Ci sono tanti libri che spiegano quello che sto per scrivere, ma spesso viene spiegato il tutto dimenticando la cosa più importante: la semplicità e la completezza. Ovviamente per capire questi argomenti bisogna sapere dei concetti di Fisica, ma cercherò di rendere il tutto molto più digeribile. Spero anche di offrirvi uno spunto sul perchè di certi avvenimenti ma di rimanere nella semplicità e brevità.
Corrente, tensione.. cosa si intende?
220 V (Volt), 10 A(Ampere).. Studiando l'elettrotecnica ci si imbatterà in queste grandezze, ovviamente esse sono correlate. Ma cosa sono, cosa rappresentano? Ecco che può venirci in aiuto un esempio.
Immaginiamo di avere un bambino alla sommita di uno scivolo, per renderlo ancora più intuibile di seguito disegnato come una palla che scende su un triangolo (o piano inclinato):
[Immagine CC0 creative commons]
Bene, immaginate che il bambino sia sulla sommità di questo scivolo. Riusciamo tutti a vedere che, senza compiere nessuno sforzo, riuscirà ad arrivare al fondo, seguendo la freccia? Il bambino è riuscito nell'intento perchè:
- Abbiamo un angolo diverso da 0°, cioè è sulla sommità dello scivolo e lo scivolo è inclinato
- lo scivolo esiste (adesso vi sembra logico, vero?)
Bene, chiameremo la differenza di altezza del nostro scivolo differenza di potenziale(o tensione), e il bambino verrà chiamato elettrone (una particella dotata di carica elementare negativa).
Adesso daremo la definizione di corrente e subito ci ricollegheremo all'esempio.
Definizione: La corrente è un flusso di cariche che si sposta in una unità di tempo attraverso una superficie (un materiale conduttore, come il rame o l'oro o altri).
La corrente è quindi la grandezza, misurata in Ampere, che esprime quanti bambini stanno scendenndo dallo scivolo in un istante di tempo. Il problema nasce dal fatto che, storicamente, si pensava che fossero le cariche positive a muoversi e a generare la corrente. Perciò se il bambino (elettrone) sta scendendo dallo scivolo, il verso della corrente è diretto verso l'alto.
Questo credo che sia un concetto molto difficile da capire ma a titolo di esempio, immaginiamoci una bottiglia di acqua frizzante, o meglio le bollicine dell'acqua frizzante:
[Immagine CC0 creative commons]
Mentre le bollicine di gas stanno salendo verso l'alto, l'acqua DEVE necessariamente scendere verso il basso. Possiamo applicare lo stesso principio alla corrente elettrica, dove le bollicine di gas si chiameranno lacune ed altro non sono che delle mancanze di elettroni. Esattamente come per un qualsiasi formaggio con i buchi:
[Immagine CC0 creative commons]
Perciò se il nostro bambino/elettrone si sposterà verso il basso, la "mancanza" del bambino/lacuna si sposterà verso l'alto. La corrente elettrica avrà SEMPRE verso opposto al verso degli elettroni.
Questo è il concetto più difficile da capire e, purtroppo, molte persone presentano disegni o schemi in cui i due versi sono equivalenti.
Avremo quindi nell'elettrotecnica dei generatori di tensione (metteremo cioè nel nostro circuito delle altalene, la corrente che generano può essere qualsiasi) e dei generatori di corrente (che forzeranno una corrente fissa, per qualsiasi tensione). Ricordatevi, però, che il nostro circuito deve chiudersi, se non si chiude non funziona (l'altalena non deve avere buchi e deve esistere, il bambino non vorrà altrimenti scendere o muoversi).
E' anche per questo se le spine (del nostro pc, degli elettrodomestici) hanno sempre almeno due terminali.
E i componenti?
Resistori:
Il più semplice tra i componenti è il resistore, di seguito considerato ideale e lineare.
Il nome è resistore e la loro proprietà fisica è la resistenza, misurata in Ohm. Essi sono dei pezzi di filo o pezzi di materiale che si oppongono al passaggio della corrente (come dice il loro nome, applicano una resistenza). La legge fisica per trovare la Resistenza è:
R=ρ*l/A
Dove al numeratore troviamo la lunghezza (l), un parametro che dipende dal materiale usato (ρ,resistività) e al denominatore troviamo l'area (A).
Perciò un filo d'oro di lunghezza 2 metri avrà una resistenza diversa da un filo di rame della stessa lunghezza, se la loro area è identica.
