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Comprensione della resistenza, dell'induttanza e della capacità nei circuiti elettrici

Questa guida spiega chiaramente le tre proprietà principali che controllano il modo in cui l'elettricità scorre in un circuito: resistenza, induttanza e capacità.Rompe ciò che ognuno significa in termini semplici, come vengono misurati e come agiscono in diverse situazioni.Imparerai come resistori, induttori e condensatori si comportano sia nella corrente continua (DC) che nella corrente alternata (AC), ciò che influenza le loro prestazioni e come funzionano quando sono connessi in serie o paralleli.

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Figura 1. Resistenza, induttanza e capacità

Che cos'è la resistenza, l'induttanza e la capacità?

I circuiti elettrici utilizzano tre proprietà chiave per controllare il modo in cui i flussi di corrente: resistenza, induttanza e capacità.Questi non sono concetti astratti, descrivono ciò che accade fisicamente all'interno dei componenti.

La resistenza rallenta il flusso di corrente elettrica.Converte un po 'di energia elettrica in calore, in base alla conduttività del materiale, alla lunghezza del filo e al suo spessore.Ad esempio, un filo di rame lungo e sottile resiste alla corrente più di una breve, spessa.

L'induttanza misura il modo in cui un componente, di solito una bobina di filo, spinge indietro rispetto alle variazioni della corrente.Quando la corrente inizia a cambiare, la bobina crea un campo magnetico.Questo campo genera quindi una tensione che resiste al cambiamento, creando una sorta di inerzia elettrica.

La capacità descrive quanta carica elettrica può essere immagazzinata tra due superfici metalliche (piastre) che sono separate da uno strato isolante.Un condensatore mantiene energia sotto forma di un campo elettrico e lo rilascia rapidamente quando il circuito ne ha bisogno.

Come vengono misurate resistenza, induttanza e capacità?

Ognuna di queste tre proprietà ha una propria unità di misurazione.

Resistenza

L'unità utilizzata per misurare la resistenza è chiamata ohm, scritta con il simbolo Ω.Questa unità prende il nome da Georg Ohm, un fisico che ha studiato come la corrente elettrica si comporta nei circuiti.Un ohm rappresenta la quantità di resistenza che consente a un ampere di corrente di fluire quando viene applicata una volt di pressione elettrica.

I valori di resistenza possono variare ampiamente, spesso utilizzare unità più piccole o più grandi per comodità.Questi includono il millihm (Mω), che è un millesimo di un ohm, il kiloohm (kω), che equivale a mille ohm e il Megohm (Mω), che equivale a un milione di ohm.Queste unità aiutano a descrivere tutto, dalle minuscole resistenze dei fili a componenti molto resistenti.

Induttanza

L'induttanza viene misurata in un'unità chiamata Henry, con il simbolo H.Questa unità onora Joseph Henry, un pioniere dell'elettromagnetismo.Un Henry è definito come la quantità di induttanza richiesta per produrre una volt di forza elettromotiva quando la corrente cambia a una velocità di un ampere al secondo.Poiché un Henry è un'unità relativamente grande per molti circuiti pratici, usa più comunemente unità più piccole come il millihenry (MH), che è un millesimo di Henry e il microenry (µH), che è un milionea di un Henry.Queste unità più piccole sono utili quando si lavora con bobine o induttori in dispositivi elettronici come radio, filtri o alimentatori, in cui i valori di induttanza sono generalmente piuttosto piccoli.

Capacità

La capacità viene misurata in Farads, simboleggiato da F , nominato in onore dello scienziato Michael Faraday.Una farad è una grande unità, che rappresenta la quantità di capacità necessaria per conservare un coulomb di carica quando viene applicata una volt.Tuttavia, nella maggior parte dei circuiti elettronici pratici, i componenti noti come condensatori hanno valori di capacità molto piccoli, quindi vengono quasi sempre utilizzate unità più piccole.Questi includono Il microfarade (µF), che è un milionea di un farad, Il nanofarad (NF), che è un bigiotteria di un farad, e The Picofarad (PF), che è un trilionario di un farad.Queste subunità consentono di funzionare con le precise e minuscole quantità di conservazione elettrica necessarie nei circuiti di temporizzazione, filtri ed elaborazione del segnale.

