Principi di Elettrotecnica e Elettrotecnica PDF

 LA CORRENTE ELETTRICA Tutti i giorni noi sfruttiamo la corrente elettrica pre- Da qualsiasi pila fuoriescono sempre due termina- levandola dalla presa rete dei 220 volt per accen- li, uno contrassegnato dal segno positivo (ecces- dere le lampadine di casa, per far funzionare il fri-...

 LA CORRENTE ELETTRICA Tutti i giorni noi sfruttiamo la corrente elettrica pre- Da qualsiasi pila fuoriescono sempre due termina- levandola dalla presa rete dei 220 volt per accen- li, uno contrassegnato dal segno positivo (ecces- dere le lampadine di casa, per far funzionare il fri- so di protoni) ed uno contrassegnato dal segno ne- gorifero, la televisione o il computer, oppure la gativo (eccesso di elettroni). preleviamo dalle pile per ascoltare la musica dalla Se colleghiamo questi due terminali con un filo di nostra radio portatile o per parlare al telefono cel- materiale conduttore (ad esempio il rame), gli e- lulare. lettroni verranno attirati dai protoni e questo mo- Poiché la corrente elettrica si ottiene solo se si rie- vimento di elettroni genererà una corrente elettri- scono a mettere in movimento gli elettroni, per spie- ca (vedi fig.10) che cesserà solo quando si sarà ri- garla dobbiamo necessariamente parlare dell’atomo. stabilito negli atomi un perfetto equilibrio tra pro- toni ed elettroni. Per chi ancora non lo sapesse l’atomo è costitui- to da un nucleo di protoni, con carica positiva, e neutroni, con carica neutra, attorno al quale ruo- Molti ritengono che il flusso della corrente elettrica tano alla velocità della luce, cioè a 300.000 Km al vada dal positivo verso il negativo. secondo, degli elettroni, con carica negativa (ve- Al contrario, il flusso della corrente elettrica va sem- di fig.1). pre dal negativo verso il positivo, perché sono i L’atomo si potrebbe paragonare ad un sistema pla- protoni che attirano gli elettroni per equilibrare il netario miniaturizzato con al centro il sole (nucleo loro atomo. di protoni) e tanti pianeti (elettroni) che gli orbi- tano intorno. Per capire il movimento di questo flusso di elettro- Gli elettroni negativi sono tenuti in orbita dai pro- ni possiamo servirci di due elementi molto cono- toni positivi come visibile in fig.2. sciuti: l’acqua e l’aria. Ciascun atomo, a seconda dell’elemento a cui ap- Gli elettroni negativi possiamo associarli all’ac- partiene, possiede un numero ben definito di pro- qua ed i protoni positivi all’aria. toni e di elettroni. Se prendiamo due recipienti pieni di aria (carica Ad esempio l’atomo dell’idrogeno possiede un so- positiva) e li colleghiamo tra loro con un tubo, non lo protone ed un solo elettrone (vedi fig.3), l’ato- ci sarà nessun flusso perché in entrambi i recipienti mo del borio possiede 5 protoni e 5 elettroni (ve- manca l’elemento opposto, cioè l’acqua (vedi di fig.4), l’atomo del rame possiede 29 protoni e fig.11). 29 elettroni, mentre l’atomo dell’argento possie- Anche se colleghiamo tra loro due recipienti pieni de 47 protoni e 47 elettroni. di acqua (carica negativa) nel tubo non ci sarà Maggiore è il numero degli elettroni presenti in un nessun flusso perché non esiste uno squilibrio ac- atomo, maggiore è il numero delle orbite che ruo- qua/aria (vedi fig.12). tano attorno al suo nucleo. Se invece colleghiamo un recipiente pieno di aria Gli elettroni che ruotano molto vicini al nucleo so- (polarità positiva) con uno pieno di acqua (pola- no chiamati elettroni legati perché non si posso- rità negativa) otterremo un flusso d’acqua dal re- no facilmente prelevare dalla loro orbita. cipiente pieno verso quello vuoto (vedi fig.13) che Gli elettroni che ruotano nelle orbite più lontane cesserà solo quando i due recipienti avranno rag- sono chiamati elettroni liberi perché si riescono a giunto lo stesso livello (vedi fig.14). sottrarre senza difficoltà dalle loro orbite per inse- Il movimento degli elettroni può essere sfruttato rirli in un altro atomo. per produrre calore se li facciamo passare attra- Questo spostamento di elettroni da un atomo ad verso una resistenza (stufe elettriche, saldatori un altro si può ottenere con un movimento mecca- ecc.), per produrre luce se li facciamo passare at- nico (dinamo - alternatore) oppure con una reazio- traverso il filamento di una lampadina oppure per ne chimica (pile - accumulatori). realizzare delle elettrocalamite se li facciamo pas- sare in una bobina avvolta sopra un pezzo di fer- Se ad un atomo si tolgono degli elettroni assume ro (relè, teleruttori). una polarità positiva, perché il numero dei pro- toni è maggiore rispetto al numero degli elettroni (vedi fig.7). Per concludere possiamo affermare che la corren- Se si inseriscono degli elettroni liberi in un ato- te elettrica è un movimento di elettroni attirati dai mo questo assume una polarità negativa, perché protoni. Quando ogni atomo ha equilibrato i suoi il numero degli elettroni è maggiore rispetto al nu- protoni con gli elettroni mancanti non avremo più mero dei protoni (vedi fig.8). nessuna corrente elettrica.  