Modulo elettronica
Lezione 1
12 aprile 2011
Parte 1
Cos’è l’elettronica
Brevissima storia
L’informazione
La misura dell’informazione
Cenni storici
• L’elettronica è la scienza e la tecnologia del controllo
degli elettroni:
– Capacità di “manipolare” grandezze fisiche utilizzando
grandezze legate alla carica elettrica
• Progettazione e realizzazione di dispositivi in grado di amplificare,
elaborare, trasmettere sotto forma di onde elettromagnetiche,
memorizzare
– Nasce con l’elettrotecnica, e si differenzia da essa
occupandosi dell’informazione trasportata con i segnali
elettrici
– Sistemi elettronici entrano nella storia
• Radio, televisione, radar, convertitori di potenza, microprocessori,
controllori di processo, fotografia, cinematografia…
• Tomografia, risonanza magnetica nucleare, ecografia…
Cenni storici
• Primi dispositivi elettronici vengono realizzati nei primi anni del 1900:
– 1890 Guglielmo Marconi progetta la prima radio: dispositivo in grado di
sfruttare le onde elettromagnetiche (lunghezze d’onda maggiori di 1mm)
– 1904 JA Flemming inventa il primo diodo a vuoto (o valvola termoionica)
– Durante la prima guerra mondiale vengono sviluppati nuovi sistemi di
trasmissione dati (nuove bande per le trasmissioni dati)
– Con la seconda guerra mondiale e l’invenzione del transistor (componente
attivo) iniziano ad essere realizzati i circuiti integrati
• Nel 1958 realizzazione del primo circuito integrato:
– Circuiti integrati = circuiti elettronici miniaturizzati costituiti da milioni di
componenti elettronici elementari (resistori, condensatori, diodi e transistor)
• Rivoluzione: la tecnologia digitale
– Da segnali analogici (continui e variabili nel tempo) a segnali digitali (discreti)
– L’elettronica evolve nel “settore dell’informazione”
• Automatica, bioingegneria, elettronica, informatica, telecomunicazioni
• La parola elettronica specifica la disciplina che si occupa della parte fisica (“hardware”)
dei sistemi che gestiscono e trasmettono informazione o che controllano potenza
Applicazioni elettroniche in medicina
• Il rapporto con biologia e medicina
– La grande strumentazione diagnostica
• ECG, EEG, EMG, strumentazione per ematologia ed emodinamica
• CT, NMR, ecografia, medicina nucleare, termografia, …
– Le applicazioni a farmacologia e genetica
• Analisi e classificazione di sostanze biochimiche e nucleotidi
– Elettronica impiantabile
• Pacemaker, organi artificiali, …
– Le interfacce bioniche
• Impianti cocleari, impianti corticali, …
La carica elettrica (II)
• La materia è costituita
da atomi o molecole
aventi una propria
carica elettrica, che può
essere positiva o
negativa. In particolare
la carica elettrica:
– Si conserva;
– È quantizzata.
Legge di Coulomb
q1q2
F = ke 2
r
µ 0 c0 2 c0 2
9 N ⋅ m2
ke =
=
= 7 = 8.987551⋅10
C2
4πε 0
4π
10
1
Il campo elettrico
Nella regione di spazio che circonda un oggetto carico, esiste un campo elettrico.
Quando un altro oggetto carico entra in questa regione subisce una forza elettrica.
Si definisce q0 una carica di prova positiva.
Il vettore campo elettrico E (generato da cariche diverse dalla carica di prova) è
definito come la forza elettrica che agisce sulla carica di prova:
E = F/q0
1
q
E=
⋅ 2
4πε 0 r
Il campo elettrico E si misura in N/C, ed ha direzione pari a quella della forza
subita dalla carica di prova.
In particolare si può affermare che in un dato punto dello spazio esiste un
campo elettrico se una carica di prova in quiete, posta in quella regione di
spazio, è sottoposta all’azione di una forza elettrica.
Proprietà del campo elettrico (I)
• Densità di carica di volume, ρ
dq = ρ (r ' )dV '
• Densità di carica superficiale, σ
dq = σ (r ' )dA'
• Densità di carica lineare, λ
dq = λ (r ')dl'
Proprietà del campo elettrico (II)
Campo elettrico UNIFORME (uniforme se costante nello spazio, stazionario se
costante nel tempo).
Le linee di campo sono parallele e di densità costante. Il verso delle linee di campo
parte dalla carica positiva, ed è direzionato verso la carica negativa.
