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GUIDA PRINCIPI BASE DI ELETTRONICA

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Blume

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23 Dicembre 2017
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L'elettricità ci circonda alimentando la tecnologia come i nostri telefoni cellulari, computer, luci, ecc. È difficile sfuggirne nel nostro mondo moderno, anche quando si tenta di farlo è ancora al lavoro in tutta la natura, dal fulmine in una tempesta alle sinapsi all'interno del nostro corpo umano. Ma che cos'è esattamente l'elettricità? Questa è una domanda molto complicata non c'è davvero una risposta definitiva, solo rappresentazioni astratte di come l'elettricità interagisce con l'ambiente.

INTRODUZIONE:

L'elettricità è un fenomeno naturale che si verifica in tutta la natura e prende molte forme diverse. In questo tutorial ci concentreremo sulla corrente elettrica: quella che alimenta i nostri gadget elettronici. Il nostro obiettivo è quello di capire come flussi di energia elettrica da una fonte di alimentazione attraversano i fili, illuminano i LED, e alimentano i nostri dispositivi di comunicazione.

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L'elettricità è brevemente definita come il flusso di carica elettrica, ma vediamo cosa c'è dietro quella semplice dichiarazione. Da dove vengono le cariche? Come possiamo spostarle? Dove si spostano? Come fa una carica elettrica a provocare il movimento meccanico o accendere le lampadine? Così tante domande! Per iniziare a spiegare cosa sia l'elettricità dobbiamo ingrandire fino in fondo, al di là della materia e delle molecole, fino ad arrivare agli atomi che compongono tutto ciò che di interagisce con la vita.
PARTICELLE ATOMICHE:
Per capire le fondamenta dell'elettricità, dobbiamo cominciare a mettere a fuoco gli atomi, uno degli elementi di base della vita e della materia. Gli atomi esistono in più di un centinaio di forme diverse come elementi chimici come l'idrogeno, carbonio, ossigeno, e rame. Gli atomi di molti tipi possono combinarsi per fare le molecole, che costruiscono la materia che possiamo vedere fisicamente e toccare.

L'atomo
Un atomo è costruito da una combinazione di tre particelle distinte: elettroni, protoni e neutroni. Ogni atomo ha un nucleo centrale, dove i protoni e i neutroni sono densamente uniti tra loro. Il nucleo è circondato da un gruppo di elettroni orbitanti.

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Modello di atomo​

Ogni atomo deve avere almeno un protone in esso. Il numero dei protoni in un atomo è importante, perché definisce ciò che l'elemento chimico dell'atomo rappresenta. Ad esempio, un atomo con solo un protone è idrogeno, un atomo con 29 protoni è rame, e un atomo con 94 protoni è plutonio.
Questo conteggio dei protoni si chiama numero atomico dell'atomo.
Gli elettroni sono fondamentali per il funzionamento dell'energia elettrica. Nel suo stato di equilibrio più stabile, un atomo avrà lo stesso numero di elettroni come i protoni. Come nel modello di Bohr nell'immagine che segue, un nucleo con 29 protoni (rendendolo un atomo di rame) è circondato da un uguale numero di elettroni.

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Modello Atomico Rame di Bohr​

Gli elettroni non sono sempre tutti legati all'atomo. Gli elettroni sull'orbita esterna dell'atomo sono chiamati elettroni di valenza. Con abbastanza forza esterna, un elettrone di valenza può sfuggire dall'orbita dell'atomo e diventare liberi. Gli elettroni liberi ci permettono il movimento della carica, che è ciò che si chiama l'elettricità. Parlando di carica.
CARICA ELETTRICA:
Come abbiamo accennato all'inizio di questo tutorial, l'elettricità viene definita come il flusso di carica elettrica. La carica è una proprietà della materia, proprio come massa, volume, o densità. È misurabile. Il concetto chiave che dobbiamo apprendere è che può essere di due tipi: positivo (+) o negativo (-) .
Gli elettroni portano con sé sempre una carica negativa, mentre i protoni sono sempre carichi positivamente. I neutroni (proprio come il loro nome) sono neutrali, non hanno carica. Entrambi, elettroni e protoni portano la stessa quantità di carica, solo di tipo diverso.

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Modello di Atomo di Litio​

Forza Elettrostatica:
La forza elettrostatica (detta anche legge di Coulomb) è una forza che opera tra le cariche. Essa afferma che le cariche dello stesso tipo si respingono, mentre le cariche di tipo opposto si attraggono.
Gli opposti si attraggono, i simili si respingono!