Fig.1 L’atomo è costituito da un nucleo cen- Fig.2 Gli elettroni sono tenuti in orbita dal trale con carica Positiva e da elettroni con nucleo. Gli elettroni più esterni si possono carica Negativa che gli orbitano intorno. facilmente sottrarre dal loro Nucleo. Fig.3 L’atomo dell’Idrogeno Fig.4 L’atomo del Borio ha 5 Fig.5 L’atomo del Sodio ha ha 1 Protone ed 1 Elettrone. Protoni e 5 Elettroni. 11 Protoni e 11 Elettroni. Fig.6 Quando il numero de- Fig.7 Se in un atomo si tol- Fig.8 Se in un atomo si ag- gli Elettroni è equivalente al gono degli Elettroni questo giungono degli Elettroni numero dei Protoni la carica assume una carica elettrica questo assume una carica e- è Neutra. Positiva. lettrica Negativa.  4,5 V. Fig.9 Due atomi con carica Positiva o con Fig.10 Gli Elettroni vengono attirati dai Pro- carica Negativa si respingono mentre due toni quindi il flusso della corrente elettrica atomi con carica opposta si attirano. va dal negativo verso il positivo. Fig.11 Se paragoniamo l’aria ad una “cari- Fig.12 Anche se colleghiamo assieme due ca positiva” e l’acqua ad una “carica nega- recipienti pieni d’acqua non ci sarà nessun tiva” collegando assieme due recipienti pie- flusso perché non esiste squilibrio tra cari- ni d’aria non ci sarà nessun flusso. ca Positiva e carica Negativa. Fig.13 Collegando assieme un recipiente Fig.14 Il flusso d’acqua cesserà quando si pieno d’acqua con uno pieno d’aria avremo è raggiunto un perfetto equilibrio Acqua/A- un flusso d’acqua da questo recipiente ver- ria. Una pila è scarica quando gli elettroni so l’altro perché esiste uno squilibrio. sono pari ai protoni.  LA TENSIONE = unità di misura VOLT Come per le misure dei pesi, che possono essere espresse in kilogrammi - quintali - tonnellate e 0 20 in ettogrammi - grammi - milligrammi, anche l’u- 20 40 nità di misura volt può essere espressa con i suoi 40 multipli chiamati: 50 50 VOLT Megavolt Kilovolt oppure con i suoi sottomultipli chiamati: millivolt microvolt nanovolt Qualsiasi pila ha un elettrodo positivo ed un elet- trodo negativo perché all’interno del suo corpo e- siste uno squilibrio di elettroni. Questo squilibrio di cariche positive e negative genera una tensione che si misura in volt. Una pila da 9 volt ha uno squilibrio di elettroni 6 1,5 V. volte maggiore rispetto ad una pila da 1,5 volt, in- fatti moltiplicando 1,5 x 6 otteniamo 9 volt (vedi figg.15-16). Una batteria da 12 volt avrà uno squilibrio di e- lettroni 8 volte maggiore rispetto ad una pila da 1,5 Fig.16 Una pila da 9 volt volt. ha uno squilibrio di e- 1,5 V. Per spiegarvi il valore di questa differenza utilizze- lettroni “sei” volte mag- remo ancora gli elementi acqua - aria. giore rispetto ad una Una pila da 1,5 volt può essere paragonata a due pila da 1,5 volt e “due” recipienti molto bassi: uno pieno d’acqua (nega- volte maggiore rispetto tivo) ed uno pieno d’aria (positivo). ad una pila da 4,5 volt. Se li colleghiamo tra loro avremo un flusso d’ac- 1,5 V. qua molto modesto perché la differenza di po- tenziale risulta alquanto ridotta (vedi fig.13). Una pila da 9 volt è paragonabile a un recipiente la cui altezza risulta 6 volte maggiore rispetto al recipiente da 1,5 volt, quindi se colleghiamo tra lo- ro il recipiente negativo con il recipiente positivo avremo un maggiore flusso d’acqua perché la dif- 1,5 V. 1,5 V. ferenza di potenziale è maggiore. Fig.15 Una pila da 3 volt ha uno squilibrio di e- lettroni doppio rispetto 1,5 V. 1,5 V. 1,5 V. ad una pila da 1,5 volt. 1,5 V. 1,5 V. 1,5 V. 1,5 V.  TENSIONI CONTINUE ed ALTERNATE Avrete spesso sentito parlare di tensioni continue e tensioni alternate, ma prima di spiegarvi quale differenza intercorre tra l’una e l’altra vi diciamo che: la tensione continua si preleva da: pile - accumulatori - cellule solari la tensione alternata si preleva da: alternatori - trasformatori Alimentando una lampadina con una tensione continua prelevata da una pila o da un accumu- Fig.20 In una tensione “alternata” i due fili latore (vedi fig.19), avremo un filo con polarità ne- non hanno una polarità perché alternativa- gativa ed un filo con polarità positiva, quindi gli e- mente gli elettroni vanno in un senso ed in lettroni scorreranno sempre in un’unica direzio- quello opposto. ne, cioè dal filo negativo verso il filo positivo con una tensione costante. A questo punto la sua polarità si inverte e sempre in modo graduale aumenta a 1 - 2 - 3 ecc. volt negativi fino raggiungere il suo massimo picco negativo di 12 