Una carica elettrica q in un campo uniforme sarà sottoposta ad una
forza F uguale in ogni punto dello spazio. La forza avrà lo stesso verso
del campo se la carica q è positiva, verso opposto se q è negativa.
Isolanti e conduttori
• ISOLANTI = materiali in cui le
cariche elettriche non possono
muoversi liberamente:
– Plastiche
– Vetro
– Legno
• CONDUTTORI = materiali in cui le
cariche elettriche si muovono
liberamente:
– Metalli
SEMI-CONDUTTORI:
Materiali le cui proprietà elettriche
sono a metà strada tra gli isolanti
ed i conduttori. Questi materiali
vengono utilizzati per la
fabbricazione di apparecchiature
elettroniche, variando le loro
caratteristiche elettriche con
l’aggiunta (drogaggio) di quantità
note ti alcuni tipi di atomi
- Silicio
- Germanio
Il potenziale elettrico
È una funzione scalare utilizzata per descrivere fenomeni elettrostatici
Per spostare una particella carica
all’interno di un campo elettrico è
necessario applicare a tale particella una
forza F. Si definisce la variazione di
energia potenziale del sistema come:
ΔU = F·ds
Il potenziale elettrico si misura in volt (V), dove 1 V = 1 J/C.
Da cui si deduce che il campo elettrico può anche essere
espresso come V/m.
Il potenziale elettrico è definito come
energia potenziale per unità di carica, e
vale in ogni punto di un campo elettrico
U
V = = − ∫ E ⋅ ds
q0
N.B. Le linee di campo elettrico sono dirette nel verso del potenziale elettrico decrescente
Differenza di potenziale in un campo
elettrico uniforme.
esempio:
Definita d la distanza tra i punti A e B (misurata
parallelamente alle linee di campo), e con VB < VA:
ΔV = -Ed
Presa una carica di prova q0 che si muove dal punto A al
punto B, la variazione di energia potenziale è:
∆U = q0 ∆V = q0 (E ⋅ d )
Se q0 è una carica positiva, allora essa perde energia
potenziale elettrica quando si muove nella direzione del
campo elettrico (che significa che il campo elettrico compie
lavoro su una carica positiva quando la carica si muove in
direzione del campo). Mentre se q0 è negativa, allora la
variazione di energia potenziale è positiva, e la particella
guadagna energia potenziale elettrica quando si muove
nella direzione del campo.
La capacità.
La capacità di un condensatore è il rapporto tra il valore assoluto della carica
presente su uno dei due conduttori ed il valore assoluto della differenza di
potenziale tra gli stessi.
In particolare la capacità è una costante di proporzionalità tra
la carica e la differenza di potenziale, e dipende dalla forma e
dalla distanza a cui sono psti i due conduttori.
L’unità di misura della capacità nel SI è il farad:
Calcolo della capacità (I)
Esempio. Calcolo della capacità di una sfera
Preso un conduttore sferico di raggio R e carica Q, e supposto il secondo
conduttore un’altra sfera di raggio infinito.
Che dimostra che la capacità di una sfera carica isolata è proporzionale al raggio
della sfera, ed indipendente sia dalla carica che dalla differenza di potenziale.
Calcolo della capacità (II)
Esempio. Calcolo della capacità di un condensatore piano
Supposte due lastre metalliche (una con carica +Q e l’altra con carica –Q) aventi
superficie A e poste a distanza d:
La geometria di questi conduttori influenza la
capacità di immagazzinamento della carica: quando
un condensatore è caricato, gli elettroni si spostano
dall’armatura con carica positiva su quella a carica
negativa. Se le armature hanno superficie molto
grande, le cariche possono distribuirsi su superficie
grande:
Fissata una certa differenza di potenziale, la
quantità di carica che può essere immagazzinata su
un’armatura cresce al crescere della superficie
dell’armatura stessa. Pertanto la capacità risulta
proporzionale alla superficie A.
Calcolo della capacità (II)
Esempio. Calcolo della capacità di un condensatore piano
Supposte due lastre metalliche (una con carica +Q e l’altra con carica –Q) aventi
superficie A e poste a distanza d:
Inoltre, definita la differenza di potenziale in un
campo elettrico uniforme ΔV=Ed.
Se tale differenza di potenziale è mantenuta
constante è ovvio pensare che riducendo la distanza
d, il campo elettrico E deve conseguentemente
aumentare.
Fissata una certa differenza di potenziale, la
quantità di carica che può essere immagazzinata su
un’armatura cresce al diminuire della distanza tra le
due armature. Pertanto la capacità risulta
inversamente proporzionale alla distanza d.
