Secondo progetto: Due Led e due bottoni

Descrizione del progetto: accendere un led usando un bottone; accendere due led usando un altro bottone.

Materiali: breadboard, 2 led, 2 resistenze, 2 bottoni, batteria da 9V

Schema del progetto

Schema della breadboard

Primo Progetto: Led, Resistenza, Bottone

Descrizione del progetto: accendere un led usando un bottone

Materiali: breadboard, led, resistenza, bottone, batterie

Schema del progetto

Schema della breadboard

Seconda Lezione

Ripasso generale

Approfondimento [KIT]: Come funziona la breadboard (o basetta sperimentale).
Durata massima: 20 minuti.

Breve spiegazione del funzionamento.
Consegna della breadboard.

Approfondimento [KIT]: Creiamo il nostro primo circuito.
Durata massima: 30 minuti.

Consegna materiali: 2 batterie da 1,5V – Resistenza – Led – Interruttore
Assemblaggio del circuito sulla breadboard

Quando si utilizzano dei LED è necessario regolare la corrente che arriva al led, per non bruciarlo. A questo scopo si aggiunge al circuito una Resistenza, che limita il passaggio di corrente verso il led.

Formula per calcolare la resistenza di un LED:

Resistenza = (Voltaggio Batteria – Voltaggio Led) / Corrente Led

R = (Vbatteria – Vled) / Iled

Nel caso di una batteria da 3V, con un led rosso (Voltaggio = 2V, Corrente = 20mA), occorre una resistenza da 51 Ω

Pile o Batterie: a cosa servono, come funzionano

I nomi Pila e Batteria sono spesso usati come sinonimi. Le Pile (o Batterie) sono la sorgente di elettroni del nostro circuito. Servono a trasformare energia chimica in energia elettrica. Nell’esempio del tubo e dell’acqua, le pile sono rappresentate dal serbatoio che contiene l’acqua. Le pile creano la differenza di potenziale e fanno muovere gli elettroni all’interno del circuito. La prima pila moderna è stata costruita nel 1799 da Alessandro Volta. Ad oggi esistono tanti tipi di pila, ognuno con caratteristiche diverse.
Come funziona una pila? La pila genera corrente continua attraverso una reazione chimica tra due materiali. Uno dei due materiali libera elettroni che vengono attirati dall’altro materiale. La pila si collega al circuito tramite due “poli”, uno positivo e uno negativo. La corrente viaggia dal polo positivo a quello negativo (ricordiamo che questo è solo un modello descrittivo). Quando tutti gli elettroni disponibili si sono spostati da un materiale all’altro, la pila è “scarica” e non genera più differenza di potenziale. Alcuni tipi di pile si possono ricaricare, altri no. Ricaricare una pila non ricaricabile è rischioso, la pila può surriscaldarsi ed esplodere, o far uscire materiale tossico o corrosivo. Le pile ricaricabili devono essere caricare con appositi dispositivi elettronici, perché presentano gli stessi rischi delle altre.

Esercitazione: Misurare il voltaggio di alcune pile
Durata massima: 15 minuti

Potenza e Consumo. Il “Watt” e il “Wattora”

Le vecchie lampadine a incandescenza (quelle di vetro col filo elettrico che si illumina) vengono scelte in base ai Watt. Il Watt (simbolo W) rappresenta la Potenza (cioè il lavoro compiuto o l’energia scambiata nell’unità di tempo). Una lampadina da 100 W fa molta più luce di una da 40 W, ma consuma anche di più. Questo consumo viene misurato in Wattora (simbolo Wh). Se lasciamo accesa una lampadina da 100 W per un’ora, questa consumerà 100 Wh.

La Potenza si può calcolare con questa formula: W = V * I

Ogni batteria può fornire una certa quantità di corrente elettrica ad un certo voltaggio. La quantità di corrente disponibile viene misurata in Ampere/Ora (simbolo: Ah). Una pila con un voltaggio di 1,5 V e una carica di 1 Ah può fornire una corrente continua di 1 Ampere per un’ora ad una tensione di 1,5 V, oppure una corrente continua di 2 Ampere per mezzora, o qualsiasi altra combinazione di corrente e di tempo (sebbene nelle pile ci siano dei limiti fisici per la quantità massima di corrente erogabile in un dato istante).
La potenza della batteria è di 1,5 V * 1 A = 1,5 W e può fornire un’energia di 1,5 Wh (cioè fornire la sua potenza di 1,5 W per un’ora).

Nelle nostre case abbiamo diversi elettrodomestici. Ognuno di questi ha un certo consumo, dato dalla sua potenza di consumo, e cioè dalla corrente assorbita, per l’unità di tempo (ad esempio un’ora). I nostri elettrodomestici sono collegati alla corrente elettrica fornita dall’Enel (o da un’altra compagnia, da quando esiste il libero mercato). In ogni casa c’è un limite alla potenza erogata dall’impianto. Nella maggior parte delle case la potenza massima è di 3 kW. Ciò vuol dire che possiamo collegare e usare contemporaneamente gli elettrodomestici per una potenza massima assorbita di 3 kW (3000 W). Se usiamo contemporaneamente un asciugacapelli, un forno elettrico e una stufetta elettrica è molto probabile che supereremo il limite massimo di potenza, facendo “saltare la luce” (il flusso di corrente si interrompe per non superare il carico massimo consentito e non creare danni all’impianto). Il costo della corrente elettrica utilizzata si misura invece in Euro al kWh (kiloWatt / ora, cioè quanti kiloWatt consumo in un’ora). Un kWh di energia elettrica costa circa 0,20 Euro.