volt, poi inizia a scendere a 11 - 10 - 9 ecc. volt negativi fino a ritornare sul valo- re iniziale di 0 volt (vedi fig.26). Questo ciclo da positivo a negativo si ripete all’in- finito. Ancora una volta vogliamo spiegarvi la differenza che esiste tra una tensione continua e una ten- Fig.19 In una tensione sione alternata con un esempio idraulico e per “continua” avremo sem- questo utilizzeremo i nostri recipienti, uno pieno 4,5 V. pre un filo con polarità d’acqua (polo negativo) ed uno pieno di aria (po- negativa ed uno con lo positivo). polarità positiva. Per simulare la tensione continua collochiamo i due recipienti come visibile in fig.21. L’acqua scorrerà verso il recipiente vuoto e quan- Alimentando una lampadina con una tensione al- do in entrambi i recipienti avrà raggiunto lo stesso ternata di 12 volt prelevata da un alternatore o livello, lo spostamento dell’acqua cesserà. da un trasformatore (vedi fig.20) non avremo più Allo stesso modo, in una pila o in un accumula- un filo negativo ed un filo positivo, perché la po- tore gli elettroni negativi in eccesso fluiranno larità sui due fili cambierà continuamente. sempre verso il polo positivo e quando sarà rag- Vale a dire che alternativamente nei due fili scor- giunto un perfetto equilibrio tra cariche positive e rerà una tensione negativa che diventerà positi- cariche negative questo flusso cessa. va per ritornare negativa e poi nuovamente posi- tiva ecc., quindi gli elettroni scorreranno una vol- ta in un senso ed una volta in senso opposto. L’inversione della polarità sui due fili non avviene bruscamente, cioè non si ha un’improvvisa inver- sione di polarità da 12 volt positivi a 12 volt ne- gativi o viceversa, ma in modo graduale. Vale a dire che il valore di una tensione alterna- ta parte da un valore di 0 volt per aumentare gra- Fig.21 In una tensione “continua” l’acqua dualmente a 1 - 2 - 3 ecc. volt positivi fino rag- scorre verso il recipiente pieno d’aria fino giungere il suo massimo picco positivo di 12 volt, a quando si raggiunge un perfetto equili- poi inizia a scendere a 11 - 10 - 9 ecc. volt posi- brio tra i due elementi. tivi fino a ritornare sul valore iniziale di 0 volt.  Una volta che questo equilibrio è stato raggiunto non c’è più spostamento di elettroni, quindi la pila non riuscendo più a fornire corrente elettrica si con- sidera scarica. Quando una pila è scarica si getta, al contrario un accumulatore quando è scarico si può ricarica- re collegandolo ad un generatore di tensione e- sterno che provvederà a creare nuovamente lo squilibrio iniziale tra elettroni e protoni. Per simulare la tensione alternata utilizziamo sempre gli stessi due recipienti collocandoli però Fig.22 In una tensione “alternata” l’acqua sopra un piano basculante (vedi fig.22). scorre verso il recipiente vuoto. Una mano invisibile collocherà quello pieno d’ac- qua (polarità negativa) ad un’altezza maggiore ri- spetto a quello vuoto (polarità positiva). Inizialmente l’acqua scorrerà verso il recipiente vuoto e quando il flusso dell’acqua cesserà a- vremo il recipiente di sinistra vuoto (polarità po- sitiva) e quello di destra pieno d’acqua (polarità negativa). A questo punto la “mano invisibile” alzerà il reci- piente di destra facendo scorrere l’acqua in senso inverso fino a riempire il recipiente di sinistra ed una volta che si sarà riempito sempre la stessa ma- no lo alzerà nuovamente per invertire di nuovo il Fig.23 Quando questo si è riempito assume flusso dell’acqua (vedi fig.25). una polarità opposta cioè negativa. In questo modo l’acqua scorrerà nel tubo prima in un senso poi in quello opposto. FREQUENZA = unità di misura in HERTZ Nella fig.26 riportiamo il grafico di un periodo del- la tensione alternata, che, come potete vedere, raffigura una sinusoide composta da una se- mionda positiva e da una semionda negativa. Il numero delle sinusoidi che si ripetono nel tem- po di 1 secondo viene chiamata frequenza e vie- Fig.24 A questo punto il recipiente pieno si ne espressa con la sigla Hz, che significa Hertz. alza e l’acqua scorre in senso inverso. Se guardate l’etichetta posta sul contatore di ca- sa vostra troverete indicato 50 Hz oppure p/s 50 che significa periodo in un secondo. Questo numero sta ad indicare che la tensione che noi utilizziamo per accendere le nostre lampadine cambia di polarità 50 volte in 1 secondo. Una variazione di 50 volte in 1 secondo è talmente veloce che il nostro occhio non riuscirà mai a no- tare il valore crescente o decrescente delle se- mionde. Misurando questa tensione con un voltmetro, la lancetta non devierà mai da un minimo ad un mas- simo, perché le variazioni sono troppo veloci ri- Fig.25 Quando il recipiente di sinistra è pie- spetto all’inerzia della lancetta. no si alza per invertire il flusso. Solo un oscilloscopio ci permette di visualizzare sul suo schermo questa forma d’onda (vedi fig.30).  