Premessa: come per l'unità precedente saranno solo accennati gli argomenti poco rilevanti nel contesto dell'elettronica

I metalli vengono classificati in base alle loro proprietà:

• pesanti (es. rame, piombo, zinco)
• leggeri (es. alluminio, magnesio, titanio), usati nelle leghe leggere
• nobili (es. oro, argento, platino), usati in oreficeria e in alcune applicazioni elettroniche
• refrattari (es. tungsteno, cromo, vanadio), usati nelle leghe che devono resistere ad alte temperature
• terre rare (es. lantanio, cerio, neodimio), usati per realizzare magneti
• radioattivi (es. uranio, radio, plutonio), usati in medicina e nelle centrali nucleari

Il rame (simbolo Cu) presenta le seguenti caratteristiche:

• colore rosso salmone
• alta conducibilità elettrica e termica
• resistente alla corrosione
• adatto a formare leghe (es. bronzo, ottone)
• facilmente lavorabile
• riciclabile

E' il primo metallo usato dopo l'età della pietra e si ottiene dai suoi minerali (frantumazione e fusione). Viene impiegato:

• come conduttore per realizzare circuiti elettrici ed elettronici (es. cavi, avvolgimenti, circuiti stampati, contatti)
• negli impianti idraulici (es. tubature acqua e gas, scambiatori)
• nell'edilizia (es. grondaie, tetti, decorazioni)
• nella scultura (es. statua della libertà)
• nell'agricoltura (es. verderame)
• in cucina (es. padelle, paioli)
• in lega con altri elementi in molte altre applicazioni (es. monete, rubinetteria, strumenti musicali, bulloneria)

Le leghe più comuni del rame sono il bronzo (rame + stagno) e l'ottone (rame + zinco), poco usate in ambito elettronico.

L'alluminio (simbolo Al) presenta queste caratteristiche:

• colore bianco argento
• buona conducibilità elettrica e termica
• basso peso specifico
• resistente alla corrosione
• adatto a formare leghe

E' utilizzato per formare leghe leggere e, in elettrotecnica, per realizzare i cavi di alta e media tensione che trasportano l'energia elettrica (dove la leggerezza porta a un minor costo delle linee).

Il magnesio è utilizzato per realizzare leghe ultraleggere.

Per la loro resistenza alla corrosione e vengono utilizzati nelle leghe (es. acciaio inox) e per rivestire e proteggere altri metalli.

Lo stagno (simbolo Sn) presenta queste caratteristiche:

• colore bianco argento
• bassa temperatura di fusione
• alta lavorabilità

Viene comunemente usato come rivestimento del ferro nella latta e per proteggere gli alimenti (stagnola). Nel campo dell'elettronica viene usato per collegare i componenti mediante saldatura.

In campo elettrico viene utilizzato per realizzare le piastre degli accumulatori (es. batteria dell'auto).

Il titanio è utilizzato per realizzare leghe ultraleggere.

Sono usati nella produzione di energia elettrica (centrali nucleari), in medicina (radiografie) e nell'industria bellica.

Sono prodotti polverizzando e compattando (senza fondere) materiali diversi. Si impiegano negli utensili, nei motori elettrici (spazzole), per realizzare filtri e batterie.

Il legno è un materiale naturale ricavato dagli alberi che presenta queste caratteristiche:

• buona resistenza ed elasticità
• leggerezza
• buona lavorabilità
• struttura disomogenea

Viene utilizzato come combustibile e come materiale da costruzione (es. travi, pavimenti, rivestimenti, imbarcazioni, mobili). E' facilmente disponibile e relativamente poco costoso. Viene utilizzato sotto forma di semilavorati (es. tavole, travi) assemblati con colle, chiodi, bulloni o incastri. Dagli scarti delle lavorazioni è possibile ricavare materiali derivati come il compensato o il truciolato.

In campo elettronico non viene utilizzato.

Sono sostanze di natura organica presenti in natura (es. caucciù) o artificiali. In campo elettrico vengono utilizzate - raramente - come isolanti.

Sono sostanze artificiali derivate dal petrolio che presentano queste caratteristiche:

• leggerezza
• economicità
• facilità di lavorazione e colorabilità
• buona resistenza agli urti
• isolanti acustici, termici ed elettrici
• resistenti alla corrosione e idrorepellenti
• scarsa resistenza alle alte temperature

La plastica è può essere riciclata o smaltita in speciali inceneritori. Non può essere bruciata “normalmente” perché in alcuni casi (es. PVC) si producono sostanze altamente tossiche (diossina).

Esistono materiali plastici:

• termoplastici, che una volta formati possono essere riportati alla forma originaria
• termoindurenti, che una volta formati cambiano in modo irreversible le loro proprietà
• elastomeri (gomme sintetiche), che hanno maggiore elasticità rispetto ai precedenti (es. EPR)

I materiali plastici possono essere lavorati con utensili o utilizzati per produrre oggetti in serie tramite stampaggio.

