Misure elettriche ed elettroniche

L'elettrotecnica e i componenti elettrici

L'elettrotecnica si prefigge lo scopo di studiare le relazioni tra componenti elementari opportunamente collegati tra di loro. Ogni elemento è sede di fenomeni di natura elettrica e comunica con l'esterno attraverso dei terminali chiamati morsetti. A secondo del numero di terminali il componente si chiamerà bipolo (2 terminali), tripolo (3 terminali), quadripolo (4 terminali).

Corrente elettrica

La corrente elettrica è un qualsiasi moto ordinato di cariche elettriche che si verifica dopo l'applicazione di una differenza di potenziale ai capi di un conduttore. Il moto è definito operativamente come la quantità di carica elettrica che attraversa una determinata superficie nell'unità di tempo: i = Δq/Δt.

La corrente convenzionale è definita come il flusso di carica positiva, sebbene nella maggior parte dei casi si ha a che fare con cariche negative in conduttori solidi, quali i metalli. All'interno di essi, la corrente elettrica è realizzata attraverso un moto ordinato di elettroni all'interno del conduttore elettrico.

La corrente si misura in Ampere (1 A = 1C/secondo). Lo strumento attraverso cui si misura la corrente viene chiamato amperometro e si collega in serie al circuito.

Tensione elettrica

La tensione rappresenta la misura della differenza di potenziale esistente tra due estremità del singolo dispositivo. La differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica, spesso abbreviata in d.d.p., è definita come la differenza tra il potenziale elettrico di due punti dello spazio. Si tratta della differenza tra l'energia potenziale elettrica posseduta da una carica nei due punti a causa della presenza di un campo elettrico, divisa per il valore della carica stessa. In condizioni stazionarie è pari al lavoro compiuto per spostare una carica unitaria attraverso il campo da un punto all'altro, cambiato di segno.

Proprietà: V_ab = -V_ba. Il verso di riferimento è del tutto arbitrario.

Potenza elettrica

La potenza è la terza grandezza associata ai bipoli. Nell'unità di tempo P = L/t = V•I. La potenza elettrica è il lavoro compiuto. La potenza viene misurata in watt (W).

Resistenza elettrica

Si dice resistenza di un componente elettrico la proprietà di opporsi al passaggio della corrente elettrica. L'unità di misura della resistenza è l'ohm, che si abbrevia col simbolo Ω.

La legge di Ohm indica la relazione tra tensione e corrente di un resistore. La formula è la seguente: v = R i. La resistenza può essere pure calcolata con parametri fisici del conduttore stesso, la formula è: R = ρ·L/S, dove ρ è la resistività o resistenza specifica del conduttore; L è la sua lunghezza e S la sua sezione.

Conduttanza

La conduttanza G è l'inverso della resistenza: G = 1/R. Misuriamo la conduttanza in siemens, che si abbrevia con S.

Effetto Joule

Il passaggio della corrente nel resistore determina un riscaldamento per effetto Joule; la potenza dissipata la possiamo calcolare con la formula: p = v i = R i². L'unità di misura della potenza è il watt, che si abbrevia: W.

Resistenze in serie e in parallelo

Resistenze in serie: R_serie = R₁ + R₂ + R_n

Resistenze in parallelo: 1/R_parallelo = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R_n

Il condensatore

Il condensatore è un componente elettrico costituito da due materiali conduttori (armature) separati da un isolante (dielettrico; es. carta, mica, aria). La caratteristica del condensatore è la capacità di accumulare e conservare cariche elettriche. La capacità si misura in farad, ma essendo il farad una misura molto grande si usano i sottomultipli: mF, µF, nF, pF.

Applicando una differenza di potenziale tra le armature si crea un campo elettrico nel dielettrico e, grazie al lavoro del generatore, un accumulo di cariche sulle stesse (carica positiva sull'una e negativa sull'altra), tanto più grande quanto è grande la capacità del condensatore. Una volta che il condensatore si è caricato, per i circuiti in corrente continua si ha che nel ramo ove è inserito il condensatore non può più passare la corrente.

La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi: Q = C•V

La legge fondamentale dei condensatori è: la capacità di un condensatore è tanto più grande quanto maggiori sono le armature e quanto più piccola è la distanza fra le due armature.

