Circuiti elettrici

I circuiti elettrici sono assemblamenti di dispositivi elettrici collegati a un generatore di tensione per mezzo di un filo conduttore, con lo scopo di distribuire la corrente elettrica erogata dal generatore alle varie componenti che li costituiscono.

 

A un certo punto del corso sull'elettricità, e in particolare quando abbiamo parlato dei condensatori, abbiamo detto che ci saremmo concentrati sullo studio dei circuiti elettrici (e contestualmente dell'Elettrodinamica). Da allora abbiamo menzionato i circuiti in svariate occasioni: ne abbiamo studiato alcune componenti fondamentali, ne abbiamo parlato di sfuggita, abbiamo visto in cosa consiste la corrente elettrica... Ma non abbiamo ancora trattato i circuiti elettrici nel dettaglio.

 

È quindi un buon momento per proporne una panoramica generale ed elencarne le principali componenti. Come avrete intuito non si tratta di un argomento che può esaurirsi in un'unica lezione. È per questo motivo che abbiamo convenuto di introdurlo progressivamente; ora vogliamo parlarne in termini generali, dopodiché proseguiremo con i nostri studi e collezioneremo tutte le tessere del puzzle. ;)

 

Bando alle chiacchere: vediamo cos'è un circuito elettrico e com'è fatto. Analizziamolo ripassando all'occorrenza le nozioni che già conosciamo, e ribadiamo che nel prosieguo studieremo le componenti e le grandezze che non abbiamo ancora trattato. 

 

Cos'è un circuito elettrico e a come funziona

 

Un modo per far sì che la corrente elettrica possa circolare consiste nel costruire un circuito elettrico.

 

Un circuito elettrico di fatto è un percorso chiuso che permette alle cariche di partire da un estremo, percorrere tutto il circuito fino all'altro estremo, e infine ritornare al punto di partenza in modo da ripetere il percorso. In linea di principio un circuito elettrico non è così diverso da un circuito automobilistico: le vetture partono dal rettilineo dei box e tornano a transitare sullo stesso rettilineo, giro dopo giro.

 

Un circuito elettrico può funzionare essenzialmente in due modalità:

 

- in corrente continua (simbolo (---) oppure DC, dall'inglese Direct Current);

 

- in corrente alternata (simbolo (~) oppure AC, dall'inglese Alternating Current).

 

Della prima sappiamo già molte cose: un circuito a corrente continua è tale quando le cariche si muovono sempre nello stesso verso e con la medesima intensità di corrente, realizzando sostanzialmente un regime di corrente stazionaria.

 

Non abbiamo ancora studiato la seconda modalità, ma per il momento ci basti sapere che un circuito a corrente alternata è tale quando la corrente cambia il proprio verso di percorrenza a intervalli di tempo regolari. A titolo di cronaca la corrente alternata è quella che scaturisce dalle prese di corrente casalinghe, e che attraversa qualsiasi apparecchio che colleghiamo alle prese.

 

Componenti di un circuito elettrico

 

Quando si analizzano i circuiti elettrici non conta solamente capire quali sono le componenti che li costituiscono; è altrettanto importante sapere come si rappresentano o, se preferite, conoscere i simboli dei circuiti elettrici.

 

 

Generatore di tensione

 

Innanzitutto un circuito elettrico non è tale se non dispone di un generatore di tensione. Tale dispositivo infatti è indispensabile per il funzionamento del circuito stesso: senza di esso non può esserci corrente.

 

Il tipo di circuito elettrico più semplice possibile è quindi costituito da un filo conduttore i cui estremi sono collegati a un generatore di tensione. Queste due componenti sono presenti in qualsiasi tipologia di circuito.

 

Poiché gli estremi del filo vengono collegati ai poli del generatore si parla indistintamente di capi del circuito elettrico, di cui uno positivo (+) e l'altro negativo (-). Con riferimento al simbolo del generatore di tensione, alla riga più lunga corrisponde il polo + mentre a quella più corta corrisponde il polo -.