I materiali termoplastici più comuni sono:

I materiali termoindurenti più comuni sono:

In campo elettrico ed elettronico i materiali plastici vengono utilizzati nelle parti di supporto e come isolanti. Le applicazioni più comuni sono:

• i cavi conduttori, dove la corrente scorre in un anima di rame, che rivestiti da una guaina isolante in materiale plastico (i più usati sono PE, PVC e EPR)
• i circuiti stampati (PCB), che sono realizzati creando delle piste di rame su un supporto isolante plastico (resina epossidica)
• i condensatori, dove l'isolante che separa le due armature è spesso un materiale plastico (poliestere, mylar, polipropilene)
• gli integati, il cui involucro è spesso di materiale plastico

La caratteristica principale delle gomme è quella di avere una grande elasticità, cioè può subire anche grandi deformazioni e tornare allo stato iniziale. Oggi vengono utilizzate:

• gomme naturali, ricavate dal lattice di alcune piante tropicali sottoposto a vari trattamenti (essiccazione e vulcanizzazione)
• gomme sintetiche, cioè una tipologia di materie plastiche

Le gomme vengono utilizzate come elementi anti-vibrazione, guarnizioni, appoggi. In campo elettrico sono utilizzate come isolanti per cavi.

I materiali compositi si ottengono dall'unione di due o più materiali:

• una materiale leggero ed economico, che costituisce la “base” del materiale
• un materiale di rinforzo, con caratteristiche meccaniche superiori

Il risultato è un materiale leggero ma con caratteristiche meccaniche molto buone.

Esempi di materiali compositi sono:

• la fibra di vetro
• la fibra di carbonio
• il cemento armato

I materiali compositi vengono usati per realizzare strutture (auto, barche, serbatoi), equipaggiamento sportivo (racchette, sci), protesi. L'applicazione più importante nel campo dell'elettronica e delle telecomunicazioni sono i cavi in fibra ottica, che consentono di trasmettere informazioni a velocità elevatissima. 2

Premessa: il testo esamina separatamente le tecnologie e i materiali utilizzati in elettrotecnica e in elettronica.

L'elettrotecnica si occupa della produzione, distribuzione ed utilizzazione dell'energia elettrica.

L'elettronica si occupa dell'elaborazione dei segnali, cioè grandezze elettriche (tensioni e correnti) che rappresentano informazioni.

Gli utilizzatori di energia elettrica possono appartenere all'ambito dell'elettrotecnica o dell'elettronica.

Nell'ambito dell'elettrotecnica l'energia elettrica viene impiegata per:

• illuminazione
• forza motrice (cioè motori elettrici)

Nell'ambito dell'elettronica le applicazioni sono tantissime (dai PC alla TV ai sistemi di automazione) ma in genere si distingue tra:

• elettronica analogica, che tratta segnali continui, cioè che possono assumere infiniti valori (es. amplificazione e riproduzione audio, trasmissione delle stazioni radiofoniche)
• elettronica digitale, che tratta segnali discreti, cioè che possono assumere un numero finito e predeterminato di valori (es. PC, calcolatrici, cellulari, Internet)

Negli ultimi anni, in particolare nelle telecomunicazioni (es. TV digitale, telefonia mobile), l'elettronica digitale sta soppiantando quella analogica perché:

• è più economica, grazie all'integrazione e all'economia di scala
• presenta una maggiore immunità ai disturbi nella trasmissione dei segnali
• permette di trasportare un numero maggiore di informazioni (banda passante)
• permette di elaborare i segnali in maniera semplice e automatica

Quando l'uscita o l'ingresso di un dispositivo elettronico è necessariamente analogica (es. audio, telefonia fissa, sensori) i segnali vengono convertiti da digitali ad analogici (e viceversa).

L'energia elettrica è pratica da utilizzare e può essere generata e trasportata facilmente. Per questo è impiegata in ogni tipo di attività ed è la principale forma di energia a disposizione. Solo in certi ambiti specifici (riscaldamento, mezzi di trasporto) si utilizzano altre forme di energia, come quella proveniente dai combustibili.

Impianti ed apparecchi elettrici sono presenti ovunque, dagli stabilimenti industriali alle nostre abitazioni; devono essere realizzati a regola d'arte come prescritto dal CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano) e spesso presentano marchi che certificano la qualità, la sicurezza e il rispetto delle normative europee (marchi IMQ e CE).

