Come la quantità d’acqua che in un certo tempo percorre una condotta dipende dal dislivello che compie e dalle condizioni della condotta che deve percorrere, così lo stesso principio si può applicare anche per la corrente elettrica che scorre in un circuito elettrico: essa aumenterà o diminuirà se aumenta o diminuisce la tensione (dislivello).
Tale concetto istituisce la legge di Ohm:
in cui l’intensità della corrente I è direttamente proporzionale alla tensione V ed inversamente proporzionale alla resistenza R.
Questa formula vale solo per i circuiti inerti, cioè per quegli impianti in cui l’utilizzatore è formato da sole resistenze.
Usando il triangolo riportato in figura ti può essere più facile ricavare le altre formulazioni della legge. Copri la grandezza che vuoi calcolare per ottenere la formula cercata.
Interpretazione della formula.
Essendo noti i valori di resistenza e di tensione ai capi dell’utilizzatore, la corrente circolante sarà:
Essendo noti i valori di resistenza e della corrente che circola nell’utilizzatore, la tensione ad esso applicata sarà:
In questo caso la caduta (c.d.t.) ai capi dell’utilizzatore sarà di 10 V.
Essendo noti i valori di tensione e di corrente presenti nel circuito, la sua resistenza sarà:
POTENZA ELETTRICA – Watt [W]
Il prodotto della tensione ai capi di un’apparecchiatura con l’intensità di corrente che la percorre, esprime la potenza elettrica erogata dalla apparecchiatura stessa, se è un generatore, oppure assorbita, se è un utilizzatore.
La potenza si identifica con la lettera P e si misura in Watt [W].
Il valore della potenza si può quindi ottenere misurando la tensione ai capi di un elemento elettrico e l’intensità di corrente da questo erogata o assorbita ed eseguendo il prodotto dei due valori:
P = V x I
Dalla legge di Ohm: V = R x I pertanto:
P = R x I x I = R x I2
In figura è riportato un esempio che permette di misurare la potenza di una lampada. Puoi misurare sia la tensione ai capi della lampada che la corrente che la percorre. Il prodotto dei due valori espressi rispettivamente in V e in A fornisce la potenza assorbita della lampada espressa in W.
Le lampade infatti oltre che la loro tensione di funzionamento riportano, sui dati di targa, anche la potenza elettrica.
Dai dati di targa di una lampada di un’auto (12Volt 60/55Watt) si può ricavare la resistenza a caldo dei due filamenti.
R1 = 12 / 60 W = 2.03 Ω
R2 = 12 / 55 W = 2.21 Ω
Come si può notare il filamento con maggiore resistenza ha una minore potenza.
RESISTENZE ELETTRICHE
Resistenze in serie
Due o più resistenze si dicono collegate in serie se sono attraversate dalla stessa corrente.
La teoria dei circuiti formati da resistenze in serie ti conduce alle seguenti conclusioni:
- La somma totale delle resistenze in serie nel circuito è uguale alla somma delle singole resistenze.
- La tensione totale è uguale alla somma delle singole tensioni.
- Ai capi delle singole resistenze la tensione è proporzionale al valore della rispettiva resistenza.
- La tensione parziale è uguale alla tensione totale moltiplicata per il rapporto fra la resistenza parziale e quella totale (regola del partitore di tensione).
Resistenze in parallelo
Due o più resistenze si dicono collegate in parallelo se sono alimentate dalla stessa tensione.
La teoria dei circuiti formati da resistenze in parallelo conduce alle seguenti conclusioni:
- L’intensità di corrente totale, che percorre un parallelo di resistenze, è uguale alla somma delle intensità di corrente che percorrono i singoli rami.
- L’intensità di corrente che percorre ogni singola resistenza, è inversamente proporzionale al valore della resistenza stessa.
- In un parallelo di due resistenze, l’intensità di corrente, che percorre ogni singola resistenza, è data dall’intensità totale moltiplicata per il rapporto dell’altra resistenza e la somma delle due resistenze (regola del divisore di corrente).
