Ingegneria Meccanica - Elettriche Applicazioni Industriali

Introduzione

• L'energia è una grandezza universale necessaria alla vita di ogni organismo o alla funzionalità di ogni oggetto costruito per compiere un determinato lavoro.
• Esistono diverse forme di una sola energia e ci sono metodi per calcolarne la quantità.
• Si può effettuare una sua conversione tramite processi in cui è in parte degradata in forma termica.
• Il principio di conservazione dell'energia regola tutti i fenomeni conosciuti.

Utilizzo dell'energia elettrica

• La distribuzione capillare dei grandi quantitativi di energia richiesti dalle diverse attività produttive trova la massima convenienza tecnica ed economica nella possibilità di trasportare a distanza l'energia elettrica mediante degli impianti denominati elettrodotti.
• Negli impianti di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica, un ruolo fondamentale è svolto dal trasformatore elettrico, macchina che consente di adeguare alle funzioni dell'impianto le grandezze elettriche (tensione e corrente) che determinano la potenza elettrica trasmessa.

Percorso dell'energia elettrica

• Generazione: conversione della forma primaria di partenza in energia elettrica, che avviene nelle centrali elettriche.
• Trasmissione: avviene con gli elettrodotti, che trasportano l'energia dagli impianti di generazione ai centri di carico.
• Distribuzione: suddivisa in distribuzione primaria (trasporto dell'energia dagli elettrodotti ai centri di carico) e distribuzione secondaria (trasporto dell'energia verso le utenze finali).

Grandezze alternate

• Una forma d'onda è la rappresentazione di come una grandezza fisica A vary nel tempo t.
• Le grandezze fisiche possono essere classificate in aperiodiche e periodiche.
• Le grandezze periodiche sono quelle il cui andamento della funzione d'onda A(t) è regolare e si ripete dopo un periodo T.

Parametri delle grandezze periodiche

• Frequenza f: inverso del periodo T, si misura in Hertz [Hz].
• Pulsazione ω: concettualmente associabile ad una velocità angolare, definita come il prodotto dell'angolo giro in radianti [rad] con la frequenza f, si misura in radianti al secondo [rad/s].
• Posizione angolare ϑ(t): definita come il prodotto tra la pulsazione ω e il tempo t, si misura in radianti [rad].

Valori tipici delle grandezze periodiche

• Valore medio Aave: associabile alla sua media integrale, si calcola mediante la formula: Aave = (1/T) ∫[A(t)dt] da 0 a T.### Grandezze elettriche e magnetiche
• Il valore efficace Arms di una grandezza elettrica alternata è fondamentale per comprendere fenomeni fisici tipici del comportamento delle grandezze elettriche.
  • Se A(ϑ) è una grandezza costante rispetto alla posizione angolare ϑ(t), i suoi valori medio ed efficace sono coincidenti (Aave = Arms).
  • Se A(ϑ) è una grandezza alternata, il suo valore medio è nullo (Aave = 0) e può essere espressa con la forma A(ϑ) = AM sin[ϑ(t) + ϕ].
  • Una semi-onda è il ramo di A(t) ove essa assume un determinato segno.

Analisi di Fourier

• Il teorema di Fourier stabilisce che tutte le funzioni periodiche possono essere determinate attraverso la sovrapposizione di un certo numero di segnali sinusoidali di determinate ampiezze e frequenze.
• La serie di Fourier rappresenta una funzione periodica A(ϑ) mediante una combinazione lineare di funzioni goniometriche di ϑ, dette armoniche.

Spettro elettromagnetico

• Lo spettro elettromagnetico indica l'insieme di tutte le possibili frequenze e radiazioni elettromagnetiche.
• Lo spettro elettromagnetico può essere suddiviso in bande di frequenza, dette visibile, ultravioletto, raggi X, raggi gamma, ecc.

