Fino a 50 anni fa gli oggetti erano fatti per durare nel tempo e facili da riparare. Oggi, per questioni di profitto, vengono costruiti oggetti fragili e difficili, se non impossibili, da riparare. Per questo motivo le discariche sono piene di oggetti “usa e getta”. Le risorse della Terra si stanno esaurendo. Non possiamo più permetterci di “buttare via le cose”. Fortunatamente molti oggetti rotti o scartati possono essere recuperati, riparati o riutilizzati per altri scopi. Conoscere il mondo dell’elettronica ci aiuta a dare nuova vita a questi oggetti.

L’elettronica è la scienza e la tecnologia del controllo degli elettroni. Le parole elettronica,elettricità, corrente elettrica, derivano tutte dalla parola elettrone.

Nel nostro corso parleremo più di elettrotecnica, ma le due materie sono strettamente collegate.

Per capire le basi dell’elettronica è necessario conoscere il modello atomico.

Per descrivere la struttura della materia che ci circonda (ciò di cui sono fatte TUTTE le cose, animate e inanimate, un mattone, una pianta, un chiodo, un gatto) è stato creato un modello, detto appunto modello atomico. La materia è costituita da atomi, che sono come i mattoncini lego. Esistono atomi di  Ferro, Rame, Carbonio, Ossigeno, Idrogeno, eccetera. Questi atomi, questi mattoncini, si uniscono a creare composti e da qui a creare tutte le cose che vediamo, tocchiamo, eccetera, compreso il nostro corpo fisico, il cibo, la nostra automobile, eccetera. Il modello atomico è un tentativo di descrivere qualcosa che non conosciamo ancora con certezza. Il modello atomico è solo una approssimazione. La scienza sta ancora tentando di scoprire la verità e ci sono molte teorie diverse.

Il modello atomico descrive l’atomo in questo modo: un nucleo fatto di particelle dette “protoni” e “neutroni”, strettamente uniti tra loro, attorno al quale ruotano altre particelle dette “elettroni”. I neutroni hanno carica neutra, mentre i protoni hanno carica positiva e gli elettroni hanno carica negativa (non dimentichiamo che è solo una rappresentazione, per semplificare le cose).

La capacità degli elettroni di muoversi nella materia crea la corrente elettrica. Quando accendiamo una lampadina, un flusso di elettroni si muove all’interno di un filo di metallo e accade qualcosa (il filo si scalda ed emette luce).

Come vedremo, gli elettroni riescono a muoversi più o meno liberamente a seconda del materiale che attraversano. Ci sono materiali come il ferro e il rame che conducono facilmente gli elettroni, e sono detti “conduttori”. Ci sono altri materiali come il vetro, la plastica e il legno che ostacolano il movimento degli elettroni, e sono detti “isolanti”. I cavi elettrici sono fatti di rame, che conduce bene gli elettroni, e sono protetti da una guaina di plastica, che isola i cavi (così non prendiamo la scossa quando li tocchiamo).

[mostrare esempio di cavo elettrico]

Immaginiamo un tubo, di quelli che portano l’acqua. Il tubo ha una certa lunghezza, una certa larghezza, e due bocche, una di entrata e una di uscita. Teniamo il tubo inclinato e dalla bocca di entrata, quella più in alto, cominciamo a versare dell’acqua. Cosa accade? L’acqua comincia a scorrere nel tubo, con una certa velocità, ed esce dalla bocca in basso, quella di uscita. Se il tubo fosse perfettamente orizzontale, l’acqua non scorrerebbe ma tenderebbe a stagnare, a fermarsi. Perché l’acqua scorra, occorre una differenza di altezza tra l’entrata e l’uscita. Se il tubo è più inclinato (ad esempio verticale), l’acqua scorrerà molto più velocemente. Se il tubo è meno inclinato (ad esempio quasi orizzontale) l’acqua scorrerà molto più lentamente. Questa differenza di altezza viene definita “differenza di potenziale”. Cambiando il diametro del tubo, cambierà la quantità di acqua che può scorrere attraverso una sezione del tubo in un dato istante. Per far scorrere l’acqua attraverso il tubo, occorre un serbatoio o una sorgente da cui attingere l’acqua. La quantità di acqua che scorre attraverso il tubo dipende anche dalla “portata” del serbatoio e dalla quantità di acqua in esso contenuta.

