1.

Introduzione

Circuito elettrico Catena di elementi conduttori connessi in vario modo, attraversati da una corrente elettrica, generalmente alimentata da uno dei componenti detto generatore. Un circuito si dice chiuso se la catena di conduttori non presenta interruzioni e consente il flusso della corrente elettrica; si dice aperto se presenta un’interruzione che impedisce il flusso della corrente.

In un circuito elettrico, il generatore mette a disposizione dell’energia che viene poi impiegata dai singoli componenti per svolgere specifiche funzioni. Un esempio di circuito è quello costituito da una centrale elettrica (il generatore), dalle linee ad alta tensione che distribuiscono la corrente a un centro abitato, e da tutto il complesso di apparecchi, elettrodomestici, dispositivi di uso domestico e industriale che funzionano grazie ad essa.

L’analisi fisica del comportamento di un circuito elettrico prevede che ogni elemento venga contrassegnato con un parametro specifico, che rende conto delle sue caratteristiche fisiche dominanti (resistenza, se si tratta di un elemento essenzialmente resistivo, capacità, se si tratta di un elemento capacitivo, induttanza, se prevale in esso l’effetto induttivo); queste grandezze vengono quindi messe in relazione mediante l’applicazione di leggi e principi di validità generale, come le leggi di Kirchhoff, i principi di conservazione e le leggi di Ohm.

2.

Componenti di un circuito elettrico

Esistono diversi tipi di componenti circuitali, ciascuno con caratteristiche e funzioni specifiche. Un primo criterio di classificazione consiste nel suddividerli in componenti attivi e componenti passivi. Fanno parte della prima categoria soltanto i generatori: la loro funzione è quella di mantenere la differenza di potenziale ai capi del circuito, per garantire il flusso della corrente elettrica. Senza un generatore, la differenza di potenziale iniziale che attiva la corrente verrebbe in breve tempo colmata, rendendo impossibile l’ulteriore funzionamento del circuito e dei suoi componenti. Sono esempi di generatori elettrici la pila (che sfrutta l’energia chimica delle reazioni che avvengono al suo interno per mantenere la differenza di potenziale nel circuito) e la dinamo (che sfrutta effetti magnetici per produrre corrente continua).

Tutti gli altri elementi di un circuito sono da considerarsi passivi, poiché non producono energia elettrica come il generatore, ma la impiegano per eseguire funzioni specifiche. Si chiama resistore qualunque elemento passivo del circuito che opponga resistenza al passaggio della corrente, secondo quanto prescritto dalla prima legge di Ohm. Anche solo un tratto del filo conduttore di un circuito può essere considerato un resistore: mentre fluiscono al suo interno, gli elettroni di conduzione trovano ostacolo al loro moto negli urti con gli ioni fissi del reticolo cristallino; questo effetto che si oppone al fluire della corrente viene appunto quantificato dal parametro chiamato resistenza. Altri esempi di resistori sono il filamento di una lampadina o la resistenza di un asciugacapelli.

Il condensatore è un altro elemento passivo di un circuito, costituito da una coppia di conduttori affacciati detti armature, separati da un mezzo dielettrico opportuno. La sua funzione è quella di accumulare carica elettrica sulle armature e, quindi, di immagazzinare parte dell’energia elettrica erogata dal generatore. Il parametro caratteristico che quantifica la capacità del condensatore di immagazzinare carica elettrica si chiama appunto capacità, ed è definita come il rapporto tra la quantità di carica accumulata sulle armature e la tensione applicata ai capi del condensatore.

Si chiama induttore, infine, un elemento del circuito in cui prevale, fra tutti, l’effetto induttivo, vale a dire la tendenza a farsi attraversare da una corrente di verso opposto a quella circolante nel circuito, secondo le leggi dell’induzione elettromagnetica. Il parametro che quantifica questo effetto prende il nome di induttanza.

3.

