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Materia:Fondamenti di elettrotecnica: differenze tra le versioni

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Riga 1:
{{Materia|8|16}}
<div style="font-weight:bold">
{{Da dividere}}
==# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/Struttura atomica della materia|Struttura ==atomica della materia]]
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/La carica|La carica]]
 
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/La corrente|La corrente]]
[[Immagine:Atomo di litio.svg|thumb|Un atomo di [[w:Litio|litio]] con 3 <b style="color:red">protoni</b>, 4 <b style="color:green">neutroni</b> e 3 <b style="color:blue">elettroni</b>]]
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/La tensione|La tensione]]
 
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/Separazione di carica|Separazione di carica]]
=== L'atomo ===
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/La conduzione|La conduzione]]
 
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/Relazione fra carica e corrente|Relazione fra carica e corrente]]
Gli '''[[w:Atomo|atomi]]''' sono le particelle che compongono la [[w:Materia (fisica)|materia]].
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/Effetti della corrente|Effetti della corrente]]
 
# [[Materia:Fondamenti di elettrotecnica/La resistenza|La resistenza]]
Gli atomi sono costituiti a loro volta da tre tipi di particelle più piccole: i '''[[w:Protone|protoni]]''', i '''[[w:Neutrone|neutroni]]''' e gli '''[[w:Elettrone|elettroni]]'''.
 
L'atomo consiste in un [[w:Nucleo atomico|nucleo]] fatto di protoni e neutroni, circondato da un involucro di elettroni.
 
==== La carica delle particelle ====
 
I protoni e gli elettroni possiedono una proprietà elettrica chiamata ''[[w:Carica elettrica|carica]]''. La carica è un [[w:Grandezza fisica|grandezza fisica]] che può avere [[w:Segno (matematica)|segno]] [[w:Più|più]] o [[w:Meno (matematica)|meno]]: le cariche dello stesso segno si respingono, mentre le cariche di segno diverso si attraggono.
 
Un protone ed un elettrone hanno carica uguale, ma di segno opposto:
per convenzione la carica dei protoni è positiva mentre quella degli elettroni è negativa.
 
I neutroni hanno carica neutra, cioè pari a zero.
 
{| align="center" border="1" style="text-align:center"
|-
| bgcolor="#ddffdd" colspan="3" | '''atomo'''
|-
| bgcolor="#ffdddd" colspan="2" | nucleo
| bgcolor="#ddeeff" | involucro
|- style="white-space:nowrap"
| bgcolor="#ffdddd" style="padding:0 1em" width="33.3%" |
'''protoni'''<p style="font-size:2em;margin:0">+</p><p style="color:#800;margin:0">''carica positiva''</p>
| bgcolor="#ddffdd" style="padding:0 1em" width="33.3%" | '''neutroni'''<p style="font-size:2em;margin:0">0</p><p style="color:#080;margin:0">''carica neutra''</p>
| bgcolor="#ddeeff" style="padding:0 1em" width="33.3%" | '''elettroni'''<p style="font-size:2em;margin:0">-</p><p style="color:#048;margin:0">''carica negativa''</p>
|}
 
In un atomo neutro il numero di elettroni è uguale al numero di protoni.
 
Gli atomi con numero di elettroni diverso dal numero di protoni sono detti '''[[w:Ione|ioni]]'''.
 
==== L'involucro di elettroni ====
 
Gruppi di più elettroni circondano il nucleo in spazi detti '''[[w:Orbitale|orbitali]]'''.
Gli orbitali atomici vengono spesso paragonati alle [[w:Orbita|orbite]] dei corpi celesti o a ''gusci'' concentrici: in realtà un orbitale è il luogo fisico intorno al nucleo nel quale è più probabile che si trovi un certo elettrone ([[w:Modello atomico di Bohr|modello atomico di Bohr]]).
 
Il numero massimo di elettroni nell'''n''-esimo orbitale è di 2''n''² (2, 8, 18, …).
 
Gli elettroni dell'orbitale più esterno sono detti '''elettroni di [[w:Valenza|valenza]]''' [[Immagine:Elettrone di valenza.svg|14px]].
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="margin: .5em 0; width: 100%"
|
{| align="center" cellspacing="0" cellspacing="0"
|
{| style="float: left; border: medium ridge #bbb; margin: .5em"
| style="padding: 0 .5em" | '''Esempio 1:''' un atomo di [[w:Alluminio|alluminio]]
|-
| style="width: 300px" | [[Immagine:Atomo di alluminio.svg|300px]]
|}
{| style="float: left; border: medium ridge #bbb; margin: .5em"
| style="padding: 0 .5em" | '''Esempio 2:''' un atomo di [[w:Rame|rame]]
|-
| style="width: 300px" | [[Immagine:Atomo di rame.svg|300px]]
|}
|}
|}
 
Le proprietà chimiche ed elettriche di un atomo sono determinate dalla struttura dell'involucro di elettroni.
 
