Elementi di Elettronica 1

Elettroni in movimento nei metalli

Nei metalli gli atomi che costituiscono il materiale sono disposti nello spazio secondo una struttura ordinata, se immaginiamo una griglia possiamo pensare che gli atomi occupino i nodi del reticolo. Inoltre gli elettroni esterni di ciascun atomo sono liberi di muoversi nello spazio intorno all’atomo: il moto è di fatto un moto con direzione casuale ma, in certe condizioni, gli atomi possono iniziare a muoversi in maniera ordinata all’interno del materiale, seguendo tutti la stessa direzione e lo stesso verso di movimento.

Nei metalli gli atomi sono disposti in maniera ordinata. Sulla sinistra, gli elettroni esterni sono liberi di muoversi; sulla destra, sotto l'azione di un campo elettrico gli elettroni iniziano a muoversi in maniera ordinata.

Questo avviene per esempio quando alle estremità di un conduttore metallico viene applicato un campo elettrico, per esempio grazie alla differenza di potenziale, V [V] (o tensione), generata da una batteria: in queste condizioni gli atomi iniziano a muoversi in maniera ordinata all’interno del conduttore.
Questo movimento ordinato di elettroni è una corrente elettrica e l’intensità del movimento (data dal numero di elettroni in movimento e dalla velocità con sui si muovono), determina l’intensità della corrente, I [A].

Ciascun materiale offre una resistenza al fluire degli elettroni, questa resistenza è specifica del materiale e si chiama resistenza elettrica, R [Ohm].

Le tre grandezze elettriche fondamentali – tensione, intensità di corrente e resistenza – sono legate da una relazione, la legge di Ohm, introdotta dal fisico tedesco Georg Ohm nel 1837, che stabilisce che l’intensità di corrente è data dal rapporto tra la tensione applicata agli estremi del conduttore e la sua resistenza,

I = V / R

Batteria

Una batteria è un dispositivo elettro-chimico in cui gli elettroni liberi vengono concentrati in una regione dello spazio, polo negativo della batteria, lasciando gli atomi presenti all’altra estremità della batteria con una mancanza (difetto) di elettroni (ioni positivi).

In una batteria si creano due regioni con diversa carica elettrica, il polo negativo, dove si addensano gli elettroni liberi di muoversi e il polo positivo, caratterizzato dalla presenza di ioni positivi.

Se i due poli della batteria vengono connessi tramite un conduttore metallico (quale per esempio un cavo elettrico), gli elettroni presenti nel conduttore si muoveranno, in direzione opposta al polo negativo, come a cercare di riequilibrare lo sbilanciamento di carica creato dalla batteria.
Questo flusso di elettroni – corrente elettrica – prosegue fino a quando la batteria riesce a separare due regioni dello spazio, una in cui è presente un eccesso di elettroni da una in cui gli elettroni sono in difetto, in pratica fin quando la batteria è carica.

Breadboard

La breadboard, o basetta sperimentale, permette di realizzare dei prototipi di circuiti elettronici inserendo i componenti direttamente nella basetta, senza bisogno di effettuare saldature.

Una basetta di prototipazione, o breadboard. In basso a destra, un circuito realizzato su un tagliere per il pane.

Una breadboard in generale ha in alto (e in basso) due linee di alimentazione (power rails), i cui fori, per ciascuna riga, sono collegati assieme sotto la breadboard da una piastra di rame.
Gli altri punti sono disposti per metà nella parte superiore e per metà nella parte inferiore della basetta. I fori che appartengono alla stessa colonna sono collegati tra di loro, in pratica rappresentano lo stesso punto.

Laboratorio di elettronica 1

Circuito

Affinchè la corrente possa scorrere è necessario avere un percorso chiuso lungo il quale gli elettroni possano muoversi.

Un conduttore unisce il polo positivo e quello negativo di una batteria realizando un percorso chiuso lungo il quale possono scorrere gli elettroni. Notare la presenza di una resistenza per limitare la corrente di corto circuito.

In tutti i circuiti elettrici dovrà quindi essere realizzato un percorso chiuso che parte dal polo positivo della batteria per chiudersi sulla terra (o massa) – rappresentata in genere dal polo negativo della batteria.

Circuito con batteria, LED e resistenza

Un circuito di base che possiamo realizzare è quello costituito dagli elementi necessari all’accensione di un LED (Light Emitting Diode).

Il circuito per l'accensione di un LED; sulla sinistra lo schema del circuito, sulla destra il circuito montato su breadboard.

In particolare possiamo utilizzare due batterie tipo AA da 1.5V (V_cc), una resistenza R1 da 48 Ohm e un LED (rosso, verde o giallo).
Affinché il LED si accenda è necessario che tra i suoi piedi sia presente una tensione maggiore a circa 1.8V e per limitare la corrente che lo attraversa inseriamo una resistenza in serie al LED.

Circuito con batteria, interruttore, LED e resistenza

Modifichiamo adesso il cricuito precedente in modo che si possa regolare l’accensione del LED agendo su un interruttore.
L’interruttore è del tipo momentaneo, ovvero sia permette il passaggio della corrente solo mentre è premuto.
Scopo dell’interruttore è dunque quello di interrompere (aprire) il circuito, impedendo il passaggio degli elettroni.

Il circuito per l'accensione di un LED comandato da un interruttore; sulla sinistra lo schema del circuito, sulla destra il circuito montato su breadboard e una rappresentazione del meccanismo interno dell'interruttore.

Led in serie e in parallelo

E se volessimo aggiungere un altro LED?
E’ possibile aggiungere un secondo LED in serie o in parallelo al primo.
In generale due componenti in serie sono attraversati dalla stessa corrente (I₁=I₂), mentre ai capi di due componenti in parallelo si trova la stessa tensione (V₁=V₂).

Due LED in serie sono attraversati dalla stessa corrente (I1=I2), mentre ai capi di due LED in parallelo è presente la stessa tensione (V1=V2).