APPENDICE A
– ELETTRICITA’ DI BASE
ELETTRICITÀ
La sola differenza tra un fulmine ed una scintilla e tra il vostro dito ed una maniglia in un giorno secco è solo la quantità,
entrambe sono elettricità. Benjamin Frankklin per primo confermo questo con il suo famoso esperimento con l’aquilone.
Mettiamo l’elettricità al lavoro - Tutta la materia ha proprietà elettriche. Questo è il motivo per cui gli scienziati nei secoli
passati sono stati in grado di inventare centinaia di oggetti che generano, immagazzinano, controllano e
commutano l’elettricità.
RITORNANDO ALLE BASI
L’elettricità è un ingrediente essenziale della materia. Il modo migliore per capire la natura dell’elettricità è di esaminare il componente
più piccolo di ogni elemento, l’atomo.
Il terzo più semplice atomo dopo quello di idrogeno e di elio, gli atomi di litio hanno
3 elettroni che ruotano attorno ad un nucleo di 3 protoni e 4 neutroni.
Gli Elettroni hanno carica elettrica negativa.
I Protoni hanno carica elettrica positiva
I Neutroni hanno carica elettrica neutra
Il nucleo è il centro del sistema [+ e =].
ATOMO DI LITIO:
Ioni - Normalmente un atomo ha un uguale numero di elettroni e di protoni. Le cariche si annullano per dare all’atomo nessuna
carica elettrica. E’ possibile spostare uno o più elettroni dalla maggior parte degli atomi. Questo fa si che l’atomo abbia una carica
elettrica positiva e viene quindi chiamato ione positivo. Se un elettrone libero si combina con un atomo normale, l’atomo assume
carica negativa
ed è quindi chiamato ione negativo.
Elettroni – Gli elettroni liberi possono muoversi ad alta velocità attraverso metalli, gas e nel vuoto; o possono rimanere fermi su
una superficie.
Altre Informazioni
sugli Elettroni Liberi – Molti miliardi di elettroni possono rimanere su una superficie o viaggiare attraverso lo spazio o la materia
quasi alla velocità della luce (300.000 Km. al secondo)
Elettroni a Riposo – Un gruppo di elettroni negativi su di una superficie fanno si che la superficie sia caricata negativamente. Fino
a che gli elettroni non si muovono,
si può dire che la superficie ha una carica elettrostatica neutra.
Elettroni in Movimento – Un fascio di elettroni in movimento è chiamato corrente elettrica. Elettroni a riposo possono
facilmente formare una corrente elettrica se posti vicino ad un gruppo di ioni positivi. Gli ioni caricati positivamente attraggono gli
elettroni i quali ci correranno dentro per riempire i “buchi” o “vacanze” lasciati dagli elettroni mancanti.
Elettroni Mancanti – Frizione meccanica, luce, calore o una reazione chimica possono rimuovere gli elettroni da una superficie.
Questo fa si che la superficie si carichi positivamente. Fino a che gli atomi caricati positivamente rimangono a riposo, si può dire che la
superficie ha una carica elettrostatica positiva.
ELETTRICITÀ STATICA
Voi generate elettricità statica ogni volta che camminate su di un tappeto, staccate il nastro da un rotolo, vi spogliate o togliete i vostri
vestiti asciutti dal asciugabiancheria. La maggior parte delle volte non ve ne rendete conto a meno che l’aria sia asciutta e la carica
statica crepiti, schiocchi e guizzi da una parte all’altra. Queste cariche statiche sono causate dalla frizione meccanica. Nel 600 a.c., il
greco Talete sperimentò che l’elettricità statica viene prodotta quando l’ambra (Elektron) viene strofinata con la lana.
Plastica e Vetro Elettrificati – Passate un pettine di plastica tra i vostri capelli in un giorno asciutto e trasferirete elettroni dai
vostri capelli al pettine. Strofinate un bastoncino di vetro con la seta o delle fibre sintetiche di un pennello per pittura e voi rimuoverete
gli elettroni dal vetro. Entrambi il pettine caricato negativamente e la bacchetta di vetro carica positivamente attraggono i pezzetti di
carta. Potete elettrificare o caricare molti materiali strofinandoli con pelliccia, lana, ecc. Metallo? No, la carica si disperde.