La maggior parte dei materiali è costituita da più atomi legati insieme a formare [[w:Composto chimico|composti]] ([[w:Acqua|H<sub>2</sub>O]], [[w:Cloruro di sodio|NaCl]], …).
 
I legami fra gli atomi sono causati dalle interazioni fra i loro elettroni più esterni.
 
Il tipo dei legami determina, tra l'altro, le proprietà elettriche di un materiale.
 
=== Alcuni tipi di legami fra atomi ===
 
==== Il legame ionico ====
 
Nel [[w:Legame ionico|legame ionico]] gli atomi si combinano in modo da raggiungere una [[w:Configurazione elettronica|configurazione elettronica]] particolarmente vantaggiosa, secondo lo schema seguente ([[w:Gas nobile|gas nobile]]):
* 2 elettroni nell'orbitale più interno
* 8 elttroni negli altri orbitali
 
{| align="center" style="border: medium ridge #bbb; margin: 1em 0"
| style="padding: 0 .5em" | '''Esempio:''' [[w:Cloruro di sodio|sale da cucina]]
|-
|[[Immagine:Legame ionico fra sodio e cloro.svg|center]]
|-
| style="padding: 0 .5em" | Il [[w:Sodio|sodio]] (Na) cede un elettrone di valenza al [[w:Cloro|cloro]] (Cl) perché la configurazione raggiunta in questo modo è più vantaggiosa. Lo ione positivo di sodio (Na<sup>+</sup>) e lo ione negativo di cloro (Cl<sup>-</sup>) rimangono legati da forze elettriche.
|}
 
Il legame ionico lega gli atomi in modo molto forte. Questo comporta:
* [[w:Punto di fusione|punto di fusione]] alto
* [[w:Conduttività elettrica|conduttività]] bassa
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="width: 100%"
|
{| align="center" cellpadding="0" cellspacing="0"
|<gallery>
Immagine:Sodium-chloride-3D-vdW.png|disposizione degli ioni di <b style="color:purple">sodio</b> e di <b style="color:green">cloro</b> nel sale da cucina
Immagine:AFM view of sodium chloride.gif|sale da cucina visto al [[w:Microscopio a forza atomica|microscopio AFM]]
Immagine:ImgSalt.jpg|un cristallo di [[w:Halite|salgemma]]
</gallery>
|}
|}
 
==== Il legame metallico ====
 
Nel [[w:Legame metallico|legame metallico]] gli atomi rilasciano elettroni di valenza diventando così ioni positivi.
 
Gli ioni di [[w:Metallo|metallo]] si dispongono ordinatamente a formare un [[w:Reticolo cristallino|reticolo cristallino]].
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="margin: .5em 0; width: 100%"
|
{| align="center" cellspacing="0" cellspacing="0"
|
{| style="float: left; border: medium ridge #bbb; margin: .5em"
| style="padding: 0 .5em" | '''Esempio 1:''' struttura esagonale compatta
|-
| style="width: 200px" | [[Immagine:HCP crystal structure.svg|200px]]
|}
{| style="float: left; border: medium ridge #bbb; margin: .5em"
| style="padding: 0 .5em" | '''Esempio 2:''' struttura cubica a facce centrate
|-
| style="width: 200px" | [[Immagine:FCC crystal structure.svg|200px]]
|}
{| style="float: left; border: medium ridge #bbb; margin: .5em"
| style="padding: 0 .5em" | '''Esempio 3:''' struttura cubica a corpo centrato
|-
| style="width: 200px" | [[Immagine:BCC crystal structure.svg|200px]]
|}
|}
|}
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="background:#eee;border:thin black solid;float:right;margin-left:1em"
|
[[Immagine:Nuvola di elettroni.svg|357px|center]]
|}
All'interno del reticolo cristallino metallico gli elettroni <span style="color:#7777ff">●</span> si muovono quasi liberamente in modo caotico (si parla perciò di ''gas di elettroni'' o ''nuovola di elettroni'').
 
Il libero movimento degli elettroni spiega la buona conduttività dei metalli.
 