Fig.30 Possedendo uno strumento chiamato Oscilloscopio è possibile visualizzare sul- lo schermo il numero delle sinusoidi presenti nel tempo di 1 secondo. LA CORRENTE = unità di misura in AMPER La corrente non dipende in alcun modo dal valo- 0 re della tensione, quindi possiamo prelevare 1 am- 2 2 per sia da una pila da 1,5 volt come da una pila 4 4 da 9 volt o da una batteria da auto da 12 volt op- AMPER pure dalla tensione di rete dei 220 volt. 5 5 Per capire meglio la differenza che esiste tra volt ed amper utilizzeremo sempre l’elemento acqua. Se colleghiamo il serbatoio negativo ed il serba- toio positivo con un tubo che abbia un diametro molto piccolo (vedi fig.31) il flusso di acqua av- verrà lentamente, e poiché questo flusso si può paragonare al numero degli elettroni in transito, si Il movimento degli elettroni dall’elettrodo negati- può affermare che quando passa poca acqua, nel vo all’elettrodo positivo si chiama corrente e si circuito scorrono pochi amper. misura in amper. Se colleghiamo i due serbatoi con un tubo di dia- metro maggiore (vedi fig.32), il flusso di acqua Nota: si dovrebbe scrivere ampere, ma poiché o- aumenterà, cioè nel circuito scorreranno più elet- ramai si scrive come si pronuncia, cioè amper, con- troni e quindi più amper. tinueremo ad utilizzare questa forma. Anche l’amper come il volt ha i suoi sottomultipli A titolo informativo segnaliamo ai più curiosi che 1 chiamati: amper corrisponde a: 6.250.000.000.000.000.000 di elettroni milliamper microamper che scorrono dal terminale negativo verso il posi- nanoamper tivo nel tempo di 1 secondo. Fig.31 Un tubo sottile farà fluire poca acqua Fig.32 Un tubo grosso farà fluire molto ac- dal polo negativo verso il positivo. qua dal polo negativo verso il positivo.  Le misure più utilizzate in campo elettronico sono: 2 3 40 60 80 1 4 20 5 10 0 0 0 AMPER mA A = Am per m A = m illia m per µA = m icr oa m per Nella Tabella N.3 riportiamo i fattori di divisione e di moltiplicazione per convertire i suoi sottomultipli. T ABELLA N.3 CONVERSIONE Am per Am per x 1.0 0 0 = m illia m per Am per x 1.0 0 0.0 0 0 = m icr oa m per m illia m per : 1.0 0 0 = Am per m illia m per x 1.0 0 0 = m icr oa m per m illia m per : 1.0 0 0.0 0 0 = na noa m per m icr oa m per : 1.0 0 0 = m illia m per m icr oa m per : 1.0 0 0.0 0 0 = Am per 20 30 2 3 4 10 40 1 50 5 0 0 VOLT AMPER Fig.33 Lo strumento chiamato Voltmetro si Fig.34 Lo strumento chiamato Amperome- applica sempre sui terminali positivo e ne- tro si applica sempre in “serie” ad un filo gativo perché misura lo “squilibrio” di e- perché misura il “passaggio” degli elettro- lettroni che esiste tra questi due terminali. ni. Gli Amper non sono influenzati dalla ten- Vedi gli esempi dei recipienti pieni d’acqua sione quindi 1 Amper può scorrere con ten- riportati nelle figure 15-16. sioni di 4,5 - 9 - 24 - 220 Volt.  LA POTENZA = unità di misura in WATT Conoscendo il valore di tensione di un qualsiasi Conoscendo i watt ed i volt noi possiamo cono- generatore (pila - batteria - trasformatore - linea e- scere gli amper assorbiti usando la formula: lettrica) e la corrente che preleviamo per alimen- tare una lampadina, una radio, un frigorifero, un amper = watt : volt saldatore ecc., potremo conoscere il valore della potenza assorbita espressa in watt. Una lampadina della potenza di 6 watt da ali- mentare con una tensione di 12 volt assorbirà u- La formula che ci permette di ricavare i watt è mol- na corrente di: to semplice: 6 : 12 = 0,5 amper watt = volt x amper Ora che sapete che il watt indica la potenza, ca- Una lampadina da 12 volt - 0,5 amper assorbe pirete che un saldatore da 60 watt eroga in calo- dunque una potenza di: re una potenza maggiore di un saldatore da 40 watt. 12 x 0,5 = 6 watt Analogamente confrontando due lampadine una da 50 watt ed una da 100 watt, la seconda as- Conoscendo i watt e gli amper noi possiamo co- sorbirà una potenza doppia rispetto alla prima, ma noscere il valore della tensione di alimentazione emetterà anche il doppio di luce. usando la formula inversa, cioè: Il multiplo dei watt è chiamato: volt = watt : amper Kilowatt Se abbiamo una lampada da 6 watt che assorbe 0,5 amper la sua tensione di alimentazione sarà ed i sottomultipli sono chiamati: di: milliwatt 6 : 0,5 = 12 volt microwatt 20 30 40 10 50 0 12 V. Fig.35 Una lampadina alimentata da una VOLT tensione di 12 Volt assorbe una corren- te di 0,5 Amper ed eroga una potenza lu- minosa di 6 Watt. Per ricavare la potenza basta moltipli- care i Volt per gli Amper, infatti: 12 Volt x 0,5 Amper = 6 Watt 2 3 1 4 0 5 AMPER 0,5 A.  