Cariche uguali ed opposte – Come sappiamo che il pettine e la bacchetta di vetro hanno cariche opposte? Una regola
fondamentale di elettricità dice che cariche uguali si respingono e cariche diverse si attraggono.
CORRENTE ELETTRICA
Osserviamo altri due punti importanti:
Una carica statica immobile scorrerà attraverso un conduttore come una corrente elettrica.
La corrente elettrica scorre da una regione a carica elevata o alto potenziale ad una regione di basso potenziale.
La Connessione Magnetica – Un flusso di corrente attraverso un cavo crea un campo magnetico attorno al cavo. Non potete
vedere il campo, ma potete osservare i suoi effetti. Orientate una bussola così che l’ago indichi il nord. Ponete un cavo di rame parallelo
sopra l’ago. Quindi posizionate una batteria di una torcia connessa ai due capi del cavo e l’ago si sposterà dal suo orientamento nordsud. (Tenete il cavo connesso solo per un istante per prevenire il surriscaldamento della batteria)
Misurare l’elettricità - Il movimento fisico (o meccanico) di un ago di una bussola magnetica in un campo magnetico fornisce un
utile modo per misurare la quantità di corrente che passa attraverso un cavo. Questa è la base dell’amperometro a bobina mobile nel
multimetro analogico (tester). Per fornire una sensibilità elevata, il cavo è avvolto come una bobina.
ELETTRICITÀ A CORRENTE CONTINUA
Una corrente elettrica può scorrere in entrambe le due direzioni attraverso un conduttore. Se il flusso è solo in una direzione, sia
stabilmente o ad impulsi, è chiamato corrente continua (CC).
E’ importante essere in grado di specificare
la quantità e la forza di una C.C. (corrente continua). Riportiamo i termini chiave:
Corrente (I) – La corrente è la quantità di elettroni passante un punto dato. L’unità di misura della corrente è l’Ampere. Un
Ampere corrisponde a 6.250.000.000.000.000.000 (6,25 x 1018) elettroni che passano un punto in un secondo.
Tensione (V o forza elettromotrice) La tensione è la pressione elettrica o energia. La tensione è a volte riferita al potenziale
elettrico. La caduta di tensione è la differenza in tensione tra i due terminali di un conduttore attraverso i quali la corrente sta
scorrendo. Se confrontiamo la corrente al flusso dell’acqua attraverso un tubo allora la tensione è paragonabile alla pressione
dell’acqua.
Potenza (P) – Il lavoro compiuto da una corrente elettrica è chiamato potenza. L’unità di misura della potenza è il Watt. La potenza
di una corrente continua è la tensione moltiplicata per la sua corrente. 1 Watt = 1 Volt x Amp. (W= V x I)
Resistenza (R) – I conduttori non sono perfetti. Impediscono a vari livelli il flusso di corrente. L’unità di misura della resistenza è
l’Ohm . Una differenza potenziale di un Volt costringe una corrente di un Ampere attraverso la resistenza di un Ohm. La resistenza di un
conduttore è la sua caduta di tensione diviso la corrente che scorre attraverso un conduttore
Ohm = [(V1 - V2 ) / Amp]
La Legge di Ohm – Dato una qualsiasi delle forze sopra riportate (P e R), potete trovare le altre due usando queste formule
conosciute come la legge di Ohm:
V=IxR
I=V/R
R=V/I
P (watt) = V x I or I² x R
Elettrocalamita – Inserire un chiodo di acciaio nella bobina, connettere i conduttori ad una batteria a 9V, e il chiodo diventerà un
magnete sino a che l’energia non sarà disconnessa. (Può trattenere parte del magnetismo).
Solenoide – Questo è un “magnete aspirante”. Applicare l’energia alla bobina e il chiodo sarà risucchiato rapidamente all’interno.
Motore – E’ una macchina che converte energia elettrica in energia meccanica attraverso l’uso di forze esercitate dai campi
magnetici che sono prodotti dal flusso di corrente attraverso un conduttore. Usare un chiodo sottile e regolare la lunghezza della bobina
fino a che il chiodo salta su e giù!
Generatori Elettromagnetici – Una tensione scorrendo attraverso un conduttore forma un campo magnetico attorno al
conduttore. Questo effetto funziona in entrambe le direzioni così che una tensione può essere generata da un campo magnetico
variabile. Potete facilmente dimostrare la generazione di tensione elettromagnetica
con una bobina di filo e una piccola calamita. Collegare i connettori della bobina ad un misuratore studiato per percepire microampere.