Calcolo della capacità (II)
Esempio. Calcolo della capacità di un condensatore piano
Supposte due lastre metalliche (una con carica +Q e l’altra con carica –Q) aventi
superficie A e poste a distanza d:
Detta σ la densità di carica superficiale (σ = Q/A),
con le armature tra loro molto vicine, il campo
elettrico risulta:
Poichè il campo elettrico è uniforme, ΔV = Ed, quindi:
Calcolo della capacità (II)
Esempio. Calcolo della capacità di un condensatore piano
Supposte due lastre metalliche (una con carica +Q e l’altra con carica –Q) aventi
superficie A e poste a distanza d:
Si ricava infine:
Capacità di un condensatore piano è proporzionale all’area delle
armature e inversamente proporzionale alla loro distanza
Condensatori con dielettrici.
Per aumentare la capacità di un condensatore, lo spazio tra le due armature è
riempito con materiale dielettrico (materiale non conduttore). La capacità del
condensatore aumenta di un fattore k, che viene anche chiamata costante
dielettrica.
La costante dielettrica è una proprietà intrinseca del materiale.
Condensatori in elettronica
Il condensatore e` un compenente elettrico in grado di immagazzinare energia
accumulando una nota quantita` di carica elettrica all’interno di un campo elettrostatico
•
•
Nella teoria dei circuiti il
condensatore e` un componente
ideale che mantiene la carica e
l’energia per un tempo infinito
quando e` isolato.
Quando collegato ad un circuito puo`
scaricare la propria carica ed energia.
−
1
Z=
jωC
La corrente elettrica
La corrente elettrica è definita come la quantità di carica che attraversa una
superficie nell’unità di tempo:
Nel SI è misurata in Ampere:
Per convenzione il verso positivo della corrente è quello percorso dalle cariche positive in moto
Resistenza elettrica (I)
Si considera un conduttore di sezione A che trasporta una corrente I.
n, numero di portatori di carica
q, carica di ciascun portatore
vd, velocità media di deriva dei portatori di carica
A, sezione trasversale attraversata dai portatori di carica
La densità di corrente J è definita come:
Quando in un conduttore è mantenuta una differenza
di potenziale costante ΔV, si stabiliscono una densità
di corrente J ed un campo elettrico E:
Resistenza elettrica (II)
σ è chiamata conduttività del conduttore, ed è una caratteristica
propria di tutti i materiali che seguono la legge di Ohm.
Ovvero: per molti materiali (inclusa la maggior parte dei metalli) il
rapporto tra la densità di corrente ed il campo elettrico è una costante,
che è indipendente dal campo elettrico che genera la corrente.
Preso un filo lungo l e di sezione A:
Resistenza elettrica (III)
Nel SI è misurata in Ohm:
La resistività è una caratteristica propria dei materiali, ed è definita come l’inverso
della conducibilità.
Resistori in elettronica
•
•
•
Idealmente i resistori sono
componenti in grado di rispondere
linearmente alla legge di Ohm.
Sono bipoli passivi che consenrvano
una resistenza elettrica costante
qualsiasi siano i valori di tensione e
corrente applicati ai suoi capi.
Oltre ad essere caratterizzati da una
propria resistenza elettrica, sono
anche caratterizzati da una potenza
che possono dissipare (energia per
unita` di tempo, W)
Induttori in elettronica
• Componente elettrico in grado di
generare un campo magnetico
quando percorso da corrente
elettrica (continua o alternata)
• Idealmente l’energia elettrica
viene immagazzinata nel campo
magnetico prodotto.
−
Z = jωL
Generatori in elettronica
• I generatori sono dispositivi in
grado di “generare” una
differenza di potenziale
trasportando cariche elettriche.
• Processi di varia natura
(elettrochimica,
elettromagnetica, termoelettrica,
etc.) trasportano le cariche
elettriche positive verso il polo
positivo e quelle negative verso il
polo negativo: il lavoro compiuto
per portare queste cariche e`
proporzionale alla tensione che
questi dispositivi possono
generare.
Analisi di circuiti elementari
Circuiti equivalenti (esercizio)
a
b
R1
R3
R2
R4
c
Circuiti RC
Il circuito RC
- scarica -
a
b
C
c
a
b
R
C
I
c
R
Il circuito RC
- carica -
a
b
c
C
a
b
R
+
C
R
I
ΔV
-
c
ΔV
+
-
