Nozioni base di elettronica

Nozioni base di elettronica

5 Maggio 2015 1 Di Admin A.

 

In questo articolo verranno introdotti i concetti teorici che possiamo definire alla base dell’elettronica. 

 

 

Un po’ di storia sull’elettronica

 

Per elettronica si intende la scienza che studia teorie e tecniche di progettazione di apparati hardware, capaci di elaborare grandezze fisiche sotto forma di segnali digitali.

 

E’ essenziale innanzitutto chiarire che questa materia è differente dall’Elettrotecnica. Essa infatti studia i segnali con “correnti forti e frequenze basse”, ovvero si occupa di alto voltaggio e non è argomento di questo sito.

 

primo transistor

 

 

Il vero sviluppo dell’ elettronica risale al 1948, con la realizzazione del primo modello di Transistor. 

Ciò, grazie allo studio e alla ricerca di tre scienziati americani: William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen.

 

Questa scoperta segnò un’autentica rivoluzione.  I transistor trovarono presto applicazione all’interno di ogni circuito elettronico creato da quel momento in poi. Questo perché in uno spazio ridotto, era capace di amplificare i segnali elettrici in maniera molto più efficace rispetto alle valvole usate in precedenza.

 

 

 

Da quel momento, le innovazioni si susseguirono una dopo l’altra: si crearono i primi circuiti integrati, aprendo così lo scenario della Microelettronica; i primi calcolatori a valvole termoioniche. E così, nei primi anni settanta, cominciano a vedersi sul mercato i primi computer di dimensioni ridotte, con transistor invece che valvole.

 

Grazie alla continua e costante evoluzione dell’elettronica, si sono sviluppate apparecchiature di rilevante importanza. Ad esempio i laser, ossia dei dispositivi elettronici in grado di concentrare notevoli quantità di energia in spazi ridotti.

 

 

 La carica Elettrica

 

In fisica, la carica elettrica è una grandezza fisica scalare dotata di segno ed è una proprietà fondamentale della materia. La carica elettrica è responsabile dell’interazione elettromagnetica, essendo sorgente del campo elettromagnetico.

 

 

cariche elettriche

 

E’ una grandezza quantizzata, ossia essa esiste solo in forma di multipli di una quantità fondamentale: la carica dell’elettrone, che viene definita come negativa ed indicata con e.

 

Nel Sistema internazionale di unità di misura l’unità di carica è il coulomb che corrisponde a circa 6,24 × 10^{18}elettroni.

 

 

L’Elettrone

 

L’elettrone è una particella subatomica che possiede una massa a riposo di 9,109 382 6(16) × 10-31 kg, pari a circa 1/1836 di quella del protone. Il momento angolare intrinseco, ovvero lo spin, è un valore semi intero che rende l’elettrone un fermione, soggetto quindi al principio di esclusione di Pauli.

 

L’antiparticella dell’elettrone è il positrone, il quale si differenzia solo per la carica elettrica di segno opposto.

 

elettrone e positrone

Quando queste due particelle collidono, possono essere sia diffuse che annichilite producendo fotoni: più precisamente raggi gamma.

 

 

Le leggi di Ohm

 

In fisica, la legge di Ohm, nome dovuto al fisico tedesco Georg Simon Ohm, esprime la legge della proporzionalità diretta tra: la differenza di potenziale elettrico, applicata ai capi di un conduttore, e l’intensità della corrente elettrica che lo attraversa.

 

La costante di proporzionalità è detta resistenza elettrica.

Un’altra relazione, detta anche impropriamente seconda legge di Ohm, permette di calcolare la resistenza di un materiale a partire da resistività, lunghezza e sezione.

 

Denotando con V la differenza di potenziale elettrico ai capi di un conduttore elettrico e con I la corrente elettrica che lo attraversa, la legge di Ohm si presenta nella seguente forma:

 

R = frac{V}{I}

 

dove R è la resistenza elettrica caratteristica del conduttore. Si tratta di una costante, indipendente dall’entità della corrente.

 

legge di ohm

La resistenza dipende da alcune caratteristiche fisiche e geometriche del conduttore, come la resistività rho, la lunghezza l e la sezione S. L’esempio più semplice è quello in cui il conduttore è composto di un solo materiale, ha sezione uniforme e il flusso di corrente al suo interno è anch’esso uniforme.