Inserire un chiodo di acciaio attraverso la bobina e passare il magnete avanti e indietro sulla bobina. Il misuratore indicherà dei
microampere ad ogni passata. La polarità (direzione) della tensione s’invertirà scambiando il senso della passate. Volete un generatore
pronto e fatto? È sufficiente ruotare l’astina di un piccolo motore a c.c. La maggior parte di questi motori produrranno una differenza di
potenziale sino ad alcuni Volt! Potete aggiungere un’elica per avere un generatore alimentato dal vento.
ELETTRICITÀ A CORRENTE ALTERNATA
Ritornate indietro alla bobina fatta in casa e al “generatore” a magnete. Quando il magnete viene spinto in una direzione lungo la
bobina, gli elettroni nel cavo vengono mossi in una direzione e una corrente continua viene prodotta. Sulla passata all’indietro, a
meno che il magnete non venga allontanato dalla bobina, la direzione del flusso di corrente viene invertito. Quindi, se il magnete e
spinto avanti e indietro insieme con la bobina, si produrrà una tensione che si alternerà in direzione o polarità. Viene chiamata
corrente alternata. La corrente alternata (c.a.) è di solito prodotta ruotando una bobina in un campo magnetico.
Misurazione dell’onda sinusoidale – La tensione a c.a. è di solito specificata ad un valore uguale alla tensione a c.c. in grado di
compiere lo stesso lavoro. Per un’onda sinusoidale questo valore è di 0,707 volte il picco di tensione. E’ chiamata la tensione RMS
(Root-Mean-Square – Valore di regime sinusoidale). Il picco di tensione (o corrente) è 1,41 volte il valore RMS. La tensione della linea di
casa è specificata in accordo con il suo valore RMS. Perciò, la tensione di casa di 230 Volt corrisponde a un picco di tensione di 120 x
1,41 o 324 Volt.
Perché si usa la c.a. – La c.a. si adatta meglio della c.c. alla trasmissione attraverso linee elettriche di lunga percorrenza. Un cavo
che porta c.a. porterà una tensione al cavo attiguo. Questo è il principio alla base del trasformatore.
Potete misurare facilmente la tensione a c.a. e a c.c. e la corrente (I) con uno strumento chiamato multimetro. I multimetri analogici
usano una bobina mobile. I multimetri digitali hanno una lettura digitale. Il multimetro è lo strumento elettronico singolo più importante.
Nota aggiuntiva sui Multimetri – Sono indispensabili! Anche se avete solo un interesse momentaneo dovreste considerare
l’acquisto di un apparecchio perché può avere molteplici usi in casa o sul lavoro e quando lavorate con elettrodomestici e veicoli a
motore. Se siete coinvolti nel mondo dell’elettronica, considerate l’acquisto di un multimetro ad alta impedenza che avrà poco o
nessun effetto sull’apparecchiatura o circuito che state misurando. Idealmente dovreste possedere entrambi i modelli: quello analogico
e quello digitale.
SICUREZZA ELETTRICA
L’elettricità può uccidere! Se volete rimanere nei paraggi sufficientemente
a lungo per divertirvi con gli esperimenti di elettronica, trattate sempre l’elettricità con il dovuto rispetto.
CIRCUITO ELETTRICO
Un circuito elettrico è un qualsiasi sistema che permette alla corrente elettrica di scorrere. Un circuito può essere tanto semplice quanto
una batteria collegata ad una lampada o tanto complicato quanto un computer digitale.
Un circuito di base - questo circuito di base e composto da una fonte di corrente elettrica (una batteria), una lampada e due cavi
di connessione. La parte di un circuito che compie un lavoro è chiamata il carico. Qui il carico è la lampada. In altri circuiti il carico può
essere un motore, una resistenza, un elettrocalamita, ecc.
Un circuito in serie – Un circuito può includere più di un componente (interruttore, lampada, motore, ecc). Si parla di circuito
in serie quando una corrente passa da un primo componente ad un altro.
Un circuito parallelo – Si ha un circuito parallelo quando due o più componenti sono connessi cosicché la corrente può scorrere
attraverso un componente senza dover prima scorrere attraverso un altro.
