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Luciano De Menna » 1.Introduzione al Corso


Corso di Introduzione ai Circuiti

Tradizionalmente il corso di Elettrotecnica per gli allievi elettrici ed elettronici fa parte di quel gruppo di corsi che fanno da ponte tra le materie formative in senso lato del primo biennio e quelle, altrettanto formative, ma in maniera più specifica ed applicativa, del successivo triennio del corso di studi in Ingegneria. In questo senso tale corso avrebbe lo specifico compito di partire dall’approfondimento dei principi base trattati in corsi come Fisica, Analisi, Geometria ecc.., e portare l’allievo alla padronanza delle metodologie e tecniche che da questi princìpi producono applicazioni, fino alle soglie dello studio delle stesse applicazioni concrete.

L’Elettrotecnica in particolare ha il compito di approfondire il modello del campo elettromagnetico lentamente variabile, o stazionario, ed il modello circuitale. Sempre più spesso, però, in questi ultimi anni, il corso di Elettrotecnica trova una collocazione, nel curriculum complessivo degli studi, che non consente tale impostazione tradizionale. Talvolta, per esempio, come accade in alcuni Diplomi, il corso viene impartito a valle di un solo corso di Fisica; in tal caso, evidentemente, la trattazione del modello del campo elettromagnetico lentamente variabile, modello che è alla base e giustifica quello circuitale, deve necessariamente essere rimandata ad altro corso.

Testi consigliati

  • Luciano De Menna: Elettrotecnica, ed. Vittorio Pironti, Napoli, 1998 versione stampabile in rete.
  • S. Bobbio, L. De Menna, G. Miano e L. Verolino: Esercizi di Elettrotecnica: Vol. 1, Vol. 2, Vol. 3. ed. CUEN, Napoli, 1998.
  • Appunti dalle Lezioni

Proprio la presenza di questo testo che in modo dettagliato riporta tutti gli argomenti trattati durante le lezioni e, ove necassario, sviluppa tutti i passaggi matematici, mi consente di impostare le lezioni in maniera differente: l’attenzione sarà rivolta a evidenziare gli aspetti fondamentali di ogni argomento, a descrivere le metodologie di approccio dei diversi problemi ed esercizi affrontati, a riassumere e sintetizzare gli argomenti trattati. A conclusione di ogni lezione ci domanderemo che cosa abbiamo imparato nel corso della lezione stessa e cercheremo di prevedere gli sviluppi successivi del corso.

Abitualmente è buona regola, quando si segue un corso, prendere appunti. Si tratta di un modo personale di riassumere e sintetizzare quello che si è appreso durante la lezione ed è, a volte, anche un modo di tener desta l’attenzione; non bisogna correre il rischio però di trasformare gli appunti in un tentativo di riproduzione quasi stenografica di quanto il docente dice con la conseguenza di perdere poi il filo del discorso e di non entrare in sintonia con chi parla. Questo è vero sempre, anche nelle lezioni tradizionali, ma lo è a maggior ragione in questo caso perché, come vi dicevo, il testo riporta fedelmente tutti gli argomenti trattati nel corso e sviluppa diffusamente tutti i passaggi necessari.

I circuiti elettrici

Si tratta di un corso introduttivo alla teoria dei circuiti a parametri concentrati.
Ciò nonostante si prevedono riferimenti e cenni, in gran parte solo qualitativi e intuitivi, ai principali fenomeni elettromagnetici.
Il corso intende fornire agli allievi le metodologie classiche per l’analisi delle reti elettriche lineari in regime stazionario continuo, regime sinusoidale e regime dinamico.

Gli elementi di base di una teoria dei circuiti elettrici possono essere forniti in maniera assiomatica, prescindendo, in qualche modo, dalla loro fondamento elettromagnetico: si danno per assunti alcuni assiomi fondamentali e da questi si derivano tutte le proprietà del sistema così costruito. Questo approccio è anzi da alcuni autori preferito, in quanto presenta il vantaggio di una maggiore sistematicità e organicità. La connessione, però, con i fenomeni fisici che quel modello descrive viene ad allentarsi ed è questo, dal punto di vista didattico e formativo, a nostro avviso, un difetto grave delle impostazioni assiomatiche; tali teorie, invece, sono utilissime in una fase successiva di sistematizzazione della materia.

Cosa serve:
La matematica e la fisica del primo anno di corso.

Cosa impareremo:
Impareremo ad analizzare il funzionamento dei circuiti elettrici.

