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Elettricità ed Elettronica
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Storia dell’elettricità
1. I fenomeni elettrici nell’antichità erano studiati dai filosofi
- Talete di Mileto (VI sec. a.C.) notò che una resina fossile, l’ambra (in greco eléktron), se
strofinata, attira particelle leggere;
- Aristotele (IV sec. a.C.) constatò che fenomeni luminosi possono prodursi per attrito e
studiò le proprietà magnetiche del ferro.
- Nel 1600, William Gilbert nel De magnete, spiegò il concetto di effetto elettrico e la
differenza tra i materiali isolanti e conduttori.
2. Le teorie settecentesche
- nel 1750 Benjamin Franklin inventò il parafulmine.
- Luigi Galvani (1737-98) eseguì delle sperimentazioni con le rane che gli fecero
ipotizzare l’esistenza di un’attività elettrica nei tessuti animali.
3. L’invenzione della pila
- Alessandro Volta, nel 1799, costruì la prima pila, un generatore di corrente: in tal
modo spiegò che le contrazioni della rana erano dovute all’archetto bimetallico che
la toccava, provocando, appunto, una “corrente elettrica”, e non a una corrente già
presente nel tessuto della rana.
- 1868, prima pila a secco, ideata dal francese Leclanché
4. Le macchine elettriche
- Nel 1860, Antonio Pacinotti, con uno speciale “anello”, riuscì a ottenere una
corrente continua indotta: nacque la dinamo.
- Nel 1883 Thomas Edison curò l’allestimento della centrale elettrica di Milano,
la prima in Europa e la seconda nel mondo.
Dalla fine del XIX secolo, ai generatori di corrente continua (dinamo) si
affiancarono quelli a corrente alternata (alternatori).
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Che cos’è la corrente elettrica
La teoria elettronica
La corrente elettrica è un flusso di elettroni che percorre un
conduttore.
Affinché ciò possa verificarsi occorre alle estremità del conduttore si
verifichi una differenza di potenziale.
Per convenzione la corrente elettrica va dal punto a potenziale più
elevato (indicato dal simbolo +) a quello a potenziale inferiore
(indicato dal simbolo –).
Per analogia, avviene così anche in un circuito idraulico ove l’acqua,
attraverso un condotto, fluisce da un serbatoio a livello superiore a
quello a livello inferiore.
Modello di atomo: i protoni sono
indicati con il segno + (carica
positiva) e gli elettroni con il
segno - (carica negativa).
La corrente continua e la corrente alternata
- In natura, fulmini ed altri fenomeni elettrici.
- La tecnologia ha reso disponibili generatori di corrente (chimici o
meccanici) con cui possiamo regolare a nostro piacimento il tipo di
corrente elettrica.
- Nei generatori chimici (pile) e nella dinamo (generatore
meccanico) abbiamo corrente continua (c.c.), perché i poli
(negativo e positivo) rimangono sempre gli stessi e gli elettroni
fluiscono sempre nello stesso senso.
- Negli alternatori, invece, si ha una continua inversione di polarità,
per cui gli elettroni si muovono alternativamente in un senso e
nell’altro, dando origine a una corrente alternata (c.a.).
Pila a secco
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Conduttori e isolanti
- Esistono materiali in cui le cariche possono
muoversi liberamente e altri in cui le cariche non
possono circolare o lo fanno con grande difficoltà.
- I primi si chiamano conduttori, gli altri isolanti.
- Sono buoni conduttori dell’elettricità i metalli, gli
organismi viventi, l’acqua; sono isolanti la plastica,la
gomma, il vetro, il legno.
Gli effetti della corrente elettrica
a. Effetto termico
- L’attrito, provocato dal passaggio degli elettroni all’interno del materiale, genera un
effetto termico, che si manifesta con la produzione di calore.