Caricare un condensatore vuol dire collegarlo ad un generatore di tensione. Si può utilizzare il seguente circuito: data la presenza della resistenza R, si dice che il condensatore si carica attraverso la resistenza. In realtà, R non si può togliere, in quanto in essa si tiene conto della resistenza interna del generatore reale, cioè R_o, e della resistenza dei fili di collegamento.

Sperimentalmente si osserva che il condensatore non si carica istantaneamente, ma impiega un certo tempo; inoltre, si osserva che quanto più grande è il valore della resistenza R, più tempo impiega il condensatore per caricarsi. Infine, quanto più grande è la capacità C, più tempo impiega il condensatore per caricarsi. In definitiva, il tempo impiegato per caricarsi dipende dal prodotto RC; il prodotto RC è detto τ (tau), costante di tempo del circuito e si indica con la lettera greca τ. L'unità di misura è il secondo.

Volendo rappresentare su di un diagramma come varia la tensione ai capi del condensatore al variare del tempo, otteniamo: tale diagramma ci mostra come il condensatore non si carica subito, ma inizialmente ha una tensione 0. Poi, col passare del tempo, la tensione cresce seguendo una curva di tipo esponenziale. La corrente ha un valore massimo nell'istante iniziale, ed è: i = E_o/R. Al passar del tempo, poi diminuisce: infatti, quando il condensatore è ormai carico, non passa più corrente.

Scarica del condensatore

Per scaricare un condensatore basta inserire in parallelo una resistenza R secondo il seguente circuito.

Bipoli lineari

Si definisce Bipolo Lineare un componente a due terminali caratterizzato da una relazione matematica lineare fra tensione applicata (V) e corrente (I) che vi scorre. Si definisce curva caratteristica il grafico V-I e in un bipolo lineare è sempre una retta. Si dicono attivi i bipoli contenenti generatori, passivi i bipoli non contenenti generatori.

Reti elettriche

I componenti elettrici che costituiscono una rete sono: resistori, condensatori, induttori, generatori di tensione, generatori di corrente. Un circuito elettrico è costituito da un insieme di generatori elettrici, resistori, condensatori e induttori opportunamente collegati.

Un circuito elettrico reale può essere rappresentato mediante un modello, detto anche rete elettrica, che ne rappresenta sulla carta il suo funzionamento, in modo da poterlo studiare e fare gli opportuni calcoli, mediante le leggi della elettrotecnica.

Dato un generico circuito elettrico, consideriamo la rete elettrica che lo rappresenta:

• Si dice nodo un punto del circuito in cui sono collegati almeno tre componenti. Nel nostro caso vi sono due nodi, un nodo A e un nodo B.
• Si dice maglia un percorso chiuso che si ottiene partendo da un nodo e tornando allo stesso nodo. Vi sono tre maglie: Maglia 1: comprende i componenti E, R₁, R₂; Maglia 2: comprende R₂, R₃; Maglia 3: comprende E, R₁, R₃.
• Si dice lato o ramo una parte del circuito compresa tra due nodi.

Leggi di Kirchhoff

1° legge di Kirchhoff: la somma algebrica delle intensità delle correnti in un nodo è uguale a zero, ovvero in un nodo la somma delle correnti entranti è uguale alla somma delle correnti uscenti. ∑ I = 0, ovvero I₁ = I₂ + I₃ ovvero I₁ - I₂ - I₃ = 0.

2° legge di Kirchhoff: In una maglia, la somma algebrica delle cadute di tensione provocate dalle resistenze, è uguale alla somma algebrica delle f.e.m. E = R₁·I₁ + R₂·I₂; ∑ V = 0, ovvero E = V_R1 + V_R2 ovvero E - V_R1 - V_R2 = 0.

Materiali conduttori e isolanti

La materia ha una struttura discontinua, diversa a seconda che si tratti di gas, di liquidi oppure di solidi, ma sempre e comunque una struttura molecolare. Ogni sostanza è composta di uno o più elementi (es. l'acqua è composta da idrogeno e ossigeno).

Gli atomi di elementi diversi hanno diversa struttura, ma ogni atomo consiste di una parte centrale o nucleo, carico positivamente, circondato da elettroni (cariche negative) che si muovono in orbite a distanze diverse dal nucleo stesso. Il nucleo di ogni atomo, fatta eccezione per l'idrogeno, è costituito da protoni (cariche positive) e neutroni (privi di carica).

