1A - Nozioni introduttive

Premessa: Molti degli argomenti di questo primo capitolo sono già stati trattati nel primo biennio nelle materie di Fisica, Chimica e Scienze e Tecnologie Applicate. Faremo solo un breve ripasso insistendo sulle definizioni fondamentali.

Prima di cominciare definiamo le due discipline che danno il nome a questa materia¹⁾:

• l'elettronica si occupa della trasmissione ed elaborazione dei segnali, cioè grandezze elettriche che rappresentano un'informazione
• l'elettrotecnica si occupa della produzione, distribuzione ed utilizzazione dell'energia elettrica

Rivediamo velocemente alcuni concetti di fisica e chimica:

• materia: ha massa e occupa spazio
• carica (elettrica): proprietà della materia
  • il simbolo della carica è Q, quello della sua unità di misura, il Coulomb, è C
  • un corpo ha carica positiva se il numero di protoni (cariche positive) è maggiore del numero di elettroni (cariche negative)²⁾; normalmente un corpo è elettricamente neutro (stesso numero di elettroni e protoni)
• i materiali si classificano in:
  • conduttori: possiedono elettroni liberi che possono essere messi in movimento spendendo poca energia
  • isolanti: non hanno elettroni liberi; non c'è movimento di carica
  • semiconduttori: hanno caratteristiche intermedie
• nelle applicazioni elettriche/elettroniche:
  • i materiali conduttori servono per far circolare corrente
  • i materiali isolanti impediscono che la corrente segua percorsi indesiderati
  • i materiali semiconduttori sono quelli con cui si realizzano tutti i componenti elettronici, da un LED alla CPU di un PC

La corrente elettrica è un movimento ordinato di elettroni in un conduttore ³⁾. Per quantificare questo fenomeno definiamo la grandezza intensità di corrente elettrica - che d'ora in poi chiameremo semplicemente corrente - come la carica che nell'unità di tempo attraversa la sezione di un conduttore. Si può esprimere questa definizione con la formula:

`I=Q/t [A]`

dove I è il simbolo della corrente e A il simbolo della sua unità di misura, l'Ampère. La corrente ha un verso che per convenzione è opposto a quello in cui si muovono gli elettroni. Questa scelta può sembrare strana ma non complica lo studio dei circuiti dove conta solo il verso della corrente, indicato con una freccia.

Perché possa circolare corrente in un conduttore devono essere vere due condizioni:

• il conduttore deve far parte di un circuito, cioè di un percorso chiuso che permetta alle cariche di circolare (tornare al punto di partenza)
• bisogna fornire energia al circuito per mettere le cariche in movimento (di solito con un generatore di tensione)

La corrente è detta:

• continua se non cambia nel tempo
• alternata se cambia nel tempo con legge sinusoidale (vedremo più avanti cosa significa)

Si parla allora di:

• circuiti in corrente continua (sigla CC o DC in inglese) quando le grandezze non cambiano nel tempo
• circuiti in alternata (sigla CA o AC in inglese) quando le grandezze cambiano con legge sinusoidale

Per convenzione nelle discipline elettriche si indicano le grandezze costanti con lettere maiuscole e quelle variabili nel tempo con minuscole; in quest'ultimo caso non è necessario esplicitare la dipendenza della grandezza dal tempo. Ad esempio la scrittura `i` equivale a `i(t)` e la dipendenza dal tempo della corrente è implicita per il fatto che la corrente è indicata con una lettera minuscola.

Un generatore è un componente in grado di fornire energia al circuito⁴⁾.

Esistono due tipi di generatori:

• il generatore di tensione impone un valore di tensione tra i suoi due morsetti
• il generatore di corrente impone un valore di corrente nel circuito

Nella pratica utilizziamo sempre dei generatori di tensione (batterie, alimentatori, dinamo, prese, ecc.). I generatori i corrente sono comunque importanti dal punto di vista teorico⁵⁾ e possono comunque essere realizzati limitando la corrente di un generatore di tensione⁶⁾ o con soluzioni circuitali con componenti elettronici.

A questo punto è necessario dare la definizione della seconda grandezza elettrica fondamentale: la tensione (o differenza di potenziale) tra due punti è l'energia che occorre spendere per spostare una carica unitaria (un Coulomb) tra i due punti. Con una formula:

`V_(AB) = W/Q [V]`

Dove VAB è il simbolo della tensione tra il punto A e il punto B, W è il simbolo dell'energia⁷⁾ e Q quello della carica. L'unità di misura della tensione (e del potenziale) è il Volt e il suo simbolo è V. Qualche osservazione:

• la tensione è definita tra due punti di un circuito (non necessariamente i morsetti di un generatore) mentre il potenziale è definito in un punto
• la tensione può essere espressa come differenza di potenziale; con una formula `V_(AB) = V_A - V_B`, dove `V_A` è il potenziale nel punto A e `V_B` quello nel punto B
• la tensione ha un segno; scambiando i due punti cambia il segno della tensione quindi `V_(AB)=-V_(BA)`
• la tensione ha una polarità: il morsetto + è quello a potenziale maggiore, il - è quello a potenziale minore
• negli schemi elettrici la tensione si rappresenta con una freccia che punta verso il punto a potenziale maggiore

Il potenziale in un punto è un altra grandezza misurata in Volt e corrisponde all'energia necessaria per spostare una carica unitaria da quel punto fino a distanza infinita. Questa grandezza, pur importante a livello teorico, non è misurabile ed è poco utile nella pratica, dove si farà sempre riferimento alla tensione. Capiterà invece di parlare di tensione in un punto ma in questo caso si intenderà sempre la tensione tra quel punto e la massa, un punto a cui si attribuisce potenziale zero che sarà preso come riferimento per le tensioni del circuito⁸⁾(definizione a pag.38 del testo).

Quando il valore numerico di una grandezza è molto grande o molto piccolo (ad esempio nei resistori o nei condensatori) conviene usare multipli o sottomultipli delle unità di misura, indicandoli con un prefisso.

Due esempi:

• al posto di R = 390000 Ω scriviamo R = 390 kΩ
• al posto di C = 0,00000022 F scriviamo C = 220 nF

In elettronica le grandezze verranno spesso espresse usando la notazione⁹⁾ ingegneristica cioè:

• numero moltiplicato per 10 elevato ad un multiplo di tre

che corrisponde a uno dei multipli/sottomultipli della tabella sopra. Nelle calcolatrici scientifiche la notazione ingegneristica si ottiene premendo il tasto EXP¹⁰⁾ che significa 10 elevato alla…. Ad esempio premendo 2 EXP 3 si esprime il numero 2000¹¹⁾.

Ricordiamo dalla matematica che:

`10^0=1`

`10^1=10`

`10^2=100`

`10^n=1` seguito da n zeri

`10^-1=1/10^1=0,1`

`10^-2=1/10^2=1/100=0,01`

`10^-n=0,` n-1 zeri e poi un 1

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