Unità 2 - Caratteristche fisiche dei materiali

Premesse:

• alcuni argomenti dell'unità 2 saranno trattati in maniera leggermente diversa in questi appunti
• questa unità è molto importante perché contiene le definizioni delle grandezze elettriche fondamentali

Prima di cominciare occorre fare una importante distinzione tra due discipline dell'area elettrica:

• 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

Il testo prende in esame le caratteristiche elettriche, magnetiche e ottiche dei materiali. Considerando il nostro indirizzo:

• le caratteristiche elettriche sono le più importanti
• quelle magnetiche sono utili per comprendere il funzionamento di motori, generatori, trasformatori (argomenti di elettrotecnica più che di elettronica)
• qulle ottiche sono le meno importanti e non saranno trattate in questi appunti ¹⁾

Il testo distingue tra:

• elettrostatica, che studia i fenomeni elettrici in assenza di corrente
• elettrodinamica, che studia i fenomeni elettrici quando circola corrente

e sulla base di questa distinzione introduce alcune grandezze elettriche fondamentali.

Esempi di fenomeni elettrostatici sono:

• l'induzione elettrostatica, dove un corpo carico ne rende carico un altro senza contatto
• l'effetto triboelettrico, dove due corpi strofinati tra loro acquistano carica

La carica elettrica è una proprietà della materia, il suo simbolo è Q e la sua unità di misura è il Coulomb (simbolo C). Ogni corpo possiede cariche positive (i protoni) e negative (gli elettroni) ma in genere è elettricamente neutro perché le cariche positive eguagliano quelle negative. Un corpo diviene carico se acquista o cede elettroni, assumendo carica:

• positiva, se il numero di elettroni è minore di quello dei protoni
• negativa, se il numero di elettroni è maggiore di quello dei protoni

I corpi carichi interagiscono tra loro con fenomeni elettrostatici - forze di attrazione o repulsione - riconducibili alla legge di Coulomb. Questa afferma che:

• cariche di segno opposto si attraggono e cariche di segno uguale si respingono
• la forza di attrazione o repulsione è proporzionale alle due cariche in gioco
• la forza di attrazione o repulsione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i due corpi
• la forza dipende dal materiale (isolante) che separa i due corpi, in particolare da un parametro detto costante dielettrica del materiale

Nello spazio circostante un corpo carico si manifesta un campo elettrico; con questo termine si indica sia la zona di spazio dove nascono forze elettrostatiche dovute al corpo carico che un vettore che misura l'intensità di queste forze²⁾. Dove è presente un campo elettrico si definisce il potenziale elettrico come l'energia necessaria a portare una carica unitaria (un Coulomb) al di fuori del campo elettrico.

Il campo elettrico ed il potenziale sono grandezze riferite ad un punto dello spazio; più spesso interessa la differenza di potenziale (o tensione) tra due punti definita come l'energia spesa per spostare una carica unitaria tra i due punti. Con una formula:

`V_(AB) = V_A - V_B = E_(AB) / Q [V]`

dove V_AB rappresenta la tensione tra il punto A e il punto B, E_AB l'energia e Q la carica. La tensione e il potenziale si misurano in Volt. La tensione ha un verso e l'ordine in cui sono indicati i due punti è importante: il primo è il punto a potenziale maggiore (positivo) e il secondo a quello a potenziale minore (negativo). Allora V_AB è la tensione tra il punto A e il punto B dove A è il punto positivo mentre V_BA = - V_AB.

E' necessaria una precisazione: la tensione è sempre definita tra due punti; quando si sente parlare di una “tensione in un punto” bisogna considerare:

• che si sta parlando del potenziale oppure, più spesso
• che si intende la tensione tra quel punto e un altro punto preso implicitamente come riferimento per tutte le tensioni che assumiamo abbia un potenziale di zero Volt³⁾

Il punto di riferimento a zero Volt viene chiamato:

• massa, in elettronica
• terra, in elettrotecnica (dove esiste un vero e proprio collegamento al suolo, cioè a terra)

Nei circuiti elettrici ed elettronici le tensioni vengono imposte da dei componenti detti generatori di tensione che:

• impongono un valore di tensione tra due punti del circuito
• forniscono energia al circuito

Sono generatori di tensione le batterie, gli alimentatori, le dinamo, gli alternatori (la tensione che troviamo nelle prese è prodotta da un alternatore nella centrale elettrica).

