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Corrente alternata

Corrente alternata (in verde). L'asse orizzontale misura il tempo; l'asse verticale misura la corrente o la tensione.

La corrente alternata (CA o AC dall'inglese: Alternating Current), in elettrotecnica, è un tipo di corrente elettrica caratterizzata dal fatto di invertire la polarità elettrica continuativamente nel tempo. In sostanza, a differenza della corrente continua, rappresentata in rosso nella figura, in cui la polarità è fissa ed invariabile, in alternata il polo positivo diventa negativo e viceversa con un'alternanza (da cui il nome) che avviene con periodicità fissa (tipicamente 50 Hz o 60 Hz).

L'inversione di polarità però non avviene in modo repentino ma con una variazione progressiva secondo un andamento chiamato sinusoidale, nel quale il valore di corrente (e quindi di tensione) parte da zero e gradualmente aumenta in un determinato verso, raggiunge il suo valore massimo per poi diminuire fino a zero e riprendere nel verso opposto col medesimo andamento, quindi il ciclo si ripete. Riportando su un grafico i valori assunti dalla grandezza elettrica nel tempo si ottiene una sinusoide, rappresentata in verde nella figura a destra, da cui il termine sinusoidale. Le caratteristiche di variazione progressiva sopracitate derivano direttamente dalla struttura fisica dei generatori elettrici rotanti, che producono l'energia per l'attraversamento di campi magnetici rotanti.

StoriaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Nikola Tesla e George Westinghouse.

Alle origini dell'impiego industriale dell'energia elettrica nel XIX secolo fu utilizzata la corrente continua, che offriva il vantaggio di potere essere accumulata in batterie, ma con l'avvento della corrente alternata ad opera dello scienziato Nikola Tesla il mondo fu rivoluzionato nuovamente. L'efficienza di questo nuovo tipo di corrente permise di diminuire drasticamente le perdite energetiche a grandi distanze grazie all'aumento della tensione elettrica che consentiva di trasmettere elevate potenze elettriche ad alta tensione e bassa corrente riducendo drasticamente le perdite per dissipazione sulla linea e quindi lo spessore del conduttore utilizzato per il trasporto, rispetto alla corrente continua di Edison.

Fattore fondamentale per la affermazione della corrente alternata fu la sua facilità di "trasformazione" (modifica) della differenza di potenziale (tensione elettrica). La corrente può essere trasportata su lunghe distanze con tensioni molto elevate con eccellenti rendimenti e poche dispersioni; quindi possono, con trasformatori statici, strutturalmente semplici ed efficienti, essere ridotte a tensioni minime per la distribuzione minuta di utilizzo. La trasformazione della corrente continua a diverse tensioni è meno efficiente e molto più complessa.

Inoltre i motori elettrici in corrente alternata sono più affidabili ed efficienti di quelli in continua.

Reti di distribuzione della corrente alternataModifica

 
Mappa mondiale colorata secondo le tensioni e frequenze dell'energia elettrica negli impianti di distribuzione per uso domestico

La distribuzione elettrica è l'ultima fase nel processo di consegna dell'elettricità all'utente finale dopo la produzione e la trasmissione, solitamente utilizzando tensioni più elevate per la trasmissione, ma mantenendo la stessa frequenza.

Attualmente nel mondo l'energia elettrica alternata è distribuita in due frequenze, 50 Hz (Europa, Asia, Africa) e 60 Hz (America, parte del Giappone), ed inoltre a diverse tensioni (vedi standard elettrici nel mondo). La frequenza della corrente alternata è determinata dal regime di rotazione standard dei generatori. Le reti a frequenza diversa non possono essere interconnesse tra loro, e di norma riguardano territori, o campi di produzione-utilizzo, tra loro separati.

In Europa l'energia elettrica viene distribuita sotto forma di corrente alternata sinusoidale a frequenza costante di 50 Hz.

FunzionamentoModifica

L'utilizzo della corrente alternata deriva dal fatto che:

  • il trasporto (soprattutto su lunghe distanze) di elevate potenze elettriche è molto efficiente se effettuato ad elevate tensioni, queste ultime raggiungibili abbastanza facilmente con l'utilizzo di trasformatori;
  • gli alternatori sono costruttivamente più semplici e hanno rendimento più elevato rispetto alle dinamo;
  • in corrente continua non è possibile sfruttare i vantaggi di un sistema trifase.

Conversione tra corrente continua e alternataModifica

Quasi tutti gli apparecchi utilizzatori elettronici funzionano in corrente continua ma questa può essere ottenuta, dalla corrente alternata, mediante un semplice raddrizzatore.

Per contro dalla corrente continua è possibile ottenere corrente elettrica alternata, generata in opportuni parametri di frequenza, forma d'onda e tensione mediante dispositivi elettronici detti inverter per il fatto di produrre effetti inversi al raddrizzatore.

Gli inverter tradizionalmente costituiti da apparati elettronici discreti (on/off) hanno difficoltà a riprodurre la perfetta e continua onda sinusoidale, ma producono facilmente solo onde quadre, che a potenze significative inducono fenomeni parassiti di frequenze spurie, dispersioni di energia e rumorosità, che sono inefficienti e dannosi per gli apparati. Sono quindi necessarie aggiunte di modulazioni complesse che avvicinino l'onda alla forma sinusoidale, che è funzionalmente ottimale.

