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23/09/20081 Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2008/09 Annarita Margiotta tel. 0512095226 Gianni Siroli tel.: 0512095240.

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1 23/09/20081 Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2008/09 Annarita Margiotta tel Gianni Siroli tel.:

2 23/09/20082 Scopi del corso fornire i principii di base e gli elementi tecnico- pratici relativi allo studio dei circuiti elettrici e dellelettronica a semiconduttori lineare e digitale introduzione alluso della strumentazione di base per le misure elettriche introduzione alla strumentazione in uso nelle osservazioni astronomiche e astrofisiche ESAME: prova orale, ma è necessario avere presentato le relazioni scritte delle prove di laboratorio

3 23/09/20083 Programma del corso cenni di elettromagnetismo classico: cariche, forze, potenziali, campi elettronica analogica: –grandezze fondamentali per lanalisi dei circuiti elettronici ed elementi lineari dei circuiti: tensione corrente resistenza capacità induttanza –leggi di Ohm e di Kirchhoff legge di Ohm generalizzata –formalismo complesso –filtri cenni sulla struttura a bande semiconduttori elementi non lineari –passivi : diodi –attivi : transistor - BJT; FET cenni su amplificatori e ADC/DAC richiami sulla teoria degli errori introduzione al laboratorio elettronica digitale: –fondamenti di logica simbolica (algeba di Boole) –porte logiche e tavole di verità –circuiti digitali combinatori: multiplexer codificatori decodificatori sommatori genaatori di parità ROM PLA –circuiti sequenziali : flip-flop registri contatori introduzione ai sistemi di acquisizione dati CCD ad uso astronomico fotomoltiplicatori radiotelescopi Esercitazioni di laboratorio con relazione scritta (obbligatorie)

4 23/09/20084 Prerequisiti Conoscenze relative allelaborazione dei dati sperimentali (vedi Esperimentazione di Fisica 1) Conoscenze (almeno generali) di elettromagnetismo

5 23/09/20085 Durante il corso: in aula - come sempre (ci conosciamo da tempo…) le domande e le richieste di chiarimento sono sempre benvenute. nel mio studio – telefonate o mandate un per fissare un incontro (da soli o in gruppo).

6 23/09/20086 Testi consigliati Una selezione di argomenti da: Resnick, Halliday, Krane – Fisica 2, C.E.A. Millman, Grabel - Microelettronica, McGraw-Hill Martinez, Klotz – A practical guide to CCD astronomy, Cambridge University Press dispense presso la portineria del Dip. Astronomia sito Internet: in alternativa si può usare qualunque altro testo di elettromagnetismo, circuiti ed elettronica Tutti i testi sono disponibili nella biblioteca del Dipartimento di Astronomia

7 23/09/ diversi tipi di cariche elettriche –Benjamin Franklin le chiamò positive e negative le cariche Negative sono elettroni le cariche Positive sono protoni spesso sono legate in atomi: –protoni positivi nel nucleo centrale r~ m –elettroni negativi orbitano attorno al nucleo r~ m Esempio: Litio 3 protoni nel nucleo, 3 elettroni orbitanti Cariche elettriche

8 23/09/20088 Cariche elettriche unità e quantizzazione Lunità di misura della carica elettrrica nel SI è il Coulomb (C ) La carica elettrica, q, è quantizzata –quantizzata = è un multiplo intero di una qualche quantità e fondamentale della carica q = Ne N è un intero e rappresenta la carica di un elettrone = +1.6 x C Elettrone: q = -e Protone: q = +e

9 23/09/20089 schema di reticolo cristallino moto caotico delle cariche libere velocità media tra 2 urti 10 6 m/s velocità di deriva m/s

10 23/09/ simbolo circuitale resistenza dipendenza di e quindi di R dalla temperatura questi valori valgono per una temperatura prefissata

11 23/09/ = m = m = da a 10 2 m Isolanti:Vetro, plastica, polistirolo Semiconduttori: Germanio, silicio, boro Conduttori: Rame, ferro, alluminio 0,01 da 1 K a 100 M isolante semiconduttore conduttore Resistenza di un filo di lunghezza 3 m e sezione 3 mm 2 L = 3 m A = 3 mm 2 RESISTIVITA : metro (ohm metro) RESISTENZA R = L / A ohm RESISTORI

12 23/09/ Per un conduttore ohmico la resistenza è indipendente dalla ddp applicata R V I + - v (t) = R i(t) IMPORTANTE: il verso convenzionale della corrente va dal polo positivo al polo negativo, come se si spostassero delle cariche positive

13 23/09/ Leggi di Ohm Prima legge di Ohm: in un conduttore metallico l'intensità di corrente (a temperatura T costante) è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore. i(t) = 1/R v(t) Seconda legge di Ohm: in un conduttore metallico di sezione costante S e lunghezza L, la resistenza è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e alla resistività, inversamente proporzionale alla sua sezione S: R = L/S

14 23/09/ elementi lineari (ideali) resistore: elemento di circuito dotato di uno specifico valore di resistenza. Dissipa energia sotto forma di calore (effetto Joule) v(t) = R i(t) capacitore: elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo elettrico v(t) = 1/C i(t) dt induttore : elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo magnetico v(t) = L di(t)/dt

15 23/09/ C = Q/ V = [ Farad ] 1 pF = F 1 nF = F 1 F = F 1 mF = F Qual è larea delle armature di un condensatore a facce piane, parallele, poste alla distanza di 1 mm, se la sua capacità è 1 Farad?