Collegamenti tra elementi di un circuito

I diversi elementi del circuito possono essere connessi l’uno all’altro in due modi: in serie o in parallelo. Il collegamento in serie consiste in una connessione continua, che non crea diramazioni: due conduttori connessi in questo modo sono attraversati dalla stessa intensità di corrente e hanno una differenza di potenziale complessiva data dalla somma delle singole differenze di potenziale presenti ai capi di ciascun conduttore. Il collegamento in parallelo, invece, consiste nel disporre gli elementi conduttori con le estremità coincidenti, in modo che il circuito presenti una doppia diramazione; in questo caso la corrente elettrica si divide equamente tra i due rami disposti in parallelo, secondo leggi ben determinate, mentre la differenza di potenziale ai capi dei due componenti è la stessa.

In base al tipo di collegamenti realizzati tra i componenti, si creano all’interno del circuito configurazioni diverse. Per identificarle, si parla di “nodo” per indicare un punto del circuito in cui convergono tre o più rami conduttori; si dice “maglia” un percorso chiuso all'interno del circuito; in generale un circuito può contenere più di una maglia.

4.

Le leggi di Kirchhoff

Quando un circuito contiene diramazioni, le correnti e le tensioni si distribuiscono tra i componenti secondo quanto prescritto dalle leggi di Kirchhoff, dal nome del fisico tedesco Gustav Robert Kirchhoff che le formulò. La prima legge, conseguenza del principio di conservazione della carica elettrica, afferma che la somma delle correnti che convergono in un nodo del circuito è uguale, in ogni istante, alla somma delle correnti che se ne allontanano. La seconda legge, conseguenza del principio di conservazione dell'energia, afferma che, lungo ogni maglia, la somma algebrica delle tensioni misurate ai capi degli elementi presenti è nulla. L'applicazione delle leggi di Kirchhoff a un circuito permette di determinare il valore delle correnti in esso circolanti e delle tensioni ai capi dei suoi elementi.

5.

La prima legge di Ohm

Una delle principali leggi a cui obbedisce il flusso della corrente in un circuito è la prima legge di Ohm (dal nome del fisico tedesco Georg Ohm che la formulò). Essa afferma che l'intensità della corrente di un circuito realizzato con componenti puramente resistivi è direttamente proporzionale alla tensione fornita dal generatore e inversamente proporzionale alla resistenza complessiva del circuito. In termini algebrici, la legge di Ohm può essere espressa nella formula i = V/R, dove i indica l'intensità di corrente, misurata in ampere, V la tensione ai capi del generatore, espressa in volt, e R la resistenza del circuito, misurata in ohm. La legge di Ohm è valida per qualsiasi circuito elettrico o singolo componente puramente resistivo, sia che in esso circoli corrente continua (DC, dall'inglese direct current), sia corrente alternata (AC, alternated current). Tuttavia, per analizzare circuiti complessi o circuiti in AC contenenti induttori (vedi Induzione elettromagnetica) e/o condensatori, è necessario tenere conto di altre leggi fisiche.

6.

Circuiti in corrente alternata

L'applicazione della legge di Ohm ai circuiti percorsi da correnti alternate è complicata dalla presenza di effetti induttivi e capacitivi: entrambi limitano l'intensità delle correnti e, mentre l'induttanza ritarda i picchi delle correnti alternate rispetto ai picchi delle relative tensioni, la capacità ritarda i picchi delle tensioni rispetto a quelli delle relative correnti. Per valutare il rapporto che intercorre tra l’intensità di corrente che fluisce nel circuito e la tensione applicata, in questo caso, si può ricorrere all’equazione

in cui L rappresenta l'induttanza, C la capacità ed f la frequenza della corrente considerata. La grandezza a denominatore nella frazione è detta impedenza del bipolo o del tratto di circuito in esame (a una data frequenza) ed è generalmente rappresentata con la lettera Z. L'impedenza può essere considerata come una generalizzazione della resistenza per i circuiti percorsi da correnti variabili nel tempo: infatti, se si pone f = 0 (corrente continua), l'impedenza Z si riduce alla semplice resistenza R. Dunque, in generale, la legge di Ohm per qualunque circuito elettrico può essere espressa nella forma i = V/Z.