GENERATORI DI TENSIONE 1° ESERCIZIO I più comuni generatori di tensione sono le pile Il primo esercizio che vi proponiamo vi permetterà che possiamo trovare in commercio in forme e di- di constatare che cosa avviene se si collegano in mensioni diverse (vedi fig.37). serie o in parallelo due sorgenti di alimentazione. Ogni pila può erogare a seconda del modello ten- Procuratevi in una tabaccheria o in un supermer- sioni di 1,5 - 4,5 - 9 volt. cato due pile quadre da 4,5 volt, una lampadina Esistono dei generatori di tensione ricaricabili, co- da 6 volt completa del suo portalampadina e uno nosciuti con il nome di pile al nichel/cadmio op- spezzone di filo di rame isolato in plastica per im- pure accumulatori al piombo, normalmente in- pianti elettrici. stallati su tutte le auto, che generano una tensio- ne di 12,6 volt. Collegando i due estremi della lampadina ad una Esistono anche dei generatori in grado di trasfor- sola pila (vedi fig.39) vedrete la lampadina ac- mare la luce in una tensione e per questo motivo cendersi. sono chiamati celle solari (vedi fig.17). Alcuni generatori funzionano con il moto. Ad e- Se prendete le due pile e collegate insieme i loro sempio la dinamo, installata su ogni bicicletta (ve- terminali positivi ed i loro terminali negativi e poi di fig.18), o gli alternatori, installati sulle auto per a questi collegate nuovamente la lampadina, an- ricaricare la batteria. che in questo caso la lampadina si accenderà con la stessa intensità che si otteneva usando una so- Nota: Le dinamo installate nelle biciclette genera- la pila. no una tensione alternata. Questo collegamento, chiamato parallelo (vedi fig.39), non ha modificato il valore della tensione In ogni appartamento sono presenti le prese elet- che rimane sempre di 4,5 volt, ma solo la sua po- triche dalle quali possiamo prelevare una tensio- tenza. ne di 220 volt alternata. In pratica abbiamo raddoppiato l’autonomia della Il generatore di tensione chiamato trasformatore pila, vale a dire che se una sola pila poteva tene- viene utilizzato in elettronica per ridurre la tensio- re accesa la lampadina per un tempo di 10 ore, ne alternata di rete dei 220 volt in tensioni infe- collegandone due in parallelo riusciremo a tener- riori, ad esempio 9 - 12 - 20 - 30 volt. la accesa per un tempo di 20 ore. Fig.37 In commercio possiamo trovare pile con tensioni e dimensioni diverse. La capacità di una pila viene espressa in Amperora. Una pila da 3 Ah si scarica in un’ora se prelevia- mo 3 Amper, in due ore se preleviamo 1,5 Amper ed in trenta ore se preleviamo 0,1 Amper. Fig.38 Nell’anno 1801 il fisico Alessandro Volta presentò a Parigi, alla presenza di Napoleone Bonaparte, la sua Pila elettrica. Fig.39 Collegando una lampadina ad una pila questa si accende. Collegando in Parallelo due pile modifichiamo solo la “capacità”, quindi la luminosità della lampa- da non varia. Collegandole in Serie (vedi fig.40 4,5 V. a sinistra) la luminosità raddop- pia perché aumentiamo il disli- 4,5 V. 4,5 V. vello degli elettroni. Fig.40 Per collegare in Serie due pi- le dovremo collegare il terminale Ne- gativo di una pila con il Positivo dell’altra pila. Se collegheremo le pile come visibi- le a destra non otterremo nessuna tensione. 4,5 V. 4,5 V. 4,5 V. 4,5 V.  20 30 20 30 10 40 40 50 10 0 50 0 VOLT VOLT VOLT 13,5 VOLT 15,0 4,5 V. 4,5 V. 1,5 V. 9 V. 9 V. Fig.41 Collegando in serie una pila da 4,5 Fig.42 Collegando in serie tre pile, una pila volt con una pila da 9 volt noi otterremo u- da 4,5 volt, una da 9 volt ed una da 1,5 volt, na tensione totale di 13,5 volt. Per colle- otterremo una tensione di 15 volt. Se le tre garle in serie dobbiamo collegare il Positi- pile hanno una diversa capacità la più de- vo di una pila al Negativo dell’altra pila. bole si esaurisce prima delle altre. Ora collegate il positivo di una pila al negativo si scaricherebbe sulla pila che eroga una tensio- della seconda pila (vedi fig.40), poi ai due estremi ne minore. delle pile collegate la lampadina e subito noterete un aumento della luminosità. Le pile con differenti tensioni si possono invece Questo collegamento, chiamato serie, ha raddop- collegare in serie. piato il valore della tensione che da 4,5 volt è sa- Ad esempio se colleghiamo in serie ad una pila da lito a 4,5+4,5 = 9 volt. 4,5 volt una da 9 volt (vedi fig.41) otterremo una tensione totale di: Se per errore collegherete il negativo di una pila con il negativo della seconda pila e sui due estre- 4,5 + 9 = 13,5 volt mi positivi (vedi fig.40 a destra) collegherete la lampadina, questa rimarrà spenta perché gli elet- Se collegheremo in serie tre pile, una pila da 4,5 troni di identica polarità si respingono. volt, una da 9 volt ed una da 1,5 volt (vedi fig.42) Lo stesso fenomeno si riscontra se si collega il po- otterremo una tensione