Elettricità ed Elettronica 1/14. Storia dell’elettricità 4. Le macchine elettriche - Nel 1860, Antonio Pacinotti, con uno speciale “anello”, riuscì a.

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1 Elettricità ed Elettronica 1/14

2 Storia dell’elettricità 4. Le macchine elettriche - Nel 1860, Antonio Pacinotti, con uno speciale “anello”, riuscì a ottenere una corrente continua indotta: nacque la dinamo. - Nel 1883 Thomas Edison curò l’allestimento della centrale elettrica di Milano, la prima in Europa e la seconda nel mondo. Dalla fine del XIX secolo, ai generatori di corrente continua (dinamo) si affiancarono quelli a corrente alternata (alternatori). 1. I fenomeni elettrici nell’antichità erano studiati dai filosofi - Talete di Mileto (VI sec. a.C.) notò che una resina fossile, l’ambra (in greco eléktron), se strofinata, attira particelle leggere; - Aristotele (IV sec. a.C.) constatò che fenomeni luminosi possono prodursi per attrito e studiò le proprietà magnetiche del ferro. - Nel 1600, William Gilbert nel De magnete, spiegò il concetto di effetto elettrico e la differenza tra i materiali isolanti e conduttori. 2. Le teorie settecentesche - nel 1750 Benjamin Franklin inventò il parafulmine. - Luigi Galvani (1737-98) eseguì delle sperimentazioni con le rane che gli fecero ipotizzare l’esistenza di un’attività elettrica nei tessuti animali. 3. L’invenzione della pila - Alessandro Volta, nel 1799, costruì la prima pila, un generatore di corrente: in tal modo spiegò che le contrazioni della rana erano dovute all’archetto bimetallico che la toccava, provocando, appunto, una “corrente elettrica”, e non a una corrente già presente nel tessuto della rana. - 1868, prima pila a secco, ideata dal francese Leclanché 2/14

3 Che cos’è la corrente elettrica La teoria elettronica La corrente elettrica è un flusso di elettroni che percorre un conduttore. Affinché ciò possa verificarsi occorre alle estremità del conduttore si verifichi una differenza di potenziale. Per convenzione la corrente elettrica va dal punto a potenziale più elevato (indicato dal simbolo +) a quello a potenziale inferiore (indicato dal simbolo –). Per analogia, avviene così anche in un circuito idraulico ove l’acqua, attraverso un condotto, fluisce da un serbatoio a livello superiore a quello a livello inferiore. Modello di atomo: i protoni sono indicati con il segno + (carica positiva) e gli elettroni con il segno - (carica negativa). La corrente continua e la corrente alternata - In natura, fulmini ed altri fenomeni elettrici. - La tecnologia ha reso disponibili generatori di corrente (chimici o meccanici) con cui possiamo regolare a nostro piacimento il tipo di corrente elettrica. - Nei generatori chimici (pile) e nella dinamo (generatore meccanico) abbiamo corrente continua (c.c.), perché i poli (negativo e positivo) rimangono sempre gli stessi e gli elettroni fluiscono sempre nello stesso senso. - Negli alternatori, invece, si ha una continua inversione di polarità, per cui gli elettroni si muovono alternativamente in un senso e nell’altro, dando origine a una corrente alternata (c.a.). Pila a secco 3/14

4 Gli effetti della corrente elettrica a. Effetto termico - L’attrito, provocato dal passaggio degli elettroni all’interno del materiale, genera un effetto termico, che si manifesta con la produzione di calore. - Gli apparecchi elettrodomestici (ferro da stiro, asciugacapelli, stufa elettrica) basano il loro principio di funzionamento Conduttori e isolanti - Esistono materiali in cui le cariche possono muoversi liberamente e altri in cui le cariche non possono circolare o lo fanno con grande difficoltà. - I primi si chiamano conduttori, gli altri isolanti. - Sono buoni conduttori dell’elettricità i metalli, gli organismi viventi, l’acqua; sono isolanti la plastica,la gomma, il vetro, il legno. b. Effetto luminoso Aumentando la resistenza oltre al calore si genera luce: questo fenomeno è sfruttato, ad esempio, nei filamenti delle lampade 4/14

5 Gli effetti della corrente elettrica c. Effetto chimico La corrente elettrica può generarsi anche entro soluzioni chimiche (pila) ed essere immagazzinata chimicamente (accumulatori). Può provocare anche reazioni chimiche utilizzabili dall’industria, soprattutto per unire o separare metalli. d. Effetto magnetico - Possibilità di generare, per mezzo di una corrente elettrica, fenomeni simili a quelli provocati dai magneti, cioè di creare un campo magnetico. Le applicazioni tecniche di questo fenomeno sono numerose: si hanno nei generatori, nei motori elettrici, negli elettromagneti, ecc. e. Effetto fisiologico -Si riferisce all’azione che l’elettricità compie su un organismo vivente. -In alcuni casi tale effetto provoca danni assai gravi, sotto forma di violente contrazioni dei muscoli, fino al collasso cardiocircolatorio. - Precauzioni nei confronti delle apparecchiature elettriche in ambiente domestico, scolastico e di lavoro, e imparare a difendersi dai fulmini. 5/14