Un circuito in serie parallelo – Molti circuiti elettrici sono sia in serie che paralleli. Tutti forniscono un percorso completo tra il
circuito e l’energia fornita.
“Corto Circuito” Elettrico – Quando un cavo o un altro conduttore è posizionato tra le connessioni di un componente, parte o
tutta la corrente nel circuito può causare un cortocircuito attraverso il conduttore. “Corti” circuiti come questi sono solitamente
indesiderati. Possono causare una rapida perdita di capacità delle batterie. E possono causare danni ai cavi e componenti. “Corti” circuiti
possono anche provocare sufficiente calore da accendere l’isolamento di un cavo!
AVVERTENZA: Il corpo umano conduce elettricità. Perciò, toccare un circuito elettrico incautamente può causare un
Corto Circuito. Se il voltaggio e la corrente sono sufficientemente alti, potete subire un pericoloso o a volte mortale
shock.
Messa a terra – Uno dei cavi della linea a c.a. è collegato al terreno attraverso una barra metallica. I contenitori metallici dei
dispositivi alimentati elettricamente sono collegati a questo cavo a terra. Questo previene il rischio di scariche elettriche dovute ad un
cavo non connesso a terra che venga a contatto con un contenitore metallico. Senza la connessione a terra, una persona toccando il
dispositivo mentre sta sul terreno o sul pavimento bagnato potrebbe ricevere una pericolosa scarica. Si attribuisce il valore di “terra” al
punto a tensione zero di un circuito, che sia o no connesso a Terra. Per esempio, il lato negativo (-) di una batteria può essere
considerato Terra.
IMPULSI , ONDE, SEGNALI E DISTURBO
L’elettronica è lo studio e l’applicazione degli elettroni, del loro comportamento e dei loro effetti. Le applicazioni più semplici sono
circuiti c.a. e c.c. nei quali la corrente è usata per alimentare lampade, elettrocalamite, solenoidi e apparecchi similari. Quello che rende
l’elettronica molto di più di queste applicazioni di base è la semplicità con la quale i fasci di elettroni possono essere controllati e
manipolati.
Impulsi – Un impulso è un improvviso aumento o diminuzione in un flusso di corrente. L’impulso ideale ha un aumento e una
caduta istantanei, ma gli impulsi reali non sono così ideali.
Onde – Un’onda è una fluttuazione periodica in una corrente o tensione. Le onde possono avere una polarità singola (c.c.) o sia
componenti positivi che negativi (c.a.). Ci sono molti tipi di onde.
Segnali – Un segnale è una forma d’onda periodica che trasporta informazioni. Il processo che genera la forma d’onda è chiamato
modulazione. I segnali possono essere a c.a., a c.c. o a c.a. al di sopra del livello della c.c. Il loro nemico è il ….
Disturbo – Tutti i dispositivi elettronici e i circuiti generano piccole e casuali correnti elettriche. Quando queste correnti sono non
volute, sono chiamate disturbo. Il disturbo può inoltre entrare i circuiti elettronici attraverso le onde elettromagnetiche generate da un
fulmini, sistemi di accensione delle automobili, motori elettrici e linee elettriche. Mentre il disturbo può avere un livello di solo pochi
milionesimi di un Volt o Ampere, può facilmente oscurare un segnale ugualmente di basso livello.
FILI E CAVI
Usati per trasportare una corrente elettrica, la maggior parte dei fili è fatta da un metallo a bassa resistenza come il rame. Un filo solido
è un singolo conduttore. Un multi filo sono due o più conduttori scoperti ritorti o intrecciati. La maggior parte dei fili sono protetti da
una copertura isolante di plastica, gomma o lacca.
I cavi hanno uno o più conduttori e un maggior isolamento dei normali fili.
Il cavo coassiale può portare segnali ad alta frequenza (come la televisione).
Attenzione! – Usare sempre il filo stimato a seconda della corrente che deve trasportare. Se il filo è caldo al tatto, sta trasportando
troppa corrente. Usare un filo
di sezione più grande o ridurre la corrente, altrimenti potrebbero innescarsi incendi dovuti a ecessivo surriscaldamento, oppure l'impulso
o il segnale rischiano di non arrivare a destinazione o di arrivare con troppa caduta di tensione.