Simboli di resistenza, induttanza e capacità

La tabella seguente mostra i simboli comuni per resistenza, induttanza e capacità:

Figura 2. Simboli usati nei diagrammi di circuiti

Funzioni di resistenza, induttanza e capacità nei circuiti

Ogni componente svolge un ruolo distinto nel modellare il comportamento di un circuito:

• Resistori Limitare la quantità di corrente, dividere la tensione e proteggere le parti sensibili da troppa potenza.Aiutano anche a definire le condizioni operative nei circuiti analogici.

Figura 3. Resistenza

• Induttori Lasciare passare facilmente le correnti a lenta o costante correnti, ma bloccare i segnali ad alta frequenza.Sono utilizzati in filtri, trasformatori e sistemi di accumulo di energia.

Figura 4. Induttore

• condensatori Rispondi rapidamente ai cambi di tensione, memorizzando e rilasciando energia quasi istantaneamente.Aiutano a stabilizzare gli alimentatori, bloccare i segnali DC nei circuiti CA e gestire i tempi.

Figura 5. Diagramma del condensatore

Comportamento nella corrente continua (DC) vs. corrente alternata (AC)

I componenti elettrici si comportano in modo diverso a seconda che la corrente sia DC (flusso costante in una direzione) o CA (cambia direzione avanti e indietro).

Componente	Comportamento in DC	Comportamento in Ac
Resistore	Si oppone al flusso di corrente costantemente;dissipa l'energia come calore.	Come in DC;la resistenza rimane costante indipendentemente da frequenza.
Induttore	Inizialmente resiste a corrente;Una volta stabilizzato il campo magnetico, Permette alla corrente di fluire liberamente.	Si oppone al flusso di corrente più man mano che la frequenza aumenta a causa di Reattanza induttiva.
Condensatore	Consente alla corrente di fluire all'inizio, ma la blocca una volta completamente carico.	Consente la corrente di passare più facilmente all'aumentare della frequenza dovuta a REACTANZA ADIFICAZIONE COMPRESENTE.

Quali influenzano il comportamento di ogni componente?

Resistenza

Diversi fattori fisici influenzano la resistenza:

• Lunghezza: un conduttore più lungo resiste di più alla corrente.

• Area della sezione trasversale: i fili più spessi hanno una resistenza inferiore.

• Materiale: condotta in rame e argento;gomma o plastica no.

• Temperatura: nei metalli, la resistenza aumenta con il calore.Nei semiconduttori, spesso diminuisce.

• Frequenza: AC ad alta frequenza si reca vicino alla superficie del conduttore, aumentando la resistenza efficace (un fenomeno chiamato effetto cutaneo).

• Impurità: i materiali aggiunti possono aumentare o ridurre la resistenza in base al modo in cui influenzano la conducibilità.

Induttanza

Diversi fattori influenzano quanta induttanza ha una bobina:

• Numero di turni: più turni creano più induttanza.

• Lunghezza della bobina: le bobine più lunghe generalmente riducono l'induttanza.

• Area trasversale: una bobina più ampia aumenta l'induttanza.

• Materiale del nucleo: materiali magnetici come ferro o induttanza per aumento della ferrite.

• Forma della bobina: forme diverse influenzano il modo in cui il campo magnetico si forma e si comporta.

• Frequenza: a frequenze più elevate, il comportamento dell'induttanza può spostarsi a causa di perdite di base ed effetti parassiti.

• Temperatura: il calore può cambiare le proprietà magnetiche del nucleo, alterando l'induttanza.

Capacità

La capacità dipende sia dalla struttura che dai materiali utilizzati:

• Materiale dielettrico: i materiali ad alta permitività aumentano la capacità.

• Area della piastra: le piastre più grandi memorizzano più carica.

• Distanza tra le piastre: le lacune più piccole creano più capacità.

• resistenza dielettrica: materiali isolanti più forti maneggiano tensioni più elevate in modo sicuro.

