Appunti di fisica: i circuiti

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Introduzione

Questi appunti di Fisica sono volti a fornire all'utente alcuni elementi chiarificatori circa lo studio dei circuiti elettrici. Occorre prima di tutto dare la definizione di corrente elettrica ovvero quel flusso di elettroni che si muove in maniera ordinata, in parole povere è il passaggio di una data carica elettrica in una precisa unità di tempo; ha come unità di misura l'Ampere (A). Affinché si abbia questo flusso di elettroni gli estremi del conduttore devono avere una differente tensione, lo strumento capace di far ciò è il generatore di corrente elettrica. La corrente elettrica nel generatore da origine al circuito elettrico.

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Definizione di circuito

Il circuito elettrico è l'insieme di componenti elettriche soggette a determinati vincoli. Composto da un generatore di corrente elettrica, un apparecchio utilizzatore, un filo e un interruttore solitamente di rame coperto da una guaina di plastica. In un circuito, per convenzione, il verso della corrente è quello che va dal polo positivo al polo negativo.
Dall'interazione di questi elementi, volti a formare un percorso chiuso, sarà possibile far sì che la corrente circoli al suo interno senza soluzione di continuità.

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Leggi di Kirchhoff

Come accade per la stragrande maggioranza delle disciplina, bisognerà partire dalle basi, e nel nostro caso dalle leggi di Kirchhoff. Esse affermano che: "la somma delle correnti che attraversano una superficie è nulla, se la superficie è chiusa"; detto in parole semplici "la somma delle correnti in entrata è pari a quella delle correnti in uscita". In caso di corrente continua, si procederà ad effettuare la somma algebrica, mentre in caso di corrente alternata o discontinua, bisognerà calcolare la somma vettoriale delle varie correnti. Va comunque sottolineato che in ambo i casi, si otterrà come risultato 0, proprio perché si è in presenza di un circuito chiuso.

Sulla base delle leggi di Kirchhoff, si procederà adesso a formulare le equazioni lineari tra la tensione e le correnti che varieranno in base ai collegamenti esistenti tra i circuiti. Sia dato un circuito caratterizzato da R rami ed N nodi. Per ciascun ramo si sceglie il verso positivo per la tensione di ramo e la corrente di ramo. Preso in considerazione in modo arbitrario un nodo come nodo di riferimento del circuito, la Legge di Kirchhoff permette di scrivere R relazioni del tipo linearmente indipendenti che sotto forma di matrice assumono la forma: v= M e, dove v è il vettore delle tensioni di ramo, e è il vettore delle tensioni di nodo ed M è una matrice avente R righe ed (N − 1) colonne.

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Circuiti in serie e in parallelo

Possiamo distinguere due tipologie di circuiti elettrici: in serie e in parallelo. Vediamoli insieme. Si definiscono circuiti in serie quei circuiti nei quali gli utilizzatori sono collegati uno di seguito all'altro in modo tale che solo il primo e l'ultimo siano direttamente collegati alla pila. L'accensione avviene in maniera contemporanea per tutti gli utilizzatori del circuito che vengono attraversati dalla corrente uno dopo l'altro. Se un utilizzatore non dovesse funzionare, la corrente non circolerebbe più e il circuito smetterebbe di funzionare. Per quanto riguarda invece i circuiti in parallelo, si definiscono tali quei circuiti in cui gli utilizzatori sono collegati ciascuno a due punti diversi del conduttore in modo che solo gli estremi del filo conduttore siano in comune. Gli utilizzatori sono indipendenti quindi l'uno dall'altro e se uno non dovesse più funzionare, gli altri continuerebbero a farlo e così tutto il circuito.

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Composizione componente elettrico

Un componente elettrico ideale è caratterizzato da un numero di morsetti, o terminali, variabili. Questo può essere bipolo, se presenta 2 morsetti, tripolo se presenta 3 morsetti, e così via. A ciascun morsetto è associata una corrente che ha un segno, un valore, un verso ben definito e preciso. Ad ogni coppia di morsetti è associata una tensione (lavoro della carica) che ha anche essa un segno, un valore e un verso ben preciso una volta scelto il morsetto di riferimento.

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