totale di: sitivo di una pila al positivo della seconda pila. 4,5 + 9 + 1,5 = 15 volt IMPORTANTE In un collegamento in serie dovremo però sceglie- re delle pile che abbiamo una stessa capacità. Noi possiamo collegare in parallelo anche due - Ad esempio se la pila da 4,5 volt ha una autono- tre - quattro pile a patto che eroghino la stessa mia di 10 ore, quella da 9 volt un’autonomia di 3 tensione, quindi possiamo collegare in parallelo ore e quella da 1,5 volt un’autonomia di 40 ore, due o più pile da 4,5 volt oppure due o più pile che collegandole in serie cesseranno di fornirci ten- eroghino 9 volt, ma non possiamo collegare in sione dopo solo 3 ore, cioè quando la pila da 9 parallelo una pila da 4,5 volt con una da 9 volt volt, che ha una autonomia minore, si sarà total- perché la pila che eroga una tensione maggiore mente scaricata.  RESISTENZE = unità di misura in OHM A COSA servono le RESISTENZE Una resistenza posta in serie ad un circuito pro- voca sempre una caduta di tensione perché frena 50 30 il passaggio degli elettroni. 100 20 10 Se ad un conduttore in grado di lasciar passare un 0 20 5 elevato numero di elettroni colleghiamo in serie un 0 50 componente in grado di frenare il loro passaggio, 1K OHM 5K 0 è intuitivo che il loro flusso viene rallentato. Per spiegarci meglio possiamo paragonare la re- sistenza ad una strozzatura nel tubo di un impianto idraulico (vedi fig.44). Se il tubo non presenta nessuna strozzatura l’ac- qua scorre al suo interno senza incontrare nessu- na resistenza. Se lo restringiamo leggermente la strozzatura ri- durrà la pressione dell’acqua, e se lo restringere- Non tutti i materiali sono ottimi conduttori di elet- mo ulteriormente l’acqua incontrerà una resistenza tricità. maggiore a proseguire. Quelli che contengono molti elettroni liberi, come Le resistenze vengono utilizzate in elettronica per ad esempio oro - argento - rame - alluminio - fer- ridurre la pressione, vale a dire la tensione in ro - stagno, sono ottimi conduttori di elettricità. volt. I materiali che contengono pochissimi elettroni li- Quando una corrente elettrica incontra una resi- beri, come ad esempio ceramica - vetro - legno - stenza che impedisce agli elettroni di scorrere li- plastica - sughero, non riescono in nessun modo beramente questi si surriscaldano. a far scorrere gli elettroni e per questo sono chia- Molti dispositivi elettrici sfruttano questo surriscal- mati isolanti. damento per produrre calore. Esistono inoltre dei materiali intermedi che non so- Ad esempio nel saldatore è presente una resi- no né conduttori né isolanti, come ad esempio il stenza di nichelcromo che surriscaldandosi fa au- nichelcromo, la costantana e la grafite. mentare a tal punto la temperatura sulla punta di Tutti i materiali che offrono una resistenza a far rame da far sciogliere lo stagno utilizzato nelle sta- scorrere gli elettroni vengono utilizzati in elettro- gnature. nica per costruire resistenze - potenziometri - Anche nei ferri da stiro è presente una resisten- trimmer, cioè dei componenti che rallentano il za calcolata in modo da far raggiungere alla pia- flusso degli elettroni. stra una temperatura sufficiente per stirare i nostri indumenti senza bruciarli. All’interno delle lampadine è presente una resi- L’unità di misura della resistenza elettrica, indica- stenza di tungsteno in grado di raggiungere ele- ta con la lettera greca omega ⍀, è l’ohm. vate temperature senza fondersi e gli elettroni sur- Un ohm corrisponde alla resistenza che gli elet- riscaldandola la rendono incandescente a tal pun- troni incontrano passando attraverso una colonna to da farle emettere una luce. di mercurio lunga 1.063 millimetri (1 metro e 63 millimetri), del peso di 14,4521 grammi, posta ad una temperatura di 0 gradi. Oltre al valore ohmico, la resistenza ha un altro parametro molto importante: la potenza massima in watt che è in grado di dissipare senza essere distrutta. Troverete perciò in commercio resistenze compo- ste da polvere di grafite che hanno una potenza di 1/8 - 1/4 di watt, altre di dimensioni leggermente maggiori da 1/2 watt ed altre ancora, molto più grandi, da 1 - 2 watt (vedi fig.43). Per ottenere resistenze in grado di dissipare po- tenze sull’ordine dei 3 - 5 - 10 - 20 - 30 watt si u- tilizza del filo di nichelcromo (vedi fig.47).  