti"). La velocità dipende dalle caratteristiche della turbina idraulica ed è inversamente proporzionale al numero dei poli. Alternatori accoppiati a turbomacchine (turbine a gas o a vapore) hanno anche l'avvolgimento rotorico alloggiato in cave, ruotano a frequenze maggiori, comparabili con la frequenza di rete, e si distinguono ulteriormente per tipologia di raffreddamento, ad aria, acqua e ad idrogeno. Il rendimento di questi alternatori è molto altro, intorno al 0,97 (97%) per scendere fino al 0,85 (85%).

GENERATORE ASINCRONO Nel caso invece si utilizzi come base un motore asincrono, tale motore viene utilizzato come generatore soltanto quando le potenze in gioco sono contenute e principalmente quando è collegato a una rete elettrica prevalente (rete nazionale), che è mantenuta in tensione da alternatori sincroni. Il motore asincrono per poter funzionare come generatore preleva energia reattiva dalla rete per magnetizzare il circuito rotorico (essendo i circuiti rotorici a gabbia di scoiattolo sono privi d'eccitazione), il rotore viene poi avviato tramite una sorgente energetica esterna (fonte meccanica) portandolo in iper-sincronismo (il campo magnetico del rotore ruota più velocemente del campo magnetico dello statore), diventando generatore di energia, in questa condizione mentre eroga potenza attiva verso la rete prevalente, assorbe contemporaneamente potenza reattiva per tenere alimentato il campo magnetico rotante. Secondo alcuni studi il rendimento di tali macchine dovrebbe essere attestato intorno a 0,6 (60%), per scendere fino al 0,4 (40%) ri sultando quindi molto inferiore in confronto al sistema sincrono, ma col vantaggio d'essere robusto e semplice da gestire, in quanto in caso d'aumento della velocità dell'albero non si ha la sovrafrequenza (frequenza più elevata), ma fenomeni meccanici all'albero del tipo frenatura. Per far funzionare un generatore asincrono in isola (senza rete principale esterna in collegamento, ma a essere il solo generatore), si utilizzano dei condensatori per il rifasamento collegati ai morsetti del motore, che consentono lo scambio dell'energia reattiva (potenza reattiva) necessaria al motore, permettendone il suo funzionamento come generatore, il difetto di quest'applicazione è la richiesta obbligata di una sorgente d'energia alternata per l'avviamento, mentre una volta avviato il sistema va in stabilità e avviene l'erogazione di potenza attiva.

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IMPIEGHI PRATICI Molti sono gli utilizzi degli alternatori. Vengono impiegati in tutte le centrali di produzione di energia elettrica le quali poi la trasformano in modo da consentirne il trasporto e la distribuzione per uso industriale e domestico. Il procedimento che alimenta meccanicamente l'albero dell'alternatore è simile a tutte le tipologie di centrali e si basa su una turbina o un motore endotermico. Nel primo caso rientrano quelle in grado di sfruttare l'energia potenziale, come le centrali idroelettriche, o l'energia termica del vapore, come le termoelettriche, le geotermiche e le termonucleari. In questi grandi alternatori, la tensione prodotta è nell'ordine di migliaia di volt, solitamente trifase alla frequenza di 50 Hertz (60 negli Stati Uniti e pochi altri paesi). Grazie alla capacità raggiunta dall'industria elettronica nella miniaturizzazione dei componenti, l'alternatore ha progressivamente sostituito la dinamo nella produzione di energia elettrica nelle automobili ed in tutti gli altri veicoli a motore. Esso ha la funzione di mantenere carica la batteria, necessaria all'avviamento del motore ed alimentare tutte le funzioni elettriche di bordo. Poiché non esiste un mezzo per immagazzinare energia elettrica in corrente alternata, è presente un ponte raddrizzatore che ha la funzione di trasformarla in continua e consentirne così accumulazione nella batteria. Anche nelle biciclette si è imposto l'uso di un piccolo alternatore, in sostituzione della dinamo, per  alimentare i dispositivi di illuminazione.

VANTAGGI TECNICI RISPETTO AD UNA DINAMO I vantaggi tecnici nella produzione di energia elettrica rispetto alla dinamo sono sostanzialmente due: •

L'eliminazione di parti striscianti

•

La produzione di energia elettrica in corrente alternata.