Esercitazione: facciamo alcuni calcoli

Se abbiamo una lampadina da 100 W e la lasciamo accesa per 5 ore, quanti kWh consuma? Quanto costerà l’energia consumata? E se la lasciamo accesa per 5 ore al giorno per un anno (365 giorni) quanto costerà?

Collegamenti “in serie” e “in parallelo”

In un circuito elettrico alcuni elementi possono essere collegati in serie o in parallelo, per ottenere diversi risultati. Ad esempio possiamo collegare in serie o in parallelo le pile, le resistenze, i led, le lampadine, eccetera.
In un collegamento “in serie” due o più elementi sono collegati uno dopo l’altro, in modo che la corrente attraversi prima il primo elemento, poi il secondo, poi il terzo, ecc…
In un collegamento “in parallelo” due o più elementi sono collegati uno affianco all’altro, in modo che la corrente attraversi contemporaneamente tutti gli elementi.
Per fare un raffronto con l’esempio dell’acqua e del tubo, immaginiamo di avere tre vaschette per contenere l’acqua. Se colleghiamo le tre vaschette al tubo “in serie”, l’acqua entrerà nella prima vaschetta e solo quando questa sarà piena, l’acqua comincerà ad entrare nella seconda vaschetta; quando anche la seconda vaschetta sarà piena, l’acqua comincerà ad entrare nella terza vaschetta, e così via. Quindi le tre vaschette si riempiranno una alla volta. Se invece colleghiamo le tre vaschette “in parallelo”, l’acqua comincerà ad entrare in tutte e tre le vaschette nello stesso istante. Le tre vaschette si riempiranno contemporaneamente.

Alcuni elementi, come i LED, hanno una “polarità”, cioè la corrente li attraversa in un’unica direzione (nel caso delle pile la corrente scorre da un polo all’altro e mai viceversa). Per questi elementi con una polarità, il collegamento in serie avviene collegando il polo + del secondo elemento al polo – del primo, il polo + del terzo elemento al polo – del secondo, eccetera. Il collegamento in parallelo avviene collegando tutti i poli + tra loro, e tutti i poli – tra loro, in modo che la corrente scorra per tutti nella stessa direzione contemporaneamente.

E’ possibile creare circuiti in cui gli elementi sono in serie e anche in parallelo tra loro (ad esempio un gruppo di 3 led in serie, collegato in parallelo ad un altro gruppo di 3 led in serie).

Pile “in serie” e “in parallelo”

Cosa succede se colleghiamo due o più batterie in serie? Innanzitutto otterremo un “pacco batterie”, che è come una batteria più potente, in grado di fornire più energia elettrica. Il voltaggio delle singole batterie si somma. Quindi se collego in serie due batterie da 1,5 V avrò un pacco batterie da 3 V (cioè una nuova batteria da 3 V). Se una singola batteria ha una potenza di 1,5 W, un pacco da due batterie avrà potenza doppia.

Il collegamento in parallelo con le batterie più comuni non è una buona idea. Se le batterie collegate hanno diverso voltaggio o diversa carica al loro interno, possono verificarsi dei danni alle batterie (surriscaldamento, esplosione, perdita di materiale corrosivo).

Resistenze “in serie” e “in parallelo”

Le resistenze non hanno polarità. Se colleghiamo più resistenze in serie, la resistenza totale è la somma delle singole resistenze. Ad esempio collegando in serie una resistenza da 56 ohm con una da 330 ohm, otterremo una resistenza da 386 ohm.
Se colleghiamo più resistenze in parallelo, la resistenza totale si calcola con questa formula:

Rtot = (R1 * R2 * … * Rn) / (R1 + R2 + … + Rn)

LED “in serie” e “in parallelo”

I LED hanno una polarità. La cosa più importante nel collegare più LED in serie o in parallelo è che i LED abbiano tutti lo stesso Voltaggio richiesto e la stessa Corrente richiesta.

Se colleghiamo più LED in serie, il Voltaggio totale necessario per alimentare i LED sarà dato dalla somma dei voltaggi necessari per alimentare i singoli LED. La corrente richiesta sarà quella del singolo LED.

Se colleghiamo più LED in parallelo, il Voltaggio totale sarà quello del singolo LED, mentre la corrente richiesta sarà la somma delle correnti dei vari LED.

Prima Lezione

“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)

Introduzione al corso "Diventa... RiciclAbile!"

Ciao a tutti!

Questo blog nasce come supporto al corso "Diventa... RiciclAbile!".

L'obiettivo del corso è quello di introdurre ragazzi e ragazze delle scuole medie e superiori al mondo dell'elettronica e dell'elettrotecnica, con un approccio rivolto soprattutto ai temi del riciclo e del riuso.

Verranno trattati gli aspetti principali dell'elettrotecnica, in modo semplice e veloce, dando ampio spazio alla pratica e alle sperimentazioni.

Cercheremo di rispondere a domande come...

"Che cos'è la corrente elettrica? Perchè se premo un bottone si accende una lampadina o parte un motorino? Prima di buttare via un elettrodomestico rotto, posso ripararlo o recuperare alcuni componenti utili? Come posso riutilizzare questi componenti in modo creativo, utile e divertente?"

In questo blog pubblicherò il contenuto delle varie lezioni (per ora ne sono previste 5, della durata di 2 ore ciascuna), approfondimenti, esercitazioni e riferimenti ad altri siti web di interesse per questo corso.

I partecipanti al corso possono lasciare i propri commenti alle lezioni e alla fine del corso pubblicheremo un resoconto dell'esperienza fatta insieme, con i progetti realizzati.

Buon divertimento!