Gli ingegneri elettrici usano l’elettricità per realizzare compiti utili progettando circuiti in cui tensioni e correnti sono controllate, modificate e utilizzate da una varietà di componenti diversi. Queste tensioni e correnti, però, rappresentano energia: un circuito è un sistema energetico in cui la tensione funziona come energia potenziale e la corrente è simile all’energia cinetica. I componenti che incorporiamo nei circuiti elettrici non possono controllare e utilizzare l’energia elettrica a meno che qualcosa non stia anche generando energia elettrica, ed è per questo che i circuiti hanno fonti di tensione e fonti di corrente. Chiamiamo questi elementi sorgenti perché forniscono a un circuito l’energia elettrica necessaria per una corretta funzionalità.
Caratteristiche delle sorgenti di tensione
Una sorgente di tensione genera una differenza di potenziale tra i suoi due terminali. Quando questi due terminali sono uniti a una rete di componenti interconnessi che formano un percorso conduttivo continuo, la corrente scorrerà.
I circuiti elettrici semplici spesso consistono in una fonte di tensione collegata a pochi componenti. In queste situazioni, il terminale negativo della sorgente viene interpretato come il nodo di riferimento a zero volt, e di conseguenza il nodo collegato al terminale positivo della sorgente avrà una tensione pari al valore della sorgente.
Tuttavia, è importante tenere presente che le fonti di tensione possono occupare varie posizioni all’interno di una rete elettrica, e di conseguenza, il terminale negativo non sarà sempre a 0 V. Per esempio:
Quindi, il valore della sorgente non indica sempre la tensione al terminale positivo; piuttosto, il valore della sorgente indica la differenza di tensione tra il terminale negativo della sorgente e quello positivo.
Unità
Il valore di una sorgente di tensione è la differenza di potenziale generata tra i due terminali della sorgente, e di conseguenza, il valore è riportato in volt. Un volt è uguale a un joule per coulomb. Quindi, la tensione indica la quantità di energia potenziale per coulomb di carica elettrica. Per mettere questo in termini pratici, se una sorgente da 5 V e una da 10 V sono collegate a due circuiti identici, la sorgente da 10 V spinge la carica elettrica con il doppio dell’energia e di conseguenza produrrà il doppio della corrente.
Fonti di tensione ideali
Quando il simbolo di una sorgente di tensione appare in uno schema, rappresenta una sorgente di tensione ideale. Con “ideale” intendiamo che la tensione generata dalla sorgente non fluttua mai e non è influenzata dalla quantità di corrente assorbita dal circuito. Le sorgenti di tensione della vita reale non sono mai ideali.
Spesso questa differenza tra teoria e realtà non ha effetti significativi sul funzionamento del circuito e può, quindi, essere ignorata. A volte, però, abbiamo bisogno di introdurre elementi circuitali aggiuntivi per tenere conto delle caratteristiche non ideali delle sorgenti di tensione della vita reale.
Caratteristiche delle sorgenti di corrente
Una sorgente di corrente stabilisce una quantità specifica di corrente elettrica in una porzione di un circuito. Il valore della sorgente di corrente è la grandezza del flusso di corrente creato dalla sorgente, e il simbolo include una freccia per indicare la direzione della corrente.
Quando si vede una sorgente di corrente in uno schema di circuito, si sa che il percorso conduttivo collegato alla sorgente di corrente avrà un flusso di corrente uguale al valore della sorgente. Se questo percorso si separa in più rami, come mostrato nello schema qui sotto, è necessario eseguire l’analisi del circuito per determinare la proporzione della corrente della sorgente che viene consegnata a ciascun ramo.
Unità
Il valore di una sorgente di corrente è riportato in ampere. Questa unità ci dice la velocità con cui la carica elettrica scorre attraverso un dato punto di un circuito. Se misuriamo una corrente di un ampere, sappiamo che un coulomb di carica passa per qualsiasi punto del ramo misurato ogni secondo.
Fonti di corrente ideali
Una fonte di corrente ideale genera sempre la sua esatta corrente nominale e non è influenzata dalle caratteristiche del circuito a cui è collegata. Le fonti di corrente reali, come le fonti di tensione reali, non sono ideali e devono essere rappresentate da una fonte ideale insieme ad almeno un componente aggiuntivo.
Esempi di sorgenti di tensione e di corrente
Quando analizziamo e progettiamo circuiti di base, vediamo sorgenti di tensione molto più frequentemente delle sorgenti di corrente perché i sistemi elettronici sono solitamente alimentati da batterie o da alimentatori regolati in corrente continua, ed entrambi funzionano come sorgenti di tensione.
Non vediamo tipicamente le sorgenti di corrente come il fornitore primario di energia elettrica di un circuito. Sono più comunemente un mezzo per catturare il comportamento dei componenti del circuito come i diodi e i transistor sensibili alla luce. Un’eccezione è la cella fotovoltaica, che è modellata come una fonte di corrente (insieme a pochi altri componenti) e può funzionare come fonte primaria di energia per un circuito alimentato ad energia solare.
Conclusione
Questa breve discussione sulle fonti di tensione e corrente vi ha dato alcune informazioni di base su questi due mezzi fondamentali per introdurre energia elettrica in un circuito. Nei prossimi video tutorial vedremo la differenza tra fonti dipendenti e fonti indipendenti e la relazione tra fonti di tensione a corrente alternata (AC) e fonti di tensione a corrente continua (DC).