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La quantità di forza che agisce su due cariche dipende da quanto siano vicine tra loro. Più vicine sono due cariche maggiore diventa la forza (sia in spinta che in attrazione).
Grazie alla forza elettrostatica, gli elettroni allontanano altri elettroni e i protoni li attraggono. Questa forza è parte della "colla" che tiene insieme gli atomi, ma è anche lo strumento che abbiamo bisogno per creare il flusso di elettroni (e cariche)!
Flusso di Cariche
Ora abbiamo tutti gli strumenti per capire come avviene il flusso di cariche. Gli elettroni negli atomi possono agire come nostri portatori di carica, perché ogni elettrone ha una carica negativa. Se siamo in grado di liberare un elettrone da un atomo e costringerlo a muoversi, siamo anche in grado di creare energia elettrica.
Si consideri il modello atomico di un atomo di rame, una delle fonti elementari preferite per flusso di carica. Nel suo stato di equilibrio, il rame ha 29 protoni nel suo nucleo e un numero uguale di elettroni orbitanti attorno ad esso. Gli elettroni orbitano a distanze variabili dal nucleo dell'atomo. Gli elettroni più vicini al nucleo sentono un'attrazione molto più forte al centro di quelli in orbite lontane. Gli elettroni più esterni di un atomo sono chiamati elettroni di valenza , questi richiedono la quantità minima di forza di essere liberata da un atomo.

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Atomo di Rame con elettrone di Valenza​

Gli elettroni più vicini al nucleo sono difficili da rimuovere mentre l'elettrone di valenza (anello esterno) richiede relativamente poca energia per essere espulso dall'atomo.
Utilizzando abbastanza forza elettrostatica sull'elettrone di valenza o spingendolo con un'altra carica negativa o attraendolo con una carica positiva, possiamo estrarre l'elettrone dall'orbita intorno all'atomo creando così un elettrone libero.
Consideriamo ora un filo di rame: la materia piena di innumerevoli atomi di rame. Il nostro elettrone libero è fluttuante in uno spazio tra gli atomi, è tirato e spinto da cariche in quello spazio circostante. In questo caos l'elettrone libero alla fine trova un nuovo atomo su cui attaccarsi; in tal modo, la carica negativa espelle un altro elettrone di valenza dall'atomo. Ora un nuovo elettrone è alla deriva attraverso lo spazio libero cercando di fare la stessa cosa. Questo effetto catena può continuare all'infinito per creare un flusso di elettroni chiamato corrente elettrica.

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Un modello molto semplificato di cariche che scorrono tra gli atomi per fare corrente.

Conducibilità
Elementi con elevata conducibilità, che hanno molti elettroni liberi, sono chiamati conduttori. Questi sono i tipi di materiali utilizzati per fare cavi e altri componenti che facilitano il flusso di elettroni. Metalli come rame, argento e l'oro sono di solito le nostre scelte top come buoni conduttori.

Elementi con bassa conduttività sono chiamati isolanti. Gli isolanti hanno uno scopo molto importante: impediscono il flusso di elettroni. Isolanti comuni includono vetro, gomma, plastica e l'aria.

ELETTRICITÀ STATICA O CORRENTE?

Prima di arrivare molto più in là, discutiamo delle due forme che può prendere l'energia elettrica: statica o corrente. Lavorando con l'elettronica, la corrente elettrica sarà molto più comune, ma l'elettricità statica è importante capirla per bene.
Elettricità Statica
L'elettricità statica esiste quando vi è un accumulo di cariche opposte su oggetti separati da un isolante. L'elettricità statica (cioè "a riposo") esiste finché i due gruppi di cariche opposte non trovano un percorso per equilibrare il sistema.

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Quando le cariche trovano un mezzo di equalizzazione, una scarica statica si verifica. L'attrazione delle cariche diventa così grande che può fluire attraverso anche il migliore degli isolatori (aria, vetro, plastica, gomma, ecc). Flussi di cariche di equalizzazione attraverso uno spazio d'aria possono provocare una scossa visibile, sono gli elettroni che si scontrano con gli elettroni in aria, che diventano incandescenti e rilasciano energia sotto forma di luce. L'elettricità statica esiste quando vi è un accumulo di cariche opposte su oggetti separati da un isolante. Statica (come in "a riposo") esiste finché i due gruppi di cariche opposte possono trovare un percorso per equilibrare il sistema.

