Corrente e Tensione
Ho precedentemente detto che non entrero’ nei dettagli della leggi della fisica che regolano il mondo dell’elettronica… e gia’ mi devo smentire? No, non preoccupatevi. Questa e’ solo una breve discussione per capire di che cosa stiamo parlando.
Per poter funzionare, ogni circuito elettronico deve essere alimentato. Questo e’ noto. Ma che cosa significa in dettaglio? Che cosa succede quando inseriamo una spina in una presa di corrente o alimentiamo un circuito tramite delle batterie? A prima vista sembra che i due fenomeni siano identici dato che il risultato e’ quello di vedere funzionare il circuito. In realta’ ci sono differenze macroscopiche. Vediamo di capire il perche’.
Corrente
La corrente elettrica e’ il risultato dello spostamento di elettroni all’interno di un materiale, per effetto di un campo elettrico. Per poter comprendere il fenomeno occorrerebbe entrare nei dettagli della fisica della materia. A noi basti pensare che tutto cio’ che ci circonda e’ formato da atomi che, a loro volta, sono formati da tre tipi di particelle: neutroni, elettroni e protoni. Questi assumono conformazioni piu’ o meno complesse a seconda del materiale che vanno a comporre. Una caratteristica fondamentale di queste tre particelle e’ relativa alla loro carica elettrica “intrinseca”. Mentre elettroni e protoni sono dotati di un certo quantitativo di carica elettrica, i neutroni ne sono sprovvisti. Convenzionalmente si assume che la carica elettrica dell’elettrone sia di segno negativo mentre quella del protone sia di segno positivo. Cariche elettriche di segno opposto si attraggono mentre cariche elettriche dello stesso segno si respingono. Protoni e neutroni formano “il nucleo” dell’atomo. Gli elettroni “gli ruotano attorno” come se fossero dei satelliti intorno al sole. Gli atomi sono formati da un numero di protoni, elettroni e neutroni che varia da materia a materia. Per questo motivo ci si aspetta che, a seconda del tipo di materia, a causa delle forze elettrostatiche presenti tra elettroni e protoni, i tre elementi assumano conformazioni differenti nello spazio che li circonda. Tipicamente negli atomi piu’ complessi, ossia quelli formati da un maggior numero di neutroni, protoni ed elettroni, vi saranno degli elettroni molto “distanti” dal nucleo (ricordiamoci che gli elettroni tra di loro si respingono poiche’ dotati di carica elettrica dello stesso segno) e quindi meno “legati” ad esso dalle forze elettrostatiche generate da cariche opposte. Tali elettroni sono i primi candidati a sfuggire dai legami con il proprio nucleo per passare ad un atomo vicino. Questo puo’ avvenire quando viene fornita l’energia sufficiente a “spaccare” i legami tra elettrone e nucleo, vuoi per la presenza di un campo elettrico, vuoi per l’azione di un impulso luminoso. Si noti che lo spostamento di un elettrone crea una mancanza di carica negativa nell’atomo da cui proviene ed incrementa la carica negativa dell’atomo nel quale va a collocarsi. La migrazione di elettroni da un atomo all’altro e’ proprio cio’ che da luogo alla corrente elettrica. Maggiore sara’ il numero di elettroni che si spostano, maggiore sara’ la corrente misurata.
Giusto per non rimanere troppo vaghi, la corrente si misura in Ampere (A) tramite uno strumento chiamato amperometro. Si definisce che la corrente che fluisce in un conduttore ha una intensita’ pari ad 1A quando in una sua qualsiasi sezione transita una carica di 1 Coulomb nel tempo di 1 secondo. Il Coulomb e’ l’unita’ di misura della carica elettrica… ed 1 elettrone ha una carica elettrica di −1,602 · 10−19 Coulomb.
Tensione
Con il termine “tensione” ci si riferisce a cio’ che i fisici chiamano Differenza di Potenziale (ddp). La tensione si misura tramite uno strumento chiamato “Voltmetro” e la sua unita’ di misura e’ il Volt (V). Come meglio esprime il suo nome fisico, la tensione e’ una differenza tra il potenziale elettrico di una carica in due punti differenti dello spazio. Questo significa che la misura della tensione e’ sempre riferita a due punti. Vediamo di fare un esempio che spero chiarisca il concetto. Ipotizziamo di essere al piano terra di uno stabile e di avere tra le mani un sasso. Il sasso e’ dotato di una certa energia potenziale: se lasciato cadere la sua energia potenziale si trasformera’ in energia cinetica (nel momento della caduta) che successivamente propaghera’ al terreno trasformandosi in calore ed eventualmente nella deformazione/rottura della piastrella. Ipotizziamo ora di trasferirci al terzo piano dell’edificio, sempre con in mano il sasso. Per poter portare il sasso al terzo piano e’ stato necessario compiere un certo lavoro. Tale lavoro, oltre a farci sudare, ha incrementato l’energia potenziale del sasso. Rispetto alla posizione precedente, infatti, se lasciato cadere dal terzo piano l’energia cinetica derivante ed i danni provocati sulla piastrella del piano terra saranno sicuramente maggiori rispetto al caso precedente. Si puo’ quindi affermare che esiste una differenza di energia potenziale misurabile del sasso tra il piano terra ed il terzo piano. Tale differenza di potenziale e’ pari, in valore assoluto, all’energia cinetica che il sasso aveva nel momento in cui ha colpito il terreno dopo una caduta di tre piani. Ma si puo’ dire di piu’: e’ la stessa differenza di potenziale del sasso posto al sesto piano riferita a quella dello stesso sasso ma posto al piano terzo.
