ELETTROTECNICA: INTRODUZIONE

ELETTROMAGNETISMO ED ELETTROTECNICA

Si pensi per un momento a come sarebbe diversa la vita dell’uomo moderno senza le applicazioni dell’elettromagnetismo. Non ci sarebbe motori elettrici, illuminazione o riscaldamento elettrico, non ci sarebbe telegrafi, telefoni, radio, televisori, videoregistratori, radar, apparecchiature elettroniche ed elettriche per l’industria e per la medicina, niente calcolatori a mano e niente computer.

Bisogna ammettere che, in pochi anni, l’elettromagnetismo ha rivoluzionato il nostro mondo, per moltissimi aspetti migliorandolo. È importante quindi sottolineare il rilievo dell’insegnamento di questa disciplina nei corsi di laurea o di diploma di ingegneria. Tale compito spetta innanzitutto ai corsi di fisica previsti nei vari curricula, essendo l’elettromagnetismo una branca della fisica. Tuttavia, l’insegnamento che i fisici danno dell’elettromagnetismo privilegia la spiegazione dei singoli fenomeni fisici piuttosto che gli strumenti matematici per calcolare e prevedere l’entità di tali fenomeni.

Quello che in particolare interessa agli ingegneri è la tecnica dell’elettromagnetismo, dove per tecnica si intende non l’abilità manuale di costruire, magari in modo empirico, strutture elettromagnetiche, ma piuttosto l’insieme di metodi che consentono di sfruttare in modo scientifico ed ottimale le conoscenze dell’elettromagnetismo. La tecnica dell’elettromagnetismo riguarda in sostanza lo studio dei dispositivi elettromagnetici, il cui funzionamento è basato sulle leggi dell’Elettromagnetismo, e cioè sulle equazioni di Maxwell.

Come si è detto, moltissime sono le applicazioni dei dispositivi elettromagnetici; tuttavia, nella maggior parte dei casi, si hanno utilizzazioni per l’energia e per l’informazione, e si parla quindi di dispositivi per l’energia e dispositivi per l’informazione. Sono esempi di dispositivi elettromagnetici per l’energia le lampadine, le stufe, i motori elettrici, ecc… . Sono esempi di dispositivi elettromagnetici per l’informazione i ricevitori radio, i ricevitori televisivi, i computer, i telefoni, i radar, ecc..

I dispositivi per l’energia vengono detti anche dispositivi elettrici mentre quelli per l’informazione dispositivi elettronici. Bisogna però tener presente che a volte questa classificazione è opinabile o dubbia.

IL BUON FUNZIONAMENTO

Un dispositivo elettromagnetico per funzionare deve interagire in qualche modo con altri dispositivi elettromagnetici. Gli insiemi di più dispositivi elettromagnetici che interagiscono tra loro vengono chiamati sistemi elettromagnetici e, con le limitazioni di cui si è detto prima, si parla anche di sistemi elettrici e sistemi elettronici a seconda se tali sistemi riguardano l’energia o l’informazione.

L’elettromagnetismo tecnico od applicato riguarda dunque l’analisi e la sintesi (progetto) sia dei singoli dispositivi elettromagnetici che dei sistemi elettromagnetici, costituiti da più dispositivi interagenti. Allo scopo di semplificare i problemi in esame, vengono introdotti opportuni modelli matematici, di modo che la tecnica dell’elettromagnetismo viene ad essere basata soprattutto su conoscenze di metodologie di carattere matematico che, in corsi iniziali, possono risultare molto difficili.

Il modellamento matematico è la caratteristica peculiare che ha l’elettromagnetismo tecnico rispetto all’elettromagnetismo fisico, cioè quello insegnato nei corsi di fisica. Si vuole sottolineare che questo ha un’importanza ingegneristica duplice. Infatti, introducendo modelli semplici, da una parte si ha modo di prevedere il comportamento di dispositivi e sistemi elettromagnetici anche molto complessi.  Dall’altra, si hanno possibilità innovative e creative per concepire modelli ideali di dispositivi (o dei materiali con cui i dispositivi sono realizzati), la cui realizzazione potrebbe determinare notevoli vantaggi nella costruzione di particolari sistemi elettromagnetici. L’ideazione di modelli è stata una carta vincente nel progresso dell’ingegneria elettromagnetica; infatti, molto spesso, la tecnologia è riuscita a realizzare dispositivi ideali (per es. magneti superconduttori, amplificatori ideali, trasformatori ideali) che, quando concepiti, potevano essere ritenuti fantascientifici.

