Topologia e circuiti

Elettromagnetismo

L’elettromagnetismo è una branca della fisica che studia il comportamento e le influenze di cariche magnetiche sia tra di loro che con il mondo esterno. È la scienza alla base di tutti i moderni dispositivi elettrici e elettronici e permette di pensare in modo ingegneristico a strumenti che permettano di utilizzare questo tipo di energia ai nostri scopi (muoverci, riscaldarci, illuminazione ecc…).

Quello che manca è la tecnica per poter sfruttare al meglio le conoscenze prese dall'elettromagnetismo. Infatti, da questa scienza fisica si è poi divisa una scienza tecnica (l'elettrotecnica) che costruisce modelli matematici al fine di modellare e sviluppare dei modelli ideali e poi trasformarli in modelli reali, permettendo quindi l'utilizzo della fisica dell'elettromagnetismo in campo ingegneristico e tecnico. Questo accade analizzando i componenti come scatole nere che cambiano e modificano dei fattori.

Gli scopi del corso sono quelli di prevedere come si comporta un circuito e poi poterne ideare di nuovi.

Tipi di dispositivi

• Elettrici: Applicazioni dell’energia, generazione, trasporto e usufrutto dell’energia elettrica (esempio generatori, centrali, cablaggio e trasporto di potenza).
• Elettronici: Dispositivi per applicazioni informatiche (computer, telefoni ecc), strumenti per creare e processare informazioni (esempio radio, televisione, telefoni e pc).

Nella realtà si utilizzano dispositivi elettronici per gestire energia elettrica e l'energia elettrica per alimentare dispositivi elettronici, rendendo quindi le due branche strettamente interconnesse tra loro. Esistono anche applicazioni più nuove di elettronica e elettricità come pannelli solari e auto elettriche, per la medicina ecc...

Teoria dei circuiti concentrati

La teoria dei circuiti concentrati è ricavata dalle equazioni di Maxwell che sono alla base dell'elettromagnetismo. Questa teoria ha però dei limiti, infatti questo non entra direttamente nel circuito fisicamente ma vediamo i vari componenti come se fossero scatole nere senza interessarci di cosa avviene al loro interno. Per poter trovare i limiti della teoria, bisognerebbe vedere il tempo di transito (il tempo che ci mette l’elettrone a passare da una parte all’altra del componente) dell’elettrone: infatti se il tempo di transito dell’elettrone è molto minore del tempo che ci mette il dispositivo a variare il suo effetto nel sistema, allora il circuito si può considerare a parametri concentrati.

Noi possiamo dire che se il tempo di transito è molto piccolo rispetto all'intervallo possiamo considerare la corrente entrante e uscente uguale e usare la teoria dei parametri concentrati al posto delle leggi di Maxwell.

Carica elettrica

La carica elettrica è una grandezza fisica fondamentale ed è quella che genera la forza di attrazione o di repulsione tra due corpi caricati elettricamente, rispettando la legge di Coulomb. Le cariche possono avere segni opposti (+ e -) e la carica fondamentale presa in considerazione è la carica degli elettroni (carica convenzionalmente negativa). In caso di cariche di stesso segno, esse si respingono mentre le cariche di segno opposto si attraggono. La carica elettrica ha come unità di misura il Coulomb. Un Coulomb è circa uguale a 6.24 x 10¹⁸.

Attenzione: la carica elettrica non si crea e non si distrugge ma circola all’interno del circuito (cioè gli elettroni si muovono lungo le varie componenti e i cavi).

Corrente elettrica

La corrente elettrica è definita come la quantità di carica che attraversa una determinata superficie in un determinato periodo di tempo. Convenzionalmente, nonostante sia fisicamente sbagliato, il verso della corrente è determinato dal "movimento" delle cariche positive. (Fisicamente sbagliato perché a muoversi come corrente sono gli elettroni all’interno del materiale e non i nuclei degli atomi).

La corrente elettrica si misura in Ampere (C/s) tramite un Amperometro. Tipicamente, questo movimento di elettroni avviene nei metalli grazie alle bande di elettroni di conduzione esistenti a livello atomico.