La stessa cosa avviene con la differenza di potenziale elettrica. Ipotizziamo di spostare una carica elettrica all’interno di un campo elettrico. Il campo elettrico e’, a tutti gli effetti, un campo di forze (elettriche) che agisce sulle cariche… proprio come la forza di gravita’ che agisce sul sasso dell’esempio precedente. Spostando la carica da un punto preciso ad un altro punto all’interno del campo elettrico dovremo eseguire un lavoro. Questo lavoro andra’ ad incrementare il potenziale elettrico della carica, esattamente come accade al sasso portato dal piano terra al terzo piano. Liberando la carica elettrica, essa si muoverebbe verso il punto iniziale, proprio come il sasso cade verso il terreno. Possiamo dire, quindi, che esiste una differenza di potenziale tra il punto iniziale e quello finale della carica elettrica. Tale differenza di potenziale e’, appunto, la tensione. Come nel caso del sasso (ipotizziamo che il campo elettrico non vari con il tempo proprio come avviene per la forza di gravita’) la differenza di potenziale e’ pari, in valore, al lavoro necessario a spostare la carica attraverso il campo elettrico dal punto iniziale a quello finale.
Negli schemi dei circuiti elettronici si e’ soliti parlare di tensione riferendo, per convenzione, uno dei due capi ad un punto comune. Questo permette di poter affermare che: “sul piedino x del componente y c’e’ una tensione di 5V”. In realta’ tale affermazione sottointende che esiste una differenza di potenziale pari a 5V tra il piedino x del componente y ed il riferimento, solitamente definito sul terminale comune, la cosidetta “massa”, identificato con il “polo negativo” del generatore di tensione. Tale punto di riferimento viene segnalato negli schemi elettrici con il termine GND (abbreviazione di ground: terra) o VSS e ad esso viene collegato un cavo tipicamente di colore nero.
Simbologia e convenzioni
Ora che piu’ o meno ci siamo fatti un’idea di che cosa stiamo parlando e’ utile vedere alcune simbologie utilizzate all’interno degli schemi elettrici per visualizzare ed evidenziare la presenza di tensioni e correnti in determinati punti del circuito. Prendiamo come riferimento la Figura 1.
Figura 1. Simbologia Tensione e Corrente
Per comodita’descrittiva e’ stato introdotto il simbolo del resistore, di cui si parlera’ piu’ avanti, disegnato in colore nero. Il resistore ha due terminali, qui identificati con le lettere A e B. Piu’ in generale questi identificano due ipotetici punti nello spazio. Tensione e corrente vengono rappresentati con due frecce. In figura notiamo che la corrente (freccia di colore blu) I entra nel terminale A e percorre il resistore, esce dal terminale B. La freccia rossa indica la presenza di una tensione V tra i capi A e B. Come si e’ detto prima, la tensione e’ riferita tra i capi A e B e, per questo motivo, e’ segnata come Vab. Nella simbologia si identifica il punto A come quello a potenziale maggiore rivolgendo’ verso di lui la freccia associata alla tensione.
L’analogia con il sasso calza a pennello: come il sasso si muove, cadendo, dall’alto verso il basso, ossia da un punto a potenziale maggiore ad un punto con potenziale minore, cosi’ avviene per la corrente. Essa, per convenzione, fluisce da un punto con maggior potenziale (il punto A) a quello con potenziale inferiore (il punto B).
Figura 2. Simbologia Tensione e Corrente.
La Figura 2 e’ leggermente piu’ complessa ma ci permette di evidenziare la relativita’ della tensione. In essa sono rappresentati due resistori in serie. La corrente che fluisce nei due resistori e’ la stessa ed e’, ancora una volta, disegnata con la freccia blu. Ai capi di ogni resistore e’ presente una differenza di potenziale: Vab e Vbc. Notiamo che, se “misurata” tra i punti A e C, la differenza di potenziale Vac e’ pari alla somma della tensione Vab e Vbc dimostrando ancora una volta che la misura della tensione ha senso solo se riferita a due punti.
Figura 3. Simbologia Tensione e Corrente
La Figura 3 rappresenta un morsetto di alimentazione molto comune negli schemi elettrici. In esso e’ riportata la dicitura +5V e GND. Ai suoi capi e’ rilevabile una tensione di 5 Volt. Si noti la mancanza di corrente: essendo i due poli del morsetto scollegati, non esiste alcun mezzo in grado di trasportare elettroni da un capo all’altro e, quindi, la corrente che fluisce tra i due punti a differenza di potenziale differente e’ nulla. Questo e’ proprio il caso in cui il “potenziale” associato alla tensione e’ tale poiche’ “pronto” per essere trasformato in lavoro non appena i due morsetti verranno connessi ad un utilizzatore (normalmente chiamato “carico” o “load”).
