Elettrotecnica Elettronica

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1 Enrico Ambrosini Filippo Spadaro Elettrotecnica Elettronica ed 1 Edizione mista

2 ISBN RCS Libri S.p.A. - Milano Ristampe Stampa: L.E.G.O. S.p.A. (VI) Sebbene, per le frequenti interazioni e sovrapposizioni verificatesi, una precisa distinzione di compiti nella stesura del testo di questo volume risulti difficile, di seguito si indicano le competenze di massima degli autori. Ambrosini: coordinamento e definizione finale di tutto il testo; stesura delle unità di apprendimento 1, 3, 4, 5, 6 (parziale), 8, 9 e 10, predisposizione del software per Multisim. Spadaro: stesura delle unità di apprendimento 2, 6 (parziale) e 7; predisposizione del software per Ultiboard Hanno collaborato alla realizzazione dell opera: Coordinamento editoriale Barbara Speziali Progetto grafico e realizzazione Thèsis Contents S.r.l., Firenze-Milano Copertina Gandini & Rendina Il software installato sul DVD è 2011 National Instrument Corporation. Tutti i diritti sono riservati. LabVIEW, MULTISIM, National Instruments, NI, Ultiboard, il logo di LabVIEW ed il logo di National Instruments sono marchi di proprietà di National Instruments. Il corso, il libro e il DVD sono prodotti da RCS Libri S.p.A. che è la sola responsabile, sia del corso che del libro che del DVD, nonché dei loro relativi contenuti. Né RCS Libri S.p.A. né qualsiasi libro o altri beni, servizi offerti da RCS Libri S.p.A. sono pubblicazioni, servizi ufficiali di National Instruments o attribuibili in qualsiasi modo a National Instruments. Il DVD allegato al libro di testo include i software Circuit Design Suite versione Education e NI LabVIEW Student Edition della National Instruments. L utilizzo dei software Circuit Design Suite versione Education e NI LabVIEW Student Edition è limitato a fini didattici in ambito domestico I diritti di traduzione e riproduzione, totali o parziali anche ad uso interno e didattico con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i paesi. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuare nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633, ovvero dell accordo stipulato tra SIAE, AIE, SNS e CNA, CONFARTIGIANATO, CASA, CLAAI, CONFCOMMERCIO, CONFESERCENTI il 18 dicembre Le riproduzioni per uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, c.so di Porta Romana 108, Milano, autorizzazioni@clearedi.org La realizzazione di un libro presenta aspetti complessi e richiede particolare attenzione nei controlli: per questo è molto difficile evitare completamente errori e imprecisioni. L editore ringrazia sin da ora chi vorrà segnalarli alle redazioni. Per segnalazioni o suggerimenti relativi al presente volume scrivere a: Direzione Editoriale RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, via Rizzoli, 8, Milano, fax L editore è presente su Internet all indirizzo: L editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non gli è stato possibile comunicare per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti dei brani o delle illustrazioni riprodotte nel presente volume. L editore si scusa per i possibili errori di attribuzione e dichiara la propria disponibilità a regolarizzare. Le immagini utilizzate in questo libro non vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell editore, né come invito all acquisto di prodotti. Le illustrazioni o riproduzioni sono state riportate a scopo esclusivamente didattico. I contenuti del tuo libro non si trovano solo sulla carta. Adesso puoi trovare esercizi, espansioni e molto altro sul web, all indirizzo Tali strumenti ti consentiranno di integrare lo studio sul testo cartaceo con la possibilità di ripassare, prepararti alle verifiche orali e scritte, approfondire quanto affrontato in classe, ecc. Su ogni pagina del sito troverai un campo in cui digitare il codice che hai trovato nel volume, così avrai accesso diretto ai materiali digitali ad esso relativi. Potrai scaricare e salvare i materiali sul tuo computer in modo che tu possa poi ritrovarli facilmente in qualsiasi momento.

3 Presentazione Questo corso di Elettrotecnica ed Elettronica copre il secondo biennio e il quinto anno dell indirizzo di Elettronica ed Elettrotecnica degli Istituti Tecnici Industriali riformati. Il corso è così articolato: volume 1 comune a tutte le articolazioni; volume 2 copre l articolazione Automazione; per le altre articolazioni è previsto un fascicolo di completamento: fascicolo per articolazione Elettronica; fascicolo per articolazione Elettrotecnica; volume 3 differenziato per le singole articolazioni: volume per articolazione Elettronica; volume per articolazione Automazione; volume per articolazione Elettrotecnica. Il corso è diviso in unità di apprendimento, normalmente suddivise in più sezioni; ogni unità presenta una pagina di apertura in cui viene indicato l obiettivo di competenza finale da raggiungere e gli obiettivi di competenza intermedi delle singole sezioni. 2A 2B 2C Approfondimenti 2B.1 La capacità di un condensatore piano 2B.2 L energia di un condensatore carico Approfondimento 2C.1 I transitori RC Nel libro 2A 2B 2C Teoria, test e problemi Teoria, test e problemi Teoria, test e problemi Laboratori 2C.1 e 2C.2 In questa pagina, inoltre, è presente una sintesi di tutti i contenuti (cartacei e digitali) dell unità; ogni libro del corso presenta, a integrazione della parte cartacea o dell equivalente nel caso di e-book, una sezione digitale (scaricabile via Internet tramite apposito codice allegato al libro) individuata con un apposito simbolo. Struttura del libro Testo base con lo sviluppo essenziale degli argomenti. Test di verifica, problemi svolti e da svolgere, questi ultimi con soluzioni riportate su Schede di laboratorio raccolte a fine volume e classificate secondo unità e sezioni di riferimento. Lezioni multimediali, testi per l uso passo-passo di simulazioni appositamente create e fornite nella sezione digitale; tali lezioni consentono un approccio intuitivo ai concetti più impegnativi, senza rinunciare all approccio teorico comunque sempre presente e permettono la realizzazione di lezioni meno tradizionali tramite l uso di LIM o proiettori. Elementi didattici inseriti nel testo F acciamo il punto insieme di unità di misura sistema di unità di misura: il sistema internazionale (SI) è quello universalmente riconosciuto le misure comportano unità di misura: grandezza fisica di riferimento intesa come unitaria errori di misura errori sistematici: influenzano la misura sempre allo stesso modo si dicono un caso di errore sistematico è quello che Errori e misure assoluti: gli errori valutati come differenza tra valore misurato e valore vero inserzione del voltmetro: l errore è determinato dalla corrente assorbita dal voltmetro (idealmente nulla) inserzione dell amperometro: l errore è dovuto alla c.d.t. sull amperometro (idealmente nulla) se nella voltamperometrica si ha R A <<R: conviene il voltmetro a monte dell amperometro Facciamo il punto, mappe che riassumono i concetti più significativi, al termine di singoli raggruppamenti di contenuto omogeneo. Post-it, piccoli riassunti concettuali. Note storiche riferite a personaggi e avvenimenti significativi per la materia. L idealità può determinare situazioni assurde perché fisicamente impossibili. Le legge di Ohm nella forma venne scoperta nel 1826 dal tedesco Georg Simon Ohm ( ) e viene spesso indicata come prima legge di Ohm per distinguerla dalla seconda che esprime la dipendenza della resistenza di un conduttore dalla sua lunghezza (proporzionalità diretta) e dalla sua sezione (proporzionalità inversa). 3