RELÈ (BREVE DESCRIZIONE)
Un relè è un interruttore elettromagnetico. Una piccola corrente scorrendo attraverso una bobina nel relè crea un campo magnetico che
spinge il contatto mobile di un interruttore contro o lontano da un altro.
Simbolo di relè – La disposizione dei contatti possono fornire SPST, SPDT, DPST. DPDT e altre operazioni di interruttore.
Relè Reed – Un tubo in vetro ospitante una paio di contatti molto vicini tra di loro è un interruttore reed. Un campo magnetico
chiuderà i contatti. Questo rende possibile un relè SPST molto semplice.
MULTIMETRO BOBINA MOBILE
Una bobina su un perno tra i poli di un magnete fatto a U ruoterà quando una corrente passa attraverso la bobina. Questo è il principio
del Misuratore a bobina mobile.
(misuratori di Amp o di correnti disperse)
INTERRUTTORI
Interruttori meccanici permettono o interrompono il flusso di corrente. Inoltre sono usati per dirigere la corrente
su vari punti.
Interruttore di base a coltello – L’interruttore più semplice ….
Questo è chiamato un interruttore SPST (single-pole, single-throw –
polo-singolo, tiro-singolo).
Interruttori multi contatti – Riportiamo i simboli dei maggiori tipi.
(il trattino significa che entrambi i lati si
muovono assieme):
SPDT – polo-singolo, tiro-doppio
DPST – polo-doppio, tiro-singolo
DPDT – polo-doppio, tiro-doppio
Altri Interruttori –
Pulsante. Di solito SPST , normalmente aperto (NA) o normalmente chiuso (NC).
Commutatore.
Come un wafer con un polo e 2 o più contatti. I wafer possono essere accatastati per fornire più poli. Sono possibili molte variazioni
(scambi).
Mercurio. Una goccia di mercurio chiude l’interruttore. Sensibile alla posizione.
Altri. Molti tipi di interruttori a leva a scatto,
a bilanciere, a leva, scorrevole, su/giù, illuminati e altri sono disponibili.
BOBINE
Gli elettroni movendosi attraverso un filo causano un campo elettromagnetico che circonda il filo. Come avete visto, una corrente che
passa attraverso un filo che è stato avvolto a bobina crea un campo ancora più forte. Questo campo rende possibili solenoidi, motori e
elettromagneti.
Le bobine hanno altri ruoli importanti,
Le bobine resistono a cambiamenti rapidi nel flusso di corrente attraverso di esse mentre fanno passare liberamente la corrente
continua (c.c.)
A volte una bobina aggiungerà un’oscillazione spuria ad un’onda quadra che passa attraverso di essa. Questo può accadere quando è
alta la resistenza del percorso esterno della corrente che connette i capi della bobina.
Parte dell’energia nel campo attorno ad una bobina può essere indotta (trasferita) in una seconda bobina vicina. Questo è il principio del
trasformatore:
Il lato in entrata del trasformatore è primario.
Il lato di uscita è chiamato secondario.
TRASFORMATORI
I trasformatori sono una classe maggiore delle bobine aventi due o più spire di solito avvolte attorno ad un’anima comune fatta con
fogli in ferro laminato.
Se la corrente che attraversa la bobina primaria sta fluttuando (alternata), allora la corrente sarà indotta nelle spire secondarie.
Una corrente fissa (c.c.) non si trasferirà da una bobina all’altra.
Come lavorano – I trasformatori hanno la capacità di trasformare la tensione e la corrente a livelli più alti o più bassi. Certamente
non creano energia dal nulla. Perciò, se un trasformatore innalza la tensione di un segnale, riduce la sua corrente. E se taglia la
tensione di un segnale, innalza la sua corrente. In altre parole …. la corrente scorrendo da un trasformatore non può superare l’energia
in entrata!
Rapporto tra le spire – Il rapporto tra le spire del primario al secondario determina un rapporto di tensione del trasformatore ….
La tensione primaria e la corrente sono trasferite inalterate alla secondaria. Spesso chiamato un Rapporto 1:1 - trasformatore di
isolamento.
Passo su: La tensione viene aumentata dal rapporto delle spire. Così un rapporto di 1:5 aumenterà 5 Volt al primario in 25 al
secondario.
Passo giù: La tensione viene diminuita dal rapporto delle spire. Così un rapporto di 5:1 diminuirà 25 Volt al primario a 5 Volt al
secondario.