La resistenza totale di più resistenze collegate in parallelo è data dalla formula:
R1= 10Ω; 1/R1=1/10=0,1Ω
R2= 8Ω; 1/R2=1/8=0,13Ω
R3= 12Ω; 1/R3=1/12=0,08Ω
1/R1 + 1/R2 + 1/R3= 0,31Ω
R equivalente = 1/0,31 = 3,23Ω
Calcolare la resistenza totale in un circuito in parallelo può esserti poco pratico, così è più semplice ricordare che la resistenza totale del circuito sarà minore del valore della più piccola delle resistenze presenti. Dall’esempio precedente puoi verificare infatti che la resistenza più piccola presente nel circuito è di 8 Ω, ma la resistenza equivalente dello stesso è di 3,23 Ω.
Resistenze miste in serie e parallelo
Il circuito è costituito dalla resistenza R1 in serie al parallelo R2 e R3 per cui la resistenza totale sarà:
La legge di Joule
L’effetto della resistenza elettrica sulla corrente, cioè sul moto degli elettroni, è analogo a quello che si verifica in meccanica a causa degli attriti: qualsiasi conduttore percorso dalla corrente elettrica si riscalda per effetto dell’attrito della materia al moto degli elettroni.
Questo fatto è sintetizzato dalla legge di Joule, la quale dice che il passaggio della corrente elettrica in un conduttore provoca lo sviluppo di calore in quantità proporzionale all’energia dispersa.
In sintesi la potenza persa Pp [W] è espressa dalla formula:
Pp = R x I2
essendo R la resistenza attraversata dalla corrente I.
L’effetto Joule viene sfruttato industrialmente negli apparecchi o dispositivi nei quali è previsto lo sviluppo del calore; in tutti gli altri casi rappresenta sempre una perdita.
RESISTORI A SEMICONDUTTORE
Termistori (Sensori NTC e PTC)
La particolare termo sensibilità di alcuni materiali semiconduttori ne ha permesso l’ampio utilizzo in ambito industriale come sensori per il rilevamento della temperatura. Per questo tali sensori sono anche detti termistori.
Il comportamento in esercizio di un termistore dipende essenzialmente dal modo con il quale viene riscaldato: dalla corrente che lo attraversa (riscaldamento diretto) o dalla temperatura ambiente (riscaldamento indiretto).
Esistono due tipi di termistori: NTC (Negative Temperature Coefficient) e PTC (Positive Temperature Coefficient).
Nei sensori NTC il valore della resistenza elettrica si riconosce come coefficiente termico di resistenza negativo, in quanto diminuisce con l’aumentare della temperatura. Sono composti da miscele di polveri di ossidi metallici pressati e sinterizzati. Diagramma caratteristico di un termistore NTC:
Nei sensori PTC il valore della resistenza elettrica aumenta con l’aumentare della temperatura.
Il campo di lavoro di questi sensori è abbastanza limitato e quindi non li rende adatti ad impieghi come sensori di temperatura per circuiti elettronici. Sono percorsi da una forte corrente (di carico) che li riscalda diversamente a seconda della sua intensità e provoca conseguenti variazioni di resistenza; si possono così utilizzare come limitatori di corrente ed interruttori temporizzati. Diagramma caratteristico di un termistore PTC:
Reostati
Per regolare la corrente o la tensione in un circuito elettrico si fa uso di resistori variabili, che sono generalmente costituiti da un filo metallico avvolto a spirale su un supporto isolante. Sul filo striscia una spazzola, che fa capo ad uno dei morsetti del resistore e che si sposta per mezzo di una manopola.
Se il resistore variabile è collegato in serie agli elementi di un circuito elettrico (vedi figura) prende il nome di reostato e consente di variare la corrente del circuito in cui è inserito.
A reostato alimentato (I) , fra i punti A ingresso corrente e C cursore, uscirà una corrente controllata. Con il cursore completamente a sinistra si avrà una resistenza quasi pari a zero. Spostando il cursore verso destra B si avrà un aumento della resistenza fino al valore massimo del resistore
Potenziometri
Se il resistore variabile viene invece alimentato in tensione (Vt) ai morsetti A e B, il cursore C preleva una tensione in uscita (Vu) minore della tensione di alimentazione. In questo caso il resistore prende il nome di potenziometro.
Il potenziometro permette di regolare la tensione da pochi mV (cursore tutto a sinistra) fino al valore della tensione in entrata (cursore tutto a destra).
Condensatori
Il condensatore elettrico è costituito dall’insieme di due corpi metallici normalmente di forma a piastre piane dette armature; la distanza che li separa si chiama dielettrico. La caratteristica essenziale di un condensatore è la sua capacità, indicata con il simbolo C e viene misurata in farad [F].
