Corrente Continua (DC)

Definizione

La corrente continua (CC o DC, dall’inglese Direct Current) è un flusso ordinato e costante di cariche elettriche che si muovono sempre nella stessa direzione all’interno di un conduttore. Gli elettroni, quando sottoposti a una forza esterna (f.e.m. - forza elettromotrice), si spostano dal polo negativo al polo positivo, generando così la corrente.

Generazione della Corrente Continua

La forza elettromotrice può essere generata in diversi modi, ad esempio tramite pile, dinamo o pannelli solari. Questi dispositivi sono detti generatori di f.e.m. continua.

La pila di Volta

Alessandro Volta, nel XVIII secolo, inventò la pila elettrochimica, il primo generatore di corrente continua stabile. La pila era composta da dischi di rame e zinco separati da cartone imbevuto di soluzione acida. Collegando più “pile elementari” in serie si otteneva una tensione maggiore.

In onore di Volta, l’unità di misura della tensione è chiamata Volt (V).

In sintesi

• La corrente continua scorre sempre nella stessa direzione.
• È prodotta da generatori come pile, dinamo e pannelli solari.
• La pila di Volta è stato il primo esempio pratico di generatore di corrente continua.
• L’unità di misura della tensione è il Volt (V).

Corrente Alternata (AC)

Definizione

Una grandezza si definisce alternata quando è una funzione periodica nel tempo, cioè la sua ampiezza varia in modo tale da riprendere, dopo lo stesso intervallo di tempo (periodo T), il medesimo valore.

Nel caso della corrente alternata (AC), la tensione o la corrente cambiano direzione e valore in modo sinusoidale nel tempo. La forma d’onda più comune è quella sinusoidale, ma esistono anche altre forme (quadra, triangolare, a dente di sega, ecc.).

Caratteristiche principali:

• Ampiezza: valore massimo raggiunto dalla grandezza (es. tensione).
• Periodo (T): intervallo di tempo necessario per completare un ciclo.
• Frequenza: numero di cicli al secondo (Hz).

La corrente alternata è fondamentale per la distribuzione dell’energia elettrica, grazie alla facilità con cui può essere trasformata di valore tramite i trasformatori.

Parametri caratteristici della Corrente Alternata

Frequenza

La frequenza indica il numero di cicli completi che si ripetono in un secondo e si misura in Hertz (Hz). Il periodo (T) è il tempo necessario per completare un ciclo e la frequenza si calcola come f = 1/T. I multipli più comuni sono kHz (kilohertz), MHz (megahertz) e GHz (gigahertz).

Durante un ciclo, la tensione parte da zero, raggiunge il valore massimo positivo, torna a zero, raggiunge il valore massimo negativo e infine ritorna a zero.

Armoniche

Le armoniche sono frequenze che sono multipli interi della frequenza fondamentale di un’onda. In un segnale reale, oltre alla frequenza principale, possono essere presenti armoniche che ne modificano la forma d’onda. L’analisi delle armoniche è importante per comprendere la qualità e la composizione dei segnali elettrici.

Ampiezza della Corrente Alternata

L’ampiezza rappresenta il valore massimo raggiunto dalla sinusoide in una semionda, chiamato anche $V_{M}$ (valore massimo). Se la semionda è positiva si parla di $V_{M}$ positivo, se negativa di $V_{M}$ negativo.

Modi di esprimere l’ampiezza:

• Valore Picco-Picco ($V_{pp}$): Somma dei valori assoluti massimo positivo e massimo negativo della sinusoide.
• Valore efficace ($V_{eff}$ o RMS): Radice quadrata della media dei quadrati dei valori istantanei. È il valore che produrrebbe lo stesso effetto termico di una corrente continua equivalente. Per una sinusoide:
  $V_{eff} = 0,707 \cdot V_{M}$ oppure $V_{M} = 1,41 \cdot V_{eff}$
• Valore medio ($V_{m}$): Media di tutti i valori istantanei in una semionda.

