Capitolo 1 – Circuiti elettronici, correnti e tensioni

Per progettare dei circuiti e comprendere il comportamento dei dispositivi elettronici è necessario partire dai concetti fondamentali. Parleremo di correnti, tensioni, resistenze e delle relazioni che le uniscono. Per spiegare i concetti paragoneremo la corrente elettrica a un flusso d’acqua.

Bipoli

I mattoncini base per costruire circuiti sono i componenti elettronici. Un generico dispositivo elettronico dotato di due terminali si chiama bipolo e non lo troveremo mai in un negozio di elettronica, perché è un componente inesistente: è solo teorico e rischieremmo di fare una figuraccia! I bipoli servono per studiare i collegamenti e la forma dei circuiti (in termini colti: la topologia dei circuiti). Presto scenderemo in dettaglio dandogli una forma e un nome più preciso. Di seguito un’immagine di fantasia di un bipolo elettrico.

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Il disegno su carta del bipolo è il simbolo che lo rappresenta. Per facilitare la comprensione dei fenomeni elettrici, diremo che la corrente è paragonabile all’acqua che scorre in un tubo. Questa metafora aiuta molto a capire alcuni fenomeni ma presenta dei limiti e può indurre a concetti sbagliati, quindi la useremo solo quando necessario, per poi abbandonarla al più presto.

•    i bipoli possono avere sempre e solo due terminali;
•    i collegamenti tra bipoli si fanno solo utilizzando i loro terminali (non sul corpo!);
•    se adottiamo l’analogia dell’acqua, il fluido che entra in un terminale del dipolo, deve poi uscire tutto dall’altro terminale;
•    poiché i bipoli sono solo dei simboli, i loro terminali possono essere lunghi a piacimento;
•    quando colleghiamo insieme i terminali di più bipoli, creiamo un nodo;
•    la nostra composizione di bipoli non può avere terminali liberi.

Circuiti

Il disegno di un circuito elettrico è l’equivalente di uno spartito musicale. Uno schema elettrico serve per tenere traccia del circuito e per specificare come andrà realizzato. Sia lo spartito sia lo schema elettrico sono delle convenzioni che possiamo utilizzare per condividere con gli altri quello che abbiamo fatto.

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La corrente elettrica

La corrente elettrica è un fenomeno dovuto al movimento di particelle cariche elettricamente all’interno di un materiale conduttore come il rame o il ferro. Una volta si pensava che queste particelle avessero una carica positiva, ma in realtà sono elettroni, cioè particelle che hanno una carica negativa. I metalli sono formati da atomi ricchi di elettroni che si possono facilmente muovere, per questo motivo la corrente circola bene nel rame e nel ferro che si definiscono «conduttori». Immaginiamo di prendere una batteria, una lampadina e di collegare il tutto con del filo elettrico. Delle cariche elettriche partiranno dal polo positivo della batteria, spostandosi lungo il filo e accendendo la lampadina, per poi tornare al punto di partenza, nel polo negativo. Il filo può essere paragonato a un tubo, e gli elettroni alle molecole d’acqua che scorrono nel tubo. Il polo positivo della batteria si può sostituire con un rubinetto e il polo negativo con lo scarico, in cui l’acqua finisce al termine del suo giro.

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La corrente ha un verso, indicato anche con il termine polarità, perché le cariche scorrono sempre dal polo positivo a quello negativo. Per misurare la corrente è necessario contare le cariche elettriche, o la quantità di elettroni che passano in un filo elettrico in un secondo (o meglio da una sezione del filo).

Figura 1.7 – la corrente si misura contando il numero di cariche che attraversano la sezione di un filo in un secondo.

L’unità di misura della corrente è l’ampere, che è anche il nome del suo scopritore, il fisico francese André-Marie Ampère (1775 – 1836).

Corrente alternata e continua

La corrente che utilizzeremo per i nostri circuiti è di tipo continuo: il suo valore resta costante nel tempo. La corrente alternata è una corrente che varia periodicamente nel tempo: scorre un po’ in una direzione e poi per un po’ nella direzione opposta. Ricorrendo ancora all’analogia con l’acqua è come se avessimo una pompa rotante che spinge l’acqua, all’interno di un tubo, un po’ in un verso e un po’ nell’altro. La figura segunete illustra l’analogia idraulica per la corrente alternata: una pompa a stantuffo spinge l’acqua in un verso e poi nell’altro, periodicamente.

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La corrente che arriva nelle nostre case è di questo tipo e fu utilizzata per la prima volta dal geniale Nikola Tesla.

La tensione o differenza di potenziale

Se prendiamo un tubo molto lungo, lo posiamo a terra e lo riempiamo d’acqua, questa uscirà dall’altra estremità con poca forza. Se ora solleviamo uno dei due capi, allora l’acqua uscirà con maggior forza. Maggiore è il dislivello e maggiore sarà la forza (o pressione) all’uscita del tubo. La tensione si può immaginare come il dislivello da cui cade l’acqua: è come l’altezza di una cascata d’acqua.

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L’unità di misura della tensione è il volt, dal nome del conte e scienziato, Alessandro Volta (1745 – 1827), famoso anche per l’invenzione della pila e per la scoperta del metano. Le differenze di potenziale si misurano con il voltmetro. Esistono voltmetri elettromeccanici a lancetta che si trovano di solito nei pannelli elettrici.

Potenza

Per far muovere qualsiasi cosa è necessario fornire dell’energia, anche per spostare cose minuscole come degli elettroni. Lo spostamento può avvenire in tempi differenti: un secondo, un’ora oppure un anno. Più veloce sarà il movimento e maggiore sarà la potenza. La potenza elettrica si misura in watt (con W come simbolo), in onore di James Watt, che nel 1800 si dilettava con macchine a vapore, cavalli e altre diavolerie, misurando tempi ed energie.

Abbiamo un circuito alimentato con una pila da nove volt. La corrente che scorre nel circuito è di 0.1 A e la potenza assorbita sarà pari a:

P = 9V * 0,1A = 0,9W

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