In condizioni normali l'atomo è neutro, cioè la carica totale negativa degli elettroni è uguale a quella totale positiva dei protoni. Più gli elettroni sono distanti dal nucleo, più piccola è l'attrazione che su di essi esercitano le cariche positive del nucleo; di conseguenza è più facile strapparli dall'atomo.

Ogni elettrone posto sull'orbita più esterna all'atomo, oltre alla piccola forza di attrazione del suo nucleo, risente anche l'attrazione dei nuclei limitrofi, in tal modo che un elettrone può muoversi facilmente da un atomo all'altro. Questi elettroni sono detti elettroni liberi o di conduzione.

Un atomo che perde o guadagna uno o più elettroni si definisce ione; positivo nel primo caso (catione), negativo nel secondo (anione). Il grado di stabilità di un atomo deriva dalla maggiore o minore tendenza a completare l'orbita esterna con l'ottetto, ossia con otto elettroni.

Se per esempio osserviamo un corpo semplice, quale lo zolfo, il suo atomo è composto oltre al nucleo, da tre orbite portanti rispettivamente 2, 8 e 6 elettroni; ebbene i 6 elettroni più esterni hanno tendenza a completare l'ottetto, attirando quindi trattenendo altri 2 elettroni che si trovano nelle vicinanze dell'atomo di zolfo. Consideriamo in contrapposto l'atomo di alluminio, esso su tre orbite ha rispettivamente 2, 8 e 3 elettroni. Tale elemento può raggiungere la sua stabilità, perdendo tre elettroni dello strato più esterno.

I due elementi considerati presentano anche un'altra differenza:

• Se disponiamo delle cariche negative in un punto di una stecca di zolfo, questi elettroni non si diffondono attraverso l'asta, ma rimangono attaccati agli atomi di zolfo circostanti. Si dice che lo zolfo è un materiale isolante.
• Se su una parte di una stecca di alluminio (simile a quella di zolfo) disponiamo delle cariche negative, queste si distribuiscono più o meno uniformemente in tutta la massa che costituisce la stecca. Si dice che l'alluminio è un materiale conduttore.

Atomo e modello di Bohr

Un atomo è la più piccola particella di un elemento che presenta ancora le caratteristiche di quell'elemento. Ogni elemento è caratterizzato da una sua particolare struttura atomica. Secondo il modello di Bohr, gli atomi possono essere immaginati come costituiti da un nucleo centrale circondato da elettroni orbitanti intorno ad esso.

Numero atomico e peso atomico

Il numero atomico di un elemento è il numero di protoni presenti nel nucleo dei suoi atomi. Il peso atomico approssimativamente coincide con il numero totale di protoni e neutroni che formano il nucleo.

Strati elettronici e orbite

Nel modello di Bohr gli elettroni orbitano attorno al nucleo a certe ben determinate distanze da esso; inoltre, in una struttura atomica, gli elettroni sono associati solo a certi ben determinati valori di energia. Ciascuna di tali distanze, chiamata orbita, corrisponde pertanto a un determinato livello energetico. Questi livelli di energia vengono raggruppati in alcune bande di energia, dette strati elettronici.

Elettroni di valenza

Gli elettroni caratterizzati dai livelli energetici più elevati appartengono allo strato elettronico più esterno dell'atomo e risultano quindi legati all'atomo più debolmente. Tali elettroni più esterni, detti elettroni di valenza, sono quelli che permettono il verificarsi delle reazioni chimiche e l'instaurarsi dei legami tra gli atomi.

La ionizzazione

Quando un elettrone di valenza acquista energia può essere completamente rimosso dall'atomo a cui appartiene. La perdita dell'elettrone di valenza conferisce all'atomo, originariamente neutro, un eccesso di carica positiva. Il processo in questione prende il nome di ionizzazione. L'atomo che, in conseguenza della ionizzazione, risulta carico positivamente, viene chiamato ione positivo. L'elettrone di valenza separatosi dall'atomo viene detto elettrone libero. Se l'elettrone libero a sua volta entra a far parte dello strato elettronico più esterno di un atomo neutro, tale atomo si carica negativamente e lo stesso atomo viene chiamato ione negativo.

Legami atomici

Nel silicio gli atomi sono disposti secondo una struttura ordinata chiamata cristallo, all'interno del quale gli atomi sono tenuti assieme nelle loro rispettive posizioni da legami covalenti.