6 Il circuito elettrico 1. II generatore - É una macchina che riceve energia (meccanica o chimica) dall’esterno (o la produce, come una pila) e la trasforma in energia elettrica. - Produce una forza che spinge gli elettroni lungo il circuito. 2. I fili conduttori - Gli elettroni, spinti dalla forza del generatore, vanno verso l’utilizzatore passando attraverso un filo (di solito metallico), per poi tornare al generatore stesso. - Sono dimensionati in funzione della quantità di corrente che li attraversa. Le apparecchiature elettriche e gli elettrodomestici funzionano solo se collegati all’impianto elettrico, che consiste in una serie di fili conduttori collegati in circuito. 3. L’apparecchio utilizzatore - Elemento che riceve energia elettrica attraverso i conduttori e la trasforma in un’altra forma di energia, richiesta dall’impiego previsto (luminoso, termico, meccanico). 4. L’interruttore - Ha il compito di aprire e chiudere il circuito - Nel circuito chiuso vi è continuità metallica e la corrente può circolare. - Nel circuito aperto non esiste la continuità metallica fra le due estremità del circuito, per cui la corrente non può circolare. 1 2 3 4 6/14

7 Le grandezze elettriche 1. Intensità (I) - É la quantità di carica elettrica che attraversa, nell’unità di tempo (1 secondo), una sezione del circuito. - Tale grandezza, rilevata con amperometro o galvanometro, è indicata con I; - Unità di misura è l’ampere (A), in onore dello scienziato francese André-Marie Ampère Numerose sono le grandezze (e le relative unità di misura) che entrano in gioco nei fenomeni collegati con l’elettricità: le più importantisono intensità, tensione e resistenza. 3. La resistenza (R) La resistenza elettrica è una grandezza che interviene nei fenomeni di passaggio di corrente all’interno di un conduttore: corrisponde alla difficoltà che la corrente incontra nel fluire attraverso un corpo. 2. La tensione (V) - Esprime la differenza di potenziale che esiste tra due corpi o tra due punti di un conduttore, cioè la forza con cui gli elettroni vengono spinti attraverso il conduttore - L’unità di misura della tensione, rilevata dal voltmetro, è il volt (V) in onore di Alessandro Volta - La tensione di corrente utilizzata nelle nostre case corrisponde a 220 V mentre nelle industrie è di 380 V. - II livello della tensione può essere innalzato o abbassato mediante il trasformatore di tensione 7/14

8 Le legge di OHM La differenza di potenziale o tensione (V) agli estremi di un conduttore, percorso da corrente elettrica, è uguale al prodotto dell’intensità di corrente (I) per la resistenza (R) Le tre grandezze elettriche principali (intensità, tensione e resistenza) sono legate da una relazione di fondamentale importanza, rappresentata dalla legge di Ohm, dal nome dello scienziato che l’ha definita. La formula corrispondente è la seguente: V = I R - L’intensità di corrente che passa in un circuito è, quindi direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza che si manifesta nel circuito stesso. - In pratica, in un circuito percorso da corrente elettrica si determina un aumento dell’intensità di corrente quando aumenta la tensione e diminuisce la resistenza 8/14

9 Collegamenti di resistenze Collegamento in serie - Più resistori sono collegati in serie quando sono connessi uno dopo l’altro, in modo da essere attraversati dalla medesima corrente. - L’intensità risulta essere uguale per tutti i resistori e la resistenza totale è data dalla somma delle singole resistenze. - La tensione si ripartisce proporzionalmente alla resistenza dei singoli elementi. - Se si guasta un utilizzatore (ad esempio una lampada), si interrompe il circuito Collegamento in parallelo - Più resistori sono in parallelo se hanno tutti gli estremi in comune - Vengono attraversati dalla stessa tensione e percorsi da intensità di corrente inversamente proporzionali alle loro resistenze. - Ha il vantaggio di poter rendere indipendenti accensione e spegnimento di ogni apparecchio, anche in caso di guasti: per questo motivo gli impianti di illuminazione domestica e industriale sono realizzati con collegamenti in parallelo. 9/14

10 Collegamenti di pile Collegamento in serie - Più elementi di pila possono essere collegati in serie, mettendo a contatto il polo negativo di un elemento con quello positivo del seguente e così via - Si ottiene una batteria di pile, la cui tensione (o forza elettromotrice) totale corrisponde alla somma delle forze elettromotrici di ogni pila, mentre l’intensità I si mantiene costante, uguale a quella fornita da ogni singola pila. - La formula generale è: Vt = V1+V2+V3 Collegamento in parallelo - Si ottiene unendo tra loro i poli negativi con i poli negativi e i poli positivi con i positivi. -La forza elettromotrice totale è costante e corrisponde a quella del singolo elemento, mentre l’intensità di corrente I è uguale alla somma delle singole intensità - La formula è It = I1+I2+I3 - É necessario che tutte le pile abbiano la stessa forza elettromotrice, onde evitare che si creino delle correnti interne che consumerebbero il materiale in poco tempo. 10/14