4 Presentazione Non solo teoria, schede che affrontano in forma pratica aspetti e applicazioni della materia. Evidenziazione in riquadri delle formule concettualmente conclusive di un discorso. Indicazione grafica del grado di difficoltà dei problemi e dei paragrafi di riferimento. Rimandi ai laboratori e alle lezioni multimediali. Rimandi ai contenuti della sezione digitale: approfondimenti, schede integrative, problemi integrativi, laboratori integrativi, ulteriori lezioni multimediali e unità o sezioni di teoria, specifici file di simulazione. Apertura delle singole sezioni con un immagine di parole chiave che sintetizzano i contenuti e utilizzabili per un ripasso finale. Ampio uso di software di simulazione (senza necessità di particolari prerequisiti) con particolare riferimento a Multisim, Ultiboard e LabVIEW della National Instruments nei laboratori, nelle lezioni multimediali, ecc. Parte digitale DVD allegato al volume di inizio corso con i software National Instruments (Multisim, Ultiboard e LabVIEW) con licenza gratuita per uso limitato a fini didattici in ambito domestico. Nella sezione scaricabile via Internet: file di simulazione previsti per le lezioni multimediali, le attività di laboratorio, ecc.; approfondimenti teorici, dimostrazioni matematiche di relazioni non giustificate nel testo di teoria; schede integrative per ampliare la teoria del testo base; unità di apprendimento, sezioni e schede di laboratorio aggiuntive a quelle del testo base; problemi integrativi svolti e non svolti per approfondire i contenuti non essenziali; manuale dei data sheet per i componenti dell elettronica digitale di base e data sheet dei costruttori per gli altri componenti considerati nel testo; guide (in italiano) all uso dei programmi National Instruments. Questo primo volume del corso è previsto per il terzo anno degli Istituti Tecnici Industriali riformati a indirizzo Elettronica ed Elettrotecnica indipendentemente dall articolazione scelta. I contenuti sviluppati iniziano con le nozioni base di elettricità, lo studio dei circuiti elettrici in corrente continua o comunque con elementi passivi solo resistivi, le nozioni fondamentali sulla strumentazione e il suo uso. Successivamente vengono studiati i fenomeni elettrostatici e il condensatore. Viene poi sviluppata l elettronica digitale di base combinatoria e sequenziale fino a giungere a un introduzione dei sistemi programmabili. Il volume si conclude con l elettromagnetismo e lo studio delle reti a regime sinusoidale. Simboli più frequentemente usati nel corso f.e.m. = forza elettromotrice d.d.p. = differenza di potenziale c.d.t. = caduta di tensione G.d.F. = generatore di funzioni f.d.t. = funzione di trasferimento f.d.p. = fattore di potenza 3 Due luci intermittenti Il semplice circuito proposto usa due LED che si accendono alternativamente e sfrutta l universalità del NAND per usare un solo IC. Il G.d.F. va regolato in modo da fornire un onda quadra compatibile TTL/CMOS alla frequenza di 2-3 Hz. Quando l onda quadra è a livello alto (1) e T 1 è aperto, ovvero anche l altro ingresso del NAND è a 1, in uscita è presente un livello basso (0) e quindi il LED 1 si accende; contemporaneamente in uscita al secondo NAND (usato come NOT) si ha un livello basso e quindi il LED 2 è spento. Viceversa, durante il livello basso dell onda quadra si accende il LED 2 e si spegne il LED 1. Se, come proposto, la frequenza del segnale è bassa, è possibile vedere i due LED accendersi e spegnersi alternativamente. Con T 1 chiuso il primo NAND ha un ingresso a livello basso e quindi la sua uscita è alta, ovvero il LED 1 è spento e il LED 2 è accesso, indipendentemente dal livello dell onda quadra. 4