- Gli apparecchi elettrodomestici (ferro da stiro, asciugacapelli, stufa elettrica) basano il
loro principio di funzionamento
b. Effetto luminoso
Aumentando la resistenza oltre al calore si genera luce: questo fenomeno è sfruttato,
ad esempio, nei filamenti delle lampade
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Gli effetti della corrente elettrica
c. Effetto chimico
La corrente elettrica può generarsi anche entro soluzioni chimiche (pila) ed
essere immagazzinata chimicamente (accumulatori). Può provocare anche
reazioni chimiche utilizzabili dall’industria, soprattutto per unire o separare
metalli.
d. Effetto magnetico
- Possibilità di generare, per mezzo di una corrente elettrica, fenomeni simili a quelli
provocati dai magneti, cioè di creare un campo magnetico. Le applicazioni tecniche di
questo fenomeno sono numerose: si hanno nei generatori, nei motori elettrici, negli
elettromagneti, ecc.
e. Effetto fisiologico
-Si riferisce all’azione che l’elettricità compie su un organismo vivente.
-In alcuni casi tale effetto provoca danni assai gravi, sotto forma di violente contrazioni
dei muscoli, fino al collasso cardiocircolatorio.
- Precauzioni nei confronti delle apparecchiature elettriche in ambiente domestico,
scolastico e di lavoro, e imparare a difendersi dai fulmini.
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Il circuito elettrico
Le apparecchiature elettriche e gli elettrodomestici funzionano solo se collegati all’impianto elettrico,
che consiste in una serie di fili conduttori collegati in circuito.
1. II generatore
- É una macchina che riceve
energia (meccanica o
chimica) dall’esterno (o la
produce, come una pila) e la
trasforma in energia
elettrica.
- Produce una forza che
spinge gli elettroni lungo il
circuito.
3. L’apparecchio utilizzatore
- Elemento che riceve energia
elettrica attraverso i conduttori
e la trasforma in un’altra forma
di energia, richiesta
dall’impiego previsto (luminoso,
termico, meccanico).
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2. I fili conduttori
- Gli elettroni, spinti dalla
forza del generatore, vanno
verso l’utilizzatore passando
attraverso un filo (di solito
metallico), per poi tornare al
generatore stesso.
- Sono dimensionati in
funzione della quantità di
corrente che li attraversa.
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4. L’interruttore
- Ha il compito di aprire e chiudere
il circuito
- Nel circuito chiuso vi è continuità
metallica e la corrente può
circolare.
- Nel circuito aperto non esiste la
continuità metallica fra le due
estremità del circuito, per cui la
corrente non può circolare.
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Le grandezze elettriche
Numerose sono le grandezze (e le relative unità di misura) che entrano in gioco nei fenomeni collegati
con l’elettricità: le più importantisono intensità, tensione e resistenza.
1. Intensità (I)
- É la quantità di carica elettrica che attraversa, nell’unità di tempo (1 secondo), una sezione del circuito.
- Tale grandezza, rilevata con amperometro o galvanometro, è indicata con I;
- Unità di misura è l’ampere (A), in onore dello scienziato francese André-Marie Ampère
2. La tensione (V)
- Esprime la differenza di potenziale che esiste tra due corpi o tra due punti di un conduttore, cioè la forza
con cui gli elettroni vengono spinti attraverso il conduttore
- L’unità di misura della tensione, rilevata dal voltmetro, è il volt (V) in onore di Alessandro Volta
- La tensione di corrente utilizzata nelle nostre case corrisponde a 220 V mentre nelle industrie è di 380 V.
- II livello della tensione può essere innalzato o abbassato mediante il trasformatore di tensione
3. La resistenza (R)
La resistenza elettrica è una grandezza che interviene nei
fenomeni di passaggio di corrente all’interno di un
conduttore: corrisponde alla difficoltà che la corrente
incontra nel fluire attraverso un corpo.