L'azione neutralizzante degli elettroni negativi mantiene uniti gli ioni di metallo positivi [[Immagine:Ione positivo.svg|14px]].
<br style="clear:both"/>
 
== La carica ==
 
<div class="thumb tright" style="margin:0">
{| border="1"
! style="padding:0 1em" | particella
! style="padding:0 1em" | carica
|-
| style="padding:0 1em" | protone
| style="padding:0 1em" | +1.602·10<sup>-19</sup>&nbsp;C
|-
| style="padding:0 1em" | neutrone
| style="padding:0 1em" | 0&nbsp;C
|-
| style="padding:0 1em" | elettrone
| style="padding:0 1em" | -1.602·10<sup>-19</sup>&nbsp;C
|}
</div>
 
La '''carica elettrica''' complessiva di un [[w:Corpo (fisica)|corpo]] corrisponde alla somma delle cariche di tutte le particelle che lo compongono.
 
Un corpo è carico positivamente se contiene più protoni che elettroni; è invece carico negativamente se il numero di elettroni è maggiore di quello dei protoni.
 
La carica viene indicata nelle formule con la lettera ''Q''.
L'[[w:Unità di misura|unità di misura]] della carica (nel [[w:Sistema internazionale di unità di misura|sistema internazionale di unità di misura]]) è il '''[[w:Coulomb|coulomb]]''', indicato con la lettera C.
<br style="clear:both"/>
 
==== I portatori di carica ====
 
<div style="background:#ffffaa; padding:.5em">Affinché possa scorrere ''corrente'' è necessaria la presenza di '''[[w:Portatore di carica|portatori di carica]]'''. I portatori di carica sono generalmente:
* '''elettroni''' liberi
* '''ioni''' liberi
</div>
 
== La corrente ==
 
Il flusso di portatori di carica (ioni, elettroni) in una determinata direzione si definisce '''[[w:Corrente elettrica|corrente elettrica]]'''.
 
L'intensità della corrente viene indicata nelle formule con la lettera ''I''.
L'[[w:Unità di misura|unità di misura]] della corrente (nel sistema internazionale di unità di misura) è l''''[[w:Ampere|ampere]]''', indicato con la lettera A.
 
Una corrente che sposta una carica di un [[w:Coulomb|coulomb]] nel tempo di un [[w:Secondo|secondo]] misura esattamente un ampere.
 
:<math>\mathrm{1\,A=1\,\frac C s}</math>,
 
cioè
 
:<math>\mathrm{1\,C=1\,A\,s}</math>.
 
Per ragioni storiche, la direzione convenzionale della corrente è quella ipotetica dei portatori di carica positiva, anche quando in realtà si verifica un flusso di elettroni negativi.
[[Immagine:Direzione convenzionale della corrente elettrica.svg|560px|center]]
 
== La tensione ==
 
La '''[[w:Tensione elettrica|tensione elettrica]]''' è la causa della corrente. La tensione si genera dalla separazione di carica.
 
{| align="center" cellpadding="0" cellspacing="0" style="background:#eee;border:thin black solid"
|
[[Immagine:Separazione di carica elettrica.svg|498px]]
|}
[[Immagine:Tensione elettrica.svg|center]]
 
Le cariche separate si attraggono reciprocamente, generando un flusso di portatori di carica che tende a ripristinare una situazione di equilibrio.
 
La tensione viene indicata nelle formule con la lettera ''V''.
L'unità di misura della tensione (nel sistema internazionale di unità di misura) è il '''[[w:Volt|volt]]''', anch'esso indicato con la lettera V.
 
Diversamente dall'ampere, il volt non è un'unità primitiva, ma può essere ricavato a partire da altre misure, per esempio dalla [[w:Forza (fisica)|forza]] che una certa tensione esercita su una carica.
 
:<math>\mathrm{1\,V=1\,\frac WA=1\,\frac JC=1\,\frac{kg\,m^2}{A\,s^3}}</math>
 
Schematicamente la tensione è rappresentata con una freccia che parte dove c'è eccesso di carica positiva e punta dove è in eccesso la carica negativa.
 
== Separazione di carica ==
 
La separazione di carica può verificarsi per motivi vari.
 