5 Presentazione Corrispondenza tra conoscenze delle linee guida ministeriali, unità di apprendimento (U.A.) e relative sezioni (SZ.) Secondo biennio - Articolazione Elettronica - vol. 1 (III anno) Le conoscenze ministeriali non considerate sono relative ad altri volumi del corso Alcune conoscenze ministeriali possono comparire in più volumi Principi generali e teoremi per lo studio delle reti elettriche: U.A. 1 e U.A. 8 Rappresentazione vettoriale dei segnali sinusoidali: SZ. 8A Caratteristiche dei componenti attivi e passivi: SZ. 1B, 2B e 4A Componenti reattivi, reattanza e impedenza: SZ. 8A Caratteristiche dei circuiti integrati: SZ. 4A Metodo simbolico per l analisi dei circuiti: SZ. 8A Componenti circuitali e loro modelli equivalenti: SZ. 1B, 2B Bilancio energetico nelle reti elettriche: SZ. 1B, 1D e 8B Sistema di numerazione binaria: SZ. 3A e 3B Algebra di Boole: SZ. 3C Rappresentazione e sintesi delle funzioni logiche: SZ. 3C Famiglie dei componenti logici: SZ. 4A Reti logiche combinatorie e sequenziali: SZ. 3C, U.A. 4 e 5 Registri, contatori, codificatori e decodificatori: U.A. 4 e 5 Dispositivi ad alta scala di integrazione: U.A. 6 Dispositivi programmabili: U.A. 6 La fenomenologia delle risposte, regimi transitorio e permanente: SZ. 2C e 7C Unità di misura delle grandezze elettriche: SZ. 1C La strumentazione di base: SZ. 1C Simbologia e norme di rappresentazione: dove necessario Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio: SZ. 1C I manuali di istruzione: dove necessario Teoria delle misure e della propagazione degli errori: SZ. 1C Metodi di rappresentazione e di documentazione: dove necessario Fogli di calcolo elettronico: lab. SZ. 2C Concetti fondamentali sul campo elettrico e sul campo magnetico: SZ. 2A e 7A Conservazione e dissipazione dell energia nei circuiti elettrici e nei campi elettromagnetici: SZ. 1C, 1D e 7B Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese: dove necessario Corrispondenza tra conoscenze delle linee guida ministeriali, unità di apprendimento (U.A.) e relative sezioni (SZ.) Secondo biennio - Articolazione Elettrotecnica - vol. 1 (III anno) Le conoscenze ministeriali non considerate sono relative ad altri volumi del corso Alcune conoscenze ministeriali possono comparire in più volumi Principi e teoremi per lo studio delle reti elettriche: U.A. 1 e 8 Leggi fondamentali dell elettromagnetismo: U.A. 7 Circuiti magnetici: SZ. 7B Accoppiamento di circuiti: SZ. 7C Conservazione dell energia con riferimento al bilancio delle potenze: SZ. 1B, 1D e 8B Rifasamento: SZ. 8B Rappresentazione vettoriale dei segnali sinusoidali. Diagrammi vettoriali: SZ. 8A Componenti reattivi, reattanza e impedenza: SZ. 8A Metodo simbolico: SZ. 8A Componenti circuitali e i loro modelli equivalenti: SZ. 1B, 2B, 8A Bilancio energetico, componenti attivi e passivi: SZ. 1B,1D e 8B Algebra di Boole: SZ. 3C Il sistema di numerazione binaria: SZ. 3A e 3B Rappresentazione e sintesi delle funzioni logiche: SZ. 3C Reti logiche combinatorie e sequenziali: SZ. 3A, 3C, U.A. 4 e 5 Registri, contatori, codificatori e decodificatori: SZ 4B, 5B e 5C Diagrammi vettoriali: SZ. 8A Circuiti magnetici: SZ. 7B Accoppiamento di circuiti: SZ. 7C Dispositivi ad alta scala di integrazione: U.A. 6 Fenomenologia delle risposte, regimi transitorio e permanente: SZ. 2C e 7C Unità di misura delle grandezze elettriche: SZ. 1C La strumentazione di base: SZ. 1C Simbologia e norme di rappresentazione: dove necessario Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio: SZ. 1C I manuali di istruzione: dove necessario Teoria delle misure e della propagazione degli errori: SZ 1C Metodi di rappresentazione e di documentazione: dove necessario Fogli di calcolo elettronico: lab. SZ. 1C Campo elettrico e campo magnetico: SZ. 2A e 7A Conservazione e dissipazione dell energia nei circuiti elettrici e nei campi elettromagnetici: U.A. 1, 7 e 8 Rifasamento degli impianti utilizzatori: SZ. 8B Riferimenti tecnici e normativi: dove necessario Manualistica d uso e di riferimento: dove necessario Software dedicati: dove necessario Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese: dove necessario Corrispondenza tra conoscenze delle linee guida ministeriali, unità di apprendimento (U.A.) e relative sezioni (SZ.) Secondo biennio - Articolazione Automazione - vol. 1 (III anno) Le conoscenze ministeriali non considerate sono relative ad altri volumi del corso Alcune conoscenze ministeriali possono comparire in più volumi Principi e teoremi per lo studio delle reti elettriche: U.A. 1 e 8 Unità di misura delle grandezze elettriche: SZ. 1C Tipologie di segnali: SZ. 1C La strumentazione di base: SZ. 1C Rappresentazione vettoriale dei segnali sinusoidali: SZ. 8A Simbologia e norme di rappresentazione: dove necessario Componenti reattivi, reattanza e impedenza: SZ. 8A Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio: SZ. 1C Il metodo simbolico: SZ. 8A Bilancio energetico nelle reti elettriche: SZ. 1B, 1D e 8B Manuali di istruzione: dove necessario Sistema di numerazione binaria: SZ. 3A e 3B Teoria delle misure e della propagazione degli errori: SZ. 1C Algebra di Boole: SZ. 3C Metodi di rappresentazione e di documentazione: dove necessario Rappresentazione e sintesi delle funzioni logiche: SZ. 3C Fogli di calcolo elettronico: lab. SZ. 2C Le famiglie dei componenti logici: SZ. 4A Concetti fondamentali sul campo elettrico e sul campo magnetico: SZ. Reti logiche combinatorie e sequenziali: U.A. 3, 4 e 5 2A e 7A Registri, contatori, codificatori e decodificatori: U.A. 4 e 5 Conservazione e dissipazione dell energia nei circuiti elettrici e nei Dispositivi ad alta scala di integrazione: U.A. 6 campi elettromagnetici: SZ. 1B, 1D, 8B e 7B Dispositivi programmabili: U.A. 6 Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese: dove La fenomenologia delle risposte, regimi transitorio e permanente: SZ. necessario 2C e 7C 5