In molte applicazioni elettromagnetiche notevole importanza rivestono le cosiddette onde elettromagnetiche od in generale i fenomeni propagativi. Questi fenomeni sono essenzialmente utilizzati nelle Telecomunicazioni. I modelli che si introducono nell’Elettromagnetismo per le Telecomunicazioni (soprattutto nel campo dell’ottica) molte volte appaiono completamente diversi da quelli introdotti nelle altre branche dell’elettromagnetismo. Per l’elettromagnetismo tecnico si può parlare quindi di elettromagnetismo per le telecomunicazioni ed elettromagnetismo classico. Quest’ultimo costituisce la disciplina Elettrotecnica che è l’oggetto di questo corso.

Un risultato molto importante è che per la maggior parte dei dispositivi elettromagnetici dell’Elettrotecnica sussiste la possibilità di approssimare le equazioni di Maxwell attraverso un modello matematico molto semplice che prende il nome di Teoria dei Circuiti.

I dispositivi elettromagnetici modellabili circuitalmente sono caratterizzati dalla presenza di morsetti o terminali, inoltre le loro interazioni in un sistema avvengono attraverso connessioni di fili. Il modello circuitale di un dispositivo, se esiste, viene chiamato multipolo; imultipoli, collegati attraverso i terminali, costituiscono le Reti Elettriche. L’Elettrotecnica riguarda sostanzialmente la parte dell’elettromagnetismo tecnico che studia i dispositivi elettromagnetici con terminali e le loro connessioni, privilegiando per tali studi la Teoria dei Circuiti.

Poiché nei modelli circuitali si possono postulare le equazioni di funzionamento dei multipoli in modo macroscopico, senza tener conto della presenza dei campi elettromagnetici nell’interno dei vari dispositivi che essi modellano, è forte la tentazione di eliminare la parte microscopica nei problemi elettrotecnici. Risolvere il problema microscopico, per noi, vuole dire calcolare i campi elettromagnetici sulla base dell’equazione generali dell’elettromagnetismo, rappresentate dalle equazioni di Maxwell. In particolare, essendo i problemi microscopici difficilissimi da affrontare e da descrivere a livello didattico, a questa tentazione hanno ceduto molti Maestri di questa disciplina, fino al punto che si è arrivato ad identificare L’Elettrotecnica con la Teoria dei Circuiti.

Questa confusione è, ed è stata, molto dannosa. Infatti, a prescindere dal fatto che il calcolo dei parametri che intervengono nelle equazioni di funzionamento dei multipoli molte volte è indispensabile, si ha la verità inconfutabile che la teoria dei circuiti ha dei limiti di validità che devono essere ben presenti quando si studia un multipolo od una rete elettrica. Con l’avvento di tecnologie moderne, e specie nei sistemi elettronici, questi limiti diventano sempre più critici ed emerge quindi con chiarezza la necessità che i programmi dell’insegnamento di Elettrotecnica per tutti gli allievi ingegneri non prescindono dal fornire un adeguato spazio ai concetti di elettromagnetismo, in modo che la preparazione professionale dell’ingegnere abbia una completezza ed uno spessore culturale adeguato per affrontare anche problemi di elettrotecnica non inquadrabili nelle teoria dei circuiti.

I problemi di Elettrotecnica non modellabili in modo circuitale vanno affrontati con metodologie generali basate sulle equazioni di Maxwell. Queste metodologie sono le stesse di quelle che si usano nell’Elettromagnetismo per le Telecomunicazioni; quindi le suddivisioni rigida dell’Elettromagnetismo applicato in Elettrotecnica ed Elettromagnetismo per le Telecomunicazioni può risultare dannosa. Tale suddivisioni serve solo per evidenziare che in Elettrotecnica si introducono modelli sostanzialmente circuitali, mentre nell’Elettromagnetismo per le Telecomunicazioni modelli sostanzialmente ottici o quasi ottici.

Per quanto detto, risulta evidente che i contenuti dell’Elettrotecnica sono così vasti che occorrerebbero molti corsi per essere sviluppati adeguatamente. Gli obiettivi di questi articoli sono molto modesti e consistono essenzialmente nella esposizione di alcune parti dell’Elettrotecnica, ed in particolare di quelle che si ritengono obbligatorie nei curricula dei corsi di Laurea in Ingegneria. Saranno privilegiati gli aspetti metodologici; in particolare, la maggior parte della materia che verrà trattata è relativa alla teoria dei circuiti, che costituisce un patrimonio culturale che deve essere posseduto da tutti gli ingegneri.

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