2. Generatori, Serie e Paralleli

Ogni materiale, in misura diversa, si oppone al flusso degli elettroni al suo interno. I materiali detti cattivi conduttori non permettono lo spostamento di elettroni nemmeno sotto alte tensioni, mentre i buoni conduttori consentono il passaggio della corrente già con piccole differenze di potenziale (D.D.P.). Le continue collisioni tra gli elettroni degli strati più esterni degli atomi determinano una opposizione al regolare flusso della corrente: questa opposizione si chiama RESISTENZA.

I tre parametri fondamentali dei circuiti elettrici sono:

• D.D.P. / Tensione — simbolo E o V, unità di misura: Volt (V)
• Corrente — simbolo I, unità di misura: Ampere (A)
• Resistenza — simbolo R, unità di misura: Ohm (Ω)

La resistenza di un conduttore dipende dal materiale di cui è fatto, dalla sua lunghezza e dalla sua sezione. La formula generale è:

R = ρ × (l / S)

Dove:
  ρ  = resistività del materiale [Ω·mm²/m]  — caratteristica intrinseca, riferita a 20°C
  l  = lunghezza del conduttore [m]
  S  = sezione trasversale del conduttore [mm²]

Di seguito alcuni valori di resistività dei materiali più comuni:

Materiale        ρ [Ω·mm²/m]
Argento          0.016
Rame             0.017
Oro              0.024
Alluminio        0.028
Tungsteno        0.055
Platino          0.100
Ferro            0.130
Acciaio          0.180
Piombo           0.220
Mercurio         0.940
Vetro            10²⁰
Legno            10¹⁸

Esempio pratico: cavo di alluminio, sezione 1 mm², lunghezza 100 m:

R = 0.028 × (100 / 1) = 2.8 Ω

La legge di Ohm è la legge fondamentale dell'elettrotecnica. Essa afferma che la corrente I che circola in un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione V applicata e inversamente proporzionale alla sua resistenza R.

Si applica sempre e ovunque: in corrente continua e alternata, con qualsiasi componente.

Tensione:   V = I × R
Corrente:   I = V / R
Resistenza: R = V / I

Generatore di tensione — dispositivo in grado di mantenere una tensione costante ai propri capi, indipendentemente dal carico collegato e dalla corrente erogata. Esempi comuni: batterie, alimentatori da rete. Il simbolo circuitale è rappresentato da un cerchio con il segno + e −.

Generatore di corrente — dispositivo in grado di erogare una corrente costante indipendentemente dal carico. È meno comune nella vita quotidiana, ma un esempio tipico è il caricabatterie per celle NiMH o NiCd, che mantiene costante la corrente di carica indipendentemente dal livello di carica della batteria.

Definizioni fondamentali:

• Serie: due componenti sono in serie quando sono attraversati dalla stessa corrente.
• Parallelo: due componenti sono in parallelo quando sono sottoposti alla stessa D.D.P.

Generatori in serie e parallelo:

• Serie → le tensioni si sommano (es. due batterie da 12 V → 24 V, 200 Ah)
• Parallelo → la capacità di corrente si somma (es. due batterie da 12 V 200 Ah → 12 V, 400 Ah)
• Serie-Parallelo → si possono combinare entrambi gli effetti (es. 4 batterie da 12 V 200 Ah → 24 V, 400 Ah)

Resistenze in serie e parallelo:

-- Serie (R1 e R2) --
R_serie = R1 + R2

-- Parallelo (R3 e R4) --
R_parallelo = (R3 × R4) / (R3 + R4)
             oppure: 1/R = 1/R3 + 1/R4

-- Circuito misto (R1-R2 in serie, poi in parallelo con R3-R4) --
R_eq = R1 + R2 + (R3 × R4) / (R3 + R4)

La legge di conservazione dell'energia (Lavoisier, XVIII sec.) afferma che "nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma". Questo vale anche in elettricità: la corrente che incontra una resistenza non sparisce, ma si trasforma in calore. Questo fenomeno è l'effetto Joule.

La potenza termica dissipata da una resistenza è calcolata come:

P = V × I       [Watt]
P = R × I²      [Watt]
P = V² / R      [Watt]

L'effetto Joule è il principio di funzionamento di molti dispositivi di uso quotidiano: fornelli elettrici, boiler, stufe elettriche, lampadine a incandescenza.