Il nostro mondo è completamente permeato da oggetti elettronici costituiti prettamente di circuiti che realizzano le più disparate funzioni, dal poter vedere il nostro programma preferito fino al riscaldare la cena. Questa moltitudine realizza ciò che per i nostri antenati era impensabile, ovvero l’abbreviamento dei tempi nel svolgere le semplici operazioni di routine con conseguenti agevolazioni. Non solo, si pensi agli uffici, dove svolgiamo il nostro lavoro, nei quali avremo almeno quattro o cinque circuiti cui scopo è fornire benessere (aria condizionata, erogazione del caffè) o aiutarci nel lavoro (computer, portatili, schermi, stampanti, etc..). Non è neanche straordinario individuare circuiti che permettono di pilotare o comandare altri circuiti (telecomandi, termostati), alle volte senza dover richiedere l’intervento umano.

Questa tendenza sta trovando nuova linfa nei circuiti costituiti da microcontrollori, i quali possono svolgere operazioni di calcolocontrollo retroattivo (per il quale il controllo avviene monitorando l’uscita e modificandola a seconda dei valori precedentemente registrati), nonché essere comandati e a loro volta monitorati mediante smartphone tablet. Il tutto tramite un semplice circuito.

Il circuito sotto la lente del microscopio

Esempio di circuito: Amplificatore Mosfet 400W

Esaminando un generico circuito, notiamo la presenza di una basetta, tipicamente verde, su cui sono connessi componenti vari, differenti per formagrandezza. Questi componenti svolgono ognuno una determinata funzione fondamentale per il circuito in esame. Andando più a fondo, un circuito è l’interconnessione di elementi circuitali, detti genericamente bipoli. Quest’ultimi possono avere formecaratteristichecomportamenti completamente differenti tra loro (resistenze, condensatori, generatori, induttori), ma tutti possiedono una particolarità: sono costituiti da due terminali, dati da materiale che permette di condurre corrente (conduttore) e che garantisce l’interconnessione di cui sopra.

In maniera semplicistica, possiamo affermare che la corrente viaggi verso l’interno di questi bipoli, subisca modifiche e continui verso il bipolo successivo. La corrente, allora, può essere ipotizzata come un flusso che viaggia da un capo all’altro del circuito, come una complessa rete di tubature che trasportano l’acqua determinandone il percorso (flusso).

Protagonisti principali dell’elettrotecnica sono:

  • La corrente e tutto ciò che precede da questa (campo elettrico) o ne agevola lo studio (tensione)
  • bipoli aventi determinate caratteristiche (attivo, passivo, lineare, non lineare) e tipologie, definiti ognuno da rispettive equazioni caratteristiche
  • Le interconnessioni che definiscono il comportamento delle connessioni tra bipoli presenti nel circuito, ovvero le equazioni di interconnessione
  • Le equazioni circuitali date e dalla somma delle equazioni caratteristiche e dalle equazioni di interconnessione di cui sopra, definendo il comportamento del circuito

Il primo punto trova esauriente spiegazione nello studio dell’ elettromagnetismo, branca della fisica che si occupa e di spiegare i fenomeni attinenti sia alle correnti che ai magneti, e dalla quale possiamo trarre alcune interessanti deduzioni per poter spiegare la maggior parte dei fenomeni e le leggi responsabili delle situazioni che si incontrano nell’ elettrotecnica.

Il metodo scientifico come strumento per capire il fenomeno

Galileo Galilei, colui che formulò il metodo scientifico e sancì la nascita della moderna scienza

In primis, si ricerca il giusto metodo con il quale approcciare per far sì che il circuito controlli o risolva una determinata problematica. In effetti, il principio di un qualunque progetto/studio/circuito è sempre dato dall’osservazione empirica di una determinata situazione, il riconoscimento del problema e la definizione di un modello semplificato rispetto la situazione in esame, nella quale il circuito/studio/progetto dovrà essere costruito con varie modalità o approcci (top-down, bottom-up, raffinamenti successivi), al fine di giungere ad uno stadio conclusivo (prototipo) che possa essere impiegato nella realtà. In fisica si segue il ben noto metodo scientifico.

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Il metodo scientifico nasce per descrivere ed interpretare i fenomeni naturali mediante l’uso di un processo induttivo definito dai seguenti passi:

  • Schematizzazione: la sostituzione del fenomeno naturale osservato con un modello semplificato, che elimini tutte le particolarità presenti nel reale e non strettamente legate al fenomeno
  • Misura: associazione di un’unità di misura per quantificare il fenomeno scegliendo tra grandezze fondamentali (ovvero scelte in maniera arbitraria perché indipendenti dalle altre note) o derivate (scelte in base a grandezze già esistenti)
  • Leggi: fornire una legge matematica che esprima il comportamento del fenomeno osservato
  • Previsione: studio del fenomeno ipotizzandolo in particolari situazioni e determinazione del comportamento mediante la legge matematica 
  • Verifica sperimentale: confronto dei dati ottenuti nel passo precedente con i dati raccolti mediante nuova osservazione reale del fenomeno, nelle particolari situazioni ipotizzate precedentemente, affinché sia dimostrata l’obbedienza del fenomeno alla legge matematica

Le grandezze, come riportato sopra, possono essere di due tipi (fondamentali, derivate); La particolarità delle prime è la necessità di definire una nuova unità di misura, come è accaduto per la lunghezza (metro), il tempo (secondi), la massa (chilogrammo) e la carica elettrica (Coulomb), poiché queste si occupano di misurare proprietà intrinseche della materia.