{| border="1" width="100%"
! style="padding:0 1em" | causa
! style="padding:0 1em" | esempi
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Ossido-riduzione|ossido-riduzione]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Batteria (chimica)|batterie]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Induzione magnetica|induzione magnetica]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Dinamo|dinamo]], [[w:Generatore elettrico|generatori]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Induzione elettrostatica|induzione elettrostatica]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Temporale|temporali]], [[w:Generatore di Van de Graaff|generatori di Van de Graaff]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Luce|luce]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Modulo fotovoltaico|celle fotovoltaiche]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Calore|calore]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Termocoppia|termocoppie]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Deformazione|deformazione meccanica]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Piezoelettricità|cristalli piezoelettrici]]
|}
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="width: 100%"
|
{| align="center" cellpadding="0" cellspacing="0"
|<gallery>
Immagine:Batteries.jpg|batterie
Immagine:Solar cell.png|cella fotovoltaica
Immagine:Bicycle dynamo.jpg|dinamo di una bicicletta
Immagine:Van de graaff generator sm.jpg|generatore di Van de Graaff
</gallery>
|}
 
== La conduzione ==
 
Un '''[[w:Conduttore elettrico|conduttore elettrico]]''' è un materiale attraverso il quale può scorrere corrente.
 
=== Portatori di carica e conduttori ===
 
Il tipo dei portatori di carica di una corrente dipende dalle caratteristiche del conduttore.
 
{| border="1" width="100%"
! style="padding:0 1em" | conduttore
! style="padding:0 1em" | portatori di carica
! style="padding:0 1em" | esempi
|-
| style="padding:0 1em" | metallo
| style="padding:0 1em" | elettroni
| style="padding:0 1em" | [[w:Cavo|cavi]], collegamenti dei [[w:Circuito stampato|circuiti stampati]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Semiconduttore|semiconduttore]]
| style="padding:0 1em" | elettroni, [[w:Lacuna (fisica)|lacune]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Transistor|transistor]], [[w:Circuito integrato|chip]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Vuoto (fisica)|vuoto]]
| style="padding:0 1em" | elettroni
| style="padding:0 1em" | [[w:Tubo catodico|tubi catodici]], [[w:Tubo radiogeno|tubi a raggi X]], [[w:Sincrotrone|sincrotroni]]
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Elettrolita|elettrolita]]
| style="padding:0 1em" | ioni
| style="padding:0 1em" | batteria
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Gas|gas]]
| style="padding:0 1em" | ioni
| style="padding:0 1em" | [[w:Lampada a scarica|lampade a scarica]]
|}
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="width: 100%"
|
{| align="center" cellpadding="0" cellspacing="0"
|<gallery>
Immagine:Cavo3x1.5.jpg|un cavo
Immagine:Circuito Impreso.jpg|collegamenti di un circuito stampato
Immagine:SOLEIL le 01 juin 2005.jpg|un sincrotrone visto dall'alto
Immagine:Cocktails Neon Sign.jpg|lampade a scarica in un'insegna luminosa
</gallery>
|}
 
=== La conduzione nei metalli ===
 
Se ad un conduttore metallico si collega un [[w:Generatore di tensione|generatore di tensione]], gli elettroni liberi iniziano a spostarsi in direzione del polo positivo.
 
Si crea così una corrente che tende a compensare lo squilibrio di carica.
 
[[Immagine:Voltage source with metallic conductor.svg|center|560px]]
 
=== La conduzione ionica negli elettroliti ===
 
In una [[w:Soluzione (chimica)|soluzione]] [[w:Acqua|acquosa]] di sale da cucina, gli ioni di sodio e di cloro sono mobili.
 
Se si applica una tensione fra due [[w:Elettrodo|elettrodi]] immersi nella soluzione, gli ioni positivi di sodio (''[[w:Catione|cationi]]'') si spostano verso l'elettrodo negativo (''[[w:Catodo|catodo]]'') dove vengono riforniti di elettroni.
Gli ioni negativi di cloro (''[[w:Anione|anioni]]'') si spostano invece in direzione dell'elettrodo positivo (''[[w:Anodo|anodo]]'') dove cedono gli elettroni in eccesso.
 
[[Immagine:Voltage source with electrolytic solution.svg|center|560px]]
 
== Relazione fra carica e corrente ==
 
La corrente è lo spostamento di cariche.
 
Se l'intensità di una corrente ''I'' è [[w:Costante|costante]] in un [[w:Intervallo (matematica)|intervallo]] di tempo Δ''t'', allora la corrente ''I'' corrisponde alla quantità di carica Δ''Q'' spostata nel tempo Δ''t''.
 
:<math>I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}</math>
 
Se invece l'intensità di una corrente ''i''(''t'') varia nel tempo, allora il tempo Δ''t'' in cui la corrente è costante si riduce ad un intervallo infinitamente piccolo ''dt''.
 
