Nell’ultima puntata, per calcolare tensioni, correnti e amplificazione di corrente di un amplificatore abbiamo utilizzato alcune fondamentali leggi e metodi dell’elettronica: il teorema di Thevenin e di Norton, la legge di Ohm, la resistenza equivalente, il partitore di corrente e il partitore di tensione. In questa nuova puntata, tratteremo la potenza elettrica, la conservazione della potenza e il trasferimento della potenza.
Introduzione - L’Energia elettrica
L’energia elettrica è l’energia generata attraverso la conversione di altre forme di energia, come l'energia meccanica, termica o chimica. L'energia elettrica non ha rivali per molti usi, come l'illuminazione, il funzionamento dei computer, la forza motrice e le applicazioni di intrattenimento. Per altri usi è competitiva, come per molte applicazioni di riscaldamento industriale, cucina, riscaldamento degli ambienti e trazione ferroviaria. L'energia elettrica è caratterizzata dalla corrente (o flusso di cariche elettriche) e dalla tensione (o differenza di potenziale della carica elettrica) per fornire energia. Un dato valore di potenza, esprimibile dalla formula P=V*I e misurabile in Watt, può essere prodotto da qualsiasi combinazione di valori di corrente e tensione. Se la corrente è continua, la carica elettronica procede sempre nella stessa direzione attraverso il dispositivo che riceve alimentazione. Se la corrente è alternata, la carica elettronica si muove alternativamente in una direzione e in quella opposta nel dispositivo e nei conduttori ad esso collegati. Per molte applicazioni, sono adatti entrambi i tipi di corrente, ma la corrente alternata è quella più ampiamente disponibile grazie alla maggiore efficienza con cui può essere generata e distribuita. Per alcune applicazioni industriali, come i processi galvanici ed elettrometallurgici e per la maggior parte dei dispositivi elettronici, è necessaria una corrente continua.
La produzione e distribuzione su larga scala dell'energia elettrica è stata resa possibile dallo sviluppo del generatore elettrico, un dispositivo che funziona sulla base del principio di induzione di Faraday. L'energia elettrica generata in una centrale elettrica viene trasmessa ai punti di consegna alla rinfusa, o tramite sottostazioni elettriche, da cui viene distribuita ai consumatori. La trasmissione avviene tramite un'ampia rete di linee elettriche ad alta tensione, compresi cavi aerei, cavi sotterranei e sottomarini. Quando si trasmette corrente alternata su lunghe distanze sono necessarie tensioni superiori a quelle adatte per i generatori delle centrali elettriche per ridurre le perdite di potenza derivanti dalla resistenza delle linee di trasmissione. Nella stazione di generazione vengono impiegati trasformatori elevatori per aumentare la tensione di trasmissione. Nelle sottostazioni, altri trasformatori riducono la tensione a livelli adatti ai sistemi di distribuzione.
La potenza elettrica nei circuiti
Abbiamo già accennato prima, che la potenza elettrica è il prodotto della tensione applicata ad un dispositivo per la corrente che fluisce nel dispositivo, la cui unità di misura è il Watt:
P = V*I (Watt)
Ora, con un esempio, vediamo i vari aspetti applicativi della potenza in un qualsiasi dispositivo che mostriamo nella Figura 1.
I due schemi “a” e “b” di Figura 1 sono identici: sono costituiti da un blocco rettangolare rappresentante con la lettera “D” qualsiasi dispositivo in grado di erogare o assorbire potenza, un bipolo di qualsiasi tipo anch’esso in grado di erogare o assorbire potenza, l’unica differenza tra i due schemi è il verso della corrente I fluente nel bipolo e nel dispositivo “D”. Nello schema “a” di Figura 1, il verso della corrente è entrante nel polo positivo del bipolo, pertanto i versi della corrente e della tensione sono coordinati. In questo modo, la potenza è positiva (P>0), ossia la potenza (l’energia) viene assorbita dal bipolo:
P = V*I
Nello schema “b” di Figura 1, il verso della corrente è entrante nel polo negativo del bipolo, pertanto i versi della corrente e della tensione sono discordi, quindi la potenza è negativa (P<0), ossia la potenza viene erogata dal bipolo:
P = -V*I
In ambedue i casi, l’energia erogata/assorbita dal dispositivo “D” viene assorbita/erogata dal bipolo, infatti il principio di conservazione dell’energia afferma che la quantità di energia presente in un sistema si mantiene invariata, ovvero non si crea nè si distrugge, ma può trasformarsi in altre forme.