 

Ricordiamo che il verso della corrente elettrica per convenzione è dato dal moto delle cariche positive; la corrente si muove spontaneamente lungo il circuito dal polo + verso il polo -. Ricordiamo inoltre che il generatore di tensione ha il compito di spostare forzatamente le cariche positive dal polo - al polo +; l'effetto è quello di mantenere una differenza di potenziale tra i capi del circuito.

 

A questo proposito è opportuno ricordare che una differenza di potenziale può essere negativa o positiva a seconda dell'ordine con cui si considerano gli estremi, ma nel contesto dei circuiti elettrici la d.d.p. è sempre da intendersi positiva, ossia calcolata dal polo + al polo -

 

\mbox{Generatori nei circuiti}:\ \Delta V=V_+-V_-\geq 0

 

La d.d.p. che un generatore a corrente continua presenta tra i propri poli quando non è collegato a un circuito prende il nome di forza elettromotrice. La fem di un generatore in generale è il massimo valore di differenza di potenziale che esso è in grado di mantenere ai capi di un circuito, e a tal proposito si distingue tra:

 

- generatori di tensione ideali, per i quali la d.d.p. erogata ai capi del circuito è uguale alla fem;

 

\mbox{Generatore ideale}:\ \mbox{fem}=\Delta V

 

 

Generatore di tensione in un circuito elettrico

Simbolo di un generatore di tensione ideale
in un circuito elettrico.

 

 

- generatori di tensione reali, per i quali la d.d.p. erogata ai capi del circuito è inferiore rispetto alla fem

 

\mbox{Generatore reale}:\ \mbox{fem}\geq \Delta V

 

 

Generatore di tensione reale

Simbolo di un generatore di tensione reale
in un circuito elettrico.

 

 

Esistono poi ulteriori tipologie di componenti dei circuiti elettrici con diverse caratteristiche e con diverse finalità, di cui alcune sono a noi già note. Ogni oggetto o elemento che viene collegato a un circuito ha un proprio simbolo particolare con cui viene rappresentato in modo schematico.

 

Utilizzatori (Resistenze)

 

Tutti gli oggetti che possiamo collegare a un circuito in modo che vengano attraversati da corrente, e dunque che possano funzionare, sono chiamati utilizzatori.

 

Una lampadina, un frigorifero o uno smartphone in carica sono esempi di utilizzatori. Ogni utilizzatore è un conduttore che oppone una certa resistenza (R) al passaggio di corrente elettrica, e questa è una delle caratteristiche più importanti nello studio di un circuito.

 

Gli oggetti che oppongono resistenza si chiamano resistori, o per antonomasia resistenze, e vengono rappresentati schematicamente come in figura.

 

 

Resistore in un circuito elettrico

Simbolo di una resistenza
in un circuito elettrico.

 

 

Nelle lezioni successive avremo modo di studiare il concetto di resistenza nel dettaglio.

 

 

Condensatori

 

Altre componenti che si possono collegare a un circuito elettrico sono i condensatori, a noi già noti. I condensatori sono accumulatori di energia caratterizzati da una propria capacità (C).

 

Per caricare un condensatore il generatore deve spostare forzatamente le cariche elettriche sulle sue armature compiendo lavoro elettrico. Questa energia spesa viene accumulata dal condensatore, così da poterla rilasciare in un secondo momento.

 

Ricordiamo che nel contesto dei circuiti quando si parla di carica di un condensatore ci si riferisce sempre alla carica dell'armatura positiva, e dunque che il simbolo Q denota una grandezza non negativa

 

\mbox{Condensatori nei circuiti}:\ Q \geq 0

 

A livello simbolico un condensatore viene rappresentato con due linee parallele e di uguale lunghezza, come un condensatore piano visto di profilo.

 

 

Condensatore in un circuito elettrico

Simbolo di un condensatore
in un circuito elettrico.