6 Presentazione Corrispondenza tra conoscenze delle linee guida ministeriali, unità di apprendimento (U.A.) e relative sezioni (SZ.) Secondo biennio - Articolazione Elettronica - vol. 2 + fascicolo di completamento (IV anno) Le conoscenze ministeriali non considerate sono relative ad altri volumi del corso Alcune conoscenze ministeriali possono comparire in più volumi Caratteristiche dei componenti attivi e passivi: SZ. 11A, 13A e 13B Comparatori, sommatori, derivatori, integratori e filtri attivi: SZ. 13C, Caratteristiche dei circuiti integrati: SZ. 13C 15B e U.A. 16 Componenti circuitali e loro modelli equivalenti: SZ. 12A, 13A e 13B, Uso del feed-back nell implementazione di caratteristiche tecniche: U.A. 21(EN) SZ. 12B e 13C Teoria dei quadripoli: SZ. 12A Le condizioni di stabilità: SZ. 15A e 15B Analisi armonica dei segnali: SZ. 15A Unità di misura delle grandezze elettriche: dove necessario Filtri passivi: SZ. 15A Simbologia e norme di rappresentazione: dove necessario La fenomenologia delle risposte, regimi transitorio e permanente: U.A. Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio: nei laboratori 15 Risposte armoniche dei circuiti: U.A. 15 I manuali di istruzione: dove necessario Risonanza serie e parallelo: SZ 15A Metodi di rappresentazione e di documentazione: dove necessario Bande di frequenza: U.A. 15 e SZ. 21(EN)B e 21(EN)C Fogli di calcolo elettronico: lab. SZ. 19(EN)A Teoria dei sistemi lineari e stazionari: U.A. 12, 13 e 15 Principi di funzionamento, tecnologie e caratteristiche di impiego dei Algebra degli schemi a blocchi: SZ. 12B componenti circuitali: SZ. 11A, U.A. 16 e 21(EN) Studio delle funzioni di trasferimento: U.A. 15 Elementi fondamentali delle macchine elettriche: U.A. 17 e 19(EN) Rappresentazioni: polari e logaritmiche S.Z. 12A, 15A e 15B Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese: dove Gli amplificatori: principi di funzionamento, classificazioni e parametri necessario funzionali tipici: U.A. 12, 13,15 e 21(EN) Tipi, modelli e configurazioni tipiche dell amplificatore operazionale: SZ. 16C Corrispondenza tra conoscenze delle linee guida ministeriali, unità di apprendimento (U.A.) e relative sezioni (SZ.) Secondo biennio - Articolazione Elettrotecnica - vol. 2 + fascicolo di completamento (IV anno) Le conoscenze ministeriali non considerate sono relative ad altri volumi del corso Alcune conoscenze ministeriali possono comparire in più volumi Componenti circuitali e i loro modelli equivalenti: SZ. 11A e U.A. 13 Sistemi polifase sistemi simmetrici: U.A. 19(ET) Reti elettriche trifase con diverse tipologie di carico: U.A. 19(ET) Rifasamento: SZ. 19(ET)B Analisi armonica dei segnali: SZ. 15A Filtri: SZ. 15A e 15B La fenomenologia delle risposte, regimi transitorio e permanente: U.A. 15 Risposte armoniche, risonanza serie e parallelo: SZ. 15A Teoria dei sistemi lineari e stazionari: U.A. 12, 13 e 15 Algebra degli schemi a blocchi: SZ. 12B Studio delle funzioni di trasferimento: U.A. 15 Rappresentazioni: polari e logaritmiche: SZ. 12A e U.A. 15 Gli amplificatori: principi di funzionamento, classificazioni e parametri funzionali tipici: U.A. 12 e 13 Uso del feed-back nell implementazione di caratteristiche tecniche: SZ. 12B Le condizioni di stabilità: SZ. 15A Tipi, modelli e configurazioni tipiche dell amplificatore operazionale: SZ. 13C Comparatori, sommatori, derivatori, integratori: SZ. 15B e U.A. 16 Unità di misura delle grandezze elettriche: dove necessario Simbologia e norme di rappresentazione: dove necessario Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio: nei laboratori I manuali di istruzione: dove necessario Metodi di rappresentazione e di documentazione: dove necessario Fogli di calcolo elettronico: lab. SZ. 20(ET)A Funzionamento delle macchine elettriche: U.A. 17 e 20(ET) Trasformatore: principio di funzionamento e utilizzo: U.A. 20(ET) Dispositivi elettronici di potenza: U.A. 18 La componentistica degli impianti civili ed industriali ed i dispositivi di sicurezza: U.A. 21(ET) Progettazione e dimensionamento di impianti elettrici in BT a correnti forti e a correnti deboli: U.A. 21(ET) Rifasamento degli impianti utilizzatori: SZ. 19(ET)B Riferimenti tecnici e normativi: dove necessario Manualistica d uso e di riferimento: dove necessario Software dedicati: dove necessario Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese: dove necessario Corrispondenza tra conoscenze delle linee guida ministeriali, unità di apprendimento (U.A.) e relative sezioni (SZ.) Secondo biennio - Articolazione Automazione - vol. 2 (IV anno) Le conoscenze ministeriali non considerate sono relative ad altri volumi del corso Alcune conoscenze ministeriali possono comparire in più volumi Teoria dei quadripoli: SZ. 12A Analisi armonica dei segnali: SZ. 15A Filtri passivi: SZ. 15A Le risposte armoniche e fenomeni di risonanza: 15A Teoria dei sistemi lineari e stazionari: SZ. 12, 13 e 15 Algebra degli schemi a blocchi: SZ. 12B Studio delle funzioni di trasferimento: SZ. 15A e 15B Rappresentazioni polari e logaritmiche: SZ. 12A e U.A. 15 Gli amplificatori: principi di funzionamento, classificazioni e parametri funzionali tipici: U.A. 12, 13 e 15 Tipi, modelli e configurazioni tipiche dell amplificatore operazionale: SZ. 13C Comparatori, sommatori, derivatori, integratori e filtri attivi: SZ. 15C e U.A. 16 Uso del feed-back nell implementazione di caratteristiche tecniche: SZ. 12B Condizioni di stabilità: SZ. 15A Unità di misura delle grandezze elettriche: dove necessario Simbologia e norme di rappresentazione: dove necessario Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio: nei laboratori Manuali di istruzione: dove necessario Metodi di rappresentazione e di documentazione: dove necessario Principi di funzionamento, tecnologie e caratteristiche di impiego dei componenti circuitali: SZ. 11A e U.A. 13 Elementi fondamentali delle macchine elettriche: U.A. 17 Dispositivi elettronici di potenza: U.A. 18 Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese: dove necessario 6

7 Indice unità di apprendimento 1 I circuiti elettrici e le relative misure Sezione 1A Nozioni introduttive 1 Struttura della materia 20 2 La corrente elettrica 22 Quantità di elettricità 22 Intensità di corrente elettrica 22 Densità di corrente elettrica 23 3 Il generatore elettrico 24 4 Multipli e sottomultipli delle unita di misura 25 F acciamo il punto Nozioni introduttive 26 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere 27 Sezione 1B Componenti e circuiti elettrici 1 Componenti e circuiti 29 Classificazione dei componenti elettrici 29 Definizione sui circuiti 29 2 La resistenza, il resistore e la legge di Ohm 30 Resistività e conducibilità 32 3 La legge di Joule e la potenza elettrica 34 Linearità e temperatura 35 4 Forme costruttive dei resistori 35 Il codice a colori 35 F acciamo il punto La legge di Ohm 37 5 Il generatore elettrico nel circuito 37 6 Circuiti serie 38 Il particolare di tensione 40 7 Le grandezze elettriche in un circuito e gli strumenti per misurarle 41 8 La legge di Ohm in un circuito chiuso 42 9 Il potenziometro e il trimmer 43 Forme costruttive Circuiti parallelo La dualità 46 F acciamo il punto I circuiti serie e parallelo Risoluzione delle reti elementari Generatori elettrici di tensione e di corrente 49 Il generatore di tensione 49 Il generatore di corrente 51 Equivalenza tra generatore di tensione e generatore di corrente Le condizioni di massimo trasferimento tra generatore e utilizzatore 53 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere 55 1 Le luci dell albero di Natale, 43 2 Cambio portata di un voltmetro, 44 Introduzione alle misure Sezione 1C e ai segnali elettrici 1 Unità di misura 65 2 Errori di misura 66 3 Erorri assoluti ed errori relativi 67 4 Criteri di inserzione degli strumenti 68 Inserimento del voltmetro 68 Inserimento dell amperometro 69 Inserzione voltamperometrica 69 F acciamo il punto Errori e misure 70 5 Caratteristiche degli strumenti tradizionali 71 Portata 71 Sensibilità 71 Classe di precisione 72 6 L alimentatore stabilizzato 72 Uso pratico dell alimentatore stabilizzato 73 7

