Con oggi vorrei inaugurare una serie di articoli che vadano a trattare alcuni aspetti basilari dell’elettronica, per chi è più a digiuno dei concetti basilari. Cercherò di usare un linguaggio semplice, magari talora un po’ impreciso, con lo scopo di far capire i concetti chiave anche a chi è proprio a digiuno. Questi articoli saranno contradistinti da un neonato stilizzato con una resistenza in mano.
Oggi partiremo con le semplici definizioni di tensione, corrente e resistenza, poi ci saranno alcuni articoli che tratteranno in maniera semplice i vari componenti quali resistenze, condensatori, transistor, diodi, etc, studiandoli uno a uno per capire come sono fatti, a cosa servono e come si montano su un circuito stampato. Cercherò o almeno questo è il mio intento, di elevare lentamente il livello sino a portarvi ad un livello tale da poter creare qualcosa da zero, comprendere gli schemi fatti da altri ed eventualmente modificarli. Non so se ci riuscirò, sarete voi a dirmelo.
La tensione
Quando affrontiamo l’elettronica scopriamo che un po’ tutti i componenti hanno delle tensioni specifiche a cui operano, ad esempio forse abbiamo sentito dire che le uscite di Arduino funzionano a 5Vo 3.3V. La prima cosa da sapere della tensione è perciò che viene misurata in Volt il cui simbolo è appunto la V. Tensione è un termine che ci fà pensare ad una forza che tende, a qualcosa che tira. Ed effettivamente la tensione indica una sua forza che prende il nome di differenza 
di potenziale. Per capire cos’è facciamo il più classico dei paragoni. Prendiamo una vasca e la dividiamo in 3 sezioni A,B e C comunicanti con dei tubi con il rubinetto chiuso. Da sinistra a destra ci mettiamo dell’acqua a livelli decrescenti. Facciamo finta che nella prima vasca A ci siano 10 metri d’acqua, nella seconda 6 e nella terza 2. Nel caso reale dell’elettricità non si tratta di acqua ma di elettroni, comunque il concetto è identico, ci saranno 10 elettroni (è un modo di dire, sono molti di più) da una parte, 6 e 2 nelle altre.
Se confrontiamo la prima vasca con la seconda abbiamo una differenza di 4 metri (10-6). Questa differenza nel campo dell’elettricità è appunto la differenza di potenziale ossia la differenza del numero di cariche elettriche da un punto all’altro, esattamente come l’acqua nelle vasche. Fate molta attenzione che abbiamo fatto il paragone fra la prima e la seconda vasca, quindi la differenza di potenziale è misurata fra due punti. Nei circuiti elettronici è la stessa cosa, quindi la differenza di potenziale è misurata fra due punti arbitrari del circuito. Procedendo con l’esempio possiamo comparare la seconda e terza vasca (6 e 2) con una differenza di potenziale di 4, ma, attenzione, anche la prima con la terza con una differenza di potenziale di 10-2=8. Dovrebbe essere chiaro che la differenza di quantità d’acqua che rappresenta la differenza di potenziale e quindi la tensione, è relativa ai due punti arbitrari in cui la misuriamo.
La corrente e la resistenza
Sinora abbiamo visto l’esempio in modo statico, ossia le vasche con l’acqua ma con i tubi di collegamento chiusi. Cosa succede se apriamo i rubinetti?Avere un tubo col rubinetto aperto, equivale, nel campo elettrico, ad avere un conduttore che faccia da ponte fra un punto ed un’altro del circuito. Cominciamo ad aprire il rubinetto fra la prima e la seconda vasca e vediamo che attraverso il tubo comincia a correre dell’acqua. Anche in termini idraulici, pensiamo ad un fiume, si parla di corrente, e nel campo elettrico le cose non cambiano. Potremmo definire quindi la corrente come la quantità di acqua / elettricità che passa attraverso il tubo / conduttore. La corrente elettrica si misura in Ampere (si legge Amper) ed il relativo simbolo è la A. Ora chiediamoci: quanta acqua passa per il tubo? La risposta sembra facile, dipende da quanto grande è il tubo, attraverso un tubo di 50 centimetri passerà molta più acqua per unità di tempo che in un tubo da un centimetro. Il tubo piccolo infatti pone una maggiore resistenza al passaggio dell’acqua, allo stesso modo in campo elettrico la resistenza sarà quel materiale che rende difficoltoso il passaggio degli elettroni.
