Analisi topologica dei circuiti elettrici/Componenti circuitali

Un componente circuitale è un dispositivo utilizzato per regolare il passaggio di corrente elettrica attraverso di esso e/o il valore di tensione elettrica ai suoi capi. Si tratta solitamente di prodotti industriali aventi più terminali che ne consentono l'uso per la costruzione di circuiti elettrici.

La legge di natura matematica che lega correnti e tensioni ai capi del componente è detta caratteristica del componente: per i classici bipoli lineari (condensatori, resistore, induttore) è costituita da una equazione semplice. Quando questa legge tiene conto anche di forze fisiche esterne, non elettriche, il componente è detto trasduttore e viene usato per acquisire informazioni dall'ambiente fisico circostante o per agire su di esso.

I componenti si suddividono in "attivi" e "passivi". I componenti passivi non introducono energia nel circuito e non necessitano di un'alimentazione esterna, in aggiunta al segnale in ingresso. Componenti attivi, come i transistor o gli amplificatore operazionale, possono essere invece utilizzati ad esempio per amplificare il segnale in ingresso.

Resistore

Il resistore (o resistenza) è costruito con un materiale che determina una caduta di potenziale elettrico al passaggio di una corrente attraverso di esso. La resistenza si misura in ohm (Ω), ed è determinata da caratteristiche geometriche oltre che dalla capacità conduttiva del materiale. Per le resistenze a filo metallico c'è una semplice formula che lega la caratteristica del componente a quella del materiale (seconda legge di Ohm):

$R=\rho {\frac {l}{S}}$

dove ρ è la costante detta resistività (Ω*m) del materiale, l la lunghezza del filo, e S la sezione. Per altri tipi di resistori questa formula è vera solo in linea di massima, perché bisogna tenere conto anche della geometria tridimensionale del componente.

Induttore

L'induttore (o induttanza) genera un campo magnetico al passare della corrente elettrica. Viene utilizzata nelle macchine e nei motori elettrici, ad esempio trasformatori, relè, ecc...

L'induttore con un campo magnetico costante si lascia attraversare da corrente elettrica senza reagire; invece, in un campo magnetico variabile (quindi con un flusso variabile), l'induttore genera il campo magnetico e non fa passare la corrente alternata

Condensatore

Il condensatore immagazzina una carica elettrica, accumulando proporzionalmente una tensione ai suoi capi. La capacità del condensatore si misura in farad e suoi sottomultipli: le capacità dei condensatori commerciali più comuni sono dell'ordine del milionesimo di farad o meno. In elettronica i condensatori sono usati per accoppiare o disaccoppiare segnali tempo-varianti e per immagazzinare energia.

Memristor

Il memristor è definito come un componente circuitale a due terminali in cui il flusso magnetico $\Phi _{\mathrm {m} }$ è funzione della carica elettrica q che contiene. La definizione prevede che

$\,d\Phi _{\mathrm {m} }=M(q)dq$

M è appunto la memristenza. Questa quantità, al contrario della resistenza elettrica, non dipende dalla corrente ma dal valore assoluto della carica. Dunque, la tensione rilevata ai capi, data da

$\,V=M(q)I$

come si può dedurre dalla legge sull'induttanza, dipenderà non solo dalla corrente, ma anche dalla carica presente nel componente attraverso la memristenza. In sostanza, V dipenderà sia dalla variazione di carica che dal valore di q ad un istante immediatamente precedente, cioè dalla "storia recente" della corrente I.

Generatori di corrente reali

Simbolo di un generatore di corrente ideale

Simbolo di un generatore di corrente reale

A differenza dei generatori di tensione, i generatori di corrente sono per lo più dispositivi ideali, utilizzati per schematizzare il comportamento di componenti elettronici (i transistor, ad esempio). La maggior parte dei generatori di energia elettrica sono meglio schematizzati da generatori di tensione, a meno che non abbiano una elevatissima resistenza interna.

Nei circuiti elettrici, comunque, si introducono generatori reali come un generatore ideale in parallelo con una resistenza (resistenza interna). Grazie al teorema di Norton si può sostituire un generatore reale di tensione con un generatore reale di corrente (e viceversa, per il teorema di Thévenin).

Generatori di tensione reali

Circuito equivalente di un generatore di tensione U_o con resistenza interna R_i che alimenta un carico R_L

I generatori di tensione reali sono componenti elettronici che mantengono una tensione costante o costantemente oscillante entro certi limiti. Nei circuiti elettrici vengono generalmente schematizzati come un generatore ideale in serie con una resistenza (resistenza interna).