L'eliminazione delle spazzole, ovvero i contatti striscianti che hanno la necessità di un contatto meccanico con il collettore, riduce la quantità di parti necessaria alla sua costruzione e la necessità di una revisione periodica della macchina a causa del consumo delle parti in 64

contatto. Seppure la tecnologia negli anni ha contribuito a migliorare le qualità meccaniche ed abbassare la resistenza elettrica nei materiali usati, il rendimento totale dalla macchina risente comunque delle frazioni di energia sottratte nella dinamo, per cui a parte i rari casi nei quali si renda necessaria un utilizzo in corrente continua e non si possa utilizzare o risulti poco conveniente l'uso di un raddrizzatore, gli alternatori l'hanno sostituita quasi del tutto nel compito della produzione di energia elettrica.

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ELEVAMENTO A POTENZA Elevare un numero ad una certa potenza significa moltiplicarlo più volte per se stesso. Questa operazione viene indicata aggiungendo un secondo numero, più piccolo, scritto in alto, a destra del numero principale, come nell'esempio che segue. Per tutti gli esempi a sinistra, il numero che si vuole elevare a potenza viene definito "BASE" mentre quello piccolo in alto a destra si chiama "esponente". Quindi si dirà che la prima potenza ha come base 5 e come esponente 2, la seconda potenza ha come base 2 e come esponente 3, e così via.

Spesso, quando l'esponente è 2, si usa dire "elevato al quadrato" invece che "elevato alla seconda"; analogamente, quando l'esponente è 3, si può dire "elevato al cubo" invece che "elevato alla terza" Naturalmente ogni potenza ha un suo preciso valore; esso si calcola moltiplicando la base per se stessa, tante volte quante indica l'esponente (vedere esempi a sinistra)

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I PREFISSI NELLE UNITÀ DI MISURA Come conseguenza delle necessità della scienza, ed anche in seguito all'uso comune, nel tempo si sono sviluppati diversi sistemi di misura, il cui scopo è quello di definire in modo inequivocabile ed universalmente valido qualunque grandezza che possa essere misurata. Sono nate così le "unità di misura", e alcune di esse sono di uso così abituale che nemmeno ci si fa caso. Tutti noi usiamo il metro per misurare una lunghezza, oppure i secondi per esprimere un tempo. Spesso le unità di misura risultano troppo grandi o troppo piccole per certi usi; ecco che allora si ricorre ad unità di misura, sempre derivate da quella fondamentale, ma di valore notevolmente diverso. Così, nessuno indicherebbe in metri la distanza fra due città; si usa ovviamente il chilometro, che come sappiamo equivale a 1000 metri. Analogamente, se abbiamo a che fare con oggetti molto piccoli, non useremo più il metro, ma ci serviremo dei millimetri, sapendo che un millimetro è la millesima parte del metro. Ebbene, le unità più grandi, come il chilometro, vengono detti "multipli" (in questo caso, multipli del metro), mentre quelle più piccole, come il millimetro, vengono dette "sottomultipli". In tutti e due i casi, si usa mettere davanti al nome "metro" una parola, che viene chiamata "prefisso". Il prefisso ci dice quante volte la nuova unità di misura è più grande o più piccola di quella principale, da cui deriva. Nella tabella che segue troviamo il valore dei prefissi di uso più comune:

PREFISSO VALORE

CORRISPONDENTE POTENZA DI 10

giga

1 miliardo di volte più grande

1 miliardo = 109

mega

1 milione di volte più grande

1 milione = 106

kilo

1000 volte più grande

mille = 103

milli

1000 volte più piccolo

1 / mille = 1/103 = 10-3

micro

1 milione di volte più piccolo

1 / 1milione = 1/106 = 10-6

nano

1 miliardo di volte più piccolo

1 / 1miliardo = 1/109 = 10-9

pico

1000 miliardi di volte più piccolo 1 / millemiliardi = 1/1012 = 10-12

Ma vediamo qualche applicazione pratica nel campo dell'elettronica. Da quello che si è detto derivano le seguenti uguaglianze: 67