 

 

Induttori

 

Un ulteriore tipo di elemento che si può collegare a un circuito è dato dagli induttori, oggetti che riescono a creare una corrente aggiuntiva che si oppone alle variazioni di corrente create dall'esterno.

 

Tali componenti sono caratterizzati da una grandezza chiamata induttanza (L) che sfocia al di là dei confini della semplice elettricità; la studieremo ben più avanti, quando affronteremo il corso sull'Elettromagnetismo.

 

Poiché di norma un induttore è un filo avvolto a spirale, simile a un molla, si indica con il seguente simbolo:

 

 

Induttore in un circuito elettrico

Simbolo di un induttore
in un circuito elettrico.

 

 

Interruttori elettrici

 

Un interruttore elettrico è un elemento circuitale che permette di regolare il passaggio di corrente, consentendolo o interrompendolo nell'intero circuito o in una sua parte (a seconda del suo posizionamento). Un interruttore può trovarsi in due stati diversi: aperto o chiuso.

 

Nel primo caso nel circuito (o nella parte interessata) non circola corrente, e il simbolo di un interruttore aperto è il seguente:

 

 

Interruttore elettrico aperto

Simbolo interruttore aperto.

 

 

Nel secondo caso la corrente può circolare, e il simbolo di un interruttore chiuso è dato da:

 

 

Interruttore elettrico chiuso

Simbolo interruttore chiuso.

 

 

Collegamenti in serie e in parallelo

 

In un circuito diverse componenti di una stessa tipologia (condensatori con condensatori, resistenze con resistenze) possono essere collegate tra loro, in modo da combinarle e sfruttarne determinate caratteristiche. I due possibili collegamenti sono in serie e in parallelo.

 

Fin qui abbiamo già studiato:

 

- i condensatori in serie

 

- i condensatori in parallelo

 

mentre nelle prossime lezioni analizzeremo:

 

- le resistenze in serie

 

- le resistenze in parallelo

 

 

Risoluzione dei circuiti elettrici

 

La rappresentazione di un circuito è fondamentale per studiarne il funzionamento, le proprietà e le caratteristiche. Lo studio di un circuito è un procedimento importante dal punto di vista sia teorico che pratico, e prende il nome di risoluzione dei circuiti elettrici e che consiste di diverse tappe:

 

- risoluzione dei circuiti capacitivi (costituiti da soli condensatori);

 

- risoluzione dei circuiti ohmici (costituiti da sole resistenze);

 

- risoluzione dei circuiti RC (resistenza + condensatore)

 

... e così via.

 

Altre caratteristiche generali dei circuiti elettrici

 

Tra le altre proprietà che è bene tenere a mente, vale la pena di menzionare le seguenti:

 

- i fili che collegano ogni elemento di un circuito a un altro si rappresentano per comodità con angoli e linee rette. Ricordiamoci che i circuiti vengono rappresentati in modo schematico e simbolico, e non devono per forza apparire realistici.

 

- I fili in quanto conduttori avrebbero in teoria una propria resistenza, ma nella maggior parte delle applicazioni e degli esercizi tale resistenza viene considerata trascurabile.

 

- Combinando le varie componenti con variazioni sul numero e sulla disposizione si possono realizzare moltissimi circuiti elettrici diversi tra loro. Di più! Sappiate che qui non abbiamo elencato tutte le possibili componenti di un circuito, ma ci siamo limitati a quelle più rilevanti negli studi superiori e universitari non specializzanti.

 

 


 

La panoramica termina qui. Nella prossima lezione torniamo ad affrontare argomenti più specifici: sarà la volta di resistori, resistenza elettrica e resistività. ;) Se siete in cerca di esercizi risolti, altre lezioni o risposte a eventuali dubbi, vi raccomandiamo come al solito di fare buon uso della barra di ricerca interna.

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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Tags: simboli elettrici dei circuiti - funzionamento di un circuito elettrico - rappresentazione delle componenti dei circuiti elettrici.