Le misure più utilizzate in campo elettronico sono: 1 m ega ohm = 1.0 0 0.0 0 0 ohm 1 k iloohm = 1.0 0 0 ohm 1 0.0 0 0 ohm = 1 0 k iloohm = ohm 1 0.0 0 0 ohm = 0 ,0 1 m ega ohm k = k iloohm M = m ega ohm T ABELLA N.5 CONVERSIONE ohm ohm : 1.0 0 0 k iloohm ohm : 1.0 0 0.0 0 0 m ega ohm k iloohm x 1.0 0 0 ohm k iloohm : 1.0 0 0 m ega ohm m ega ohm x 1.0 0 0 k iloohm m ega ohm x 1.0 0 0.0 0 0 ohm ESEM PI 1.5 0 0 ohm cor r ispondono a : 1.5 0 0 : 1.0 0 0 = 1 ,5 k iloohm SIM BOLO 0 ,5 6 m ega ohm cor r ispondono a : GRAFICO 0 ,5 6 x 1.0 0 0.0 0 0 = 5 6 0.0 0 0 ohm Fig.43 Le resistenze da 1/8 - 1/4 - 1/2 - 1 watt utilizzate in elettronica hanno la forma di piccoli cilindri provvisti di due sottili terminali. In queste resistenze il valore ohmico si ri- cava dalle quattro fasce colorate stampigliate sui loro corpi (vedi fig.46). Le resistenze da 3 - 5 - 7 - 10 - 15 watt hanno un corpo rettangolare in ceramica con sopra stampigliato il loro valore ohmico e la loro potenza in watt.  NESSUNA MINIMA MASSIMA RESISTENZA RESISTENZA RESISTENZA Fig.44 Possiamo paragonare una “resistenza” ad una strozzatura posta in serie ad un con- duttore per ridurre il regolare flusso di elettroni. Una resistenza con un “basso” valore ohmico (media strozzatura) ridurrà molto meno il flusso degli elettroni rispetto ad una re- sistenza con un “elevato” valore ohmico (strozzatura maggiore). 1ª CIFRA 2ª CIFRA MOLTIPLICAT. TOLLERANZA NERO ==== 0 x1 10 % ARGENTO MARRONE 1 1 x 10 5% ORO ROSSO 2 2 x 100 ARANCIONE 3 3 x 1.000 GIALLO 4 4 x 10.000 2ª CIFRA MOLTIPLICAT. VERDE 5 5 x 100.000 AZZURRO 6 6 x 1.000.000 1ª CIFRA TOLLERANZA VIOLA 7 7 ORO : 10 GRIGIO 8 8 BIANCO 9 9 Fig.45 Le 4 fasce colorate che appaiono sul corpo delle resistenze servono per ricavare il loro valore ohmico. Nella Tabella sottostante riportiamo i valori Standard. VALORI STANDARD delle RESISTENZE In commercio non trovate qualsiasi valore ohmico, ma solo i valori standard riportati in questa Tabella. TABELLA N.6 1,0 ohm 10 ohm 100 ohm 1.000 ohm 10.000 ohm 100.000 ohm 1,0 megaohm 1,2 ohm 12 ohm 120 ohm 1.200 ohm 12.000 ohm 120.000 ohm 1,2 megaohm 1,5 ohm 15 ohm 150 ohm 1.500 ohm 15.000 ohm 150.000 ohm 1,5 megaohm 1,8 ohm 18 ohm 180 ohm 1.800 ohm 18.000 ohm 180.000 ohm 1,8 megaohm 2,2 ohm 22 ohm 220 ohm 2.200 ohm 22.000 ohm 220.000 ohm 2,2 megaohm 2,7 ohm 27 ohm 270 ohm 2.700 ohm 27.000 ohm 270.000 ohm 2,7 megaohm 3,3 ohm 33 ohm 330 ohm 3.300 ohm 33.000 ohm 330.000 ohm 3,3 megaohm 3,9 ohm 39 ohm 390 ohm 3.900 ohm 39.000 ohm 390.000 ohm 3,9 megaohm 4,7 ohm 47 ohm 470 ohm 4.700 ohm 47.000 ohm 470.000 ohm 4,7 megaohm 5,6 ohm 56 ohm 560 ohm 5.600 ohm 56.000 ohm 560.000 ohm 5,6 megaohm 6,8 ohm 68 ohm 680 ohm 6.800 ohm 68.000 ohm 680.000 ohm 6,8 megaohm 8,2 ohm 82 ohm 820 ohm 8.200 ohm 82.000 ohm 820.000 ohm 8,2 megaohm TABELLA n.n.7 TABELLA 7 CHE TROVERETE I COLORI CHE TROVERETE SUL SUL CORPO CORPODELLE DELLERESISTENZE RESISTENZE 1,0 ohm 10 ohm 100 ohm 1.000 ohm 10.000 ohm 100.000 ohm 1,0 Mohm 1,2 ohm 12 ohm 120 ohm 1.200 ohm 12.000 ohm 120.000 ohm 1,2 Mohm 1,5 ohm 15 ohm 150 ohm 1.500 ohm 15.000 ohm 150.000 ohm 1,5 Mohm 1,8 ohm 18 ohm 180 ohm 1.800 ohm 18.000 ohm 180.000 ohm 1,8 Mohm 2,2 ohm 22 ohm 220 ohm 2.200 ohm 22.000 ohm 220.000 ohm 2,2 Mohm 2,7 ohm 27 ohm 270 ohm 2.700 ohm 27.000 ohm 270.000 ohm 2,7 Mohm 3,3 ohm 33 ohm 330 ohm 3.300 ohm 33.000 ohm 330.000 ohm 3,3 Mohm 3,9 ohm 39 ohm 390 ohm 3.900 ohm 39.000 ohm 390.000 ohm 3,9 Mohm 4,7 ohm 47 ohm 470 ohm 4.700 ohm 47.000 ohm 470.000 ohm 4,7 Mohm 5,6 ohm 56 ohm 560 ohm 5.600 ohm 56.000 ohm 560.000 ohm 5,6 Mohm 6,8 ohm 68 ohm 680 ohm 6.800 ohm 68.000 ohm 680.000 ohm 6,8 Mohm 8,2 ohm 82 ohm 820 ohm 8.200 ohm 82.000 ohm 820.000 ohm 8,2 Mohm Fig.46 In questa Tabella riportiamo i 4 colori presenti sulle resistenze. Se nella 3° fascia è presente il colore “oro”, il valore delle prime due cifre va diviso x 10.  RESISTENZE in SERIE o in PARALLELO Per capire la differenza tra un collegamento in se- rie ed un collegamento in parallelo guardate gli e- Collegando due resistenze in serie il valore ohmi- sempi nelle figg.48-49. co di R1 si somma al valore di R2. Ad esempio, se R1 ha un valore di 1.200 ohm e R2 di 1.500 ohm otterremo una resistenza che ha questo valore: ohm = R1 + R2 1.200 + 1.500 = 2.700 ohm Fig.48 Possiamo paragonare due resisten- RESIST ENZE ze collegate in “serie” a due rubinetti posti in SERIE uno di seguito all’altro. In queste condizio- ni il flusso dell’acqua è determinato dal ru- binetto “più chiuso”. R1 R2 ohm = R1 + R2 Collegando due resistenze in parallelo il valore oh- mico totale risulta inferiore al valore ohmico del- la resistenza più piccola. Quindi se R1 è da 1.200 ohm ed R2 da 1.500 ohm noi otterremo un valore inferiore a 1.200 ohm. La formula per conoscere quale valore si ottiene collegando in parallelo due resistenze è la se- guente: Fig.49 Possiamo paragonare due resisten- ze collegate in “parallelo” a due rubinetti ohm = (R1 x R2) : (R1 + R2) collegati come visibile in figura. In queste condizioni il flusso dell’acqua di un rubi- netto si somma a quello dell’altro. Nel nostro caso avremo una resistenza da: (1.200 x 1.500) : (1.200 + 1.500) = 666,66 ohm RESIST ENZE in PARALLELO R1 R2 R1 x R2 ohm = R1 + R2  DIODI LED