Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2007/08 Annarita Margiotta [email protected] tel. 0512095226 1/10/2007 Gianni Siroli [email protected] tel.: 0512095240 1 Scopi del corso • fornire i principii di base e gli elementi tecnicopratici relativi allo studio dei circuiti elettrici e dell’elettronica a semiconduttori lineare e digitale • introduzione all’uso della strumentazione di base per le misure elettriche • introduzione alla strumentazione in uso nelle osservazioni astronomiche e astrofisiche 1/10/2007 2 Programma del corso • • • cenni di elettromagnetismo classico: cariche, forze, potenziali, campi elettronica analogica: – • • • • tensione corrente resistenza capacità induttanza leggi di Ohm e di Kirchhoff formalismo complesso filtri cenni sulla struttura a bande semiconduttori elementi non lineari – – passivi : diodi attivi : transistor - BJT; FET • amplificatori • ADC/DAC • richiami sulla teoria degli errori • introduzione al laboratorio 1/10/2007 fondamenti di logica simbolica (algeba di Boole) porte logiche e tavole di verità circuiti digitali combinatori: • • • • • • • – legge di Ohm generalizzata – – elettronica digitale: – – – grandezze fondamentali per l’analisi dei circuiti elettronici ed elementi lineari dei circuiti: • • • • • – • multiplexer codificatori decodificatori sommatori genaatori di parità ROM PLA circuiti sequenziali : • • • flip-flop registri contatori • • • • introduzione ai sistemi di acquisizione dati CCD ad uso astronomico fotomoltiplicatori radiotelescopi • Esercitazioni di laboratorio con relazione scritta (obbligatorie) 3 Testi consigliati Una selezione di argomenti da: • Resnick, Halliday, Krane – Fisica 2, C.E.A. • Millman, Grabel - Microelettronica, McGraw-Hill • Martinez, Klotz – A practical guide to CCD astronomy, Cambridge University Press • dispense presso la portineria del Dip. Astronomia • sito Internet: http://ishtar.df.unibo.it • in alternativa si può usare qualunque altro testo di elettromagnetismo, circuiti ed elettronica Tutti i testi sono disponibili nella biblioteca del Dipartimento di Astronomia 1/10/2007 4 schema di reticolo cristallino moto caotico delle cariche libere velocità media tra 2 urti ≈ 106 m/s velocità di deriva ≈ 10-2 - 10-3 m/s 1/10/2007 5 • simbolo circuitale resistenza • dipendenza di r e quindi di R dalla temperatura questi valori valgono per una temperatura prefissata 1/10/2007 6 Conduttori: Rame, ferro, alluminio r = 10- 8 m Isolanti: Vetro, plastica, polistirolo r = 10+15 m Semiconduttori: Germanio, silicio, boro r = da 10- 3 a 10 2 m RESISTIVITA’ : r metro (ohm metro) RESISTENZA R = r L / A (ohm) RESISTORI Resistenza di un filo di lunghezza 3 m e sezione 3 mm 2 L= 3 m A = 3 mm2 1/10/2007 conduttore semiconduttore isolante 0,01 da 1 K a 100 M 1013 7 • Per un conduttore ohmico la resistenza è indipendente dalla ddp applicata - V + I R v (t) = R i(t) 1/10/2007 IMPORTANTE: il verso convenzionale della corrente va dal polo positivo al polo negativo, come se si spostassero delle cariche positive 8 Leggi di Ohm • Prima legge di Ohm: in un conduttore metallico l'intensità di corrente (a temperatura T costante) è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore. i(t) = 1/R v(t) • Seconda legge di Ohm: in un conduttore metallico di sezione costante S e lunghezza L, la resistenza è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e alla resistività r, inversamente proporzionale alla sua sezione S: R = r L/S 1/10/2007 9 elementi lineari (ideali) • resistore: elemento di circuito dotato di uno specifico valore di resistenza. Dissipa energia sotto forma di calore (effetto Joule) v(t) = R i(t) • capacitore: elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo elettrico v(t) = 1/C ∫ i(t) dt • induttore : elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo magnetico v(t) = L di(t)/dt 1/10/2007 10 Potenza ed energia • Potenza dissipata in un circuito: W = V I = R I2 = V2/R in una resistore effetto Joule • energia immagazzinata in un capacitore: E = 1/2 C V2 • energia immagazzinata in un induttore: E = 1/2 L I2 1/10/2007 11 facciamo il punto della situazione 1 • • • • • • conduttori - isolanti intensità di corrente i = dq/dt : 1 Ampere = 1 Coulomb/s nei conduttori la corrente è data dal movimento di elettroni (unipolare). per convenzione il verso positivo della corrente è quello che si avrebbe se si muovessero le cariche positive. differenza di potenziale elettrica (o forza elettromotrice o tensione): Volt resistenza : Ohm RESISTORI : v(t) = R i(t) legge di Ohm • • capacità : Farad CAPACITORI (CONDENSATORI) : q(t) = C v(t) v(t) = 1/C ∫ i(t) dt • • induttanza : Henry INDUTTORI : v(t) = L di(t)/dt • 1/10/2007 12 Per completare • generatore di tensione (ideale): dispositivo che mantiene costante una ddp ai capi di un carico, indipendentemente dal valore del carico • generatore di corrente (ideale): dispositivo che fornisce una corrente indipendentemente dal carico • circuito : insieme di elementi cpllegati mediante conduttori di resistenza, capacità e induttanza trascurabili • rete : circuito complesso • maglie : circuiti componenti una rete • rami : parte di un circuito percorso dalla stessa corrente e compreso tra 2 • nodi : è un punto in cui le correnti si dividono 1/10/2007 13 Leggi di Kirchhoff 1. In ogni nodo la somma algebrica delle correnti è uguale a 0 2. In ogni maglia la somma algebrica delle ddp è uguale a 0. 1/10/2007 14 • Resistenze in serie e in parallelo • Condensatori in serie e in parallelo • Induttanze in serie e in parallelo 1/10/2007 15 Generatore di tensione ideale e reale Un generatore di tensione ideale è un generatore che produce la stessa tensione indipendentemente dal carico; questo equivale a dire che ha una resistenza interna nulla. Ciò non accade nel generatore reale in cui, a causa della resistenza interna, la tensione decresce all’aumentare del carico. Ri VL RL Vi 1/10/2007 VL Vi Vi RL R 0 RL Ri 1 i RL 16 Generatore di corrente ideale e reale Un generatore di corrente ideale è un generatore che fornisce una corrente indipendentemente dal carico, questo equivale a dire che ha una resistenza interna infinita. Ciò non accade nel generatore reale, la cui la resistenza interna ha un valore finito. VL I 1/10/2007 Ri RL VL Ri RL 1 IL I I RL Ri RL RL 1 1 RL Ri 17