lezione sulle grandezze elettriche fondamentali: definizioni, unità di misura e relazioni che le legano

Questa lezione introduttiva tratta delle grandezze elettriche fondamentali. Vedremo insieme le loro definizioni, le unità di misura e le relazioni che le legano. Questa conoscenza ci permetterà di esplorare insieme i fenomeni elettrici correlati a queste grandezze, che cosa originano e come interagiscono.

In una lezione troverete una mappa concettuale

GRANDEZZE ELETTRICHE FONDAMENTALI

Carica elettrica

La carica elettrica può essere negativa (elettrone) e può essere positiva; in elettronica, tipicamente, quando si parla di carica positiva s’intende una sorta di “mancanza di elettrone” che crea una lacuna (vuoto o buco). La carica elettrica si misura in Coulomb [C] e la quantità di carica si indica con Q.

Corrente elettrica

Abbiamo presenza di corrente, quando in un conduttore abbiamo cariche elettriche che si spostano nella stessa direzione con moto ordinato. In realtà è quindi un’intensità di corrente, per questo motivo il simbolo è I; si misura in Ampere [A]. Il suo range di valori è molto ampio e varia da pochi microAmpere [uA] in campo elettronico a centinaia o migliaia di Ampere nei grandi impianti industriali.

Viene definita come la quantità di carica che attraversa la sezione di un conduttore in un intervallo di tempo:

  \mathbf{I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}}

Tensione o differenza di potenziale

E’ una grandezza che viene riferita a 2 punti di un conduttore o di un circuito e indica il lavoro impiegato per creare lo spostamento di una carica (1 Coulomb) diviso la carica stessa. Una differenza di potenziale (abbreviata con ddp) o una tensione tra il punto A e il punto B (VAB) crea un passaggio di corrente. Viene indica con la lettera e si misura in Volt [V].

Resistenza elettrica

La resistenza elettrica esprime il legame tra tensione e corrente in un conduttore e rappresenta la proprietà fisica di opporsi al passaggio di corrente. E’ il rapporto tra la tensione V e la corrente I e si misura in Ohm [Ω]

    \mathbf{R = \frac{V}{I}}   (1^ legge di Ohm)

Conduttanza elettrica

La conduttanza è l’inverso della resistenza ed indica, quindi, la proprietà di un conduttore di favorire il passaggio di corrente. Si misura in Siemens [S] che sono praticamente ohm alla meno 1 [-1], ma anche in Ampere al Volt [A/V].

     G = 1/R     oppure    G = I/V

Dalla resistenza e dalla conduttanza derivano altre 2 grandezze legate alle proprietà intrinseche dei materiali: la resistività e la conducibilità (o conduttività).

Resistività

La resistività è una proprietà del materiale (i cui valori si trovano in tabelle) ed esprime la caratteristica di opporsi al passaggio di corrente.  Si indica con la lettera greca rho [ρ] e si misura in ohm per metro [Ω*m] o più comunemente ohm per millimetro quadrato diviso metro [Ω*mm2/m] (il perché sarà più chiaro negli esercizi). Resistenza e resistività sono dunque legate da una relazione di proporzionalità diretta tramite la formula:

\mathbf{R = \rho * \frac{L}{S}} (2° legge di Ohm)

nella quale L è la lunghezza e S la sezione.

Conducibilità elettrica

La conducibilità elettrica rappresenta l’inverso della resistività e, pertanto, la proprietà di un materiale di condurre corrente. Il suo simbolo è sigma [σ] e la sua unità di misura (Ω*cm)-1

       \mathbf{\sigma = \frac{1}{\rho}}

Potenza elettrica

La potenza è una grandezza strettamente legata a tensione e corrente, grandezze elettriche con cui viene messa in relazione per il concetto importantissimo di bilancio energetico. E’ espressa dalla relazione:

     P = V*I

e la sua unità di misura è il Watt [W].

La potenza può essere erogata se il componente è un GENERATORE oppure può essere assorbita o dissipata nel caso il componente sia un UTILIZZATORE (come una resistenza ad esempio).

Energia elettrica

L’energia elettrica è la capacità di produrre lavoro; entrambi si misurano in Joule, il cui simbolo è [J]. Potenza ed energia sono 2 grandezze correlate in quanto la potenza può anche essere definita come il lavoro svolto nell’unità di tempo oppure variazione di energia in un intervallo di tempo. 

\mathbf{\Delta W = \frac{P}{\Delta t}}

Quando si parla di energia in impianti elettrici o industriali si utilizza un’altra unità di misura che è il kilowatt all’ora [kWh].

Per il principio di conservazione dell’energia, in un sistema chiuso, l’energia si conserva e quindi, come la potenza, quella erogata è uguale a quella assorbita. 

MISURA DELLE GRANDEZZE ELETTRICHE

In campo elettronico molto spesso le correnti sono piccole, quindi si utilizzano i sottomultipli degli Ampere. Per quanto riguarda le resistenze, invece, si utilizzano spesso i multipli degli Ohm, poiché generalmente hanno valori elevati. Le tensioni, in genere, sono misurate in Volt o suoi sottomultipli.

Vediamo insieme i multipli e sottomultipli più usati con il loro valore e il loro simbolo.

Multipli

109 Giga [G]
106 Mega [M]
103 Kilo [K]

Sottomultipli

10-3 milli [m]
10-6 micro [u]
10-9 nano [n]
10-12 pico [p]

La misura di tensioni, correnti e resistenze in ambito elettronico viene effettuata con un unico strumento chiamato multimetro o tester

1
concetto di tensione e corrente
15 minuti
2
concetto di potenza ed energia
10 minuti
3
mappa concettuale grandezze elettriche
10 minuti
4
grandezze di maggiore impiego in elettronica ed elettrotecnica
5 minuti
5
Bipoli lineari
5 minuti
6
Bipoli in serie e in parallelo
5 minuti

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iscritti: 16 studenti
durata: 50 minuti
lezioni: 6
video: 1
livello: scuole superiori