• Temperatura: il calore può influire sulla capacità del materiale isolante di immagazzinare la carica.

• Numero di piastre: più piastre collegate in parallelo aumentano la capacità totale.

Resistenza in circuiti in serie e paralleli

Connessione in serie

Figura 6. Resistenza in serie

Quando i resistori sono allineati uno dopo l'altro in un singolo percorso, si dice che siano in serie.In questa configurazione, la corrente elettrica scorre attraverso ciascun resistore a sua volta, senza ramificare.Poiché la corrente deve attraversarli tutti, ogni resistore si aggiunge alla resistenza totale.

La resistenza complessiva è solo la somma di ogni singola resistenza:

$$R_{\mathrm{Eq}}=R_1+R_2+R_3+...+R_N$$

L'aggiunta di più resistori in serie aumenterà sempre la resistenza totale.Più aggiungi, più diventa difficile per la corrente da passare attraverso il circuito.

Connessione parallela

Figura 7. Resistenza in parallelo

In una configurazione parallela, ciascun resistore è collegato negli stessi due punti, creando più percorsi per il flusso della corrente.Invece di essere forzata attraverso un percorso, la corrente si divide e scorre attraverso ciascun resistore separatamente.

In questo caso, la resistenza totale in realtà diminuisce.La formula utilizzata si basa sui reciproci delle resistenze:

$$\left(\frac{1}{R_{\mathrm{Eq}}}\right)=\left(\frac{1}{R_1}\right)+\left(\frac{1}{R_2}\right)+\left(\frac{1}{R_3}\right)+...$$

L'aggiunta di più resistori in parallelo dà alla corrente più percorsi da prendere, il che riduce la resistenza complessiva.Non importa quanto siano grandi i singoli resistori, la resistenza totale in una configurazione parallela sarà sempre inferiore a quella più piccola.

Induttanza in circuiti in serie e paralleli

Connessione in serie

Figura 8. Induttanza in serie

Posizionare gli induttori in serie fa sì che i loro effetti si combinino.Proprio come i resistori, la loro induttanza totale si somma:

$$L_{\mathrm{Eq}}=L_1+L_2+L_3+...+L_N$$

Ogni induttore resiste ai cambiamenti di corrente e, se combinato in serie, offrono un'opposizione ancora maggiore.Questa maggiore induttanza può essere utile nei circuiti in cui si desiderano cambiamenti di corrente lenta, come in filtri o trasformatori.

Connessione parallela

Figura 9. Induttanza in parallelo

In una configurazione parallela, gli induttori sono collegati negli stessi due punti di tensione, offrendo più percorsi per lo stoccaggio di energia magnetica.

La formula per calcolare l'induttanza totale in parallelo è:

$$\left(\frac{1}{L_{\mathrm{Eq}}}\right)=\left(\frac{1}{L_1}\right)+\left(\frac{1}{L_2}\right)+\left(\frac{1}{L_3}\right)+...$$

Simile ai resistori in parallelo, l'aggiunta di più induttori riduce l'induttanza complessiva.Questa configurazione consente alla corrente di distribuire tra gli induttori, riducendo l'opposizione netta alle attuali modifiche.

Capacità in circuiti in serie e paralleli

Connessione in serie

Figura 10. Capacità in serie

Quando i condensatori sono collegati in serie, la capacità totale diventa più piccola di quella di ogni singolo condensatore nel gruppo.Questo perché ogni condensatore condivide la tensione totale, ma detengono tutti lo stesso importo di addebito.

La capacità equivalente viene calcolata usando questa formula reciproca:

$$\left(\frac{1}{C_{\mathrm{Eq}}}\right)=\left(\frac{1}{C_1}\right)+\left(\frac{1}{C_2}\right)+\left(\frac{1}{C_3}\right)+...$$

Questa configurazione viene spesso utilizzata quando è necessario ridurre la capacità complessiva o aumentare la valutazione della tensione.Poiché la tensione viene divisa tra i condensatori, ognuno sperimenta meno stress, il che può migliorare l'affidabilità nelle applicazioni ad alta tensione.