I materiali usati in elettrotecnica si dividono in:

• conduttori, che trasportano la corrente
• isolanti (o dielettrici), che impediscono il passaggio di corrente
• ferromagnetici, che interagiscono con il campo magnetico

I materiali conduttori offrono poca resistenza al passaggio di corrente; sono quindi adatti per realizzare cavi conduttori e circuiti elettrici.

Quelli più utilizzati sono:

• rame, per impianti e circuiti elettrici in genere
• stagno, per saldare componenti
• oro e argento, nei contatti che devono resistere all'ossidazione
• alluminio, usato nei cavi di media e alta tensione
• superconduttori, per applicazioni speciali (TAC, acceleratori di particelle) dove, portati a temperature bassissime, offrono resistenza quasi nulla al passaggio di corrente
• leghe al nichel-cromo, nei resistori e nelle stufe elettriche
• tungsteno, nelle lampade ad incandescenza
• gas nobili, nelle lampade a fluorescenza (neon)

Quelli più utilizzati sono:

• vetro e porcellana, nelle linee elettriche
• vetroresina, struttura di apparecchi elettrici e PCB (composito con resine epossidiche)
• materie plastiche, per supporti, connettori, rivestimenti e guaine di conduttori
• oli minerali e sintetici, come isolanti e liquidi di raffreddamento nei trasformatori
• gas, negli interruttori per media tensione e nelle linee aeree (aria)
• vernici, negli avvolgimenti di bobine, relè e motori per ridurre al minimo lo spessore dell'isolamento

Questi materiali si magnetizzano in presenza di un campo magnetico e, sfruttando le leggi dell'elettromagnetismo, permettono il funzionamento delle macchine elettriche (motori, generatori, trasformatori, elettrocalamite).

Quelli più usati sono:

• leghe di ferro con una bassa percentuale di carbonio (ferro dolce), per le macchine elettriche
• leghe di ferro speciali oppure terre rare, per i magneti permanenti (cioè le calamite)

… è uno spunto per parlare degli argomenti che si affrontano in terza per TPS-EE.

Premessa: il testo elenca tra i materiali i principali componenti elettronici. In genere componentistica e materiali sono due cose diverse.

• Schede elettroniche e circuiti stampati (PCB) I PCB sono circuiti realizzati creando strati sottili di rame (piste) su una piastra di materiale composito che serve sia come supporto che come isolante. Sui PCB vengono saldati i componenti realizzando la scheda elettronica completa.
• Resistori Sono conduttori con un valore noto e prestabilito di resistenza. Il materiale usato come conduttore cambia a seconda della resistenza che si vuole ottenere e della potenza da dissipare.
• Condensatori Sono costituiti da due piastre di materiale conduttore separate da un isolante e sono in grado di accumulare carica ed energia. Il conduttore è spesso un nastro di alluminio, gli isolanti possono essere materiali plastici o ceramici.
• Cristalli liquidi I cristalli liquidi sono utilizzati per realizzare sottili display (LCD) sfruttando la proprietà che hanno questi materiali di lasciar passare o meno la luce in base alla tensione ad essi applicata. Esistono vari tipi di LCD, dai monocromatici che funzionano riflettendo la luce (orologi, calcolatrici) a quelli a colori retroilluminati dei monitor e delle TV.
• Semiconduttori, transistor e circuiti integrati (ci vorrebbe un capitolo solo su questo!)

I semiconduttori (il più usato è il silicio) sono i materiali più importanti per l'elettronica e vengono utilizzati per costruire transistor e circuiti integrati (chip). Il loro impiego ha permesso di costruire dispositivi elettronici piccoli, affidabili, efficienti, miniaturizzati a un costo molto basso, dando un impulso straordinario all'industria elettronica. Ogni apparecchio elettronico contiene dei componenti a semiconduttore; alcuni di questi sono detti integrati perché a loro volta contengono un gran numero di transistor miniaturizzati e assemblati in un unico componente.

I 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). Il silicio così trattato 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.

Premessa: siamo lontanissimi dal campo di interesse dell'elettronica. Quello che segue è solo un brevissimo accenno.

Le tecnologie edili si occupano della costruzione e progettazione degli edifici. In questo campo la scelta dei materiali sarà fatta valutando prima di tutto le proprietà meccaniche, poi a quelle termiche (isolamento), di impermeabilità, durabilità, salubrità e, naturalmente, l'aspetto estetico.

I materiali più importanti sono:

• i laterizi (mattoni, forati, coppi, ecc.), prodotti cuocendo in fornace una miscela di argilla ed acqua; sono utilizzati per le strutture in muratura perché resistenti, economici, abbastanza isolanti, relativamente leggeri
• il calcestruzzo, miscele di cemento, acqua e sabbia che induriscono dopo la posa; usato per unire tra loro i laterizi, per gli intonaci e per le strutture (cemento armato)
• le pietre e i marmi, utilizzati oggi più che altro a scopo ornamentale

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