:<math>i\left(t\right)=\frac{dq}{dt}</math>
 
Per la carica ''Q'' spostata in un intervallo [''t''<sub>1</sub>,&nbsp;''t''<sub>2</sub>] vale la relazione
 
:<math>Q=\int_{t_1}^{t_2}i\left(t\right)\cdot dt</math>.
 
== Effetti della corrente ==
 
La corrente non può essere percepita direttamente con gli [[w:Organo di senso|organi di senso]] umani. È possibile però osservarne alcuni effetti.
 
{| border="1" width="100%"
! style="padding:0 1em" | effetto
! style="padding:0 1em" | esempi
! style="padding:0 1em" | comportamento
|-
| style="padding:0 1em" | calore
| style="padding:0 1em" | [[w:Ferro da stiro|ferri da stiro]], [[w:Lampada ad incandescenza|lampade ad incandescenza]]
| style="padding:0 1em" | Gli atomi del conduttore vengono urtati dagli elettroni in movimento riscaldandosi.
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Magnetismo|magnetismo]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Motore elettrico|motori elettrici]]
| style="padding:0 1em" | Le cariche in movimento generano un [[w:Campo magnetico|campo magnetico]].
|-
| style="padding:0 1em" | luce
| style="padding:0 1em" | [[w:LED|LED]], lampade a scarica
| style="padding:0 1em" | Quando gli elettroni eccitati passano ad uno stato di minore energia vengono emessi quanti di luce (''[[w:Fotone|fotoni]]'').
|-
| style="padding:0 1em" | [[w:Reazione chimica|reazioni chimiche]]
| style="padding:0 1em" | [[w:Elettrolisi|elettrolisi]], [[w:Batteria ricaricabile|accumulatori]]
| style="padding:0 1em" | Negli elettroliti gli ioni si spostano verso gli elettrodi. Questo processo può separare gli ioni di carica opposta sciogliendone i legami.
|-
| style="padding:0 1em" | effetto piezoelettrico
| style="padding:0 1em" | oscillatori a cristallo, microposizionatori
| style="padding:0 1em" | Alcuni [[w:Cristallo|cristalli]] reagiscono al cambiamento di tensione con una deformazione meccanica.
|-
| style="padding:0 1em" | carica elettrostatica
| style="padding:0 1em" | [[w:Stampante laser|stampanti laser]], precipitatori elettrostatici
| style="padding:0 1em" | Applicando cariche ai corpi è possibile farli muovere dentro [[w:Campo elettrico|campi elettrici]].
|}
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="width: 100%"
|
{| align="center" cellpadding="0" cellspacing="0"
|<gallery>
Immagine:Electric iron stand.jpg|un ferro da stiro
Immagine:VCR motor style 2.jpg|il motore di un [[w:Videoregistratore|videoregistratore]]
Immagine:RBG-LED.jpg|led colorati
Immagine:Quartz 4 8 20 Mhz.jpg|oscillatori a cristallo
</gallery>
|}
 
== La resistenza ==
 
Gli atomi del conduttore impediscono il libero flusso degli elettroni: agli elettroni si oppone una '''[[w:Resistenza elettrica|resistenza elettrica]]''' che dipende dal materiale, dalla temperatura, dall'[[w:Area|area]] della [[w:Sezione (geometria)|sezione]] e dalla [[w:Lunghezza|lunghezza]] del conduttore.
 
Più è alta la temperatura, più velocemente oscillano gli atomi, più elevata è la probabilità di collisione fra gli elettroni e gli atomi, maggiore è la resistenza.
 
[[Immagine:Electron flow in a resistive medium.svg|center|thumb|400px|Un elettrone che attraversa un conduttore viene deviato ogni volta che urta un atomo. La probabilità di collisione è uno dei fattori che determinano la resistenza.]]
 
La resistenza viene indicata nelle formule con la lettera ''R''.
L'unità di misura della resistenza (nel sistema internazionale di unità di misura) è l''''[[w:Ohm|ohm]]''', indicato con la lettera greca Ω (''[[w:Omega (lettera)|omega]]'' maiuscolo).
 
Se un [[w:Resistore|resistore]] al quale è applicata una tensione di un volt lascia passare una corrente di un ampere, la sua resistenza misura un ohm.
 
:<math>\mathrm{1\,\Omega=1\,\frac VA=1\,\frac{kg\,m^2}{A^2\,s^3}}</math>
 
[[Categoria:Corso di Ingegneria Elettronica]]
Estratto da "https://it.wikiversity.org/wiki/Materia:Fondamenti_di_elettrotecnica"