Per motivi di semplificazione ho volutamente omesso di parlare della conduttanza. Essa è una proprietà fisica che si usa raramente, ho preferito quindi saltarla ma è definita come il reciproco della resistenza ovvero un materiale è più conduttivo quando meno alta è la sua resistenza.
Avete capito il concetto di conduttanza? Non servirà capirlo a mio avviso inizialmente, ma sappiate che si misura in Siemens (S) oppure banalmente come Ohm^-1. Vedremo insieme come farne a meno.
Collegamento in serie di Resistori
Due componenti si dicono in serie quando sono entrambi attraversati dalla stessa corrente. In questa circostanza, avendo visto la formula precedente della resistenza, è facilmente intuibile trovare la resistenza totale vista tra i due punti.
Prendiamo quattro resistori identici, e colleghiamoli in serie:
[Immagine di mia proprietà, creata usando LTSpice]
R1, R2, R3 ed R4 se collegati ad un generatore verranno attraversati sempre dalla stessa corrente.
Immaginiamo, per semplicità, che tutti i resistori siano identici tra loro e il loro valore sia 1 Ohm.
Nella formula vista precedentemente, notiamo immediatamente come la resistenza vari con la lunghezza. Perciò:
Req = R1 + R2 + R3 + R4 = 4 Ohm
Possiamo trovare la spiegazione nel fatto che io stia sommando la lunghezza di tutti i fili che ho messo in serie.
Una volta quindi che ho stabilito che due resistori sono in serie, basterà sommare (brutalmente) le resistenze.
Collegamento in parallelo di Resistori
Due bipoli si dicono in parallelo quando sono collegati alla stessa tensione.
Qui, ahinoi, non è facilmente intuibile capire quello che succede e potremo spiegarlo magari con la seconda lezione. Non abbiamo ancora visto tutta la teoria per spiegare quello che succede, ma la dimostrazione è facilmente ottenibile. In questo caso, se vi trovate in una situazione del tipo:
[Immagine di mia proprietà, creata usando LTSpice]
La formula diventa:
1/Req = (1/R1)+(1/R2)+(1/R3)+(1/R4)
Come possiamo vedere diventa tutto pieno di reciproci. Il tutto diventa facile da calcolare con le calcolatrici e grazie al pulsante del reciproco (in genere contrassegnato da un pulsante con sopra scritto -1)! Perciò usatelo e dubitate di varie formule che vi presenteranno come salvatempo!
La resistenza equivalente in questo caso sarà Req=0,25 Ohm
Esempio
A questo punto, siete in grado di trovare la resistenza equivalente vista dal generatore di tensione di 5V?
[Immagine di mia proprietà, creata usando LTSpice]
La soluzione la dirò più avanti. Quel triangolino che trovate al fondo del circuito è il riferimento, fate finta che non ci sia. Dal punto di vista scientifico / elettrotecnico, non metterlo rappresenta un "errore".
"Effetto" del Resistore in un circuito
Il resistore segue, all'interno di un circuito, una legge molto semplice.
R=V/I
Ovvero la Resistenza può essere trovata grazie alla tensione tra i suoi terminali diviso la corrente per la quale è attraversata. Questa legge è valida SOLO per il resistore, non fate l'errore di molti e non usatela più avanti per altri componenti. Con questa legge saremo da oggi in grado di trovare, per le reti resistive, tutte le incognite dei problemi che si presenteranno, saremo in grado di calcolare la tensione (data la corrente e la resistenza), la corrente (data la tensione e la resistenza) e la resistenza (data la tensione e la corrente).
Soluzione esempio
Ra ha la stessa tensione di R5, quindi abbiamo un parallelo => 2 Ohm
Questi 2 Ohm ricevono la stessa corrente di R4 => 12 Ohm (chiamiamola Rstella)
R2 ed R3 sono in serie => 12 Ohm (chiamiamola Rpianeta)
Rstella ed Rpianeta sono in parallelo => 6 Ohm (chiamiamola Rluna)
Rluna è in serie con R1 = 10Ohm
La nostra Req (Resistenza equivalente) sarà quindi da 10 Ohm. Se volessimo trovare anche la corrente, sapendo che questo resistore vede solo un generatore di tensione (solo un'altalena) avrà V=5V da cui I=V/Req=0.5A
Spero con questa mia guida, a cui spero ne seguano altre, di aiutare chi sta iniziando con l'elettrotecnica. Spero anche di essere il più accurato possibile, di non avervi confuso troppo le idee e, con il vostro aiuto, spero di fornire dell'ottimo materiale accessibile a tutti.