Destrezza e confidenza nei propri mezzi sono un esercito inconquistato
ELETTRONICA
… studiare, studiare ed ancora studiare,
è il solo modo di capire quanto possa
essere grande sia la propria ignoranza!
Massa
kilogrammo
kg
BIPOLI ELETTRICI
PREMESSA
Gli argomenti sono trattati ritenendo verificato quanto segue:
•
il funzionamento dei circuiti verrà considerato in regime
stazionario, ossia supponendo già esauriti eventuali feno-
-meni transitori e quindi con grandezze elettriche che hanno
assunto definitivamente la propria forma d’onda;
•
si considererà la forma d’onda continua delle varie gran-
-dezze elettriche, così come definite nei paragrafi precedenti,
anche se le leggi e i principi introdotti hanno validità generale
Concetto di bipolo elettrico
In generale un sistema elettrico può essere visto come un
insieme di componenti interconnessi tra loro.
Vi sono molti elementi che vengono collegati al resto del siste-
-ma mediante due morsetti, come insegna l’esperienza comune
(apparecchi illuminanti, elettrodomestici, conduttori di collega-
-mento, pile elettriche ecc.).
È quindi possibile definire come bipolo elettrico un componente (o un insieme di componenti
riducibili a uno equivalente) che interagisce col resto del sistema elettrico in due punti
soltanto.
In questi punti si può immaginare che siano posti i morsetti
di collegamento del bipolo, anche se, in realtà, tali morsetti
possono non esserci. I concetti espressi
sono illustrati nelle figure alla tua sinistra.
Ogni bipolo è caratterizzato dalle due seguenti grandezze:
•
la tensione V tra i punti A e B, pari alla d.d.p. elettrico
tra i due punti;
•
la corrente I che circola tra i punti A e B.
Bipolo rappresentante un insieme
di componenti variamente collegati.
Convenzioni di segno
La tensione e la corrente possono essere positive o negative, dove i termini precedenti
assumono i seguenti significati:
•
la tensione è positiva sul morsetto A del bipolo (e quindi negativa
su B) quando un voltmetro, inserito con il suo morsetto “+” nel
punto A, dà una lettura positiva (figura a sinistra); se il voltmetro,
lasciando invariata l’inserzione, fornisce una lettura negativa, vuol
dire che la tensione è positiva in B;
•
la corrente è positiva nel percorso tra A e B all’interno del bipolo
quando un amperometro, inserito con il suo morsetto “+” in cor-
-rispondenza di A, dà una lettura positiva (figura a sinistra); se
l’amperometro, lasciando invariata l’inserzione, fornisce una lettura
negativa, vuol dire che la corrente è positiva nel percorso da B ad A.
Il segno positivo viene indicato sugli schemi con il simbolo “+” per
la tensione e con la freccia per la corrente. A volte si usa la freccia
anche per la tensione.
Significato di tensione
positiva.
Significato di corrente
positiva.
Supponendo di aver stabilito che la tensione è positiva in un punto (A o B), la corrente può
essere entrante o uscente da tale punto. Per l’esatta definizione della caratteristica di un
bipolo, ossia del legame tra la tensione e la corrente, occorre fissare una convenzione di
segno che permetta di definire operativamente i versi della tensione e della corrente del
bipolo, precisando come si intendono misurate queste due grandezze.
Vengono utilizzate le due seguenti convenzioni di segno:
•
convenzione di segno degli utilizzatori(figura 5 a, b): si considera positivo il verso
della corrente quando la stessa, all’interno del bipolo, va dal morsetto positivo a
quello negativo della tensione, ossia entra nel bipolo dal punto con tensione positiva;
•
convenzione di segno dei generatori (figura 6 a, b): si considera positivo il verso
della corrente quando la stessa esce dal bipolo dal morsetto positivo della tensione.
Le due convenzioni di segno indicate possono essere spiegate nel seguente modo: un
generatore è tale in quanto fornisce energia alle cariche elettriche, forzandole all’esterno di
esso dal polo positivo a quello negativo, mentre l’utilizzatore, assorbendo energia elettrica
dal circuito esterno, si comporta in modo opposto.