8 Indice F acciamo il punto Alimentatore stabilizzato 74 7 Segnali 75 8 Segnali unidirezionali e bidirezionali 77 F acciamo il punto I segnali 77 9 Il valore medio Segnali alternati Il valore efficace Alcuni segnali tipici Il valore efficace in presenza di componente continua 82 F acciamo il punto I segnali periodici Il multimetro digitale 83 Gli strumenti multifunzione di tipo palmare 84 Principali caratteristiche dei multimetri 85 Accessori per multimetri 86 Sezione 1D Metodi di risoluzione delle reti elettriche 1 Premessa Principi di Kirchhoff Metodo delle correnti cicliche o di Maxwell Metodo dei potenziali ai nodi Il principio della sovrapposizioni degli effetti Il principio di Thevenin Principio di Norton 115 F acciamo il punto La risoluzione delle reti elettriche 116 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Le origini delle telecomunicazioni, 76 2 Un accordatore per strumenti musicali, 93 F acciamo il punto Multimetro digitale Il generatore di funzioni L oscilloscopio 88 F acciamo il punto Generatore di funzioni e oscilloscopio 17 Il teorema di Fourier Propagazione degli errori 94 Il caso dell addizione 94 Il caso della sottrazione 95 Il caso della moltiplicazione 96 Il caso dell addizione 96 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere A 1B Problemi integrativi Schede integrative 1B.1 Il calcolo approssimato 1B.2 Inserzione potenziometrica 1B.3 Le trasformazioni stella-triangolo e triangolostella 1C Approfondimenti 1C.1 Il valore medio Schede integrative 1C.1 Le unità di misura del sistema internazionale 1C.2 Valutazione statistica degli errori accidentali 1C.3 Inserzione voltamperometrica 1C.4 Caratteristiche degli alimentatori stabilizzati 1C.5 Studio analitico dei segnali 1C.6 Il multimetro digitale 1C.7 Il generatore di funzioni 1C.8 L oscilloscopio Laboratori integrativi 1C.4 I segnali a due livelli con Multisim 1C.5 Limiti in frequenza del DMM 1D Schede integrative 1D.1 Altri metodi di risoluzione delle reti Laboratori integrativi 1D.3 Valutazione sperimentale del circuito equivalente di Thevenin di un bipolo lineare 8

9 Indice unità di apprendimento 2 L elettrostatica e il condensatore Sezione 2A L elettrostatica 1 Fenomeni elettrostatici Legge di Coulomb Il campo elettrico 133 Effetti del campo elettrico 134 F acciamo il punto Elettrostatica 136 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere 137 Sezione 2B Il condensatore 1 La capacità elettrica e il condensatore 140 La relazione tensione corrente in un condensatore Condensatori in serie e in parallelo L energia di un condensatore 146 Sezione 2C Fenomeni transitori nei circuiti RC 1 I fenomeni transitori nei circuiti RC 150 Transitorio di carica 150 Transitorio di scarica 151 Studio analitico La risposta al gradino 154 F acciamo il punto I transitori RC Circuiti derivatore e integratore 158 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere La schermatura in elettronica, La bottiglia di Leyda e i condensatori variabili, 144 F acciamo il punto Il condensatore 146 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere 147 2A 2B Approfondimenti 2B.1 La capacità di un condensatore piano 2B.2 L energia di un condensatore carico 2C Approfondimento 2C.1 I transitori RC Laboratorio integrativo 2C.3 Analisi sperimentale dei transitori RC e dei derivatori e integratori 9

10 Indice unità di apprendimento 3 Le basi dell elettronica digitale Sezione 3A Introduzione all elettronica digitale 1 Premessa Universalità dell elettronica digitale Sistemi digitali 169 VERIFICA Test Problema svolto 172 Sezione 3B Numerazione binaria 1 Sistemi di numerazione Conversioni 175 Conversione da binario a decimale 175 Conversione da decimale a binario 175 F acciamo il punto Sistemi di numerazione 177 posizionali 3 Aritmetica binaria 178 Addizione 178 Sottrazione 178 La sottrazione con il metodo del complemento alla base 179 Moltiplicazione e divisione 181 F acciamo il punto Operazioni di bilancio 181 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere I diagrammi che ispirarono Leibniz, 175 Sezione 3C Algebra di Boole e circuiti combinatori 1 Variabili logiche e circuiti combinatori 186 Circuiti combinatori Algebra di Boole 187 Proprietà e teoremi dell algebra di Boole Funzioni logiche primarie 190 Funzione logica AND 190 Funzione logica OR 190 Funzione logica NOT 191 Il problema della minimizzazione Altre funzioni logiche 192 La funzione NAND 192 La funzione NOR 192 La funzione OR esclusivo (EX-OR) Gruppi universali 194 Verifica dell universalità dei NAND 194 Verifica dell universalità dei NOR 194 Altri gruppi universali 198 F acciamo il punto Circuiti combinatori e algebra di Boole Livelli logici e circuiti Il concetto di porta logica Forme canoniche 201 Prima forma canonica 201 Seconda forma canonica Le mappe di Karnaugh 205 Minimizzazione di espressioni logiche non canoniche 208 Le condizioni di indifferenza 209 F acciamo il punto Forme canoniche e minimizzazione 210 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere I primi calcolatori, Un circuito che fa le somme in binario, Due luci intermittenti, Un gioco che diventa serratura e combinazione, La tastiera di una calcolatrice, 205 3A 3B Problemi integrativi Schede integrative 3B.1 I numeri negativi 3B.2 Moltiplicazione e divisione in binario 3B.3 I sistemi di numerazione ottale ed esadecimale 3C Problemi integrativi Schede integrative 3C.1 Uso di strutture AOI e OAI 3C.2 Il progetto dei circuiti combinatori 10

11 Indice unità di apprendimento 4 Le famiglie logiche e gli integrati digitali Sezione 4A Le famiglie logiche 1 Le scale di integrazione Le famiglie logiche 221 La famiglia TTL 222 La famiglia CMOS 223 La famiglia BiCMOS Parametri dei dispositivi digitali 224 La caratteristica di trasferimento 224 Correnti in ingresso e in uscita a una porta 225 Margine di rumore 226 La dissipazione di potenza 227 Tempi di commutazione e di propagazione 228 F acciamo il punto I parametri dei dispositivi 230 logici 4 Introduzione al diodo e al transistor 230 Il diodo 230 Porte logiche con i diodi 231 Diodi particolari 232 Il transistor bipolare 232 Il transistor MOS Dispositivi logici di tipo particolare 236 F acciamo il punto Il diodo e il transistor 236 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Gli integrati e il silicio, Una semplice sonda logica, Le origini del diodo e del transistor, Come pilotare un carico di potenza, 235 Sezione 4B I circuiti combinatori con integrati MSI 1 Considerazioni preliminari 240 Livelli logici attivi Multiplexer 241 I data sheet 242 Come aumentare gli ingressi di un multiplexer 243 Conversione parallelo-serie 243 Uso del multiplexer per realizzare reti combinatorie Demultiplexer 245 I data sheet 245 MUX e DEMUX con porte di trasmissione 246 F acciamo il punto MUX e DEMUX I codici 247 Codici binari numerici 247 Codici alfanumerici 252 Codici rivelatori d errore 253 Codici rivelatori e correttori d errore Gli encoder 256 I data sheet I decoder 258 I data sheet I display 260 Display a LED 260 Display a cristalli liquidi I decoder per display a LED 262 I data sheet 262 Come collegarsi a un display 263 Altri decoder 264 Display con decoder incorporato I decoder per LCD Visualizzazione con dati multiplati 267 F acciamo il punto Codici binari Encoder e decoder 268 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Il multiplexer in telefonia, Le luci rotanti, Convertitore da codice Gray a codice binario, La macchina enigma, Visualizzatore per switch rotatorio, 266 4A Schede integrative 4A.1 I circuiti integrati 4A.2 Il FAN-OUT 4A.3 I data sheet degli IC digitali 4A.4 Interfacciamento tra famiglie logiche diverse 4A.5 Dispositivi logici di tipo particolare 4A.6 Il collegamento wired-and e le porte opencollector e open-drain 4A.7 Le porte di trasmissione 4A.8 Integrazioni sugli IC digitali Laboratorio integrativo 4A.3 Misura dei tempi di propagazione 4B Schede integrative 4B.1 I circuiti logici negli IC combinatori MSI 4B.2 Simbologia nei circuiti digitali 4B.3 Circuiti rilevatori d errore 4B.4 I comparatori logici 4B.5 I circuiti logico aritmetici Problemi integrativi Laboratori integrativi 4B.4 Analisi dinamica della serializzazione dei dati tramite MUX 4B.5 Una elementare calcolatrice elettronica 11