I fenomeni elettromagnetici

Si potrebbe affermare che i fenomeni elettromagnetici sono tutti quelli che ricadono nel modello descritto dalle equazioni di Maxwell.

Nel 1873 James Clerc Maxwell pubblica la sua opera fondamentale: Treatise on electricity and magnetism.

A noi sembra di grande importanza didattica non rinunciare, in un corso di Elettrotecnica, a fornire quegli elementi di connessione con il vasto campo di fenomeni che vengono detti elettromagnetici, così compiutamente descritto dal modello introdotto, nella seconda metà dell’ottocento, dallo scienziato inglese James Clerk Maxwell e racchiuso nel suo famoso sistema di equazioni.

Per questo motivo si è pensato di realizzare un testo che consenta due possibili letture: il corpo centrale della trattazione è costituito dagli elementi di base della teoria dei circuiti, con brevi richiami di nozioni elementari di elettromagnetismo, là dove strettamente necessari. Alcune appendici poi – opportunamente richiamate nel testo – consentono, a chi abbia acquisito in un corso di Fisica le basi necessarie, di approfondire le connessioni tra teoria elettromagnetica e modello circuitale.

James Clerc Maxwell (1831 – 1879)

James Clerc Maxwell (1831 - 1879)


Le equazioni di Maxwell!

Spero che ricordiate qualcosa dal vostro corso di Fisica II, ma non vi spaventate: il modello circuitale è molto più semplice. Per questo è tanto importante.

Le equazioni di Maxwell in forma integrale

Le equazioni di Maxwell in forma integrale


I fenomeni che rientrano nel modello di Maxwell

La fenomenologia che rientra nel modello descritto dalle equazioni di Maxwell e veramente vastissima.
Nelle slide che seguono, in rapida successione, tali fenomeni, o applicazioni che da essi derivano, vengono ricordati con alcune emblematiche immagini. E naturalmente l’elenco non è esaustivo!

Circuito elettrico tradizionale

Questo, oggi, è archeologia!

Circuito elettrico tradizionale

Circuito elettrico tradizionale


Circuito stampato

Questo è solo vecchio!

Circuito stampato

Circuito stampato


Microprocessore

Ora andiamo meglio: è il cuore di ogni computer.

Microprocessore

Microprocessore


Trasmissione dell’energia

Dal piccolo al grande…

Trasmissione dell’energia

Trasmissione dell'energia


La luce

… al generale. La radiazione luminosa è un’onda elettromagnetica che si propaga nello spazio.

La luce

La luce


E quindi la luce del sole

Anche lui!

La luce del sole

La luce del sole


Uno strano fenomeno elettrostatico

Questo sembra solo uno scherzo, ma ha numerose applicazioni industriali. La ragazzina è su di una piattaforma che è posta a un certo potenziale rispetto a terra. Le cariche sui sui capelli, essendo dello stesso segno si respingono, e con esse i capelli.

Uno strano fenomeno elettrostatico

Uno strano fenomeno elettrostatico


L’aurora boreale

Spettacoli naturali!

Aurora Boreale

Aurora Boreale


I Fulmini

E’ semplicemente una corrente elettrica tra la nuvola e la terra.

Fulmini

Fulmini


Ancora fulmini

Tante correnti!

Fulmini

Fulmini


Una vecchia valvola

Anche questa è archeologia.

Una vecchia valvola

Una vecchia valvola


Transistors

E questa è modernità.

Transistors

Transistors


Un moderno frigorifero

Questo è utile, specialmente d’estate!

Frigorifero

Frigorifero


La radio

Anche questa… a volte!

Radio

Radio

Radio

Radio


La televisione

Per non parlare di questa!

Televisore

Televisore

Televisore

Televisore


Le antenne

Dalle più piccole…

Antenne

Antenne


Le comunicazioni

Alle più grandi!

Antenne

Antenne


Un telescopio (radio)

E a quelle più grandi ancora. Un radiotelescopio per esplorare le galassie lontane.

Radiotelescopio

Radiotelescopio


Un Cellulare

Un oggetto che nel giro di pochi anni ha cambiato il nostro modo di vivere!

Cellulare

Cellulare


O uno della ultimissima generazione

L’ultimo nato che sembra farà ancora di più!

iPhone

iPhone


Propagazione della luce

Ma torniamo alla luce!

Finestra

Finestra


I Raggi X

O Ai raggi X. E’ sempre radiazione elettromagnetica, solo di frequenza diversa!

