Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura

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1 Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura Valentino Liberali Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Milano valentino.liberali@unimi.it Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo 2015 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Contenuto 1 Che cos è l elettronica 2 Il Sistema Internazionale (SI) 3 Grandezze elettriche Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 1

2 Che cos è l elettronica L elettronica è la disciplina scientifico-tecnologica che si occupa della generazione, del trasporto, del controllo e della raccolta di particelle subatomiche dotate di massa e di carica elettrica (come, ad esempio, gli elettroni). Gli elettroni sono adatti ad essere impiegati nei sistemi per l elaborazione, la trasmissione e l archiviazione delle informazioni. È possibile far muovere un elevato numero di elettroni a grande velocità e impiegando un ridotta quantità di energia, perché la massa delle particelle è piccola. L elettronica permette di realizzare sistemi fisici molto complessi ed efficienti. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Programma 1 1 Grandezze elettriche. a. Unità di misura del Sistema Internazionale (SI). b. Definizione delle grandezze elettriche principali. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 2

3 SI: Sistema Internazionale (1/2) Grandezze fondamentali e loro unità di misura: lunghezza: metro (m) massa: kilogrammo (kg) tempo: secondo (s) corrente (intensità di corrente elettrica): ampere (A) temperatura: kelvin (K) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 SI: Sistema Internazionale (2/2) Grandezze derivate: sono esprimibili come combinazione di grandezze fondamentali. Esempi: velocità: metri al secondo (m/s) energia: joule (J); 1 J = 1 kg m 2 / s 2 carica elettrica: coulomb (C); 1 C = 1 A s Anche la temperatura potrebbe essere considerata una grandezza derivata, perché esprime l energia media per particella. Tuttavia, si preferisce usare una apposita unità fondamentale: il kelvin (K). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 3

4 Convenzioni tipografiche Le grandezze fisiche vengono indicate con simboli corsivi: ad esempio, t, V, W, q. Invece le unità di misura sono indicate in carattere normale (mai in corsivo!): ad esempio, s, V, J, C. La scrittura V = 2 V non è ambigua: la prima V è scritta in corsivo e indica la grandezza fisica (in questo caso, la tensione), la seconda V non è scritta in corsivo ed indica l unità di misura (in questo caso, è l abbreviazione di volt). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Prefissi moltiplicativi Nome Simbolo Abbrev. SPICE Valore femto f F pico p P nano n N 10 9 micro μ U 10 6 milli m M 10 3 kilo k K 10 3 mega M MEG 10 6 giga G G 10 9 tera T T Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 4

5 Esempi 10 ns = s = 10 8 s = s 20 μa = A = A = A 0.5 V = V = 500 mv 1.8 GHz = Hz = Hz = 1800 MHz = Hz È sconsigliabile utilizzare la notazione scritta in rosso! Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Grandezze fisiche importanti (1/2) tempo: t, si misura in secondi (s) energia o lavoro (work): W, si misura in joule (J); 1 J = 1 kg m 2 / s 2 L elaborazione delle informazioni richiede energia e tempo. Infatti, per far cambiare lo stato di un bit memorizzato all interno di un microprocessore, occorre spendere energia (in questo caso, energia elettrica che viene prelevata da una batteria oppure dalla rete elettrica). Inoltre, l operazione non può essere istantanea, ma richiede un tempo finito. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 5

6 Grandezze fisiche importanti (2/2) potenza: P, è la derivata dell energia rispetto al tempo: P = dw dt La potenza media è il rapporto tra energia e tempo: P = W t P si misura in watt (W); 1 W = 1 J / s = 1 kg m 2 / s 3 Si osservi che l operazione di derivata rispetto al tempo, dal punto di vista dimensionale, equivale ad una divisione per un tempo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Grandezze elettriche (1/8) carica elettrica: Q, si misura in coulomb (C); 1 C = 1 A s La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia, come la massa. A differenza della massa, che non può essere negativa, la carica elettrica può essere sia positiva sia negativa. La carica elettrica è quantizzata: tutte le cariche sono multiple di una carica elementare q 0 = C (q 0 è molto piccola). La carica del protone è +q 0, mentre la carica dell elettrone è q 0. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 6