12 Indice unità di apprendimento 5 I circuiti sequenziali Sezione 5A Latch e flip-flop 1 Premessa Il latch SR (Set-Reset) 279 Logica antirimbalzi 281 Latch SR con enable Il latch D 283 Integrati commerciali La logica temporizzata 283 Il caso SR edge triggered 284 Ingressi sincroni e asincroni Classificazione dei flip-flop 285 Il flip-flop D edge triggered 285 Il flip-flop JK edge triggered 286 Il flip-flop T 286 La lettura dei data sheet Trasformazioni tra flip-flop 288 Trasformazione di un SR in un JK 288 Trasformazione di un SRFF e di un JKFF in un DFF 288 Trasformazione di un JJKFF in un TFF 288 Trasformazione di un DFF in un TFF 289 F acciamo il punto Latch e flip-flop 289 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere290 1 Registri e memorie, Il gioco del testa o croce, Contatori sincroni 300 Contatori integrati 303 F acciamo il punto I contatori 304 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere305 1 Uso dei contatori, Realizziamo un semaforo, Contatore-contapezzi UP/DW, 303 Sezione 5C Registri 1 Classificazione 309 Registro con ingresso seriale e uscita seriale (SISO: Serial Input Serial Output) 309 Registro con ingresso seriale e uscita parallelo (SIPO: Serial Input Parallel Output) 310 Registro con ingresso parallelo e uscita seriale (PISO: Parallel Input Serial Output) 310 Registro con ingresso parallelo e uscita parallela (PIPO: Parallel Input Parallel Output) 311 F acciamo il punto I registri Dispositivi commerciali Applicazione dei registri 315 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Dado elettronico, 311 Sezione 5B Contatori 1 Generalità Contatori asincroni 294 Contatori asincroni modulo 2 n 294 Contatori di modulo qualunque 295 Contatori a decremento 298 Limite in frequenza dei contatori asincroni 299 5A Problemi integrativi Schede integrative 5A.1 Integrazioni sui flip-flop 5A.2 Approfondimenti teorici sui bistabili Laboratorio integrativo 5A.3 Uso dei flip-flop come divisori di frequenza per due 5B Problemi integrativi Schede integrative 5B.1 Il progetto di un contatore sincrono 5B.2 Contatori integrati Laboratorio integrativo 5B.3 Analisi dinamica dei contatori 5C Laboratorio integrativo 5C.1 Un sommatore con i registri 12

13 Indice unità di apprendimento 6 I circuiti programmabili Sezione 6A Le memorie 1 Introduzione 320 Definizioni 320 Classificazione delle memorie 321 Memorie a semiconduttore 321 Uso delle memorie 323 F acciamo il punto Le memorie Memorie ad accesso casuale Banchi di memoria 325 Il caso delle RAM statiche 326 Il caso delle RAM dinamiche 327 F acciamo il punto Le memorie ad accesso 329 casuale VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere330 1 La RAM di un PC, 326 Sezione 6B I dispositivi ASIC 1 Introduzione Dispositivi semi-custom 336 Dispositivi PLD 336 Dispositivi CPLD 336 Gate array Dispositivi custom 337 Standard-cell 337 Dispositivi full-custom I CPLD Altera 339 VERIFICA Test I dispositivi ASIC, Programmatore e adattatore per CPLD ALTERA, 342 Sezione 6C Microprocessori e microcontrollori 1 Premessa Classificazione dei sistemi digitali Sistemi a microprocessore 345 Trasferimento dati Struttura di un microprocessore 348 Programmazione di una CPU 348 Blocchi funzionali di una CPU 348 Unità logico-aritmetica 349 I registri 349 Circuito di decodifica e controllo microprogramma 351 F acciamo il punto I microprocessori Il ciclo di istruzione La programmazione di un microcomputer 353 I linguaggi ad alto livello 355 Scelta del livello di programmazione La gestione dei segnali di ingresso-uscita 355 Tecniche di colloquio I/O I microcontrollori 357 VERIFICA Test Il primo microprocessore, 351 Sezione 6D I microcontrollori della Microchip 1 La famiglia PIC Il PIC 16F84A I registri del PIC 16F84A Il set d istruzioni della famiglia PIC L esecuzione di una istruzione La programmazione dei PIC Note su altri dispositivi Contatore Up n down, 368 6A Schede integrative 6A.1 Temporizzazioni delle memorie 6A.2 Memorie a sola lettura 6A.3 Memorie a lettura/scrittura 6A.4 La RAM e la cache di un PC 6A.5 Memorie commerciali e loro uso Laboratorio integrativo 6A.1 Controllo sperimentale del funzionamento di una RAM 6B Schede integrative 6B.1 Dispositivi semi-custom 6B.2 Introduzione al VHDL Laboratori integrativi 6B.3 Registro SIPO a 8 bit 6B.4 Stepper 6B.5 SIPO a 4 bit 6C Scheda integrativa 6C.1 Il problema del controllo 6D Schede integrative 6D.1 Il set d istruzioni della famiglia PIC16 6D.2 Le direttive MPASM Laboratori integrativi 6D.4 Programmare i PIC: analisi dei listati 6D.5 Programmare un multiplexer a 8 ingressi di segnale con PIC 16F84A 13