L'inverter è un componente fondamentale di un impianto fotovoltaico connesso alla rete di distribuzione. Infatti i moduli fotovoltaici producono corrente continua, e per immettere in rete tutta o parte della produzione elettrica risultante, deve essere opportunamente convertirla in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete, per contribuire alla cosiddetta generazione distribuita.

Regime sinusoidaleModifica

L'elettricità comunemente distribuita e utilizzata in elettrotecnica ha una forma d'onda sinusoidale perché tale andamento deriva direttamente dal modo di operare degli alternatori e dalle leggi dell'induzione elettromagnetica. Dunque la forza elettromotrice prodotta da un alternatore ha la forma:

 

dove   è il valore massimo della forza elettromotrice cioè l'ampiezza dell'oscillazione,   è la pulsazione, legata al periodo T e alla frequenza  :

  e  

La corrente alternata deve avere la stessa forma:

 

Una grandezza sinusoidale ha valore medio nullo su un periodo T. Per questo motivo la grandezza misurabile è il suo valore efficace o effettivo inteso come il valore quadratico medio:

 

dalla quale si ottiene che la corrente efficace  , indicato come   nella letturatura inglese (rms sta per root mean square che si traduce, appunto, in valore quadratico medio), è legata al suo valore massimo  :

 

Per la tensione  , ovvero   come indicato nella letteratura inglese, si ha:

 

La tensione efficace   permette di scrivere il modulo della potenza complessa come

 

con un'espressione simile a quella ( ) che si scriverebbe in regime costante (chiamato anche corrente continua). Considerando quindi un bipolo rispetto al quale tensione e corrente siano perfettamente in fase (un bipolo quindi puramente resistivo) si può affermare che la tensione e la corrente efficace rappresentano, numericamente, i valori di tensione e corrente che, in regime costante, dissiperebbero per effetto Joule una potenza equivalente alla potenza media dissipata in regime sinusoidale dallo stesso bipolo resistivo sottoposto a tensioni e correnti sinusoidali di ampiezza, rispettivamente,  .

Nel grafico a lato, viene raffigurata la forma della sinusoide effettiva, che è indicata dalla linea rossa.

 
Grafico del valore della tensione effettiva
1) tensione di picco
2) tensione picco picco
3) valore efficace
4) periodo

Per esempio, la normale tensione elettrica domestica monofase ha   =   = 230 V, per cui si ha una tensione di picco   =   = 325,27 V, questo valore è ricavabile moltiplicando la tensione efficace (valore nominale della rete elettrica) per   (approssimabile a 1,41); mentre, la tensione picco-picco   =   = 650,54 V si ottiene moltiplicando il valore della tensione efficace per   (approssimabile a 2,83).

Questi valori sono importanti per verificare la compatibilità/capacità di un isolante o di un dispositivo (componente elettronico) nel supportare tali tensioni.

Metodo simbolicoModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Metodo simbolico.

Il metodo simbolico è il metodo usato in pratica quando si ha a che fare con grandezze sinusoidali, perché è immediato e ha la caratteristica di formalizzare le leggi dei circuiti in corrente alternata, in analogia a quelle già viste per i circuiti in corrente continua.

Le grandezze fisiche espresse con il metodo simbolico sono numeri complessi che hanno però una frequenza medesima: in effetti a livello pratico le grandezze con cui si ha a che fare sono isofrequenziali. Ricordando i numeri complessi, una grandezza può esprimersi algebricamente come:

 

dove   è il modulo del numero complesso e   dove   è detto argomento o anomalia, nel nostro caso è la fase. Grazie a ciò possiamo esprimere lo stesso numero complesso come:

 

Usando la Formula di Eulero, possiamo esprimere lo stesso numero complesso in forma esponenziale:

 

Grazie a questo formalismo una grandezza sinusoidale si può esprimere simbolicamente come:

  • corrente elettrica alternata:
 
  • tensione alternata:
 

dove   sono le ampiezza come specificato sopra e dove non si tiene conto della fase individuale.

Facciamo un esempio del solo circuito puramente resistivo soggetto a tensione sinusoidale:

 

Attraverso la resistenza il generatore fa passare una corrente alternata pari a:

 

In definitiva grazie all'uso della notazione simbolica:

 

la relazione tra corrente e tensione rimane analoga alla Legge di Ohm in corrente continua.

Misura della tensione in corrente alternataModifica

Molti strumenti di misura, tra cui i multimetri più economici, sono costruiti per calcolare il valore efficace (in inglese RMS) di una tensione sinusoidale raddrizzata misurandone il valore medio o il valore massimo: l'indicazione è corretta solo se il segnale ha forma d'onda perfettamente sinusoidale, mentre è errata tanto più il segnale è distorto cioè ricco di armoniche (per esempio si allontana molto anche solo se al segnale sinusoidale è sovrapposto uno continuo).

Gli strumenti che misurano il vero valore efficace sono contraddistinti dalla sigla true RMS.

BibliografiaModifica

Voci correlateModifica

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