16 23/09/ Capacità di un condensatore a facce piane e parallele Come si fa a calcolare? Provate a casa. NON ANDATE A CERCARE LA SOLUZIONE

17 23/09/ energia immagazzinata in un capacitore: W = risultato ottenuto per un capacitore a facce piane, ma si può dimostrare che vale sempre

18 23/09/ Condensatori in serie e in parallelo stessa ddp stessa carica elettrica

19 23/09/ INDUTTORE induttore : elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo magnetico v(t) = L di(t)/dt anche L dipende essenzialmente da fattori geometrici (numero di spire, lunghezza e forma del solenoide/toroide…) energia immagazzinata in un induttore: W = 1/2 L I 2 L nel SI Henry

20 23/09/ Potenza energia fornita ai portatori di carica potenza trasferita dal generatore di fem In un circuito puramente resistivo I= V/R: P = V I = R I 2 = V 2 /R potenza dissipata per effetto Joule

21 23/09/ facciamo il punto della situazione 1 conduttori - isolanti intensità di corrente i = dq/dt : 1 Ampere = 1 Coulomb/s nei conduttori la corrente è data dal movimento di elettroni (unipolare). per convenzione il verso positivo della corrente è quello che si avrebbe se si muovessero le cariche positive. differenza di potenziale elettrica (o forza elettromotrice o tensione): Volt resistenza : Ohm RESISTORI : v(t) = R i(t) legge di Ohm capacità : Farad CAPACITORI (CONDENSATORI) : q(t) = C v(t) v(t) = 1/C i(t) dt induttanza : Henry INDUTTORI : v(t) = L di(t)/dt

22 23/09/ qualche definizione aggiuntiva generatore di tensione (ideale): dispositivo che mantiene costante una ddp ai capi di un carico, indipendentemente dal valore del carico generatore di corrente (ideale): dispositivo che fornisce una corrente indipendentemente dal carico circuito : insieme di elementi cpllegati mediante conduttori di resistenza, capacità e induttanza trascurabili rete : circuito complesso maglie : circuiti componenti una rete rami : parte di un circuito percorso dalla stessa corrente e compreso tra 2 nodi : è un punto in cui le correnti si dividono Analisi dei circuiti Leggi di Kirchhoff

23 23/09/ Leggi di Kirchhoff 1.In ogni nodo la somma algebrica delle correnti è uguale a 0 2.In ogni maglia la somma algebrica delle ddp è uguale a 0.

24 23/09/ resistenze in serie e in parallelo 1/R eq = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3

25 23/09/ Generatore di tensione ideale e reale Un generatore di tensione ideale è un generatore che produce la stessa tensione indipendentemente dal carico; questo equivale a dire che ha una resistenza interna nulla. Ciò non accade nel generatore reale in cui, a causa della resistenza interna, la tensione decresce allaumentare del carico. RiRi RLRL ViVi VLVL

26 23/09/ Generatore di corrente ideale e reale Un generatore di corrente ideale è un generatore che fornisce una corrente indipendentemente dal carico, questo equivale a dire che ha una resistenza interna infinita. Ciò non accade nel generatore reale, la cui la resistenza interna ha un valore finito. RiRi RLRL IVLVL

27 23/09/ circuito RC costante di tempo RC = corrisponde al tempo impiegato per trasferire sul condensatore (1-1/e) = 63% della carica totale

28 23/09/ circuito RL f

29 23/09/ Circuito oscillante LC C Per avere un riassunto della trattazione algebrica vista a lezione, fate riferimento alle dispense.

30 23/09/ circuito RLC Per avere un riassunto della trattazione algebrica vista a lezione, fate riferimento alle dispense. < 0 = 0 > 0

31 23/09/ circuito RLC Per avere un riassunto della trattazione algebrica vista a lezione, fate riferimento alle dispense.

32 23/09/ Formalismo complesso identità di Eulero:

33 23/09/ Formalismo complesso Soluzione = integrale dellomogenea associata ( 0) + integrale particolare i(t) = i 0 cos( t + )

34 23/09/ Formalismo complesso Sostituendo nellequazione differenziale: (per i conti fatti in aula dispense)

35 23/09/ Circuito resistivo = la corrente è in fase con la tensione

36 23/09/ Circuito capacitivo la corrente anticipa la tensione = /2

37 23/09/ Circuito induttivo la corrente segue la tensione = /2

38 23/09/ Circuito RLC serie tra corrente e tensione ai capi di R non cè sfasamento le tensioni ai capi di C e di L saranno in quadratura =


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