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Uno degli esempi più drammatici della scarica statica è un fulmine. Lavorando con l'elettronica, in genere, non abbiamo a che fare con l'elettricità statica. Quando lo facciamo, stiamo di solito cercando di proteggere i nostri componenti elettronici sensibili dall'essere sottoposti ad una scarica statica. Le misure preventive contro l'elettricità statica comprendono l'indossare fascette da polso ESD (contro le scariche elettrostatiche), o l'aggiunta di componenti speciali in circuiti di protezione contro picchi di carico molto elevati.

Elettricità Corrente (corrente elettrica)

La corrente elettrica è la forma di energia elettrica che alimenta tutti i nostri aggeggi elettronici. Questa forma di energia elettrica esiste quando le cariche sono in grado di scorrere continuamente . Al contrario dell'elettricità statica in cui le cariche si riuniscono e restano a riposo, la corrente elettrica è dinamica, le cariche sono sempre in movimento. Ci concentreremo su questa forma di energia elettrica in tutto il resto del tutorial.
Per scorrere, la corrente elettrica richiede un circuito chiuso con materiale conduttivo. Un circuito potrebbe essere semplice come un filo conduttore, ma circuiti utili di solito contengono una combinazione di filo e altri componenti che controllano il flusso di elettricità. L'unica regola quando si tratta di fare i circuiti è che non possono avere eventuali lacune isolanti.
Se un filo è pieno di atomi di rame e si desidera indurre un flusso di elettroni attraverso di esso, tutti gli elettroni liberi hanno bisogno di un poter scorrere nella stessa direzione. Il rame è un grande direttore d'orchestra, perfetto per il flusso di cariche. Se un circuito di filo di rame è rotto, le cariche non possono fluire attraverso l'aria, che impedirà qualsiasi delle cariche di raggiungere la fine del circuito.
Ora capiamo come gli elettroni possono fluire, ma come possiamo farli scorrere? Poi, una volta che gli elettroni scorrono, come fanno a produrre l'energia necessaria per illuminare le lampadine o far girare i motori? Per questo, abbiamo bisogno di capire i campi elettrici.
I CAMPI ELETTRICI
Abbiamo visto come un flusso di elettroni attraverso la materia crea energia elettrica. Questo è tutto quello che c'è da sapere sulla energia elettrica. Ebbene, quasi tutto. Ora abbiamo bisogno di una fonte per indurre il flusso di elettroni. Molto spesso quella fonte di flusso di elettroni verrà da un campo elettrico.
Che cosa è un campo elettrico?
Un campo è uno strumento che utilizziamo per modellare interazioni fisiche che non comportano alcun contatto osservabile. Il campo non può essere visto perchè non ha un aspetto fisico, ma l'effetto che hanno è molto reale.
Siamo tutti inconsciamente a conoscenza di un campo in particolare: campo gravitazionale terrestre, l'effetto di un corpo massiccio attrae altri organismi. Il campo gravitazionale terrestre può essere modellato con un insieme di vettori che puntano tutti nel centro del pianeta; indipendentemente da dove ti trovi sulla superficie, sentirete la forza che spinge verso di esso.

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La forza o l'intensità dei campi non è uniforme in tutti i punti del campo. La grandezza del campo gravitazionale terrestre diminuisce man mano che si va più lontano dal centro del pianeta.

Mentre andiamo ad esplorare i campi elettrici, in particolare, ricorda come funziona il campo gravitazionale della Terra, entrambi i campi condividono molte somiglianze. Campi gravitazionali esercitano una forza su oggetti di massa e campi elettrici esercitano una forza su oggetti con carica.

I Campi Elettrici.

I campi elettrici sono uno strumento importante nella comprensione di come l'elettricità inizia e continua a fluire. I campi elettrici descrivono la forza di trazione o di spinta in uno spazio tra le cariche. Rispetto al campo gravitazionale della Terra, i campi elettrici hanno una grande differenza: mentre il campo della Terra attira in genere solo altri oggetti di massa (perché tutto è così significativamente massiccio), i campi elettrici spingono via le cariche.
Possiamo iniziare con la costruzione di campi elettrici per le singole cariche positive e negative. Se lasciata cadere una carica di prova positiva nei pressi di una carica negativa, la carica di prova sarebbe attratta verso la carica negativa. Così, per una singola carica negativa traiamo le nostre frecce di campo elettrico che puntano verso l'interno in tutte le direzioni. Quella stessa carica di prova caduta nei pressi di un altra carica positiva si tradurrebbe in una repulsione verso l'esterno, il che significa che traiamo le frecce che vanno fuori della carica positiva.