Radiografia

Radiografia


Lo spettro della luce bianca

A proposito di frequenza: ecco cosa appare se si scompone la luce “bianca” nel suo spettro di frequenze.
Basta un prisma di quarzo.

Spettro

Spettro


Frottage

Tutti questi fenomeni, o applicazioni, trovano la loro spiegazione, o le basi del loro funzionamento, nel modello descritto dalle equazioni di Maxwell.

Tutto è contenuto nelle equazioni di Maxwell. Basta saperlo cercare.

Frottage

Frottage


Sia fatta la luce

Qualcuno ha cercato di descrivere questa enorme complessità affermando che…

And God said:
Let there be light’…
…and there was light!

Anni fa negli Stati Uniti vidi un uomo che indossava una maglietta con su scritto la scritta che vedete. E’ una battuta… ma non tanto. In fondo, se mai c’è stato un atto di creazione… in questo linguaggio ha parlato!

Equazioni di Maxwell

Equazioni di Maxwell


Forma differenziale delle equazioni di Maxwell

Le stesse equazioni di Maxwell possono essere scritte in una forma alternativa, quella differenziale o locale.

La forma differenziale o locale delle equazioni di Maxwell. A volte più trattabile della precedente a volte meno!
Andate a rivedervi le definizioni (intrinseche) di gradiente, divergenza e rotore! Non vi fa male!

Forma differenziale delle equazioni di Maxwell

Forma differenziale delle equazioni di Maxwell


Connessione con la Meccanica

Naturalmente occorre un legame tra i campi E e B (elettrico e d’induzione magnetica) ed il mondo dei fenomeni meccanici! Questo legame è dato dalla legge di Lorentz (nella figura).

Una particella di carica q che si trovi a passare con velocità v in un punto in cui agiscono i campi E e B, è soggetta ad una forza F data dalla formula riportata.

Naturalmente se la particella è libera, si muoverà con un’accelerazione pari a F/m (Legge di Newton della dinamica)!

Formula della Legge di Lorentz

Formula della Legge di Lorentz


I due modelli

E veniamo ai due modelli.

Molti di questi fenomeni, in realtà, possono essere spiegati più agevolmente, con un modello semplificato, detto Modello dei Circuiti.

E’ questo il modello di cui vogliamo parlare in questo corso introduttivo.

Modello dei Circuiti

Modello dei Circuiti


Un corso tecnico scientifico

Un corso tecnico scientifico non dovrebbe essere privo di una parte sperimentale.
In effetti è il metodo scientifico stesso che richiede necessariamente una verifica sperimentale, secondo lo schema indicato a lato.

In questo schema è racchiuso il cuore del metodo scientifico, che a ben guardare non parla della realtà ma solo di un modello della realtà. In questo risiede anche la sua formidabile forza. Se un modello non si trova con i risultati sperimentali, bisogna semplicemente cambiarlo e trovarne uno che comprenda il precedente e, per così dire, lo superi. In questo senso la scienza non sbaglia mai! Al massimo è il modello che è sbagliato.

Schema del metodo scientifico

Schema del metodo scientifico


Laboratorio Virtuale

In un corso a distanza, non disponendo di un laboratorio reale, per la verifica sperimentale dovremo accontentarci di un Laboratorio Virtuale.
Introdurremo in seguito i due principali strumenti di questo Laboratorio.

Questi sono i due strumenti virtuali che useremo per accompagnare le nostre considerazioni teoriche. Fingeremo di fare esperimenti e vi assicuro che questi strumenti “fingono” molto bene!

Multimetro

Multimetro

Oscilloscopio

Oscilloscopio


Riepilogo della lezione

  • Introduzione al Corso;
  • Testi consigliati;
  • Prerequisiti e finalità del corso;
  • Il campo e.m. e le sue manifestazioni;
  • Le Equazioni di Maxwell e la Legge di Lorenz;
  • Il Laboratorio Virtuale

Prossima lezione

Richiami di elettromagnetismo

  • Carica elettrica
  • Legge di Coulomb
  • Legge di Gauss
  • Il campo elettrico
  • Cariche sorgenti e cariche di prova
  • Il Sistema Internazionale di misura (S.I.)

I materiali di supporto della lezione

Luciano De Menna, Elettrotecnica, ed. Vittorio Pironti, Napoli, 1998

S. Bobbio, L. De Menna, G. Miano e L. Verolino, Esercizi di Elettrotecnica: Vol. 1, Vol. 2, Vol. 3., ed. CUEN, Napoli, 1998.

Appunti dalle Lezioni

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