Questi tre valori, cioè differenza di potenziale, quantità di acqua e grandezza del tubo, sono strettamente correlate. In fisica, quando si parla di elettricità, questi tre valori sono descritti nella legge di Ohm.

Se paragoniamo gli elettroni all’acqua, la differenza di potenziale è ciò che fa muovere gli elettroni. Essa viene chiamata Voltaggio, la sua unità di misura è il Volt, il suo simbolo è V.

Se paragoniamo il cavo di rame al tubo dell’acqua, la quantità di elettroni che passano nel cavo di rame viene detta intensità di corrente elettrica, la sua unità di misura è l’Ampere, il suo simbolo I.

Abbiamo visto che il diametro del tubo influisce sulla quantità di acqua che può passare in un certo istante. Se il tubo è molto grande, passa più acqua; se è molto piccolo, passa meno acqua. La dimensione del tubo, e per analogia la forma e la sostanza del materiale conduttore (ad esempio il cavo di rame), determinano la difficoltà degli elettroni a passare attraverso il materiale. Questa caratteristica del materiale viene chiamata Resistenza, la sua unità di misura è l’Ohm, il suo simbolo R (oppure Ω, la lettera greca omega).

 

La legge di Ohm è: V = I * R

 

Applichiamo la legge di Ohm al tubo dell’acqua. Se il tubo ha una certa inclinazione (V), mantenuta fissa, aumentando il diametro del tubo (quindi diminuendo R), passerà più acqua (I). Mantenendo fissa la dimensione del tubo (R), se aumentiamo la sua inclinazione (V), passerà più acqua (I).

La stessa cosa vale per la corrente. La differenza principale è che in elettronica il Voltaggio (la differenza di potenziale) non dipende dall’inclinazione del tubo, ma dalla capacità di muovere gli elettroni da un punto all’altro del circuito. La Resistenza dipende soprattutto dal tipo di materiale usato come conduttore (in parte dipende anche dalla forma). I materiali come il rame e il ferro hanno una resistenza bassa, mentre i materiali come il vetro, il legno e la plastica hanno una resistenza altissima, per questo vengono definiti isolanti.

 

Breve spiegazione del funzionamento.
Consegna del multimetro.
Installazione (batteria+puntali).
Esercitazione: misurare la resistenza di alcuni materiali (chiodi, viti, forbici, posate, filo di rame, grafite su un foglio di carta, alluminio, acqua, legno, vetro, ecc).

Per far “muovere” gli elettroni, occorre un “circuito”, cioè un percorso chiuso che crei una differenza di potenziale. Per creare una differenza di potenziale nel circuito, occorre una “sorgente” che liberi elettroni da un punto e li attiri in un altro punto. Questi due punti sono detti “poli”. La pila o batteria è un esempio di sorgente. Proprio come il serbatoio d’acqua contiene l’acqua che viene liberata nel tubo e scorre grazie alla forza di gravità, nella pila gli elettroni vengono liberati da un polo e attratti dall’altro polo. Per convenzione si dice che gli elettroni viaggiano dal polo positivo (+) a quello negativo (-). Quando tutti gli elettroni sono migrati da un polo all’altro, la batteria è scarica e la differenza di potenziale tra i due poli diventa nulla.

Dimostrazione di come funziona la breadboard. Creazione del primo circuito con:

-          Batteria 3 V (o 2 batterie 1,5 V in serie)

-          Led rosso (2 V, 20 mA)

-          Resistenza 56 ohm

-          Interruttore

Misurare le resistenze di diversi materiali e fare una tabella con i valori rilevati, ad es:

  (i valori sono fittizi. Trovare e misurare anche altri materiali a piacere)