Elettricità

• La carica elettrica q è una proprietà fisica fondamentale, legata all'esistenza di particelle quali elettroni e protoni.
• La carica elettrica ha la dimensione fisica del Coulomb [C], pari all'Amperè per il secondo [As].
• Le azioni di mutua interazione tra corpi solidi o particelle sono dovute alle cariche elettriche.

Densità di carica

• La densità di carica ρc(P, t) in un punto P è definita come il limite del rapporto tra la carica netta ∆q e il volume ∆τ che la contiene, per ∆τ tendente a zero.
• La densità superficiale di carica σc(P, t) in un punto P è definita come il limite del rapporto tra la carica netta ∆q e la superficie ∆S che la contiene, per ∆S tendente a zero.

Correnti elettriche

• Le cariche elettriche in grado di compiere spostamenti osservabili a livello macroscopico sono dette cariche libere.
• La corrente elettrica i(t) è una grandezza scalare di carattere integrale, in generale variabile nel tempo e dipendente dalla superficie S e dalla sua orientazione.
• La densità di corrente elettrica J(P, t) è un vettore che rappresenta la corrente i(t) per unità di superficie attraverso la stessa.

Campo di corrente

• La densità di corrente J(P, t) costituisce un campo vettoriale detto campo di corrente.
• Il modulo del campo di corrente ha la dimensione fisica del Coulomb sul secondo per metro quadrato [C/sm2], vale a dire dell'Amperè sul metro quadrato [A/m2].

Corrente nei conduttori filiformi

• Il moto delle cariche elettriche è spesso canalizzato in dei volumi conduttori filiformi.
• La densità di corrente J(P, t) in tali volumi è parallela a un versore tangenziale t̂ che definisce la direzione di percorrenza del conduttore.### Conduttore di Superficie
• La densità di corrente J(P, t̂) è definita come il prodotto dell'intensità di corrente i(t) e del versore normale t̂ che coincide con il riferimento di corrente.
• La sezione del conduttore S è scelta in modo che il versore normale n̂ coincida con il riferimento di corrente t̂.

Legge di Continuità

• La legge di continuità integrale define il flusso di corrente iusc(t) che esce da una superficie chiusa Sc come il cambiamento di carica ∂qusc rispetto al tempo.
• La legge di continuità locale define il campo vettoriale di corrente J(P, t̂) in funzione della densità di carica ρc(P, t) e del tempo.
• Se la densità di carica ρc è costante nel tempo, il campo di corrente J(P, t̂) è solenoidale e ha una divergenza nulla.

Amperometro

• Un amperometro è uno strumento che misura l'intensità di corrente elettrica in un conduttore filiforme.
• L'amperometro ha due morsetti e un visualizzatore che indica l'intensità e il verso della corrente elettrica.

Legge di Coulomb

• La legge di Coulomb definisce la forza elettrica ∆F⃗c(P) che una carica puntiforme q esercita su una carica di prova ∆q.
• La legge di Coulomb è data da: ∆F⃗c(P) = (q∆q)/(4πεrQP²)ûQP

Campo Elettrostatico e Potenziale

• Il campo elettrostatico E⃗c(P) è definito come la forza elettrica per unità di carica.
• Il campo elettrostatico E⃗c(P) è conservativo e può essere espresso come il gradiente di un campo scalare U(P) detto potenziale elettrico.
• Il potenziale elettrico U(P) ha la dimensione fisica del Volt [V] e è un indice della capacità del campo elettrostatico di compiere un lavoro.

Campo Elettrico

• Il campo elettrico E(P, t) è definito come la forza elettrica specifica complessiva che una carica elettrica di prova ∆q sperimenta in un punto P dello spazio.
• Il campo elettrico E(P, t) non è conservativo a meno che non siamo in condizioni elettrostatiche o stazionarie.

Tensione Elettrica

• La tensione elettrica v(t) è definita come l'integrale di linea del campo elettrico E(P, t) lungo un percorso l.
• La tensione elettrica v(t) ha la dimensione fisica del Volt [V] e rappresenta il lavoro elettrico specifico svolto da ogni contributo elementare di forza elettrica.