Connessione parallela

Figura 11. Capacità in parallelo

Quando i condensatori sono disposti fianco a fianco, sono in parallelo.In questa configurazione, ogni condensatore riceve la stessa tensione, ma memorizzano la carica in modo indipendente.

La capacità totale è semplicemente la somma dei singoli valori:

L'aggiunta di più condensatori in parallelo aumenta la carica totale che il circuito può contenere.Ciò è utile nei sistemi di alimentazione in cui è necessaria un accumulo di energia più elevato.

Tabella di confronto

Parametro	Resistenza (R)	Capacità (C)	Induttanza (L)
Proprietà fisica	Opposizione al flusso di corrente (come l'attrito per gli elettroni)	Capacità di immagazzinare energia in un campo elettrico	Capacità di immagazzinare energia in un campo magnetico
Energia	Dissipa come calore	Memorizza temporaneamente energia come potenziale elettrico	Memorizza l'energia temporaneamente come campo magnetico
Comportamento di frequenza	Indipendente dalla frequenza	L'impedenza diminuisce con la frequenza	L'impedenza aumenta con la frequenza
Reattanza	Nessuno (puramente resistenti)	Xc = 1 / ωc	Xl = ωl
Relazione di fase	La tensione e la corrente sono in fase	La corrente conduce la tensione di 90 °	Le cavi di tensione di tensione di 90 °
Consumo energetico	La vera potenza è dissipata come calore	Nessun vero consumo di energia;Solo potere reattivo	Nessun vero consumo di energia;Solo potere reattivo
Unità	Ohm (ω)	Farads (F)	Henry (H)
Risposta a DC	Resistenza costante	Funge da circuito aperto (blocchi DC)	Agisce come corto circuito (inizialmente consente DC)
Risposta ad AC	Stessa resistenza di in DC	La reattanza diminuisce con una frequenza più elevata	La reattanza aumenta con una frequenza più elevata
Risposta transitoria	Istantaneo	Risposta ritardata a causa della ricarica/scarica	Risposta ritardata a causa dell'accumulo di campo magnetico
Comportamento della forma d'onda	Nessun effetto sulla forma della forma d'onda	Altera l'ampiezza e la fase;Filtri segnali	Altera l'ampiezza e la fase;Filtri e ritardi segnali
Applicazioni	Divisori di tensione, riscaldatori, limitazione della corrente	Accumulo di energia, accoppiamento/disaccoppiamento, filtri, oscillatori	Strozzo, trasformatori, motori, filtri, oscillatori
Medium di accumulo di energia	Nessuno (energia persa come calore)	Campo elettrico tra le piastre	Campo magnetico attorno alla bobina
Comportamento iniziale alla tensione	Risposta immediata	Il cambio di tensione improvviso provoca il picco di corrente	La tensione improvvisa provoca un lento aumento della corrente
Integrazione nei filtri	Raramente usato da solo nei filtri	Utilizzato nei filtri passa-passaggio, passa-alto e passere	Comune nei filtri LC e RLC
Angolo di impedenza	0 ° (puramente resistenti)	–90 ° (puramente capacitivo)	+90 ° (puramente induttivo)
Sensibilità alla polarità	Non sensibile alla polarità	La polarità è importante nei condensatori elettrolitici	Non sensibile alla polarità
Sensibilità termica	La resistenza varia con la temperatura	La capacità può cambiare leggermente con la temperatura	L'induttanza può variare con il materiale e la temperatura del nucleo

Conclusione

Resistenza, induttanza e capacità svolgono ciascuno un lavoro speciale in un circuito elettrico.La resistenza rallenta la corrente e trasforma l'energia in calore.L'induttanza si spinge indietro quando la corrente cambia, usando campi magnetici.La capacità memorizza l'energia elettrica e la rilascia quando necessario.Questi componenti agiscono in modo diverso in DC e AC e il loro comportamento cambia anche in base al modo in cui sono connessi e di quali materiali sono fatti.Insieme, queste tre parti aiutano a controllare il modo in cui l'elettricità si muove e fanno funzionare correttamente molti dispositivi elettronici.