Elementi di elettronica
Elementi di Elettronica 1
Atomi
Gli atomi sono i costituenti di base di tutto ciò che si trova nel mondo.
sono particelle piccolissime (10-10m=100pm) – un capello è largo come un milione di atomi di carbonio – ma fondamentali, perché sono gli ingredienti di base di cui è fatta l’aria che respiriamo, il cibo che mangiamo, gli oggetti che utilizziamo quotidianamente.
Gli atomi si possono combinare assieme per dar luogo a sostanze diverse quali acqua, metalli, ma anche esseri viventi quali piante e animali e.. anche noi siamo costituiti da miliardi di miliardi di atomi!
Gli atomi a loro volta sono fatti da particelle ancora più piccole chiamate elettroni, protoni e neutroni.
In realtà la maggior parte dell’atomo è costituita di vuoto, infatti il 99.99% della massa di un atomo è condensato nel nucleo, che occupa una parte infinitesimale dell’atomo ed è costituito da particelle con carica elettrica positiva, i protoni, e da particelle elettricamente neutre, i neutroni; nello spazio vuoto attorno al nucleo si muovono gli elettroni, particelle con carica elettrica negativa, legati al nucleo da forze elettromagnetiche – protoni e neutroni nel nucleo sono tenuti assieme da forze nucleari.
I vari elementi presenti in natura (specie chimiche) si distinguono in base al numero di protoni presenti nel loro nucleo.
Thomson e la scoperta dell’elettrone
Nel 1897 J. J. Thomson scoprì che i raggi catodici potevano essere deflessi da campi elettrici e magnetici, il che significa che i raggi catodici non sono una forma di luce ma sono costituiti da particelle elettricamente cariche, e la loro carica, data la direzione in cui venivano deviati, era negativa. Queste particelle furono in seguito chiamate elettroni, poiché sono le particelle che trasportano l’elettricità.
Thomson mostrò che la corrente elettrica è un flusso ordinato di elettroni che si spostano da un atomo a un altro e che, quando non è presente alcuna corrente elettrica, la carica negativa deve essere bilanciata da una qualche sorgente di carica positiva – atomo elettricamente neutro.
L’esistenza di un nucleo, in cui fosse concentrata la carica positiva, fu scoperta da un allievo di Thomson, Ernest Rutherford, in una serie di esperimenti condotti tra il 1908 e il 1913.
Il neutrone infine, venne scoperto dal James Chadwick nel 1932.
Elettroni in movimento nei metalli
Nei metalli gli atomi che costituiscono il materiale sono disposti nello spazio secondo una struttura ordinata, se immaginiamo una griglia possiamo pensare che gli atomi occupino i nodi del reticolo. Inoltre gli elettroni esterni di ciascun atomo sono liberi di muoversi nello spazio intorno all’atomo: il moto è di fatto un moto con direzione casuale ma, in certe condizioni, gli atomi possono iniziare a muoversi in maniera ordinata all’interno del materiale, seguendo tutti la stessa direzione e lo stesso verso di movimento.
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Questo avviene per esempio quando alle estremità di un conduttore metallico viene applicato un campo elettrico, per esempio grazie alla differenza di potenziale, V [V] (o tensione), generata da una batteria: in queste condizioni gli atomi iniziano a muoversi in maniera ordinata all’interno del conduttore.
Questo movimento ordinato di elettroni è una corrente elettrica e l’intensità del movimento (data dal numero di elettroni in movimento e dalla velocità con sui si muovono), determina l’intensità della corrente, I [A].
Ciascun materiale offre una resistenza al fluire degli elettroni, questa resistenza è specifica del materiale e si chiama resistenza elettrica, R [Ohm].
Le tre grandezze elettriche fondamentali – tensione, intensità di corrente e resistenza – sono legate da una relazione, la legge di Ohm, introdotta dal fisico tedesco Georg Ohm nel 1837, che stabilisce che l’intensità di corrente è data dal rapporto tra la tensione applicata agli estremi del conduttore e la sua resistenza,
I = V / R
Batteria
Una batteria è un dispositivo elettro-chimico in cui gli elettroni liberi vengono concentrati in una regione dello spazio, polo negativo della batteria, lasciando gli atomi presenti all’altra estremità della batteria con una mancanza (difetto) di elettroni (ioni positivi).
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Se i due poli della batteria vengono connessi tramite un conduttore metallico (quale per esempio un cavo elettrico), gli elettroni presenti nel conduttore si muoveranno, in direzione opposta al polo negativo, come a cercare di riequilibrare lo sbilanciamento di carica creato dalla batteria.
Questo flusso di elettroni – corrente elettrica – prosegue fino a quando la batteria riesce a separare due regioni dello spazio, una in cui è presente un eccesso di elettroni da una in cui gli elettroni sono in difetto, in pratica fin quando la batteria è carica.
Breadboard
La breadboard, o basetta sperimentale, permette di realizzare dei prototipi di circuiti elettronici inserendo i componenti direttamente nella basetta, senza bisogno di effettuare saldature.
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Una breadboard in generale ha in alto (e in basso) due linee di alimentazione (power rails), i cui fori, per ciascuna riga, sono collegati assieme sotto la breadboard da una piastra di rame.
Gli altri punti sono disposti per metà nella parte superiore e per metà nella parte inferiore della basetta. I fori che appartengono alla stessa colonna sono collegati tra di loro, in pratica rappresentano lo stesso punto.
Laboratorio di elettronica 1
Circuito
Affinchè la corrente possa scorrere è necessario avere un percorso chiuso lungo il quale gli elettroni possano muoversi.
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In tutti i circuiti elettrici dovrà quindi essere realizzato un percorso chiuso che parte dal polo positivo della batteria per chiudersi sulla terra (o massa) – rappresentata in genere dal polo negativo della batteria.
Circuito con batteria, LED e resistenza
Un circuito di base che possiamo realizzare è quello costituito dagli elementi necessari all’accensione di un LED (Light Emitting Diode).
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In particolare possiamo utilizzare due batterie tipo AA da 1.5V (Vcc), una resistenza R1 da 48 Ohm e un LED (rosso, verde o giallo).
Affinché il LED si accenda è necessario che tra i suoi piedi sia presente una tensione maggiore a circa 1.8V e per limitare la corrente che lo attraversa inseriamo una resistenza in serie al LED.
Circuito con batteria, interruttore, LED e resistenza
Modifichiamo adesso il cricuito precedente in modo che si possa regolare l’accensione del LED agendo su un interruttore.
L’interruttore è del tipo momentaneo, ovvero sia permette il passaggio della corrente solo mentre è premuto.
Scopo dell’interruttore è dunque quello di interrompere (aprire) il circuito, impedendo il passaggio degli elettroni.
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Led in serie e in parallelo
E se volessimo aggiungere un altro LED?
E’ possibile aggiungere un secondo LED in serie o in parallelo al primo.
In generale due componenti in serie sono attraversati dalla stessa corrente (I1=I2), mentre ai capi di due componenti in parallelo si trova la stessa tensione (V1=V2).
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