“L’uomo saggio
progetta e costruire oggetti fatti per durare nel tempo, facili da riparare.
L’uomo avido progetta e costruisce oggetti fatti per rompersi velocemente,
difficili da riparare”.
Fino a 50 anni fa gli oggetti erano fatti per durare nel
tempo e facili da riparare. Oggi, per questioni di profitto, vengono costruiti
oggetti fragili e difficili, se non impossibili, da riparare. Per questo motivo
le discariche sono piene di oggetti “usa e getta”. Le risorse della Terra si
stanno esaurendo. Non possiamo più permetterci di “buttare via le cose”.
Fortunatamente molti oggetti rotti o scartati possono essere recuperati,
riparati o riutilizzati per altri scopi. Conoscere il mondo dell’elettronica ci
aiuta a dare nuova vita a questi oggetti.
Che cos’è
l’elettronica?
L’elettronica è la scienza e la tecnologia del controllo
degli elettroni. Le parole elettronica,
elettricità, corrente elettrica, derivano tutte dalla parola elettrone.
Nel nostro corso parleremo più di elettrotecnica, ma le due materie sono strettamente collegate.
Cos’è un
elettrone?
Per capire le basi dell’elettronica è necessario conoscere
il modello atomico.
Per descrivere la struttura della materia che ci circonda
(ciò di cui sono fatte TUTTE le cose, animate e inanimate, un mattone, una
pianta, un chiodo, un gatto) è stato creato un modello, detto appunto modello
atomico. La materia è costituita da atomi, che sono come i mattoncini lego.
Esistono atomi di Ferro, Rame, Carbonio,
Ossigeno, Idrogeno, eccetera. Questi atomi, questi mattoncini, si uniscono a
creare composti e da qui a creare tutte le cose che vediamo, tocchiamo,
eccetera, compreso il nostro corpo fisico, il cibo, la nostra automobile,
eccetera. Il modello atomico è un tentativo di descrivere qualcosa che non
conosciamo ancora con certezza. Il modello atomico è solo una approssimazione.
La scienza sta ancora tentando di scoprire la verità e ci sono molte teorie
diverse.
Il modello atomico descrive l’atomo in questo modo: un
nucleo fatto di particelle dette “protoni” e “neutroni”, strettamente uniti tra
loro, attorno al quale ruotano altre particelle dette “elettroni”. I neutroni
hanno carica neutra, mentre i protoni hanno carica positiva e gli elettroni
hanno carica negativa (non dimentichiamo che è solo una rappresentazione, per
semplificare le cose).
La capacità degli elettroni di muoversi nella materia crea
la corrente elettrica. Quando
accendiamo una lampadina, un flusso di elettroni si muove all’interno di un
filo di metallo e accade qualcosa (il filo si scalda ed emette luce).
Come vedremo, gli elettroni riescono a muoversi più o meno
liberamente a seconda del materiale che attraversano. Ci sono materiali come il
ferro e il rame che conducono facilmente gli elettroni, e sono detti “conduttori”. Ci sono altri materiali
come il vetro, la plastica e il legno che ostacolano il movimento degli
elettroni, e sono detti “isolanti”.
I cavi elettrici sono fatti di rame, che conduce bene gli elettroni, e sono
protetti da una guaina di plastica, che isola i cavi (così non prendiamo la
scossa quando li tocchiamo).
[mostrare esempio di cavo elettrico]
Un altro
modo per descrivere la corrente elettrica
Immaginiamo un tubo, di quelli che portano l’acqua. Il tubo
ha una certa lunghezza, una certa larghezza, e due bocche, una di entrata e una
di uscita. Teniamo il tubo inclinato e dalla bocca di entrata, quella più in
alto, cominciamo a versare dell’acqua. Cosa accade? L’acqua comincia a scorrere
nel tubo, con una certa velocità, ed esce dalla bocca in basso, quella di
uscita. Se il tubo fosse perfettamente orizzontale, l’acqua non scorrerebbe ma
tenderebbe a stagnare, a fermarsi. Perché l’acqua scorra, occorre una
differenza di altezza tra l’entrata e l’uscita. Se il tubo è più inclinato (ad
esempio verticale), l’acqua scorrerà molto più velocemente. Se il tubo è meno
inclinato (ad esempio quasi orizzontale) l’acqua scorrerà molto più lentamente.