Credo sia inotlre comune esperienza intuire che se la vasca di origine è bella piena attraverso il tubo passerà acqua alla massima pressione possibile, ma quando il livello cala anche il “getto” d’acqua tende a ridursi. C’è quindi una relazione fra la quantità d’acqua, la resistenza ed il passaggio di acqua attraverso il tubo. Nel campo elettrico è la stessa cosa per cui fra la tensione, la corrente e la resistenza c’è una relazione che è dettata dalla legge di Ohm.
Legge di Ohm
La legge di Ohm dice che V=RI, ossia la differenza di potenziale è data dalla moltiplicazione della resistenza per la corrente (I=Intensità di corrente). La resistenza si misura in Ohm (Ω). Questa prima formula è usata moltissimo in elettronica per cui deve essere conosciuta a memoria a differenza delle prossime che riporto per completezza ma che sono di secondaria importanza per gli argomenti trattati mediamente in questo blog.
Solo per precisazione: quanto sinora detto vale per le correnti continue, ossia che fluiscono costantemente da una direzione ad un’altra come nelle nostre vasche. Il caso della corrente alternata il discorso è più complicato e non lo affronteremo ora.
Nel caso dell’elettricità la resistenza dipende dal tipo di materiale impiegato, ad esempio il rame e lo stagno che sono comunemente usati nei circuiti avranno una resistenza bassa, mentre ci sono materiali con resistenza via via più alta sino a diventare del tutto non conduttivi e quindi isolanti. La resistenza di un materiale dipende dalla sua lunghezza, la sezione e da un indice specifico di ogni materiale detto resisitvità (ρ), per cui abbiamo:
R=ρ*L/S (L=lunghezza S=sezione ρ=resistività)
Se ne deduce che a parità di materiale e quindi di resistività, la resistenza si riduce aumentando la sezione e riducendo la lunghezza, cosa che ci risulta facile ricordare se pensiamo all’esempio delle vasche. Un tubo largo e corto farà passare molta più acqua di uno lungo e stretto.
Visto che ci siamo introduciamo anche il concetto di Potenza in cui P=VI, ossia il prodotto della differenza di potenziale per l’intensità di corrente e che si misura in watt (W). Dato che V=RI possiamo anche ricavare che P=RI2.
Facciamo un semplice esempio chiarificatore. Fra un punto A e B di un circuito abbiamo un ponticello di materiale con una certa resistenza di 10Ω, con una differenza di potenziale di 5V: Quanta corrente “scorre”?
Se V=RI, abbiamo che I=V/R, e quindi I=5/10=0.5A. La potenza dissipata sarà di VI=5*0.5=2.5W . Si noti che questa potenza viene dissipata in calore (effetto Joule).
Credo si sia capito fra le righe che in elettronica esistono dei componenti cha appunto si chiamano resistenze (o resistori) e che hanno questo specifico compito di fornire una resistenza a passaggio della corrente. Magari ci si chiederà: perchè mai dovrei ostacolare il passaggio della corrente, ma per capirlo torniamo alle nostre vasche. Facciamo finta di stare al posto della seconda vasca e di voler bere dell’acqua attraverso il tubo di comunicazione con la prima. E’ chiaro che se il tubo è sottile e fa passare poca acqua per volta sarà facile bere da quella conduttura, ma se il tubo è largo un metro ci spazzerà via in un istante. Se la stessa acqua invece servirà a far girare le pale di un mulino, il tubo sottile non porterà abbastanza acqua per farle girare, mentre la conduttura da un metro di diametro sarà molto più adeguata.
Allo stesso modo ci sarenno componenti elettronici che necessitano di particolari range di corrente per funzionare correttamente, altrimenti si bruceranno se ne ricevono troppa o non funzioneranno se ne ricevono troppo poca.
Questione di poli
La corrente è data da elettroni che si muovono lungo un conduttore e gli elettroni hanno carica negativa. Ma se guardate un qualunque schema di circuito, noterete che l’origine della corrente è sempre positivo: come mai? Questa semplice discordanza deriva dal fatto che agli albori degli studi sugli elettroni si supponeva che avessero carica positiva, cosa che poi è stata smentita. E’ però restata questa convenzione nell’elettronica, per cui non stupitevi se i poli sembrano invertiti, non c’è nulla di sbagliato.
