Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 8

La precedente puntata “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 7” l’abbiamo dedicata ai circuiti resistivi con esempi teorici e pratici di circuiti costituiti da varie combinazioni di resistori, ovvero resistori in serie e in parallelo, di cui abbiamo visto come realizzare un partitore di tensione e un partitore di corrente e, inoltre, abbiamo spiegato il concetto di resistenza equivalente. Abbiamo anche rivisto la legge di Ohm e le leggi di Kirchhoff delle correnti (LKC) e delle tensioni (LKT) utilizzate nell’analisi dei nodi e delle maglie di varie tipologie di circuiti per calcolarne le tensioni e le correnti. Infine, abbiamo descritto con esercitazioni pratiche di laboratorio come misurare con il multimetro digitale le correnti e le tensioni nei circuiti costituiti da resistori in serie e in parallelo. In questa puntata tratteremo i generatori di tensione e di corrente indipendenti e dipendenti.

Introduzione

Come abbiamo detto nella puntata “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 3”, un generatore di energia elettrica è un dispositivo che non genera elettricità, ossia non produce elettroni, ma ha la proprietà di produrre costantemente una differenza di potenziale fra i suoi due poli positivo e negativo, tale da consentire di mantenere in circolazione gli elettroni liberi in un circuito elettrico consumando energia. Ma allora, ci chiederemo, perché nell’analisi dei circuiti troviamo due tipi di generatori, ossia il generatore di tensione e il generatore di corrente? La distinzione tra i due tipi di generatori è giustificata, in via teorica, dalla specifica proprietà di ognuno dei due generatori, comunque basata sulla definizione generale di generatore elettrico sopra citata. Inoltre, c’è un’altra distinzione da fare riguardo i generatori: generatori ideali, o indipendenti, generatori reali, e generatori dipendenti, o controllati.

Il generatore di tensione ideale

Un generatore di tensione ideale ha la proprietà di mantenere invariata costantemente nel tempo la sua differenza di potenziale (o tensione) fra i suoi due poli per qualsiasi corrente elettrica circolante nel circuito collegato ai suoi poli. In teoria, appunto nel caso ideale, la tensione del generatore di tensione ideale non varia nemmeno se venisse collegato ai suoi poli un resistore con valore di resistenza nulla (come un cortocircuito) che causerebbe una corrente di valore infinito. Infatti, dalla legge di Ohm, per R=0, si avrebbe una corrente calcolata dalla seguente equazione:

I=V/R da cui, sostituendo il valore 0 in R si ha I= V/0 = infinito

Da quanto descritto, il generatore di tensione ideale è un elemento circuitale equivalente ad un elemento di resistenza nulla in quanto, quando è collegato ad un circuito chiuso, la corrente che scorre al suo interno non provoca caduta di tensione. Pertanto, questo concetto si può esprimere affermando che in un generatore di tensione ideale, la tensione ai suoi poli è indipendente dalla corrente. In Figura 1 sono riportati i simboli elettrici del generatore di tensione ideale; a sinistra il simbolo del generatore di tensione ideale e a destra il simbolo della batteria. La batteria, o pila, è un esempio di generatore di tensione ideale utilizzato in pratica; infatti, sappiamo che qualsiasi circuito viene ad essa collegato, ossia qualsiasi corrente circoli nel circuito, la sua tensione non varia, almeno finché la batteria stessa resta carica, dopodiché, esaurendosi, la batteria perde la proprietà di generatore ideale e la tensione ai suoi capi si abbassa per effetto del consumo energetico speso dalla batteria per mantenere la sua differenza di potenziale.

Figura 1: Simboli elettrici del generatore di tensione ideale

Il generatore di tensione reale

In realtà, non esiste un generatore di tensione ideale. Ciò è dovuto alle caratteristiche interne del generatore rappresentate da una resistenza che, nel corrispondente simbolo elettrico del generatore di tensione reale, è collegata in serie al generatore di tensione ideale, come mostrato in Figura 2, in cui Vg è la tensione del generatore di tensione ideale, Rg è la resistenza interna del generatore di tensione reale e V è la tensione, o differenza di potenziale, fra i poli positivo e negativo del generatore reale.

Figura 2: Simbolo elettrico del generatore di tensione reale

Nel caso del generatore di tensione reale, la differenza di potenziale che fa circolare la corrente in un circuito non è la tensione fra i poli del generatore (ideale), bensì è la tensione fra il polo negativo del generatore di tensione ideale e un terminale del resistore non collegato al generatore ideale (o fra il positivo e un terminale del resistore, dato che, essendo in serie, il resistore interno può essere collegato anche al polo negativo). Quindi, a differenza di quanto avviene nel generatore ideale, si può intuire che al passaggio di una qualsiasi corrente avviene una caduta di tensione ai capi del resistore interno Rg e, pertanto, la tensione V applicata al circuito varierà in funzione dell’intensità della corrente fluente nel circuito, ovvero in Rg.

Il generatore di corrente ideale

Un generatore di corrente ideale mantiene costantemente invariata nel tempo la corrente in un circuito per qualsiasi valore del carico applicato ai suoi due poli e quindi per qualsiasi valore di tensione. Questa definizione equivale a dire che il generatore di corrente ideale non dipende dalla tensione che si dispone ai suoi capi, ovvero, seppur la corrente circolante nel carico causi una tensione ai capi del carico, la corrente continua a mantenersi invariata. Nella Figura 3 viene mostrato il simbolo elettrico del generatore di corrente ideale.

Figura 3: Simbolo elettrico del generatore di corrente ideale

La freccia all’interno del simbolo indica il verso di scorrimento della corrente. Se applicassimo ai capi del generatore di corrente ideale un resistore di valore elevatissimo, essendo invariabile la corrente per definizione, ai capi del resistore si disporrebbe una tensione elevatissima, teoricamente con un resistore di valore infinito (∞ è il simbolo di infinito) di resistenza R=∞, si otterrebbe un valore infinito di tensione, come dimostrato dalla legge di Ohm:

V=R*Ig V=∞*Ig=∞

Il generatore di corrente ideale è un elemento circuitale equivalente ad una resistenza di valore infinito (come un circuito aperto) ai cui capi può disporsi qualsiasi tensione. Pertanto, il generatore di corrente ideale è indipendente dalla tensione.

Il generatore di corrente reale

Come il generatore di tensione ideale, anche il generatore di corrente ideale non esiste in pratica. Infatti, in realtà esiste il generatore di corrente reale costituito da un generatore di corrente ideale collegato al suo interno in parallelo ad una resistenza, come mostrato nella Figura 4 in cui Ig è la corrente del generatore ideale, Rg è la resistenza interna e V è la tensione ai capi del generatore reale.

Figura 4: Generatore di corrente reale

Quindi, il generatore di corrente reale è caratterizzato da una resistenza interna in parallelo, nota come resistenza del generatore, in cui può circolare una certa corrente che di conseguenza genera una caduta di tensione ai suoi capi.

[...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2164 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.