Ricapitolando, in sintesi, se P>0, la potenza ceduta dal dispositivo “D” viene assorbita dal bipolo, mentre se P<0, la potenza viene ceduta dal bipolo al dispositivo “D” che assorbe potenza dal bipolo.
Facciamo un semplice esempio di calcolo della potenza di un sistema di bipoli con il circuito di Figura 2.
Il circuito è costituito da un qualsiasi dispositivo “D” i cui due terminali sono collegati ad una rete di bipoli in serie. Considerando il verso della corrente e della tensione ai capi dei bipoli, vogliamo calcolare la potenza di ogni bipolo e la potenza totale risultante ipotizzando un valore della corrente I=3 A e tensioni V1=3 V, V2=2 V, V3=4 V.
Nel bipolo 1 la corrente entra nel morsetto negativo, quindi la potenza è negativa, questo bipolo eroga potenza:
P1=-V1*I=-3*3=-9 W
Nei bipoli 2 e 3 la corrente entra nel morsetto positivo, quindi la potenza è positiva, questi bipoli assorbono potenza:
P2=V2*I=2*3=6 W
P3=V3*I=4*3=12 W
La potenza complessiva nel sistema di bipoli è la somma algebrica delle potenze:
PT=P1+P2+P3=-9+6+12=9 W
Questo risultato indica che il sistema costituito dai tre bipoli assorbe potenza dal dispositivo “D” ad esso collegato che a sua volta eroga la stessa potenza.
In sostanza, si ha:
PD<0 e PT>0 da cui:
PD+PT=0
Conservazione della potenza
La relazione che abbiamo ottenuto nell’esempio precedente ci conduce alla definizione del principio di conservazione della potenza.
Il principio di conservazione dell’energia che abbiamo accennato nell’introduzione è applicabile anche alla conservazione della potenza:
In un sistema costituito da due dispositivi, la somma della potenza erogata da un dispositivo è uguale alla somma della potenza assorbita dall’altro dispositivo.
Questa definizione è dimostrata dall’esempio di schema mostrato in Figura 3 in cui sono collegati in parallelo due dispositivi, D1 e D2, che hanno la stessa tensione ai loro terminali.
Quindi, considerando il verso della corrente I e della tensione V, si può osservare che la corrente entra nel dispositivo D1 dal polo positivo con verso concorde a quello della tensione, pertanto si ha la seguente relazione:
PD1=V*I
Dunque, la potenza PD1>0 indica che il dispositivo D1 assorbe potenza.
D’altra parte, la corrente esce dal dispositivo D2 e quindi ha verso discorde dal verso della tensione, di conseguenza si ha la relazione seguente:
PD2=-V*I
In questo caso, la potenza PD2<0 significa che il dispositivo D2 eroga potenza.
In conclusione, tornando alla definizione di conservazione della potenza, la somma della potenza assorbita dal dispositivo D1 e della potenza erogata dal dispositivo D2 deve essere nulla, ovvero:
PD1+PD2=0
infatti
PD1+(-PD2)=0
Per quanto sopra dimostrato possiamo dire che:
La somma algebrica delle potenze di tutti gli elementi di un circuito è nulla.
Dobbiamo anche evidenziare che il principio di conservazione della potenza deriva dalle leggi di Kirchhoff delle tensioni (LKV) e delle correnti (LKC), come dimostreremo con il prossimo esempio di cui in Figura 4 mostriamo lo schema elettrico di un circuito costituito da tre bipoli in serie e due in parallelo. Di questo circuito, calcoleremo le potenze di ogni bipolo utilizzando le leggi di Kirchhoff.
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