Nei circuiti di solito scorre corrente; non vi è accumulo di carica - le cariche sono in movimento - e di conseguenza non si manifestano fenomeni elettrostatici. Fa eccezione il condensatore, un componente presente tantissimi circuiti elettronici, che sottoposto a una tensione è in grado di accumulare carica ed energia. Un condensatore è fatto di due superfici di materiale conduttore separate da un isolante (figura 4). Applicando una tensione si accumula una carica uguale ma di segno opposto sulle due superfici e nel materiale isolante si manifesta un campo elettrico. L'energia spesa per caricare il condensatore - cioè accumulare carica - è immagazzinata nel campo elettrico e può essere restituita al circuito scaricando il condensatore. La carica accumulata è proporzionale alla tensione applicata secondo la formula:

`Q = CV`

dove C è la capacità del condensatore, un parametro che dice quanta carica può accumulare un condensatore per ogni Volt di tensione applicata. La capacità si misura in in Farad (simbolo F).

La corrente elettrica è un movimento ordinato di elettroni in un conduttore ⁴⁾. 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)

Nella definizione precedente con la parola conduttore si intende un componente che può essere attraversato da corrente⁵⁾; ciò avviene quando il conduttore è sottoposto a tensione. La caratteristica principale di un conduttore è la sua resistenza. E' una costante che quantifica quanto il conduttore si oppone al passaggio di corrente ed è definita come il rapporto tra la tensione applicata a un conduttore e la corrente che lo attraversa. Con una formula:

`R=V/I [Ω]`

dove R è il simbolo della resistenza e Ω quello della sua unità di misura, l'Ohm. La formula sopra è nota come legge di Ohm, ed è probabilmente la formula più importante dell'elettronica. Più spesso viene scritta così:

`V=R*I`

e afferma che in un conduttore di resistenza R la tensione e la corrente sono proporzionali (R infatti è costante). A seconda del conduttore la resistenza può avere valori molto diversi; ad esempio:

• un cortocircuito è un conduttore con resistenza zero (o meglio trascurabile rispetto a quella degli altri componenti)
• i conduttori che collegano i componenti di un circuito (cavo di alimentazione, pista di un circuito stampato, ecc.) hanno una resistenza di pochi Ohm
• i resistori sono componenti costruiti per avere un valore noto e prefissato di resistenza (può essere grande o piccola)⁶⁾
• gli interruttori aperti hanno resistenza infinita (non permettono il passaggio di corrente)

La resistenza di conduttore dipende dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore ma anche dal materiale utilizzato, in particolare dalla sua resistività. Questo parametro mi dice se un materiale è conduttore o isolante cioè se offre poca resistenza al passaggio di corrente o se ne impedisce il passaggio. Sono buoni conduttori il rame, l'alluminio, l'oro, l'argento (vedi il basso valore di resistività indicato nella tabella 1); sono buoni isolanti le materie plastiche, il vetro, la porcellana.

Quando una corrente attraversa un conduttore viene dissipata della potenza elettrica in calore. Il fenomeno è chiamato effetto Joule e la potenza dissipata si calcola così:

`P=RI^2 [W]` oppure `P=V^2/R [W]`

dove P è la potenza e W il simbolo del Watt, la sua unità di misura. Le comuni lampade a incandescenza (alogene o tradizionali a filamento e bulbo di vetro) funzionano secondo questo principio. Il filamento, attraversato da corrente, si riscalda per effetto Joule fino a diventare incandescente tanto da emettere luce⁷⁾. La formula appena vista permette di calcolare la potenza elettrica assorbita e trasformata in calore dai conduttori ma è un caso particolare; più in generale la potenza elettrica di un componente si calcola con:

`P=VI [W]`

ovvero prodotto della tensione ai capi del componente per la corrente che lo attraversa. La potenza elettrica erogata da una batteria o quella consumata da un LED - che non sono dei conduttori e non hanno resistenza - si calcola in questo modo⁸⁾.

