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Generatore di tensione e potenza elettrica



Generatore di tensione



Quando un conduttore viene immerso in un campo elettrico , i suoi elettroni liberi si muovono e danno luogo a una corrente. Però questa corrente si interrompe immediatamente perché gli elettroni, spostandosi, creano distribuzioni di cariche indotte agli estremi che annullano il campo elettrico all’interno del conduttore.


Per mantenere un campo elettrico, e quindi una corrente, all’interno del conduttore è necessario rimuovere continuamente queste cariche con l’ausilio di una sorgente di energia esterna che mantenga una differenza di potenziale, cioè una tensione, ai capi del conduttore: stiamo parlando del generatore di tensione.


Un generatore di tensione ha due terminali o poli e mantiene una differenza di potenziale fra di essi, compiendo un lavoro per spostare al suo interno le cariche elettriche in verso opposto a quello in cui fluirebbero spontaneamente.


Generatore ideale di tensione continua



Un generatore ideale di tensione continua è un generatore di tensione che presenta le seguenti proprietà:

  • mantiene costante nel tempo una determinata differenza di potenziale tra i due punti di contatto col circuito (continuità);

  • la differenza di potenziale fra i due terminali del generatore è indipendente dalla corrente che lo attraversa (idealità).


rappresentazione circuitale del generatore ideale di tensione continua




alcuni esempi commerciali di generatori sono le pile stilo, le batterie per le auto, i trasformatori per cellulari



Lavoro di un generatore, forza elettromotrice



Quando i terminali di un generatore di tensione sono connessi fra loro mediante un circuito, ossia mediante una serie di conduttori, si realizza un ciclo continuo caratterizzato da due fasi:

  • la corrente scorre nel circuito dal polo positivo al polo negativo del generatore, cioè verso la zona che ha minore potenziale elettrico;

  • il generatore riporta le cariche nella zona con maggior potenziale elettrico, trasferendole al suo interno dal polo negativo al polo positivo.


Per riportare le cariche positive dal polo - al polo + il generatore di tensione deve compiere un lavoro contro la forza di Coulomb che tende a riportare le cariche spontaneamente dal polo + al polo -.

Il lavoro, o energia, spesa per unità di carica è un parametro importante di ogni generatore di tensione e prende il nome di forza elettromotrice.


La forza elettromotrice (fem), indicata con la lettera , di un generatore è il lavoro necessario per spostare una carica dal polo negativo al polo positivo




e si misura in Joule (J) su Coulomb (C) ovvero Volt (V).



Abbiamo già introdotto il concetto di lavoro per unità di carica nella teoria riguardante il Lavoro e potenziale elettrostatico e l'abbiamo chiamata differenza di potenziale (ddp). Concettualmente, la fem è un caso particolare di ddp applicata ad un circuito chiuso.

Riassumendo, quando analizziamo un generatore di tensione che alimenta un circuito elettrico si parla di fem (spesso indicata anche con le lettere , ) mentre per un resistore attraversato da corrente si parla di ddp.



Potenza elettrica



In generale, se una forza compie un certo lavoro in un intervallo di tempo , possiamo definire la potenza (P) come il lavoro compiuto per unità di tempo dalla forza ossia:




In un circuito elettrico del tipo visto finora vi sono due classi di componenti elettrici:

  • i generatori ideali, di tensione o di corrente, i quali erogano potenza al circuito;

  • gli utilizzatori, ossia i resistori e, come vedremo più avanti, i condensatori e gli induttori, i quali assorbono la potenza erogata dai generatori.


Passiamo quindi ad analizzare la potenza elettrica nei due casi.


Potenza elettrica erogata da un generatore ideale



Nel caso della forza elettrica e di un generatore ideale di tensione caratterizzato da una forza elettromotrice , dalla (1) abbiamo




Dopo un certo intervallo di tempo lungo il tratto di circuito osserveremo uno spostamento di carica ed un conseguente incremento del lavoro eseguito




Dividendo ambo i membri dell'equazione appena descritta per e ricordando che è la definizione di intensità di corrente elettrica otteniamo




Diamo quindi la seguente definizione.


Si definisce potenza elettrica (P) erogata da un generatore ideale di tensione il prodotto della sua fem per la corrente elettrica che lo attraversa




e si misura in Volt per Ampere, ovvero Watt (W).



Esempio

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Potenza elettrica assorbita da un resistore, effetto Joule



Quando agli estremi di un resistore o in generale di un conduttore è applicata una differenza di potenziale, i suoi elettroni si spostano dal polo positivo al polo negativo sottoforma di corrente elettrica. Per effetto del campo elettrico che compie lavoro sugli elettroni, essi acquistano energia cinetica e la trasferiscono durante gli urti agli atomi del reticolo del materiale di cui è composto il resistore.


Questo processo di trasferimento di energia avviene incessantemente a causa dell’elevatissima frequenza con cui gli elettroni urtano gli atomi del conduttore. Il lavoro compiuto dal campo elettrico sugli elettroni viene dissipato all’interno del conduttore e si manifesta a livello macroscopico come energia termica che provoca il riscaldamento del conduttore.


L’effetto di surriscaldamento di un resistore dovuto al passaggio di corrente è noto come effetto Joule.


La quantità di energia termica dissipata per unità di tempo si definisce potenza elettrica assorbita dal resistore.


Dal momento che valgono le stesse considerazioni che ci hanno portato alla (2) l'espressione della potenza non cambia.

Inoltre, applicando le relazioni tra le grandezze della prima legge di Ohm viste nella teoria (Corrente e resistenza elettrica e legge di Ohm), deduciamo quanto segue.


Si definisce potenza elettrica assorbita da un resistore percorso da una corrente i cui estremi sono posti ad una differenza di potenziale la quantità




Valgono inoltre le seguenti relazioni:






Esempio

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redattore del materiale didattico: marco pezzini