Questa differenza di altezza viene definita “differenza di potenziale”. Cambiando il diametro del tubo, cambierà
la quantità di acqua che può scorrere attraverso una sezione del tubo in un
dato istante. Per far scorrere l’acqua attraverso il tubo, occorre un serbatoio
o una sorgente da cui attingere l’acqua. La quantità di acqua che scorre
attraverso il tubo dipende anche dalla “portata” del serbatoio e dalla quantità
di acqua in esso contenuta.
Questi tre valori, cioè differenza di potenziale, quantità
di acqua e grandezza del tubo, sono strettamente correlate. In fisica, quando
si parla di elettricità, questi tre valori sono descritti nella legge di Ohm.
La legge di
Ohm
Se paragoniamo gli elettroni all’acqua, la differenza di
potenziale è ciò che fa muovere gli elettroni. Essa viene chiamata Voltaggio, la sua unità di misura è il Volt, il suo simbolo è V.
Se paragoniamo il cavo di rame al tubo dell’acqua, la
quantità di elettroni che passano nel cavo di rame viene detta intensità di corrente elettrica, la sua unità di misura è l’Ampere, il suo simbolo I.
Abbiamo visto che il diametro del tubo influisce sulla
quantità di acqua che può passare in un certo istante. Se il tubo è molto
grande, passa più acqua; se è molto piccolo, passa meno acqua. La dimensione
del tubo, e per analogia la forma e la sostanza del materiale conduttore (ad
esempio il cavo di rame), determinano la difficoltà degli elettroni a passare
attraverso il materiale. Questa caratteristica del materiale viene chiamata Resistenza, la sua unità di misura è l’Ohm, il suo simbolo R (oppure Ω, la lettera greca omega).
La legge di Ohm è: V = I * R
Applichiamo la legge di Ohm al tubo dell’acqua. Se il tubo
ha una certa inclinazione (V), mantenuta fissa, aumentando il diametro del tubo
(quindi diminuendo R), passerà più acqua (I). Mantenendo fissa la dimensione
del tubo (R), se aumentiamo la sua inclinazione (V), passerà più acqua (I).
La stessa cosa vale per la corrente. La differenza
principale è che in elettronica il Voltaggio (la differenza di potenziale) non
dipende dall’inclinazione del tubo, ma dalla capacità di muovere gli elettroni
da un punto all’altro del circuito. La Resistenza dipende soprattutto dal tipo
di materiale usato come conduttore (in parte dipende anche dalla forma). I
materiali come il rame e il ferro hanno una resistenza bassa, mentre i
materiali come il vetro, il legno e la plastica hanno una resistenza altissima,
per questo vengono definiti isolanti.
Approfondimento
[KIT]: Come funziona il multimetro.
Durata massima: 30 minuti.
Breve spiegazione del funzionamento.
Consegna del multimetro.
Installazione (batteria+puntali).
Esercitazione: misurare la resistenza di alcuni materiali (chiodi, viti,
forbici, posate, filo di rame, grafite su un foglio di carta, alluminio, acqua,
legno, vetro, ecc).
Il circuito
Per far “muovere” gli elettroni, occorre un “circuito”, cioè un percorso chiuso che crei
una differenza di potenziale. Per creare una differenza di potenziale nel
circuito, occorre una “sorgente” che
liberi elettroni da un punto e li attiri in un altro punto. Questi due punti
sono detti “poli”. La pila o
batteria è un esempio di sorgente. Proprio come il serbatoio d’acqua contiene l’acqua
che viene liberata nel tubo e scorre grazie alla forza di gravità, nella pila gli
elettroni vengono liberati da un polo e attratti dall’altro polo. Per
convenzione si dice che gli elettroni viaggiano dal polo positivo (+) a quello
negativo (-). Quando tutti gli elettroni sono migrati da un polo all’altro, la
batteria è scarica e la differenza di potenziale tra i due poli diventa nulla.
Dimostrazione:
Creiamo il nostro primo circuito
Dimostrazione di come funziona la breadboard. Creazione del
primo circuito con:
-
Batteria 3 V (o 2 batterie 1,5 V in serie)
-
Led rosso (2 V, 20 mA)
-
Resistenza 56 ohm
-
Interruttore
Esercitazioni
a casa
Misurare le resistenze di diversi materiali e fare una tabella
con i valori rilevati, ad es:
Materiale
|
Resistenza
|
Chiodo di ferro
|
10 Ohm
|
Legno
|
1. (infinita)
|
Forchetta di acciaio
|
5 Ohm
|
Acqua (in un bicchiere)
|
10 Ohm
|
Mina in grafite della matita
|
100 Ohm
|
(i valori sono fittizi. Trovare e misurare anche altri materiali a piacere)