Terminiamo il paragrafo sulle proprietà elettriche con un cenno a una categoria di materiali importantissima per l'elettronica: i semiconduttori. Ogni apparecchio elettronico contiene dei componenti a semiconduttore, in genere realizzati a partire da un materiale semiconduttore - solitamente il silicio - sottoposto a particolari trattamenti tecnologici; questi componenti possono essere:

• discreti - come diodi e transistor
• integrati (in inglese chip o IC), cioè componenti che contengono al loro interno un gran numero di componenti elementari miniaturizzati

L'impiego dei materiali semiconduttori ha permesso di costruire dispositivi elettronici piccoli, affidabili, efficienti e miniaturizzati a un costo molto basso, dando un impulso straordinario all'industria elettronica.

I materiali semiconduttori non sono né conduttori né isolanti. Il silicio usato in elettronica viene sottoposto ad un trattamento detto drogaggio che modifica le proprietà elettriche del materiale aggiungendo piccolissime quantità di altri elementi (fosforo, boro), e permette di realizzare i due componenti base dell'elettronica:

• il diodo, che fa circolare la corrente in un solo verso
• il transistor, usato per amplificare un segnale (elettronica analogica) o come interruttore comandato elettricamente (elettronica digitale)

In entrambi i casi il silicio (drogato) si comporta a volte come conduttore e a volte come isolante in base alle sollecitazioni elettriche applicate.

Esiste un forte legame tra elettricità e magnetismo: è possibile geneare un campo magnetico con la corrente ma anche produrre tensioni con un magnete. L'elettromagnetismo studia quei fenomeni che coinvolgono contemporaneamente grandezze elettriche e magnetiche; questi fenomeni fanno funzionare motori elettrici, generatori, trasformatori, e un gran numero di sensori.

Un magnete è un corpo che possiede proprietà magnetiche e può interagire con altri magneti dando luogo a forze di attrazione e repulsione. Ogni magnete è caratterizzato da due polarità, Nord e Sud, entrambe sempre presenti; in base a queste è possibile stabilire il verso delle forze:

• poli uguali si respingono
• poli opposti si attraggono

I magneti possono interagire anche con una particolare categoria di materiali - i ferromagnetici - con forze di attrazione. Questi materiali sono caratterizzati da un'elevata permeabilità magnetica, un parametro che ne quantifica le proprietà magnetiche. I principali materiali ferromagnetici sono: il ferro, il nichel e il cobalto.

Nello spazio attorno a un magnete si crea un campo magnetico; anche in questo caso si intende sia la zona di spazio dove si manifestano fenomeni magnetici che la grandezza vettoriale che ne quantifica l'intensità. Questi effetti non dipendono soltanto dall'intensità del campo magnetico ma anche dalla permeabilità del materiale presente. Per questo motivo dove si sfrutta il magnetismo è sempre presente il ferro (ad esempio le parti principali dei motori elettrici sono in ferro e ospitano circuiti in rame).

Esaminiamo rapidamente i principali fenomeni elettromagnetici sfruttati nelle applicazioni elettriche ed elettroniche:

• ogni corrente genera attorno a se un campo mangetico, ma di intensità insufficiente per poter essere sfruttato
• per ottenere effetti magnetici significativi sfruttando la corrente (esempio: elettrocalamita, relé, altoparlante) occorre:
  • far circolare una corrente su una bobina (un conduttore avvolto attorno a un cilindro con molte spire⁹⁾ ravvicinate)
  • avvolgere la bobina attorno a un nucleo di ferro (gli effetti del campo magnetico dipendono dal materiale)
• se un conduttore percorso da corrente è immerso in un campo magnetico perpendicolare al conduttore si genera una forza che agisce sul conduttore (esempio: motore elettrico)
• se il campo magnetico che attraversa la superficie racchiusa da un conduttore cambia nel tempo si genera una tensione sul conduttore (esempio: alternatore); il fenomeno è detto induzione e le tensioni e le correnti generate col magnetismo sono dette indotte

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