I diodi led, raffigurati graficamente negli schemi e- lettrici con il simbolo visibile in fig.94, si possono paragonare a minuscole lampadine provviste di un terminale chiamato Catodo e di un terminale chia- mato Anodo. I diodi led possono emettere una luce di colore rosso - giallo - verde ed avere un corpo rotondo oppure rettangolare o quadrato. A K A K I diodi led si accendono soltanto se il loro termi- nale Anodo risulta rivolto verso il positivo ed il lo- ro terminale Catodo, indicato quasi sempre con la lettera K, verso il negativo di alimentazione. Il terminale Anodo si riconosce perché risulta più lungo del terminale Catodo (vedi fig.94). Importante: I terminali di un diodo led non vanno mai collegati direttamente alla tensione di alimen- tazione o sui terminali di una pila perché si bruce- rebbero dopo pochi secondi. Fig.94 Nella lavagna abbiamo riportato il Per accendere un diodo led senza danneggiarlo simbolo grafico utilizzato negli schemi e- dovrete necessariamente applicare in serie ad u- lettrici per il diodo led. Il terminale più “lun- no dei due terminali una resistenza per far pas- go” che fuoriesce dal suo corpo è l’Anodo sare una corrente che risulti compresa tra 0,015 e ed il più “corto” è il Catodo. 0,017 amper equivalenti a 15 - 17 milliamper. Per calcolare il valore della resistenza da applica- 4° ESERCIZIO re su uno dei due terminali potete usare la seguente formula: Questo esercizio serve a dimostrarvi che un dio- do led si accende soltanto se rivolgiamo il suo A- nodo verso il positivo di alimentazione. Procuratevi la solita pila da 4,5 volt, un diodo led ohm = (Vcc - 1,5) : 0,016 e tre resistenze, una da 180 ohm, che è l’esatto valore da utilizzare, poi una da 150 ohm, di valo- re inferiore, e una da 270 ohm, di valore supe- riore. Se disponete di un saldatore stagnate su uno dei ohm - è il valore della resistenza due terminali la resistenza da 180 ohm. Vcc - è la tensione di alimentazione 1,5 - è la caduta interna del diodo led Rivolgendo verso il polo positivo della pila il ter- 0,016 - è la corrente media in amper minale Anodo, il diodo led si accende (vedi fig.97). Se alimentate il diodo led con una pila da 4,5 volt Se invertite la polarità di alimentazione, cioè ri- dovrete collegare in serie ad uno solo dei due ter- volgete il polo negativo della pila verso il termi- minali (vedi fig.95) una resistenza da: nale Anodo, il diodo led non si accende (vedi fig.98). (4,5 - 1,5) : 0,016 = 187,5 ohm Se sostituite la resistenza da 180 ohm con quella Poiché questo valore di resistenza non è reperibi- da 150 ohm, il diodo led emette una luminosità le, dovrete scegliere il valore standard più prossi- maggiore perché questa resistenza lascia passa- mo, cioè 180 ohm. re più corrente (vedi fig.99). Se alimentate questo diodo led con una pila da 9 volt dovrete applicare in serie (vedi fig.96) una re- Se sostituite la resistenza da 180 ohm con quella sistenza da: da 270 ohm, il diodo led emette minor luminosità perché questa resistenza lascia passare meno cor- (9 - 1,5) : 0,016 = 468,75 ohm rente (vedi fig.100). Poiché anche questo valore di resistenza non è re- Se alimentate il diodo led con una tensione di 9 peribile, scegliete il valore standard più prossimo, volt dovrete utilizzare una resistenza da 470 ohm cioè 470 ohm. (vedi fig.101). CATODO CATODO 180 ohm 470 ohm ANODO ANODO 4,5 V. 9 V. Fig.95 Per accendere un diodo Led dobbia- Fig.96 Se non colleghiamo in serie su uno mo collegare il terminale più “corto” Cato- dei due terminali una resistenza di valore do verso il Negativo della pila, non dimen- appropriato il Led si brucerà. Per calcolare ticando di inserire in serie una resistenza per limitare la corrente.  180 ohm 180 ohm ANODO ANODO 4,5 V. 4,5 V. Fig.97 Il Catodo di un diodo Led (terminale Fig.98 Se rivolgete il Catodo verso il Posi- “corto”) va sempre rivolto verso il Negati- tivo della pila, il diodo non si accenderà per- vo della pila e l’Anodo (terminale “lungo”) ché il Catodo va sempre rivolto verso il ter- verso il Positivo della pila. minale Negativo della pila. 150 ohm 270 ohm ANODO ANODO 4,5 V. 4,5 V. Fig.99 Se sostituite la resistenza da 180 Fig.100 Se sostituite la resistenza da 180 ohm, richiesta con una tensione di 4,5 volt, ohm con una resistenza da 270 ohm, cioè con una da 150 ohm il diodo Led emetterà di valore più alto del richiesto, il diodo Led una luce più intensa. emetterà meno luce. 470 ohm 680 ohm ANODO ANODO 9 V. 9 V. Fig.101 Se alimentate il diodo Led con una Fig.102 Se anziché usare una resistenza da pila da 9 volt il valore della resistenza da 470 ohm ne inserite una di valore più alto, applicare in serie su uno dei due terminali ad esempio da 680 ohm, vedrete che il dio- dovrà essere di 470 ohm. do Led emetterà meno luce.