11 Applicazioni industriali a. L’elettrostatica studia i fenomeni relativi a cariche elettriche in quiete. f. L’elettroacustica si occupa della produzione di suoni, per mezzo di apparecchiature elettriche ed elettroniche. e. L’illuminotecnica si occupa delle applicazioni Dell’elettricità per produrre radiazioni luminose nelle lampade, ecc. d. L’elettrochimica studia le interazioni fra energia elettrica e chimica. b. L’elettrodinamica studia il moto dei corpi materiali elettricamente carichi. c. L’elettromagnetismo studia le interazioni fra i campi elettrici e magnetici. 11/14

12 Storia dell’elettronica 4. La possibilità di utilizzare componenti di ingombro molto ridotto, ha spinto alla realizzazione di circuiti stampati, su una lastra di materiale plastico, che hanno sostituito i complessi e ingombranti fasci di cavi di collegamento - Successivamente sono nati i circuiti integrati, dove centinaia di componenti vengono realizzati in un’unica piastrina, di silicio puro, un semiconduttore assai diffuso (microchip). 1. Verso la fine del XIX secolo si riuscì a regolare un flusso di elettroni tra due elettrodi, all’interno di un tubo di vetro sotto vuoto: era stata inventata la valvola, La valvola venne usata, inizialmente, come rilevatore nelle radio. Le valvole erano grosse e ingombranti, creavano problemi di surriscaldamento (effetto termoionico) e, dopo un certo uso, si esaurivano. 2. Nel 1906, l’americano De Forest mise a punto il triodo, a tre elementi, con l’inserimento di una griglia regolabile con una manopola. -Il triodo funzionava come amplificatore di un segnale elettrico e oscillatore - Consentì l’inizio delle radiotrasmissioni a lunga distanza. 3. Nel 1929, Felix Bloch formalizzò la teoria dei semiconduttori, cristalli particolari dotati di proprietà intermedie tra quelle di un conduttore e di un isolante. - 1947, invenzione del transistor, che segna la nascita dell’elettronica “allo stato solido”, liberata dai problemi creati dalle valvole 12/14

13 I componenti elettronici passivi 1. Condensatore - formato da due conduttori metallici separati da materiale isolante (carta, ceramica, plastica o aria), detto dielettrico. - Il dielettrico trattiene le cariche che riceve, cedendole successivamente in modo continuo e assicurando un flusso di corrente regolare e controllato 2. Induttanza o induttore - È costituita da una bobina di filo di rame avvolta intorno a un nucleo di ferro - Magnetizzandosi al passaggio di corrente alternata produce una forza elettromotrice indotta, che contrasta la variazione di corrente, creando una impedenza (resistenza). - Le induttanze si usano nei circuiti elettronici per bloccare la corrente alternata e lasciar passare quella continua. 4. Resistenze o resistori -Distribuiscono in modo controllato la corrente a resistenza e tensione voluta al punto giusto del circuito. - È un cilindretto fatto di grafite e resine mescolate con argilla refrattaria; alle estremità vengono inseriti due terminali in rame. - L’involucro è colorato secondo le indicazioni del codice IEC, per cui si ha visivamente il valore della resistenza e della relativa tolleranza. 3. Trasformatore - Trasferisce potenza elettrica da un circuito a corrente alternata, a un altro circuito, variandone la tensione. - É costituito da due avvolgimenti in rame, isolati tra loro, avvolti attorno a un unico nucleo di ferro laminato (materiale magnetico). - Uno dei due avvolgimenti, collegato a un generatore di corrente alternata, trasferisce la corrente nell’ altro per effetto dell’induzione elettromagnetica. - Se il numero delle spire del primo avvolgimento è minore di quello del secondo, in quest’ultimo si avrà una tensione maggiore (trasformatore in salita); altrimenti la tensione sarà minore (trasformatore in discesa). 13/14

14 I componenti elettronici attivi 1. Diodo - Nasce dall’unione di un semiconduttore di tipo positivo con un semiconduttore di tipo negativo - Ha due terminali e permette il passaggio della corrente in un unico senso, funzionando come un interruttore, che permette il passaggio o il blocco della corrente in un circuito. 2. Transistor - Componente attivo fondamentale di quasi tutti i circuiti e ha sostituto le valvole termoioniche. - È composto da tre parti principali: l’emettitore, il collettore e la base, con tre terminali (elettrodi) corrispondenti alle tre parti. -Funziona come amplificatore: il segnale elettrico che entra in uno dei suoi elettrodi viene moltiplicato per un certo fattore, prima di essere riemesso dagli altri due elettrodi. - Ora è stato sostituito dai circuiti integrati. 3. Circuito integrato - Riunisce, su un’unica piastrina di silicio di alcuni millimetri di lato, migliaia di transistor, diodi, resistenze, condensatori - Ha basso costo di produzione, ridotte dimensioni, notevole velocità di funzionamento e alta affidabilità: per questo è la soluzione ideale per i circuiti dei computer. 14/14 Diodo led