Applicando un condensatore ad un generatore in un circuito elettrico, si ha un movimento di elettroni che non potrà manifestarsi a causa del dielettrico interposto fra le armature dello stesso. Di conseguenza l’armatura del condensatore collegata al polo negativo del generatore si caricherà di elettroni, mentre l’armatura opposta (positiva) perderà elettroni e di conseguenza si caricherà positivamente.
Nel condensatore si produrrà quindi una differenza di potenziale (d.d.p.) che aumenterà fino a raggiungere il valore della forza elettromotrice del generatore (f.e.m.), mentre l’intensità di corrente I, che percorre il circuito, avrà il valore massimo nell’istante di chiusura dell’interruttore, e successivamente decrescerà fino ad annullarsi completamente. Avvenuto tutto il processo descritto, il condensatore sarà carico.
Il tempo nel quale si contempla la carica di un condensatore è tanto più elevato quanto è maggiore è la sua capacità e quanto maggiore è la resistenza del circuito di carica.
Il prodotto R x C prende il nome di costante di tempo, e la carica può considerarsi conclusa in un tempo pari a 5 volte R x C.
Condensatori elettrolitici
Questo tipo di condensatore è composto da una piastra costituita da un foglio di alluminio sul quale è distribuito un composto elettrolitico che funge da seconda piastra. Tra il foglio di alluminio e l’elettrolita si forma una patina di ossido di alluminio che funge da dielettrico.
Naturalmente perché questo ossido si formi correttamente il condensatore deve essere caricato secondo una polarità ben precisa che è ben evidenziata sul contenitore esterno.
CONCETTO DI MASSA
Nel sistema elettrico si chiama massa il circuito di ritorno per la corrente, e non una protezione, come avviene negli impianti industriali. Una massa non ben fissata o ossidata corrisponde ad un’apertura del circuito o a un’anomalia di funzionamento.
Sulla carrozzeria/telaio vengono fissati attraverso bulloni diversi punti di massa. Esistono anche dei nodi di massa non ancorati al telaio così come anche nodi positivi, realizzati mediante saldatura ad ultrasuoni, nei quali vengono fatti convergere diversi cavi per poi proseguire con un minor numero di cavi, di sezione maggiore.
Nell’esempio riportato in figura è rappresentato il classico collegamento di una lampada a bordo della vettura con il comando (interruttore) verso il positivo e la massa sul telaio.
I punti di massa costituiscono un elemento abbastanza delicato di tutto l’impianto elettrico. Proprio perché sono dei punti comuni a molti elementi elettrici, dal loro buon funzionamento dipende a volte il funzionamento dell’intero impianto.
Tra le problematiche più importanti è bene ricordare:
- il non perfetto contatto
- il distacco.
Questi due tipi di difetto dell’impianto possono provocare dei malfunzionamenti che sono abbastanza difficili da individuare in quanto i punti di massa sono solitamente condivisi da più utilizzatori. Per questo spesso il malfunzionamento di un dispositivo è legato al cattivo collegamento a massa di un altro dispositivo.
Il problema della resistenza del contatto è evidente nel caso di collegamento comune di due utilizzatori con un assorbimento elevato di corrente.
Infatti nel caso in figura se l’utilizzatore 1 assorbe la massima corrente di 50A, sulla piccola resistenza di contatto di 0.01 Ohm si ha una caduta di tensione di 0.5V. Questa caduta di tensione può influenzare pesantemente il funzionamento dell’utilizzatore 2 che essendo alimentato di solito a soli 3V si ritrova ora con una alimentazione di 2.5V.
DIFFERENZE TRA MASSA E TERRA:
Spesso si tende a confondere il termine MASSA con quello di TERRA. È bene precisare che questi due elementi elettrici sono ben differenti sia per costituzione che per utilizzo.
Per MASSA si deve intendere un punto di collegamento comune tra più elementi elettrici. Questo punto funziona da riferimento di tensione.
Per TERRA si deve intendere un punto di collegamento per la carrozzeria metallica di molti elettrodomestici verso il potenziale di terra.
Questo punto ha solo lo scopo di disperdere nel terreno le cariche elettrostatiche che si accumulano sull’involucro metallico degli apparecchi a seguito ad esempio di fughe di corrente attraverso conduttori non perfettamente isolati.