14 Indice unità di apprendimento 7 L elettromagnetismo Sezione 7A Il magnetismo e l elettromagnetismo 1 Fenomeni magnetici Elettromagnetismo e induzione magnetica Campi magnetici e correnti elettriche Proprietà magnetiche dei materiali Campo magnetico e legge della circuitazione magnetica Flusso magnetico e solenoidalità dell induzione magnetica 386 F acciamo il punto Magnetismo ed elettromagnetismo 388 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Il campo magnetico terrestre, L elettromagnete, Il campanello, 385 Sezione 7B I circuiti magnetici 1 Circuiti magnetici Magnetizzazione di un materiale ferromagnetico Legge di Hopkinson 395 F acciamo il punto Circuiti magnetici 401 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Pregi e difetti dell isteresi, 394 Sezione 7C Induzione elettromagnetica 1 La legge dell induzione magnetica Autoinduzione: l induttanza Energia del campo magnetico Mutua induzione Induttori in serie e parallelo 415 F acciamo il punto 416 L induzione elettromagnetica 6 Fenomeni transitori nei circuiti RL 417 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere 419 7A Schede integrative 7A.1 Strumenti di misura tradizionali 7A.2 Gli elettromagneti 7B 7C Approfondimenti 7C.1 F.e.m. indotta in un circuito 7C.2 L energia del campo magnetico 7C.3 Il coefficiente di mutua induzione 14

15 Indice unità di apprendimento 8 Il regime sinusoidale Sezione 8A I componenti e le reti a regime sinusoidale 1 La funzione sinusoidale Rappresentazione vettoriale delle grandezze sinusoidali 428 Il metodo simbolico 429 F acciamo il punto La sinusoide I componenti passivi lineari a regime sinusoidale 433 Il resistore 433 Il condensatore 434 L induttore Circuiti serie 435 Circuiti RC serie 435 Circuiti RL serie 437 Circuiti RLC serie Circuiti parallelo Circuiti serie-parallelo 440 F acciamo il punto Componenti e circuiti 441 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere Ma perché è importante il regime sinusoidale?, 432 Sezione 8B Le potenze a regime sinusoidale 1 La potenza attiva, reattiva e apparente Il teorema di Boucherot Le linee elettriche Il rifasamento 455 F acciamo il punto Le potenze La misura delle potenze La misura di tensione, corrente e potenze con strumentazione elettronica 459 VERIFICA Test Problemi svolti Problemi da svolgere I contatori della luce, 462 8A Scheda integrativa 8A.1 I componenti passivi Problemi integrativi 8B Approfondimenti 8B.1 Potenza attiva a regime sinusoidale 8B.2 La caduta di tensione in linea Scheda integrativa 8B.1 Significato fisico della potenza reattiva unità di apprendimento 9 Circuiti multivibratori per applicazioni digitali unità di apprendimento 10 Automi a stati finiti Sezione 10A Teoria di base Sezione 10B La realizzazione 15

16 Indice Lezioni Multimediali Sezione 1B Componenti e circuiti elettrici 1 Componenti elettrici Collegamenti in serie e in parallelo La misura di corrente e tensione Legge di Ohm 472 Sezione 1C Introduzione alle misure e ai segnali elettrici 1 Il teorema di Fourier Utilità pratica del teorema di Fourier 475 Metodi di risoluzione Sezione 1D delle reti elettriche 1 I principi di Kirchhoff 477 Sezione 6B I dispositivi ASIC 1 Progettazione grafica di una PLD con Multisim Compilare un listato VHDL in ambiente ISE Design Suite e verifica mediante la NI FPGA Board Compilare un listato VHDL in ambiente Quartus II Un esempio guidato di programmazione CPLD in ambiente Quartus II: contatore sincrono modulo La creazione del progetto 501 Descrizione della rete logica 502 La compilazione e la simulazione 505 Il trasferimento sul target 508 La simulazione in ambiente ModelSim-Altera 511 Sezione 3C Algebra di Boole e i circuiti combinatori 1 Gli assiomi dell algebra di Boole Le proprietà dell algebra di Boole 482 Sezione 6D I microcontrollori della Microchip 1 Programmare una rete combinatoria con il PIC Simulare la NAND mediante MCU Module di Multisim 520 Sezione 5A Latch e flip-flop 1 Il latch SR Approfondiamo la conoscenza del latch SR 486 Sezione 8A I componenti e le reti a regime sinusoidale 1 Componenti e circuiti RL serie Componenti e circuiti RC serie 525 Sezione 5B I contatori 1 Il contatore asincrono in avanti Il contatore asincrono all indietro

17 Indice Schede di Laboratorio Laboratorio 1 Scheda di laboratorio 1B.1 Impariamo a riconoscere i resistori 531 Scheda di laboratorio 1B.2 Verifica dei circuiti serie 532 Scheda di laboratorio 1B.3 Verifica dei circuiti parallelo e serie-parallelo 534 Scheda di laboratorio 1B.4 Analizziamo semplici circuiti in DC con Multisim 535 Scheda di laboratorio 1C.1 Visualizzazione di un segnale periodico 538 Scheda di laboratorio 1C.2 Analizziamo i segnali alternati con Mutlisim 539 Scheda di laboratorio 1C.3 Valutazione della componente continua di un segnale (comando AC-DC-GND dell oscilloscopio) Regolazione del duty cycle 540 Scheda di laboratorio 1D.1 La risoluzione delle reti elettriche tramite PC 541 Scheda di laboratorio 1D.2 Usiamo Multisim per comprendere il principio di Thevenin 544 Laboratorio 2 Scheda di laboratorio 2C.1 Analisi sperimentale dei transitori RC tramite EXCEL 545 Scheda di laboratorio 2C.2 Simuliamo i transitori RC con Multisim 546 Laboratorio 3 Scheda di laboratorio 3C.1 Analisi statica di una funzione logica 549 Scheda di laboratorio 3C.2 Analisi dinamica di una funzione logica 553 Laboratorio 4 Scheda di laboratorio 4A.1 Il tracciamento della caratteristica di trasferimento 555 Scheda di laboratorio 4A.2 Circuiti ON-OFF a componenti discreti 557 Scheda di laboratorio 4B.1 Uso del multiplexer per realizzare reti combinatorie 561 Scheda di laboratorio 4B.2 Uso degli encoder e dei decoder a LED e a LCD 562 Scheda di laboratorio 4B.3 Display con dati multiplati 564 Laboratorio 5 Scheda di laboratorio 5A.1 Analisi sperimentale del DFF 566 Scheda di laboratorio 5A.2 Analisi dinamica di un flip-flop 567 Scheda di laboratorio 5B.1 Analisi sperimentale di contatori elementari asincroni 567 Scheda di laboratorio 5B.2 Un contatore sincrono con integrati commerciali 571 Laboratorio 6 Scheda di laboratorio 6B.1 L hardware per la programmazione delle CPLD Altera 573 Scheda di laboratorio 6B.2 Usare la libreria TTL di Quartus II