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I campi elettrici di singole cariche. Una carica negativa ha un campo elettrico verso l'interno perché attira cariche positive. La carica positiva ha un campo elettrico esterno.​

Gruppi di cariche elettriche possono essere combinati per fare campi elettrici più completi.

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Immaginate una piccola carica di prova positiva caduta nella campo elettrico; dovrebbe seguire la direzione delle frecce. Come abbiamo visto, l'elettricità di solito comporta il flusso di elettroni negativi che scorrono contro i campi elettrici.
I campi elettrici ci forniscono la forza di spinta ma dobbiamo indurre il flusso della corrente. Un campo elettrico in un circuito è come una pompa di elettroni: una grande fonte di cariche negative possono spingere elettroni, che attraversano il circuito verso il grumo positivo di cariche.

POTENZIALE ELETTRICO (ENERGIA)
Quando noi sfruttiamo energia l'elettrica per alimentare i nostri circuiti, aggeggi e gadget, stiamo trasformando l'energia. I circuiti elettronici devono essere in grado di immagazzinare l'energia e trasformarla in altre forme come calore, luce o movimento. L'energia immagazzinata in un circuito elettrico è chiamata energia potenziale.

Energia potenziale
Per capire il potenziale di energia abbiamo bisogno di capire l'energia in generale. L'energia è definita come la capacità di un oggetto di compiere lavoro su un altro oggetto, il che significa muovere quell'oggetto ad una certa distanza. L'Energia si presenta in molte forme, alcune possiamo vederle (come la meccanica) mentre altre no (come chimica o elettrica). Indipendentemente da quale forma di energia è esistono solo due stati : cinetica o potenziale.
Un oggetto ha energia cinetica quando è in movimento. La quantità di energia cinetica che ha un oggetto dipende dalla sua massa e della velocità. L'energia potenziale, d'altra parte, è una energia immagazzinata quando un oggetto è a riposo. Esso descrive quanto lavoro l'oggetto potrebbe fare se messo in moto. E' un'energia che possiamo in genere controllare. Quando un oggetto viene messo in moto, la sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica.

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Torniamo ad usare la gravità come un esempio. Una palla da bowling immobile in cima alla torre Eiffel ha un sacco di energia potenziale. Una volta lasciata cadere la palla, tirata dal campo gravitazionale accelera verso il suolo. Quando la palla accelera l'energia potenziale viene convertita in energia cinetica (l'energia di movimento). Alla fine tutta l'energia della palla viene convertita da potenziale a cinetica, e poi trasmessa a tutto ciò che colpisce. Quando la palla è a terra, ha un potenziale energetico molto basso.

Energia potenziale elettrica
Proprio come la massa in un campo gravitazionale ha energia potenziale gravitazionale, le cariche in un campo elettrico hanno una energia potenziale elettrica. L'energia potenziale elettrica di una carica descrive la quantità di energia che è immagazzinata, quando messa in moto da una forza elettrostatica, l'energia può diventare cinetica, e la carica può compiere lavoro.
Come una palla da bowling ferma nella parte superiore di una torre, una carica positiva in prossimità di un'altra carica positiva ha un'alta energia potenziale; lasciata libera di muoversi, la carica sarebbe stata respinta dalla carica simile. Una carica di prova positiva posta vicino ad una carica negativa avrebbe bassa energia potenziale, analoga alla palla da bowling sul terreno.

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Nel caso della boccia, il lavoro avviene quando portiamo la boccia alla punta della torre, contro il campo di gravità. Allo stesso modo, il lavoro deve essere ugualmente fatto per spingere una carica positiva contro le frecce di un campo elettrico (o verso un'altra carica positiva, o lontano da una carica negativa). Più in alto va il campo della carica, più lavoro devi fare.
Per qualsiasi carica posizionata in un campo elettrico l'energia potenziale elettrica dipende dal tipo (positiva o negativa), di quantità di carica, e la sua posizione nel campo. L'energia potenziale elettrica è misurata in unità di joule ( J ).

