Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 4

Nel precedente articolo “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 3” abbiamo parlato della CORRENTE ELETTRICA, della TENSIONE ELETTRICA e DIFFERENZA DI POTENZIALE e delle rispettive unità di misura, inoltre, abbiamo descritto il principio di funzionamento del GENERATORE ELETTRICO. In questo articolo parleremo della RESISTENZA ELETTRICA, del RESISTORE e introdurremo la teoria del CIRCUITO ELETTRICO e la legge di OHM.

La Resistenza elettrica

Nelle precedenti puntate abbiamo parlato più volte del conduttore e abbiamo visto come nel conduttore può scorrere una corrente elettrica, ossia un flusso di elettroni liberi che attraversano la materia che costituisce il conduttore, grazie alla differenza di potenziale agli estremi del conduttore stesso generata da un Generatore elettrico. Questa materia è formata da un certo quantitativo di atomi con i relativi elettroni che non sono liberi ma vincolati all’interno del loro atomo. Il movimento degli elettroni liberi durante il percorso da un estremo all’altro del conduttore, viene ostacolato dalla presenza degli atomi con i rispettivi elettroni fissi. Possiamo tradurre in pratica questo fenomeno dicendo che la materia di cui è costituito il conduttore si oppone al passaggio degli elettroni, ossia offre una certa resistenza al passaggio della corrente elettrica che si chiama appunto RESISTENZA ELETTRICA del conduttore, la cui unità di misura è l’OHM, indicata con la lettera Ω (si pronuncia “omega”). Abbiamo detto che la materia che costituisce il conduttore determina una certa resistenza elettrica al passaggio degli elettroni lungo il percorso nel conduttore. Da ciò, deduciamo che più è lungo il conduttore, più materia incontrano gli elettroni, più grande è la resistenza elettrica del conduttore. Quindi, la lunghezza è uno degli elementi che contribuisce a determinare il valore della resistenza elettrica. D’altra parte, gli elettroni che scorrono in un conduttore che ha una grande sezione, avranno meno difficoltà ad attraversare il conduttore in quanto hanno un grande spazio per passare facilmente tra gli atomi della materia del conduttore, ovvero gli elettroni incontreranno una minore resistenza. Quindi, possiamo dire che anche la sezione di un conduttore è un altro elemento che influisce sull’entità della resistenza elettrica.

La Resistività elettrica

Un altro elemento che determina il valore della resistenza elettrica è il tipo di materia, ossia il materiale, di cui è costituito il conduttore. Quindi, considerando le caratteristiche dimensionali di lunghezza e sezione e il tipo di materiale di un conduttore, possiamo chiamare RESISTENZA SPECIFICA la resistenza elettrica di un conduttore realizzato con un determinato materiale. Del conduttore indichiamo la sua lunghezza in m (metri) con la lettera L e la superficie della sua sezione S in m2 (metri quadrati) con la lettera A. La RESISTENZA SPECIFICA è anche detta RESISTIVITÀ ELETTRICA del materiale, si misura in Ωm (ohm per metro) ed è indicata con la lettera ρ (si pronuncia “rò”). La resistività ρ è un coefficiente identificativo del materiale di un conduttore ed è equivalente alla resistenza elettrica di uno specifico materiale conduttore di lunghezza e sezione unitari, come ad esempio la resistenza di un cubo di rame come in Figura 1 di lunghezza L di 1 metro e area A di una sezione S di 1 metro quadrato, ma lo stesso concetto vale anche per L = 1 cm, A = 1 cm quadrato e così via.

Figura 1: Cubo di rame con dimensioni unitarie

La tabella riportata in Figura 2 elenca la resistività di alcuni materiali misurata alla temperatura di 20 °C.

Figura 2: Resistività di alcuni materiali (Fonte: wikipedia.org)

Quindi, la conoscenza del materiale utilizzato per realizzare un conduttore, note le sue dimensioni di lunghezza e sezione, ci permette di calcolare la resistenza elettrica del conduttore. Ad esempio, supponiamo di voler calcolare la resistenza elettrica di un conduttore di rame di lunghezza L = 2 metri e sezione S di area A = 1 metro quadrato, e rilevando dalla tabella di Figura 2 che il rame ha una resistività di 1,68 x 10-8 Ωm, si ha che in pratica la resistenza del conduttore si ottiene moltiplicando per L = 2 il valore della resistività del rame, infatti, sostituendo nella formula della resistenza elettrica R = (ρ x L)/A i valori di ρ, L e A, si ottiene la resistenza in ohm che è appunto il doppio della resistività del rame:

