L'elettrotecnica è una branca della tecnica (elettromagnetismo tecnico), in particolare la branca concernente le applicazioni pratiche dell'elettricità. Più specificatamente l'elettrotecnica concerne la produzione, il trasporto e l'utilizzo dell'energia elettrica attraverso opportune tecniche, infrastrutture e macchine elettriche di supporto. Generalizzando, l'elettrotecnica è “la tecnica delle correnti forti e di bassa frequenza”^[1] distinguendosi dall'elettronica che è invece "la tecnica delle correnti deboli e di alta frequenza". In quanto oggetto di insegnamento e studio, l'elettrotecnica rientra tra le discipline tecnico-ingegneristiche.

L'elettrotecnica nasce alla fine del XVIII secolo con la teoria dei circuiti. Spesso convenzionalmente viene considerato come anno di nascita dell'elettrotecnica il 1800, anno in cui Alessandro Volta comunica al presidente della Royal Society Joseph Banks la realizzazione della prima pila elettrica: la pila di Volta. Essa rappresenta infatti la prima sorgente di energia elettrica della storia in grado di fornire quantità apprezzabili di energia elettrica per applicazioni utili. Per la prima applicazione utile della pila elettrica bisogna però attendere il 1837, anno in cui Charles Wheatstone realizza il primo telegrafo elettrico.

Storia

Fino al XIX secolo si pensava che l'elettricità fosse un fluido che poteva essere positivo o negativo: in seguito, grazie alle fondamentali scoperte di Hertz, Helmholtz, Maxwell, Heaviside, Alessandro Volta e molti altri, si giunse a una comprensione più completa del fenomeno, riassunta nelle equazioni di Maxwell che prevedono in modo completo e accurato il comportamento delle cariche elettriche (elettroni e protoni che differiscono per il segno della loro carica elettrica) e del campo elettromagnetico che esse generano.

In breve iniziarono a comparire una serie di applicazioni commerciali dell'elettricità: i motori elettrici, il telegrafo, il telefono, la radio, la lampadina elettrica, eccetera. Si creò così all'inizio del XX secolo una nuova scienza applicata che si occupava di progettare questo tipo di apparati, appunto l'elettrotecnica.

Tra i molti scienziati, ingegneri e inventori che hanno contribuito all'evoluzione dell'elettrotecnica, possiamo ricordare: Galileo Ferraris, Antonio Pacinotti, Werner von Siemens, Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, George Westinghouse.

Attualmente l'elettrotecnica si occupa soprattutto della trasmissione e dell'utilizzo della potenza elettrica, cioè di progettare macchine elettriche (motori, generatori, trasformatori e lampade) e linee di trasmissione dell'energia elettrica.

La teoria dei circuiti si occupa dei problemi classici dell'elettrotecnica da un punto di vista strettamente assiomatico; l'elettronica (che tradizionalmente si occupa di segnali a bassa potenza) si sta sovrapponendo ad alcuni ambiti che prima erano esclusivi dell'elettrotecnica, per esempio il controllo dei motori elettrici per mezzo di dispositivi a semiconduttore.

Principi teorici

I principi e leggi alla base dell'elettrotecnica sono:

• La legge di Ohm definisce la resistenza elettrica,
• Le equazioni di Maxwell sono le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, da cui derivano le altre,
• La legge di Faraday-Neumann-Lenz quantifica l'induzione magnetica,
• L'effetto Joule descrive la trasformazione di energia elettrica in calore per effetto della resistenza,
• Le leggi di Kirchhoff (che, per i circuiti a parametri concentrati, equivalgono alle leggi di Maxwell) determinano le relazioni topologiche tra le correnti e tra le tensioni in un circuito.

Grandezze elettriche

Le principali grandezze fisiche utilizzate in elettrotecnica sono:

• Tensione elettrica misurata in volt [V];
• Corrente elettrica misurata in ampere [A];
• Potenza, che si divide in attiva, reattiva e apparente, misurate rispettivamente in watt [W], voltampere reattivo [VAR] e voltampere [VA];
• Resistenza elettrica misurata in ohm [Ω];
• Conduttanza elettrica misurata in siemens [S] o [Ω${\displaystyle ^{-1}}$];
• Frequenza misurata in hertz [Hz], che in elettrotecnica è quasi sempre la frequenza di rete di 50 o 60 hertz;
• Induttanza misurata in henry [H];
• Capacità elettrica misurata in farad [F];
• Induzione magnetica misurata in tesla [T];
• Flusso magnetico misurato in weber [Wb];
• Lavoro elettrico ed Energia misurati in joule [J];
• Carica elettrica misurata in coulomb [C].

Produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica

Un settore importante dell'elettrotecnica riguarda la produzione e la trasmissione dell'energia fino al luogo di utilizzo.

L'energia è prodotta per mezzo di generatori nelle centrali elettriche, che solitamente e per varie ragioni si trovano distanti dai luoghi di consumo.

Le linee di trasmissione sono un eterogeneo insieme di sistemi che trasferiscono l'energia dai luoghi di produzione a quelli di utilizzo. Essenzialmente si differenziano in base al livello di tensione di cui fanno parte, ecco quindi che troviamo linee di alta, media e bassa tensione. Le lunghe tratte tra le centrali sono coperte di grandi elettrodotti, linee ad alta tensione in grado di trasferire potenze di milioni di watt con tensioni fino a oltre 400000 V. Le linee ad alta tensione sono quelle chiamate di trasmissione dell'energia elettrica, le quali permettono di trasferire l'energia dalle centrali di produzione alle stazioni di trasformazione.

In queste viene effettuata la trasformazione della tensione da alta a media tensione, per mezzo di macchine elettriche chiamate trasformatori, per quindi trasferire l'energia elettrica sulla rete a media tensione la quale poi a sua volta, viene fatta arrivare alle cabine di distribuzione attraverso la rete di distribuzione di energia elettrica, dove viene effettuata una ulteriore trasformazione da media a bassa tensione per poter poi essere consegnata all'utenza diffusa.

La distribuzione tra le cabine di ricezione, poste al punto di arrivo degli elettrodotti e gli isolati nelle città o le frazioni nelle zone aperte è effettuata in media tensione, intorno ai 10-15 kV. La consegna all'utente finale è in genere effettuata a 400 V nel sistema trifase, oppure con una sola fase da questo derivata (monofase), a 230 V.

Le linee possono essere sezionate dagli interruttori per consentire interventi di manutenzione o per emergenze. Per salvaguardare l'integrità degli impianti e delle macchine, la rete di distribuzione comprende a più livelli sistemi di protezione da sovracorrente (sovraccarico) e cortocircuito. Questi sistemi sono principalmente il fusibile, l'interruttore magnetotermico. Esiste poi un'altra protezione chiamata "salvavita" che ha il compito di aprire il circuito in caso di guasti verso terra, tale dispositivo si chiama interruttore differenziale.

Impianti elettrici

La distribuzione finale dell'energia elettrica agli utenti nelle loro abitazioni o in edifici pubblici per alimentare i vari carichi avviene attraverso i comuni impianti elettrici opportunamente realizzati e dimensionati in funzione della caratteristiche di fornitura elettriche richieste e con le relative protezioni di sicurezza di cui sopra.

Macchine elettriche

Motori

I motori sono macchine che trasformano l'energia elettrica in energia meccanica in genere sotto forma di rotazione di un albero. I motori si dividono in:

• Motore in corrente continua,
• Motore in corrente alternata, che a sua volta può essere ad alimentazione trifase o monofase e si ha:
  • Motore sincrono se la frequenza di rotazione è sincronizzata con la frequenza di rete,
  • Motore asincrono se la rotazione è indipendente,
  • Motore monofase
  • Motore trifase
• Motore passo-passo, che deve essere alimentato con segnali complessi prodotti da un circuito elettronico.

Generatori

I generatori sono macchine in grado di convertire una energia meccanica in energia elettrica. I più importanti sono:

• Alternatore, che genera una corrente alternata
• Dinamo, che produce una corrente continua (più precisamente unidirezionale pulsante)

Trasformatori

Il trasformatore è una macchina in grado di cambiare il valore di tensione elettrica alternata in un circuito, in aumento o in diminuzione. È costituita da almeno due solenoidi accoppiati magneticamente.

Le macchine in grado di aumentare o ridurre la tensione usando un solo solenoide sono gli autotrasformatori.

Convertitori

Sono dispositivi che convertono la frequenza di due reti oltre che eventualmente anche la tensione.

Il convertitore rotante è una macchina rotativa ormai obsoleta in grado di operare trasformazioni di tensione e frequenza nonché convertire corrente continua in alternata e viceversa. È stata sostituita per quasi tutti gli scopi dagli inverter elettronici a stato solido.

Lampade

Sono dispositivi con la funzione di trasformare energia elettrica in luce. I principali tipi sono:

• Lampada ad incandescenza
  • Lampada alogena
• Lampada a scarica
  • Lampada fluorescente
• Lampada a LED

La trattazione delle lampade in elettrotecnica si sovrappone al settore dell'illuminotecnica.

Note

Voci correlate

• Elettromeccanica
• Glossario di elettrotecnica
• Normativa elettrica