Potenziale elettrico
Il Potenziale elettrico si basa sulla energia. Il potenziale elettrico non è la stessa cosa di energia potenziale elettrica!
In qualsiasi punto in un campo elettrico il potenziale elettrico è la quantità di energia potenziale elettrica divisa per la quantità di carica in quel punto. Il potenziale elettrico viene in unità di joules per coulomb ( J / C ), che definiamo un volt (V).
In ogni campo elettrico ci sono due punti di potenziale elettrico che sono di notevole interesse per noi. C'è un punto di alto potenziale, dove una carica positiva avrebbe il massimo dell'energia potenziale possibile, e c'è un punto di basso potenziale, in cui una carica avrebbe la minima energia potenziale possibile.

Uno dei termini più comuni che discuteremo nella valutazione di energia elettrica è la tensione . Una tensione è la differenza di potenziale tra due punti in un campo elettrico. Detta anche: DDP=Differenza di potenziale
La tensione ci dà un'idea di quanta forza di spinta un campo elettrico ha.
ENERGIA ELETTRICA IN AZIONE!
Dopo gli studi in fisica delle particelle, teoria dei campi, e il potenziale di energia, ora sappiamo abbastanza per capire il flusso di energia elettrica. Facciamo un circuito!
Prima di tutto rivediamo gli ingredienti che ci servono per produrre elettricità:
  • La definizione di energia elettrica è il flusso di carica. Di solito le nostre cariche saranno trasportate da un flusso di elettroni liberi.
  • Caricati negativamente gli elettroni sono vagamente tenuti agli atomi dei materiali conduttivi. Con una piccola spinta possiamo liberare gli elettroni dagli atomi e farli scorrere in una direzione generalmente uniforme.
  • Un Circuito chiuso di materiale conduttivo fornisce un percorso dove gli elettroni sono liberi di fluire continuamente.
  • Le cariche sono azionate da un campo elettrico. Abbiamo bisogno di una sorgente di potenziale elettrico (tensione), che spinge gli elettroni da un punto di bassa energia potenziale a un punto più elevato di energia potenziale.
Un cortocircuito
Le batterie sono fonti comuni che convertono l'energia chimica in energia elettrica. Hanno due terminali, che si collegano al resto del circuito. Su un terminale sono presenti un eccesso di cariche negative, mentre tutte le cariche positive sono presenti sull'altro terminale. Si tratta di una differenza di potenziale elettrico che aspetta solo di agire!

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Se abbiamo collegato il filo conduttivo pieno di atomi di rame alla batteria, il campo elettrico influenzerà gli elettroni liberi, caricati negativamente, negli atomi di rame. Simultaneamente spinti dal terminale negativo e tirato dal terminale positivo, gli elettroni nel rame si spostano da un atomo all'altro creando il flusso di carica che conosciamo come energia elettrica.

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Dopo qualche secondo, il flusso di elettroni si è effettivamente spostato in piccole frazioni di centimetro. Tuttavia, l'energia prodotta dal flusso di corrente è enorme, soprattutto perché non c'è niente in questo circuito che rallenta il flusso. Il collegamento diretto di un conduttore puro attraverso una fonte di energia è una cattiva idea. L'energia si muove molto velocemente attraverso il sistema e si trasforma in calore, che può portare rapidamente il filo a fusione o incendiarsi.
Illuminiamo una lampadina
Invece di sprecare tutta quell'energia, per non parlare di distruggere la batteria e il filo, cerchiamo di costruire un circuito che fa qualcosa di utile!
Generalmente un circuito elettrico trasformerà energia elettrica in qualche altra forma, luce, calore, movimento, ecc..
Se colleghiamo una lampadina alla batteria con fili conduttivi, abbiamo un circuito semplice, funzionale.

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Schema: Una batteria a sinistra connessa ad una lampadina a destra, il circuito è funzionante quando l'interruttore in alto lo chiude. Con il circuito chiuso, gli elettroni possono fluire, spinti dal terminale negativo della batteria, attraverso la lampadina e infine al terminale positivo.
Mentre gli elettroni si muovono ad un ritmo da lumache, il campo elettrico colpisce l'intero circuito quasi istantaneamente (stiamo parlando di velocità della luce). Gli elettroni in tutto il circuito sono influenzati dal campo elettrico. Quando l'interruttore si chiude e gli elettroni sono soggetti al campo elettrico, si sposteranno nel circuito e inizieranno a fluire apparentemente contemporaneamente.
Gli elettroni più vicini alla lampadina inizieranno ad attraversare il circuito e trasformeranno l'energia elettrica in luce (o calore).
 
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