I dispositivi elettromagnetici sono sedi di fenomeni elettromagnetici che possono essere descritti attraverso opportune grandezze fisiche (grandezze elettriche). Tali grandezze possono avere variazioni lente o rapide nel tempo e, per stabilire questo, bisogna fare riferimento ai tempi di transito dei fenomeni di elettromagnetismo.
Tali tempi di transito si valutano facilmente ricordando il significato fisico della velocità della luce c (c ≈ 3 x 108 [m/sec]). In particolare se d è una distanza, il tempo di transito t dei fenomeni elettromagnetici è espresso da:
t = d/c
Per esempio ad una distanza d di 3 [m] corrisponde un tempo di transito di:
t = 3/ (3 x 108) = 10-8 [sec] = 10 [nsec]
se si hanno variazioni periodiche, la rapidità di variazione può essere valutata attraverso il periodo T. Per un dispositivo elettromagnetico di dimensioni d si può dire che le variazioni sono lente se T risulta molto maggiore del tempo di transito t = d/c. In questi casi si parla di dispositivi elettromagnetici in cui si possono trascurare i fenomeni propagativi e non è strettamente necessario ricorrere alle equazioni di Maxwell. Infatti, questi dispositivi possono essere modellati come circuiti e studiati secondo la Teoria dei Circuiti.
Per esempio, i dispositivi elettromagnetici per l’energia sono interessati da grandezze elettriche che variano sinusoidalmente nel tempo con frequenza:
Ƒ = 1/T = 50 [Hz]
E variazioni relative a tempi dell’ordine di:
T = 0.02 [sec]
Se le dimensioni di tali dispositivi sono dell’ordine di 3 [m], ne consegue che, essendo T = 0.02 [sec] molto più grande di t = 10 [nsec], tali dispositivi sono sicuramente modellabili con circuiti. Un altro esempio si ha considerando un personal computer, dove la rapidità di variazione delle grandezze elettriche è sostanzialmente determinata dal segnale di clock (orologio), periodico con frequenza ƒ. Supponendo ƒ = 10 [MHz], si ricava:
T = 1/ ƒ = 10-7 [sec] = 100 [nsec]
Anche se T è maggiore dei tempi di transito (per d = 1 [m] risultata t = 3.3 [nsec]), le variazioni delle grandezze elettriche sono relative ad intervalli di tempo che cominciano ad essere confrontabili con i tempi di transito; questo significa che, volendo rendere più veloce il funzionamento dei computer aumentando la frequenza del segnale di clock, ad un certo punto potrà succedere che tali dispositivi non siano più modellabili con circuiti e che occorra considerare i fenomeni propagativi nel loro studio.
I dispositivi elettromagnetici che possono essere modellati con dei circuiti sono generalmente provvisti di morsetti, che sono le zone terminali di fili o piste che penetrano nell’interno del dispositivo. Tali morsetti si chiamano poli o terminali. Se le distanze tra i poli sono relative a tempi di transito trascurabili rispetto alle variazioni temporali dei campi elettromagnetici che interessano il dispositivo, questo viene detto circuito ad ɳ poli o multipolo.
Per esempio, il tempo di transito tra i due terminali di un filo conduttore di lunghezza 0,6 [m] è di 2 [nsec]. Poiché questo è un tempo trascurabile rispetto a 0.02 [sec], ma non rispetto a 10 [nsec], il filo conduttore di 60 [cm] può essere considerato un bipolo quando i campi elettromagnetici (sinusoidali) hanno frequenza ƒ = 1/0.02 = 50 [Hz], ma non può essere modellato come bipolo per campi con frequenza ƒ = 1/(10×10-9) = 100 [MHz] (infatti a queste frequenze il filo conduttore è un’antenna). La connessione di più multipoli attraverso i morsetti costituisce una rete elettrica. Un esempio di rete elettrica è riportato in figura sottostante (figura 1.1)
RETE ELETTRICA
Sarebbe le reti elettriche trovino applicazioni anche molto differenti tra loro (un impianto elettrico per esempio appare certamente molto diverso da una scheda elettrica), bisogna mettere in evidenza che le metodologie di studio delle reti elettriche rimangono sempre le stesse, e l’Elettrotecnica privilegia lo studio dei metodi piuttosto che la singola applicazione.
Per concludere, bisogna osservare che i modelli circuitali dei dispositivi elettromagnetici hanno originato un tipo di mentalità (mentalità circuitale) che si è rivelata importantissima per risolvere problemi anche non elettromagnetici (trasporti, sistemi socio-economici, controllo e strumentazione, fluidodinamica, ecc..). Tale mentalità risulta particolarmente utile quando un ingegnere lavora in un progetto interdisciplinare, dove è essenziale che egli riesca a comunicare con ingegneri di alta specializzazione.
La mentalità circuitale è quindi un patrimonio culturale che deve essere posseduto da tutti gli ingegneri. Uno degli obiettivi degli articoli di Elettrotecnica consiste proprio nel fornire gli strumenti per acquisire questa mentalità.
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