R = (1,68 x 10-8 x 2)/1 = 3,36 x 10-8 Ω

Quindi, la resistenza di un conduttore si calcola moltiplicando la resistività del materiale per la lunghezza e dividendo il risultato per l’area della sezione del conduttore. Si noti nella formula che, essendo l’area della sezione al denominatore della frazione, più grande è l’area della sezione minore sarà la resistenza, confermando quello che abbiamo descritto precedentemente, mentre aumentando la lunghezza del conduttore aumenta proporzionalmente la resistenza. Utilizzando la formula con cui abbiamo calcolato la resistenza elettrica, possiamo ricavare la formula per calcolare la resistività ρ:

ρ = (RxA)/L

Da questa formula possiamo rilevare che per valori unitari della sezione di area A e di lunghezza L del conduttore, la resistività ρ è uguale alla resistenza elettrica R. Ovvero, ρ = R per A = 1 metro quadrato e L = 1 metro, oppure per A = 1 centimetro quadrato e L = 1 centimetro, ovvero quando il rapporto A/L = 1. Da quanto abbiamo compreso dall’esempio, una volta che sappiamo con quale materiale è fatto un conduttore e che dimensioni ha, possiamo calcolare facilmente la sua resistenza elettrica.

La Conduttanza

Abbiamo visto che la resistenza elettrica di un conduttore ostacola il passaggio della corrente elettrica attraverso il conduttore stesso. Il significato della parola “conduttore” ci suggerisce che si può esprimere con il termine CONDUTTANZA ELETTRICA la propensione di un conduttore di condurre da un estremo all’altro una corrente elettrica. E’ quindi intuitivo dedurre che la CONDUTTANZA è l’inverso della resistenza. Possiamo esprimere questo concetto con la formula G = (1 / R) S, dove con la lettera G viene indicata la CONDUTTANZA e con la lettera S la sua unità di misura in siemens. Analogamente a quanto detto sulla conduttanza, la CONDUTTIVITA’ è l’inverso della resistività, come espresso dalla relazione y = 1/ρ in cui con la lettera y viene indicata la CONDUTTIVITA’. La CONDUTTIVITA’ è la CONDUTTANZA SPECIFICA del materiale di cui è costituito un conduttore riferita alle sue dimensioni unitarie. La CONDUTTIVITA’ si misura in S/m (siemens al metro).

Il Resistore

Compreso il significato di resistenza e conduttanza elettrica, un corpo conduttore che offre una resistenza al passaggio della corrente elettrica si chiama RESISTORE. Come vedremo più avanti, introducendo il circuito elettrico, il RESISTORE viene utilizzato nei circuiti proprio per inserirvi una resistenza elettrica. Esistono vari tipi di resistori distinti in funzione del tipo di materiale con cui sono prodotti, in base alla potenza, al tipo di montaggio (a foro passante e superficiale), alla funzione e al tipo di applicazione, e così via: resistori fissi, resistori SMD (Surface Mounting Device) anche detti SMT (Surface Mount Technology) utilizzati per il montaggio superficiale, resistori variabili, termistori NTC (Negative Temperature Coefficient) la cui resistenza decresce all’aumentare della temperatura, termistori PTC (Positive Temperature Coefficient) la cui resistenza aumenta all’aumentare della temperatura, foto-resistori la cui resistenza varia al variare dell'intensità della luce che li investe. Durante il corso avremo occasione di conoscere questi resistori in varie applicazioni ed esperimenti. Nelle applicazioni ed esperimenti che realizzeremo, utilizzeremo prevalentemente resistori fissi standard a strato per montaggio a foro passante. Per questo motivo riteniamo utile riportare due tabelle di codifiche di questi resistori che ci aiuteranno a riconoscere facilmente il valore della resistenza, tolleranza e coefficiente termico di un resistore.

La codifica dei resistori fissi a strato per montaggio a foro passante

Quando dobbiamo scegliere un resistore in base alla resistenza che vogliamo inserire in un circuito, è importante saper riconoscere il codice a fasce colorate che identifica il valore della resistenza e la tolleranza di un resistore. I resistori fissi si possono riconoscere attraverso una codifica costituita da una serie di anelli colorati riportati sul corpo del resistore. In Figura 3 viene riportata la tabella per identificare i resistori fissi del tipo a strato con codifica a 3 o a 4 anelli colorati.

Figura 3: Tabella dei resistori fissi con codifica a 3 o 4 anelli colorati (Fonte: wikipedia.org)

Ad esempio, utilizzando la tabella di Figura 3, un resistore con resistenza del valore di 1000 ohm e tolleranza ±10% del valore della resistenza, ha la codifica seguente: marrone (1)-nero (0)-rosso (x100)-argento (±10%). In Figura 4 viene riportata la tabella per identificare i resistori fissi del tipo a strato con codifica a 5 o a 6 anelli colorati.

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