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Le legge di OHM
Le tre grandezze elettriche principali (intensità, tensione e resistenza) sono legate da una relazione di
fondamentale importanza, rappresentata dalla legge di Ohm, dal nome dello scienziato che l’ha definita.
La differenza di potenziale o tensione (V) agli estremi di un conduttore, percorso da corrente
elettrica, è uguale al prodotto dell’intensità di corrente (I) per la resistenza (R)
La formula corrispondente è la seguente: V = I •R
- L’intensità di corrente che passa in un circuito è, quindi direttamente
proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza
che si manifesta nel circuito stesso.
- In pratica, in un circuito percorso da corrente elettrica si determina un
aumento dell’intensità di corrente quando aumenta la tensione e diminuisce
la resistenza
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Collegamenti di resistenze
Collegamento in serie
- Più resistori sono collegati in serie quando sono connessi uno
dopo l’altro, in modo da essere attraversati dalla medesima
corrente.
- L’intensità risulta essere uguale per tutti i resistori e la resistenza
totale è data dalla somma delle singole resistenze.
- La tensione si ripartisce proporzionalmente alla resistenza dei
singoli elementi.
- Se si guasta un utilizzatore (ad esempio una lampada), si
interrompe il circuito
Collegamento in parallelo
- Più resistori sono in parallelo se hanno tutti gli
estremi in comune - Vengono attraversati dalla
stessa tensione e percorsi da intensità di corrente
inversamente proporzionali alle loro resistenze.
- Ha il vantaggio di poter rendere indipendenti
accensione e spegnimento di ogni apparecchio,
anche in caso di guasti: per questo motivo gli
impianti di illuminazione domestica e industriale sono
realizzati con collegamenti in parallelo.
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Collegamenti di pile
Collegamento in serie
- Più elementi di pila possono essere collegati in serie, mettendo a
contatto il polo negativo di un elemento con quello positivo del
seguente e così via
- Si ottiene una batteria di pile, la cui tensione (o forza elettromotrice)
totale corrisponde alla somma delle forze elettromotrici di ogni pila,
mentre l’intensità I si mantiene costante, uguale a quella fornita da
ogni singola pila.
- La formula generale è: Vt = V1+V2+V3
Collegamento in parallelo
- Si ottiene unendo tra loro i poli negativi con i poli negativi e i poli
positivi con i positivi.
-La forza elettromotrice totale è costante e corrisponde a quella del
singolo elemento, mentre l’intensità di corrente I è uguale alla
somma delle singole intensità
- La formula è It = I1+I2+I3
- É necessario che tutte le pile abbiano la stessa forza
elettromotrice, onde evitare che si creino delle correnti interne che
consumerebbero
il materiale in poco tempo.
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Applicazioni industriali
a. L’elettrostatica studia i
fenomeni relativi a cariche
elettriche in quiete.
b. L’elettrodinamica studia il
moto dei corpi materiali
elettricamente carichi.
c. L’elettromagnetismo
studia le interazioni fra
i campi elettrici e magnetici.
d. L’elettrochimica studia le
interazioni fra energia
elettrica e chimica.
e. L’illuminotecnica si
occupa delle applicazioni
Dell’elettricità per produrre
radiazioni luminose nelle
lampade, ecc.
f. L’elettroacustica si
occupa della produzione
di suoni, per mezzo di
apparecchiature elettriche
ed elettroniche.
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Storia dell’elettronica
1. Verso la fine del XIX secolo si riuscì a regolare un flusso di elettroni tra due
elettrodi,
all’interno di un tubo di vetro sotto vuoto: era stata inventata la valvola,
La valvola venne usata, inizialmente, come rilevatore nelle radio.
Le valvole erano grosse e ingombranti, creavano problemi di surriscaldamento
(effetto termoionico) e, dopo un certo uso, si esaurivano.
2. Nel 1906, l’americano De Forest mise a punto il triodo, a tre elementi, con
l’inserimento di una griglia regolabile con una manopola.