7 Grandezze elettriche (2/8) carica elettrica (continuazione) La materia è elettricamente neutra: ogni atomo contiene un numero uguale di protoni e di elettroni, e quindi la carica totale è zero. Tuttavia, in certe condizioni, è possibile separare le cariche positive da quelle negative. Occorre distinguere tra cariche elettriche fisse e cariche elettriche mobili. Le cariche elettriche mobili sono responsabili della corrente elettrica. Le cariche elettriche fisse, invece, non contribuiscono alla corrente elettrica. In un metallo, la corrente elettrica è dovuta solamente al movimento degli elettroni del livello energetico più esterno di ciascun atomo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Grandezze elettriche (3/8) corrente elettrica (o, più propriamente, intensità di corrente elettrica): I è data dal movimento di cariche mobili (dette portatori ); matematicamente si esprime come la derivata della carica elettrica rispetto al tempo: I = dq dt I si misura in ampere (A); 1 A = 1 C / s Il concetto di carica elettrica è più elementare di quello di corrente elettrica, ma la corrente elettrica è più facile da produrre: per questo motivo l ampere è stato scelto come grandezza fondamentale. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 7

8 Grandezze elettriche (4/8) forza di Coulomb: due particelle cariche q 1 e q 2 si attraggono (se hanno segno opposto) o si respingono (se hanno lo stesso segno) con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza: F 1 = 1 4πǫ q 1 q 2 R12 2 u R12 u R12 q 2 + F 2 F 1 + q 1 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Grandezze elettriche (5/8) campo elettrico: è il rapporto tra la forza che agisce su una carica q e la carica q medesima: F E = q = 1 Q 4πǫ R u 2 R E si misura in volt al metro (V/m), che equivalgono a newton al coulomb (N/C); 1 V / m = 1 N / C Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 8

9 Grandezze elettriche (6/8) differenza di potenziale o tensione tra due punti: è l integrale di linea del campo elettrico su un percorso qualsiasi l che congiunge a e b: V ab = b a a E d l = E d l b b d l l a E Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Grandezze elettriche (7/8) differenza di potenziale o tensione (continuazione) La differenza di potenziale è indipendente dal percorso l e dipende solo dai punti iniziale e finale. Invertendo i due estremi del percorso, la differenza di potenziale cambia segno: V ba = V ab Se il percorso è chiuso, la differenza di potenziale è nulla: V aa = 0 V si misura in volt (V); 1 V = 1 kg m 2 / A s 3 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 9

10 Grandezze elettriche (8/8) In elettronica, la potenza P è esprimibile come il prodotto tra la tensione V e la corrente I : P = VI tensione, o differenza di potenziale (in inglese, voltage): V, in volt (V) corrente: I, in ampere (A) 1 V 1 A = 1 W Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Problema Calcolare l intensità di corrente elettrica in una lampadina da 75 W funzionante con una tensione pari a 230 V. Soluzione: Dalla relazione P = VI si ricava: I = P V e, sostituendo i valori numerici assegnati, si ottiene: I = 75 W A = 326 ma. 230 V Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 10

11 Consigli per la risoluzione dei problemi In generale, è meglio risolvere i problemi in forma simbolica, e solo alla fine sostituire ai simboli i valori numerici. È consigliabile riportare le unità di misura in tutti i passaggi intermedi. È opportuno verificare sempre la correttezza dimensionale di tutti i passaggi matematici. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 Grandezze indipendenti dal tempo Le grandezze elettriche costanti nel tempo sono dette anche grandezze in continua, dall espressione corrente continua che è sinonimo di corrente costante (in inglese: direct current, abbreviato dc). Tipograficamente, le grandezze elettriche costanti nel tempo vengono indicate in corsivo maiuscolo: V, I. Invece, le grandezze elettriche variabili nel tempo si indicano in corsivo minuscolo: v indica una tensione che varia nel tempo (dovrebbe essere scritta v(t), ma spesso la dipendenza dal tempo non viene indicata esplicitamente). Attenzione a non confondere le grandezze elettriche costanti nel tempo (in corsivo) con le unità di misura (in carattere normale). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Grandezze elettriche e unità di misura 4 marzo / 22 11

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