Il fenomeno alla base dell’elettrizzazione e la scoperta delle cariche elettriche

Prendiamo in considerazione due bacchette, dello stesso materiale, poi un panno di lanaStrofinando una bacchetta con il panno di lana, è sufficiente avvicinare la stessa bacchetta  all’altra per osservare che queste si respingono; Viceversa, se le bacchette sono costituite da materiali differenti possono o respingersi o attrarsi. È evidente che il fenomeno sia possibile mediante determinati materiali e mediante operazione di strofinio su questi.

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Elettrizzazione per strofinio con un panno di lana

Parliamo, allora, di forze repulsive qualora le bacchette si respingono, mentre parliamo di forze attrattive quando le bacchette si attraggono. Il fenomeno descritto viene definito elettrizzazione mediante strofinio, ma esistono altre modalità con cui il fenomeno dell’elettrizzazione si manifesta.

Dal fenomeno, quindi, deduciamo l’esistenza di due tipi di cariche, responsabili delle forze attrattive repulsive di cui sopra, che per semplicità vengono associate a simboli + e -, quindi vengono dette positive (o carica positiva) e negative (carica negativa). Se poniamo in vicinanza due cariche aventi medesimo segno, sperimentiamo una forza repulsiva, altrimenti una forza attrattiva per cariche di segno opposto. Ciò deriva da una proprietà intrinseca della materia, cui spiegazione trova fondamento nella sua essenza, ovvero l’atomo, la cui struttura sostanzialmente è definita da tre elementi:

  • Protone: indicato col simbolo p ed avente massa

    mp = 1,67 × 1027 Kg

     

    al quale viene associata la carica positiva

  • Neutrone: indicato col simbolo m ed avente massa equivalente al protone, ma privo di carica elettrica
  • Elettrone:  indicato con il simbolo e ed avente massa 2000 volte più piccola rispetto al protone (o al neutrone), ad esso è associata la carica elettrica negativa
Il modello atomico presentato da Rutherford

L’ atomo, negli studi più recenti, viene a pensarsi come un aggregazione di protoni e neutroni, che costituiscono i cosiddetti nucleoni poiché posti al centro della configurazione spaziale, mentre, attorno, è presente una concentrazione di elettroni orbitanti attorno ai nucleoni e costituenti la nube atomicaÈ lecito, tuttavia, pensare all’atomo come una sfera (modello di Rutherford), in cui al centro sono situati i nucleoni, mentre sulla superficie sferica orbitano gli elettroni. L’ atomo viene, poi, catalogato o attraverso un numero atomico, il quale indica il numero di protoni presenti nel nucleo, oppure con un numero di massa, il quale indica il numero di nucleoni presenti nel nucleo.  

Si dice inoltre che la carica elettrica è una grandezza fisica quantizzata, poiché esiste solo in forma di multipli di una quantità fondamentale; Questa considerazione è data dal fatto che nelle varie misurazioni effettuate, non è stato mai possibile avere una quantità unitaria di carica, positiva o negativa, bensì dei multipli della stessa. 

In natura, gli elettroni sono gli unici elementi atomici che possono essere ceduti acquisiti, pertanto lo “sforzo” impiegato per scindere il legame tra gli stessi elettroni e i nucleoni (forza nucleare debole), definisce l’intensità di legame con cui gli elettroni sono trattenuti nelle vicinanze del nucleo ed è il fattore rilevante per catalogare il materiale come conduttore (consente il passaggio di corrente) o isolante (blocca il passaggio di corrente). I protoni e i neutroni godono di tutt’altra intensità di legame (forza nucleare forte), la quale rende molto difficile il distaccamento degli stessi.

L’ elettrizzazione, quindi, è un fenomeno che distrugge la simmetria naturale esistente tra cariche elettriche positive e negative, ovvero tra nucleoni elettroni, facendo sì che quest’ultimi vengano ceduti (depauperamento) o acquisiti (caricare negativamente). Si noti che questo processo di perdita o acquisizione è valido esclusivamente per gli elettroni (nel seguito cariche negative); Nel caso dello strofinio, si assiste ad un depauperamento di cariche negative per la bacchetta (perdita di elettroni), viceversa ad un aumento delle cariche negative (acquisizione di elettroni) nel panno di lana. Questo fatto anticipa la fondamentale legge di conservazione delle cariche:

La somma algebrica della cariche elettriche è costante nel tempo

Quindi, nessuna carica (elettrone e protone) in questo o in qualunque altro fenomeno attinenti l’elettromagnetismo, si distrugge o si crea, bensì, si assiste al continuo passaggio di cariche negative (elettroni) da un oggetto ad un altro oggetto. La dimostrazione di tale legge avviene mediante esecuzione dell’esperimento di induzione elettrostatica, il quale dimostra un’interessante caratteristica tipica dei condensatori e che verrà ripresa nel seguito.

La carica elettrica e la corrente saranno oggetto del prossimo articolo, mentre i restanti punti, da considerarsi i costituenti necessari ad una completa comprensione e di un circuito e della progettazione di circuiti specifici presentati nel precedente articolo, verranno trattati approfonditamente nei successivi articoli.

 

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Author: Alessandro Giaquinto

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