Un generatore elettrico è un dispositivo che trasforma un qualsiasi tipo di energia primaria (termica, meccanica, chimica, solare, eolica, ecc.) direttamente (pile, generatori fotovoltaici) o indirettamente (dinamo, alternatori) in energia elettrica, creando una separazione di cariche. La sua funzione è infatti quella di spostare (utilizzando un processo elettrochimico o di induzione magnetica) degli elettroni da uno dei suoi due estremi (morsetto positivo) all’altro (morsetto negativo). Tale azione cessa quando la forza di attrazione tra le cariche positive e negative dislocate sui due morsetti uguaglia la forza sviluppata dal generatore, determinando tra essi una differenza di potenziale (d.d.p.) o tensione equivalente al lavoro sviluppato per effettuare tale spostamento.
Tutti i generatori di tensione sono caratterizzati quindi (fig. E1-6a) da un eccesso di elettroni ad uno dei suoi morsetti (−) e da una mancanza all’altro (+). Se i morsetti del generatore sono isolati, la d.d.p. tra essi equivale alla forza elettromotrice (f.e.m.), indicata in genere con la lettera E, cioè al valore dell’energia che le azioni intrinseche del generatore forniscono alla carica unitaria positiva.
Se invece i morsetti vengono connessi ad un circuito esterno la d.d.p. tra di essi determina uno scorrimento continuo di cariche. Infatti non appena degli elettroni lasciano il morsetto negativo del generatore per rientrare, attraverso il circuito esterno, nel morsetto positivo si determina, in conseguenza del minore numero di cariche dislocate sui morsetti, una riduzione della forza coulombiana di attrazione e pertanto la forza intrinseca del generatore torna a prevalere e produce lo spostamento di altrettanti elettroni nel circuito interno.
La quantità di carica che attraversa la sezione di un conduttore nell’unità di tempo (i=dq/dt) si definisce corrente elettrica. Per convenzione si assume che la corrente scorra nel circuito esterno dal morsetto positivo a quello negativo del generatore, come se si muovessero i protoni invece che gli elettroni. In relazione al verso convenzionale della corrente si fissa il verso convenzionale della f.e.m. dei generatori, assumendo che essi agiscano nel senso di spostare, nel circuito interno, le cariche positive dal morsetto negativo a quello positivo, che pertanto viene mantenuto ad un potenziale elettrico maggiore di quello del morsetto negativo, e quindi nel circuito esterno da quello positivo a quello negativo.
La tensione e la corrente si dicono continue quando il loro valore è costante nel tempo, mentre si dicono variabili se cambiano in modulo e/o segno. L’unità di misura della tensione è il volt [V] e lo strumento idoneo alla sua misura (voltmetro) deve essere inserito connettendo i suoi morsetti ai due punti tra i quali si vuole misurare la d.d.p. (fig. E1-7). L’unità di misura della corrente è l’ampère [A], che corrisponde ad 1 Coulomb al secondo (cioè a circa 6,24 x 10^18 elettroni che in un secondo attraversano una sezione del conduttore), e lo strumento idoneo alla sua misura (amperometro) deve essere inserito in modo da essere attraversato dalla corrente da misurare (fig. E1-7).
Poiché l’inserimento degli strumenti di misura non deve perturbare per quanto possibile il funzionamento del circuito in esame, il voltmetro deve essere tale che sia trascurabile la corrente che lo attraversa (deve cioè avere una resistenza interna molto grande), mentre l’amperometro deve essere tale che sia trascurabile la d.d.p. tra i suoi morsetti (deve cioè avere una resistenza interna molto piccola).
In figura E1-8 sono riportate le rappresentazioni grafiche e le caratteristiche tensione-corrente di un generatore ideale di tensione continua e di un generatore ideale di corrente continua.
Il primo (fig. E1-8a) mantiene tra i suoi morsetti una d.d.p. assegnata costante qualunque sia il valore dell’intensità della corrente erogata. Le prese di tensione per uso domestico ed industriale forniscono una tensione che è indipendente, entro larghi limiti, dalla corrente erogata e quindi sono equivalenti ad un generatore ideale di tensione.
Il secondo (fig. E1-8b) eroga una corrente assegnata costante qualunque sia il valore della tensione tra i suoi morsetti e deve essere sempre usato a circuito chiuso
Il pallino rappresenta convenzionalmente la polarità positiva della f.e.m. o il verso della corrente.
Nelle figure E1-9a e E1-9b sono riportate le rappresentazioni grafiche e le caratteristiche tensione-corrente rispettivamente di un generatore reale di tensione continua e di un generatore reale di corrente continua.
I generatori reali differiscono da quelli ideali per la presenza di una resistenza interna Ri , che è connessa in serie al generatore ideale di tensione e in parallelo al generatore ideale di corrente. La tensione ai morsetti di un generatore reale di tensione decresce quindi proporzionalmente alla intensità di corrente da cui è attraversato e la corrente erogata da un generatore reale di corrente decresce proporzionalmente alla intensità di tensione presente ai suoi morsetti. Pertanto la tensione ai morsetti dei generatori di tensione (che rappresentano la maggior parte dei generatori elettrici) rispettivamente ideali e reali è
e la corrente erogata dai generatori di corrente ideali e reali è