Figura 5
Figura 6
Convenzione di segno degli utilizzatori.
Convenzione di segno dei generatori.
Caratteristica esterna
Tra la tensione e la corrente di un bipolo esiste in generale una relazione, che può essere
espressa in forma analitica mediante leggi del tipo V = f(I) e I = g(V), ossia assumendo
come variabile indipendente la corrente o la tensione, oppure in forma grafica sul piano
cartesiano.
La curva che indica il legame tensione-corrente viene detta caratteristica esterna del bipolo
(o caratteristica volt-amperometrica).
L’aggettivo “esterna” è significativo: esso indica infatti che il grafico descrive il comporta-
-mento del bipolo verso l’esterno, ossia nei confronti del circuito a cui è collegato, senza
tener conto dei fenomeni che avvengono all’interno del bipolo stesso.
Riguardo la rappresentazione grafica della caratteristica, esistono due diverse modalità:
•
ponendo sull’asse delle ascisse la corrente e su quello delle ordinate la tensione si
rappresenta graficamente la legge V = f(I);
•
ponendo sull’asse delle ascisse la tensione e su quello delle ordinate la corrente si
rappresenta graficamente la legge I = g(V).
Le sottostanti figure mostrano la caratteristica dello stesso bipolo (per ora non specificato)
nei due modi indicati
Caratteristica esterna
di un bipolo nella forma V = f(I)
Caratteristica esterna
di un bipolo nella forma I = g(V)
I due tipi di rappresentazione grafica possono essere usati indifferentemente; nel prosieguo
si utilizzerà prevalentemente il primo tipo.
La forma della caratteristica esterna consente di classificare i bipoli in:
•
bipoli lineari, aventi la caratteristica rappresentabile mediante una retta;
•
bipoli non lineari, il cui comportamento non è rappresentabile tramite una retta.
Sono di tipo lineare i bipoli aventi le caratteristiche indicate nelle soprastanti figure , mentre
la sottostante figura rappresenta la caratteristica di un elemento non lineare (diodo)
Caratteristica esterna di un bipolo non lineare (diodo)
Tensione a vuoto e corrente di cortocircuito
Esaminando la caratteristica esterna di un generico bipolo elettrico è possibile definire
le due seguenti grandezze:
•
tensione a vuoto V0 : è la tensione che si ha ai morsetti del bipolo quando è nulla la
corrente che vi circola, ossia quando il bipolo funziona a vuoto; essa è rappresentata
dal segmento intercettato dalla caratteristica esterna sull’asse della tensione (vedi sot-
-tostante figura)
•
corrente di cortocircuito Icc : è la corrente che si manifesta nel bipolo quando è
nulla la tensione ai morsetti, ossia quando gli stessi sono chiusi in cortocircuito;
graficamente è rappresentata dal segmento intercettato dalla caratteristica esterna
•
sull’asse della corrente
In base ai valori assunti da V0 e Icc i bipoli si dividono in:
•
bipoli passivi (o inerti), quando sia la tensione a vuoto che la corrente di cortocircuito
sono nulle e, di conseguenza, la caratteristica passa per l’origine degli assi;
•
bipoli attivi, quando la tensione a vuoto e la corrente di cortocircuito sono entrambe
diverse da zero e la caratteristica esterna non passa per l’origine degli assi.
In sostanza, come si vedrà meglio in seguito, in un bipolo attivo è possibile avere tensione ai
morsetti anche in assenza di corrente (o corrente in assenza di tensione), mentre nel bipolo
passivo l’annullamento della tensione implica necessariamente anche quello della corrente.
La differenza risulta evidente considerando il comportamento di una batteria elettrica per auto
e di una lampada: nel primo caso aprendo il circuito si annulla la corrente, ma la tensione ai
morsetti rimane (tensione a vuoto), mentre nel secondo l’apertura del circuito determina lo
spegnimento della lampada e l’annullamento anche della tensione
Tensione a vuoto
e corrente di cortocircuito
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