-Il triodo funzionava come amplificatore di un segnale elettrico e oscillatore
- Consentì l’inizio delle radiotrasmissioni a lunga distanza.
3. Nel 1929, Felix Bloch formalizzò la teoria dei semiconduttori, cristalli
particolari dotati di proprietà intermedie tra quelle di un conduttore e di un
isolante.
- 1947, invenzione del transistor, che segna la nascita dell’elettronica
“allo stato solido”, liberata dai problemi creati dalle valvole
4. La possibilità di utilizzare componenti di ingombro molto ridotto, ha spinto
alla realizzazione di circuiti stampati, su una lastra di materiale plastico, che
hanno sostituito i complessi e ingombranti fasci di cavi di collegamento
- Successivamente sono nati i circuiti integrati, dove centinaia di componenti
vengono realizzati in un’unica piastrina, di silicio puro, un semiconduttore assai
diffuso (microchip).
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I componenti elettronici passivi
1. Condensatore
- formato da due conduttori metallici separati da materiale isolante
(carta, ceramica, plastica o aria), detto dielettrico.
- Il dielettrico trattiene le cariche che riceve, cedendole successivamente
in modo continuo e assicurando un flusso di corrente regolare e controllato
2. Induttanza o induttore
- È costituita da una bobina di filo di rame avvolta intorno a un nucleo di ferro
- Magnetizzandosi al passaggio di corrente alternata produce una forza elettromotrice
indotta, che contrasta la variazione di corrente, creando una impedenza (resistenza).
- Le induttanze si usano nei circuiti elettronici per bloccare la corrente alternata e
lasciar passare quella continua.
3. Trasformatore
- Trasferisce potenza elettrica da un circuito a corrente alternata, a un altro circuito,
variandone la tensione.
- É costituito da due avvolgimenti in rame, isolati tra loro, avvolti attorno a un unico nucleo di
ferro laminato (materiale magnetico).
- Uno dei due avvolgimenti, collegato a un generatore di corrente alternata, trasferisce la
corrente nell’ altro per effetto dell’induzione elettromagnetica.
- Se il numero delle spire del primo avvolgimento è minore di quello del secondo, in
quest’ultimo si avrà una tensione maggiore (trasformatore in salita); altrimenti la tensione
sarà minore (trasformatore in discesa).
4. Resistenze o resistori
-Distribuiscono in modo controllato la corrente a resistenza e tensione voluta al punto giusto
del circuito.
- È un cilindretto fatto di grafite e resine mescolate con argilla refrattaria; alle estremità
vengono inseriti due terminali in rame.
- L’involucro è colorato secondo le indicazioni del codice IEC, per cui si ha visivamente il
valore della resistenza e della relativa tolleranza.
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I componenti elettronici attivi
1. Diodo
- Nasce dall’unione di un semiconduttore di tipo positivo con un semiconduttore di tipo
negativo
- Ha due terminali e permette il passaggio della corrente in un unico senso,
funzionando come un interruttore, che permette il passaggio o il blocco della
corrente in un circuito.
Diodo led
2. Transistor
- Componente attivo fondamentale di quasi tutti i circuiti e ha sostituto le
valvole termoioniche.
- È composto da tre parti principali: l’emettitore, il collettore e la base, con tre
terminali (elettrodi) corrispondenti alle tre parti.
-Funziona come amplificatore: il segnale elettrico che entra in uno dei suoi
elettrodi viene moltiplicato per un certo fattore, prima di essere riemesso
dagli altri due elettrodi.
- Ora è stato sostituito dai circuiti integrati.
3. Circuito integrato
- Riunisce, su un’unica piastrina di silicio di alcuni millimetri di lato, migliaia di
transistor, diodi, resistenze, condensatori
- Ha basso costo di produzione, ridotte dimensioni, notevole velocità di
funzionamento e alta affidabilità: per questo è la soluzione ideale per i circuiti
dei computer.
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