 

In questo caso, la resistività è legata ad R dalla relazione:

 

 R = rho frac{l}{S}

 

La corrente è composta da un moto ordinato di elettroni guidati da un campo elettrico, che possiedono una certa energia cinetica. Quando il flusso di cariche attraversa un resistore, l’energia cinetica posseduta dalle cariche viene ceduta, in parte o totalmente, al materiale.

 

Questo fenomeno è detto effetto Joule e la potenza trasferita al materiale è data da:

 

P = VI = R I^2

 

Essa risulta proporzionale al quadrato della corrente elettrica, e provoca il riscaldamento più o meno consistente del conduttore. Conoscendo la capacità e la resistenza termica del materiale si può stabilire il conseguente aumento della temperatura.

 

effetto joule

 

Per approfondire l’argomento leggi anche: Cos’è un resistore?

 

 

Leggi di Kirchhoff

 

 

1) Legge di Kirchhoff sulle correnti di un nodo

 

La legge di Kirchhoff sulle correnti afferma che: definita una superficie chiusa che contenga un circuito elettrico in regime stazionario, la somma algebrica delle correnti che attraversano la superficie (con segno diverso se entranti o uscenti) è nulla.

 

In ogni istante di tempo si ha quindi:

 

sum_sigma i_k(t) = 0

dove σ è la superficie che racchiude parte del circuito e i_k(t) il valore della k-esima corrente (che attraversa σ) all’istante t.

 

 

In una formulazione semplificata, definendo una superficie che racchiude un singolo nodo del circuito, si può dire che in esso la somma delle correnti entranti è uguale alla somma delle correnti uscenti.

 

Indicando con I_e le correnti entranti e con I_u le correnti uscenti, in formule avremo:

 

sum I_e = sum I_u

 


 

ESEMPIO

 

Consideriamo un nodo a cui giungono quattro rami del circuito e chiamiamo le correnti i_1i_2i_3 ed i_4. Decidiamo che dai rami 3 e 4 uscirà corrente, quindi la formula sarà:

 

i_1 + i_2 = i_3 + i_4

che trasformata in forma canonica è uguale a:

 

i_1 + i_2 - i_3 - i_4 = 0

 

La somma algebrica totale sarà quindi nulla.

 

In caso di un valore negativo di corrente, risolvendo il circuito, significa che il verso effettivo con cui la carica percorre il ramo è l’opposto di quello ipotizzato all’inizio.

 

Se il circuito è in corrente continua la somma va intesa come somma algebrica.

Se il circuito è in regime sinusoidale la somma può essere fatta anche sui fasori corrispondenti alle correnti.

 

 

2)Legge di Kirchhoff sulle Tensioni


Definizioni utili:

 

Ramo (o arco o lato): singolo percorso circuitale (tra due nodi).
Nodo: punto in cui convergono almeno due rami.
Maglia: insieme di due o più rami che formano un cammino chiuso.


 

In generale la legge di Kirchhoff sulle tensioni (LKT o LKV o KVL) afferma che: la somma algebrica delle tensioni agenti tra le coppie di punti nello spazio, che formano una qualsiasi sequenza chiusa (orientata), è uguale a zero.

 

Nella formulazione più semplice, la legge dice che la somma algebrica delle tensioni lungo una linea chiusa (con il segno appropriato in funzione del verso di percorrenza della maglia stessa), è pari a zero.

 

Se le grandezze elettriche del circuito sono rappresentate nel dominio del tempo (per esempio se è in corrente continua), la somma va intesa come somma algebrica.

Se il circuito è in corrente alternata e le grandezze elettriche sono rappresentate da fasori, la somma può essere fatta anche sui fasori corrispondenti alle tensioni (quindi come somma vettoriale).

 

 

Indicando con V_i le tensioni, in formula si può scrivere:

 

sum V_i = 0

 

 

Una maglia è un percorso chiuso di una rete elettrica che, partendo da un nodo, torna allo stesso senza attraversare uno stesso ramo due volte.

Non è necessario che tra due nodi successivi di una maglia ci sia un componente “effettivo” (anche perché si può sempre immaginare la presenza di un componente corto circuito o circuito aperto).

 

 

Questa legge corrisponde alla legge di conservazione dell’energia per un campo conservativo, in quanto afferma che il lavoro compiuto da una carica per un percorso chiuso, deve essere uguale a zero.

 


 

elettronica

 

 

Queste sono alcune nozioni base che un buon hobbista (e non) di elettronica, dovrebbe conoscere.

 

Ve ne sono molte altre, più complesse e articolate ma altrettanto importanti, che affronteremo nei prossimi articoli.

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