Calcolo del valore efficace (RMS)

Il valore efficace ($V_{eff}$) di una tensione alternata sinusoidale si ottiene dividendo il valore massimo ($V_{M}$) per la radice quadrata di 2:

$$ V_{eff} = \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot V_{M} \approx 0,707 \cdot V_{M} $$

Viceversa, il valore massimo si ricava dal valore efficace:

$$ V_{M} = 1,414 \cdot V_{eff} $$

Il valore efficace rappresenta la tensione continua equivalente che produrrebbe lo stesso effetto termico della tensione alternata.

Queste relazioni sono fondamentali per confrontare grandezze alternate e continue nei circuiti elettrici.

Valore medio e fase della sinusoide

• Valore medio ($V_m$): Il valore medio di una semionda si calcola come $V_m = 0,636 \cdot V_M$, dove $V_M$ è il valore massimo.

• Fase: La fase rappresenta la frazione di periodo $T$ già trascorsa nell’istante in cui si considera l’onda ($t=0$). Se in un circuito sono presenti solo resistenze, corrente e tensione sono in fase; con condensatori o induttanze, possono essere sfasate.

  La fase si può rappresentare graficamente su un cerchio, dove il diametro corrisponde all’ampiezza picco-picco dell’onda. Il raggio ruota in senso antiorario e l’angolo descritto si misura in radianti. La velocità con cui cresce l’angolo è detta pulsazione angolare ($\omega$), calcolata come:

  $$ \omega = 2\pi f $$ dove $f$ è la frequenza dell’onda.

Questi concetti sono fondamentali per comprendere la rappresentazione trigonometrica delle onde sinusoidali e il comportamento nei circuiti AC.

Esempio: Rappresentazione della tensione alternata nel tempo (12V, 50Hz)

Esempio: Sfasamento tra tensione e corrente

Quando in un circuito AC sono presenti condensatori o induttanze, la corrente e la tensione possono essere sfasate. Il grafico mostra due sinusoidi con uno sfasamento di 90° (π/2 radianti):

• Blu: Tensione
• Rosso: Corrente sfasata di 90° (tipico di un circuito con induttanza)

Esempio: Corrente Trifase

La corrente trifase è un sistema di distribuzione dell’energia elettrica che utilizza tre tensioni alternate sfasate di 120° (2π/3 radianti) l’una dall’altra:

• Rosso: Fase 1 (L1)
• Blu: Fase 2 (L2) - sfasata di 120°
• Verde: Fase 3 (L3) - sfasata di 240°

Il sistema trifase è utilizzato per la distribuzione dell’energia elettrica perché permette di trasmettere più potenza con meno conduttori ed è più efficiente per motori elettrici.

Esempio: Armoniche

Le armoniche sono frequenze multiple della frequenza fondamentale. Il grafico mostra:

• Blu: Frequenza fondamentale (50 Hz)
• Verde: Seconda armonica (100 Hz, doppia della fondamentale)
• Rosso: Segnale risultante (somma di fondamentale + armonica)

Esempio: Circuito AC RL

Onde Radio

Relazione tra frequenza e lunghezza d’onda

Nel caso delle onde radio, la relazione tra frequenza (f) e lunghezza d’onda (λ) è data dalla formula:

$$ \lambda = \frac{c}{f} $$

dove:

• $\lambda$ (lambda) = lunghezza d’onda in metri
• $c$ = velocità della luce (circa 300.000.000 m/s o 3 × 10⁸ m/s)
• $f$ = frequenza in Hertz

Esempio: Lunghezza d’onda a 27 MHz (banda CB)

Per una frequenza di 27 MHz (27.000.000 Hz):

$$ \lambda = \frac{300.000.000}{27.000.000} = 11,11 \text{ metri} $$

Il grafico mostra una singola onda completa alla frequenza di 27 MHz:

La lunghezza d’onda di 11,11 metri rappresenta la distanza percorsa dall’onda durante un ciclo completo. Questa è la banda utilizzata dai radioamatori CB (Citizen Band).