18 Indice Scheda di laboratorio 6D.1 Programmare un circuito logico elementare 579 Scheda di laboratorio 6D.2 Creare un decoder per display 7 segmenti con il PIC 580 Scheda di laboratorio 6D.3 Realizzare un contatore fino al modulo 256 con PIC16F84A 583 Scheda di laboratorio 8A.2 L analisi dei circuiti a regime sinusoidale con il PC 589 Scheda di laboratorio 8B.1 Verifichiamo il teorema di Boucherot 590 Scheda di laboratorio 8B.2 Analizziamo la caduta di tensione in linea e l utilità del rifasamento 591 Laboratorio 8 Scheda di laboratorio 8A.1 Analisi sperimentale dei circuiti a regime sinusoidale 587 Bibliografia, 593 Indice analitico,

19 S ezione 1A Nozioni introduttive unità di apprendimento 1 I circuiti elettrici e le relative misure obiettivo di competenza finale saper analizzare teoricamente, sperimentalmente e con simulazioni circuitali il funzionamento dei circuiti resistivi con segnali continui e variabili nel tempo obiettivo di competenza intermedio acquisire padronanza sui concetti fondamentali alla base dei fenomeni elettrici e sulle relative unità di misura S ezione 1B Componenti e circuiti elettrici obiettivo di competenza intermedio acquisire autonomia di analisi di semplici circuiti resistivi di tipo serie-parallelo in forma teorica, strumentale e con software dedicati S ezione 1C Introduzione alle misure e ai segnali elettrici obiettivo di competenza intermedio acquisire consapevolezza dei limiti di precisione inerenti le misure elettriche e una prima padronanza d uso degli strumenti di laboratorio, anche in relazione al concetto di segnale elettrico e ai suoi parametri caratteristici anche con l ausilio di software dedicati S ezione 1D Metodi di risoluzione delle reti elettriche obiettivo di competenza intermedio acquisire autonomia di analisi di circuiti resistivi di media complessità attraverso l uso di diversi criteri di studio delle reti elettriche, misure strumentali e software dedicati Nel libro 1A 1B Problemi integrativi Schede integrative 1B.1 Il calcolo approssimato 1B.2 Inserzione potenziometrica 1B.3 Le trasformazioni stella-triangolo e triangolo-stella 1C Approfondimenti 1C.1 Il valore medio Schede integrative 1C.1 Le unità di misura del sistema internazionale 1C.2 Valutazione statistica degli errori accidentali 1C.3 Inserzione voltamperometrica 1C.4 Caratteristiche degli alimentatori stabilizzati 1C.5 Studio analitico dei segnali 1C.6 Il multimetro digitale 1C.7 Il generatore di funzioni 1C.8 L oscilloscopio Laboratori integrativi 1C.4 I segnali a due livelli con Multisim 1C.5 Limiti in frequenza del DMM 1D Schede integrative 1D.1 Altri metodi di risoluzione delle reti Laboratori integrativi 1D.3 Valutazione sperimentale del circuito equivalente di Thevenin di un bipolo lineare 1A Teoria, test e problemi 1B Teoria, test e problemi Lezioni multimediali Laboratori 1B.1, 1B.2, 1B.3, 1B.4 1C Teoria, test e problemi Lezioni multimediali Laboratori 1C.1, 1C.2, 1C.3 1D Teoria, test e problemi Lezioni multimediali Laboratori 1D.1, 1D.2

20 sezione 1A PAROLE CHIAVE Nozioni introduttive legame quantità bande potenziale ione elettrica orbitale corrente densità molecola volt ampere tensione elettrone neutrone atomo protone elettricità intensità differenza coulomb 1. Struttura della materia L atomo era ritenuto l unità più piccola ed indivisibile della materia dai filosofi greci Leucippo, Epicuro e Democrito (dottrina dell atomismo, IV secolo a.c.). Il primo modello atomico che ipotizzò l esistenza di particelle più piccole fu del fisico brittannico Joseph John Thomson ( ) che lo propose nel 1902: pensò l atomo composto da un nucleo positivo dove erano immersi elettroni negativi. Nel 1911 il chimico e fisico neozelandese Ernest Rutherford ( ) con un bombardamento di raggi alfa intuì un modello atomico con un nucleo attorno al quale ruotavano gli elettroni. Nel 1913 il fisico e matematico danese Niels Bohr ( ) capì che gli elettroni potevano occupare orbite diverse in relazione al loro livello energetico. Il neutrone fu scoperto dal fisico inglese James Chadwick ( ) nel La meccanica quantistica introdusse poi il concetto di orbitale in sostituzione di quello di orbita, eliminando quindi la rigida struttura atomica di tipo planetario. Qualunque corpo che occupi spazio e sia dotato di massa è definito con il termine generale di materia. Dal punto di vista macroscopico la materia si presenta in tre stati di aggregazione diversi e caratterizzati da proprietà fisiche differenti: solido, liquido e aeriforme. Le caratteristiche della materia trovano una spiegazione sul piano microscopico: essa è infatti composta da aggregati di particelle elementari organizzate in atomi, a loro volta uniti a formare molecole. Gli atomi hanno una struttura interna realizzata da tre particelle fondamentali. I protoni, con carica elettrica positiva, insieme ai neutroni, con massa uguale a quella dei protoni, ma elettricamente neutri, compongono il nucleo, posto al centro dell atomo, intorno al quale si muovono gli elettroni, con carica elettrica negativa e massa inferiore a quella dei protoni. Gli elettroni descrivono orbite a distanze diverse, ma comunque molto lontane dal nucleo stesso. Non è possibile sapere con certezza dove si troverà in un certo istante un elettrone nell atomo, dato che si muove in modo casuale intorno al nucleo, ma esiste una zona dove è massima la probabilità di trovarlo, chiamata orbitale. Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni, a ciascuno dei quali corrisponde un ben preciso valore di energia, chiamato livello energetico (fig. 1). All orbitale più vicino al nucleo compete un livello energetico più basso, mentre gli altri assumono livelli energetici via via crescenti, con l aumentare della loro distanza dal nucleo. I livelli energetici vengono numerati, partendo dal più interno verso il più esterno, con 1, 2, 3, 4, ecc., mentre gli orbitali vengono indicati con le lettere s, p, d, f, ecc. Gli elettroni tendono a occupare gli orbitali partendo da quello più vicino al nucleo, che richiede minore energia, riempiendo, via via, quelli ad energia superiore; tuttavia ogni livello energetico può avere al massimo un determinato numero di elettroni. Gli elettroni più vicini al nucleo sono, ovviamente, quelli legati più fortemente ad esso, mentre allontanandosi dal nucleo, la forza di tale legame diminuisce. Gli elettroni più esterni degli atomi, vengono chiamati elettroni di valenza e sono quelli che ne determinano le proprietà chimiche, in quanto più soggetti alle interazioni con l esterno. 20