Elettrotecnica Anno accademico 2017-2018 Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Canale A-L Elettrotecnica Anno accademico 2017-2018 Prof. Fabio Villone

Informazioni generali Il corso si propone di introdurre i fondamenti della teoria dei circuiti e dell'elettromagnetismo applicato. L’obiettivo formativo è quello di fornire agli allievi metodi e strumenti per analizzare sistemi elettrici ed elettromagnetici semplici, ma di interesse per le applicazioni in ambito meccanico. Il corso vi farà conoscere il mondo dell’ingegneria elettrica: i metodi di base, gli strumenti principali, un cenno alle applicazioni di oggi e di domani, una consapevolezza degli ordini di grandezza Il corso (e quindi l’esame) è fortemente correlato con il corso per il canale M-Z

L’energia elettrica muove il mondo… …di oggi e di domani! Fonti rinnovabili (solare, eolico) Risparmio energetico Superconduttori Auto elettriche e ibride Elettronica di potenza Nanoelettronica Automazione Inquinamento elettromagnetico Fusione termonucleare

Testi consigliati Non c’è un testo di riferimento unico Riferimenti principali: M. de Magistris, G. Miano, “Circuiti”, Springer, Milano, 2007 G. Fabricatore, “Elettrotecnica e applicazioni”, Liguori, Napoli 1994 Dispense on line per gli esercizi S. Falco – L. Verolino: Elementi di Elettrotecnica – Liguori, 2003 Approfondimenti L. O. Chua, C. A. Desoer, E. S. Kuh, “Circuiti lineari e non lineari”, Jackson, 1991 S. Bobbio, E. Gatti, “Elettromagnetismo. Ottica”, Bollati-Boringhieri, 1991. Ulteriori esercizi R.C. Dorf, J.A. Svoboda, “Circuiti Elettrici”, Apogeo, Milano, 2001 C. K. Alexander, M.N.O. Sadiku, Circuiti elettrici, McGraw-Hill Non c’è un testo di riferimento unico Non fidatevi esclusivamente degli appunti! (PowerPoint sarà usato poco rispetto al gesso) Esercitatevi a casa (a lezione mostriamo le tipologie di esercizio; a casa dovete fare pratica) Usate i testi per approfondimenti personali facoltativi che saranno opportunamente segnalati Lezioni on-line (Unicas)

Testi consigliati Non esitate a fare domande a lezione! «L’università fisica continuerà a esistere. Il “campus” non diventerà virtuale. Ma l’insegnamento fatto di lezioni nelle quali il professore parla come un conferenziere è finito. Quelle cose gli studenti le assorbiranno, sempre più, dalle “lecture” disponibili su Internet. Quel tempo va dedicato all’interazione personale tra studenti e docenti: è questa la parte vitale del processo di apprendimento. È quello che cerchiamo di fare a Stanford: siamo nel cuore della rivoluzione tecnologica, moltiplichiamo i corsi orientati all’esperienza nei quali gli studenti sono stimolati a trovare soluzioni e devono affrontare sfide creative» (John Hennessy, Presidente della Stanford University, intervista a “Il Corriere della Sera”, 21 settembre 2014)

Altre informazioni 9 CFU: didattica frontale 70 h (teoria 50 h, esercitazione 20 h) Propedeuticità consigliate: Analisi I, Analisi II, Geometria e algebra, Fisica II Orario di ricevimento: prima o dopo le lezioni (venerdì ore 9-10.30 e 10.30-12.00), previo appuntamento via email (villone@unicas.it) L’esame consta di una prova scritta e una prova orale Prova scritta valutata per fasce (A,B,C,D) L’esito non condiziona il voto complessivo (statisticamente correlato)

… domande? Altrimenti iniziamo! Carica elettrica: concetto dato per noto Campo elettrico  tensione Definizioni ed unità di misura Conservatività Tensione e differenza di potenziale Riferimenti Densità di corrente  corrente Solenoidalità Conduttori filiformi (esempi) Tubo di flusso

Conduttori filiformi “Sottili” Eventualmente raggruppati e/o intrecciati Avvolti da un “isolante”

Circuiti elettrici Dispositivi e circuiti “fisici” (esempi) Teoria dei circuiti: si propone di risolvere i circuiti (che significa?) tramite opportuni modelli matematici Schematizzazione di dispositivi e circuiti “fisici”: bipoli e reti Definizione di bipolo, convenzioni, potenza, energia Definizione di rete

Dispositivi “fisici”

Circuiti “fisici”

Un circuito elementare

La rete corrispondente v4 A B 4 n nodi (n=4)  lati (=5) Risolvere la rete: trovare tensioni e correnti (2 ) Servono equazioni! i4 i1 i3 v5 v1 1 3 v3 5 i5 i2 2 C D v2

Legge di Kirchhoff alle Correnti B 4 i4 i1 i3 i5 1 3 5 i2 2 C D

Legge di Kirchhoff alle Correnti B 4 i4 i1 i3 i5 1 3 5 i2 2 C D

Matrice di incidenza A 4 B 1 5 3 2 C D

Legge di Kirchhoff alle Tensioni v4 A B 4 i4 i1 i3 v5 v1 1 3 v3 5 i5 i2 2 C D v2

Legge di Kirchhoff alle Tensioni v4 A B 4 i4 i1 i3 v5 v1 1 3 v3 5 i5 i2 2 C D v2

Matrice di incidenza maglia-lato  4 B A  1 5 3  2 C D

Albero e coalbero Albero: lati 1,4,5 (n-1) Coalbero: lati 2,3 (- (n-1) ) Scelta non univoca Maglie fondamentali 1 5 3 2 C D

Tensioni e potenziali v4 A B 4 i4 i1 i3 v5 v1 1 3 v3 5 i5 i2 2 C D v2 Matrice di incidenza v2

Correnti e correnti di maglia 4 B A  1 5 3  2 Matrice di incidenza maglia lato ridotta C D

Leggi di Kirchhoff Assiomatiche Topologiche ... ma basate sulla fisica: conservatività del campo elettrico, solenoidalità della densità di corrente Topologiche Possono essere formulate usando il grafo associato alla rete Conservazione delle potenze Conseguenza immediata, che non dipende dalla natura dei bipoli presenti nella rete Non bastano per risolvere una rete! Motivi fisici e matematici

Modello circuitale LKC: LKT: Caratteristiche: 2 equazioni in 2 incognite Proprietà del modello matematico (esistenza ed unicità della soluzione) e metodi di risoluzione dipendono dalla natura delle caratteristiche

Bipoli statici Definizione Proprietà Esempi Passivi/attivi Controllati in tensione e/o corrente Tempo invarianti/varianti Esempi Resistore (lineare), generatori ideali di tensione e di corrente, corto circuito, circuito aperto, interruttore, diodo

Circuiti lineari statici Definizione (e generalizzazione) Modello matematico Matrice di tableau Teorema di esistenza e unicità

Il circuito semplice

Il circuito semplice

Il circuito semplice

Metodo grafico LKC: i1=i2=i LKT: v1=v2=v Caratteristiche: v=Ri, v=E

Un caso patologico

Un caso patologico

Un caso patologico La matrice di tableau non è invertibile!