Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura

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1 Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Università di Milano, Crema liberali@dti.unimi.it liberali Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 1 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. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 2 1

2 Programma 1 1. Grandezze elettriche. (a) Unità di misura del Sistema Internazionale (SI). (b) Definizione delle grandezze elettriche principali. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 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) Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 4 2

3 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). Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 5 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 non è ambigua: V= 2 V 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). Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 6 3

4 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 Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 7 Esempi 10 ns= s=10 8 s= s 20µA= 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! Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 8 4

5 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. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 9 Grandezze fisiche importanti (2/2) potenza: P, è la derivata dell energia rispetto al tempo: P= dw dt La potenza media è data dal rapporto tra l energia e il 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. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 10 5

6 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= C (q è molto piccola). La carica del protone è+q, mentre la carica dell elettrone è q. 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. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 11 Grandezze elettriche (2/8) carica elettrica (continuazione) 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. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 12 6

7 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. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 13 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 R 2 12 u R12 u R12 q 2 + F 2 F 1 + q 1 Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 14 7

8 Grandezze elettriche (5/8) campo elettrico: è il rapporto tra la forza che agisce su una carica q 0 e la carica q 0 medesima: F E= = 1 Q q 0 4πǫ R 2 u R E si misura in volt al metro (V/m), che equivalgono a newton al coulomb (N/C); 1 V / m = 1 N / C Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 15 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 E d l b l dl a E Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 16 8

9 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 sia chiuso, la differenza di potenziale è nulla. V si misura in volt (V); 1 V = 1 kg m 2 / A s 3 Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 17 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 1A=1W Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 18 9

10 Problema Calcolare l intensità di corrente elettrica in una lampadina da 75 W funzionante con una tensione pari a 220 V. Soluzione: Dalla relazione P=VI si ricava: I= P V e, sostituendo i valori numerici assegnati, si ottiene: I= 75 W 0.34 A=340 ma. 220 V In generale, è meglio risolvere i problemi in forma simbolica, e solo alla fine sostituire ai simboli i valori numerici. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p. 19 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). Tipograficamente, le grandezze elettriche costanti nel tempo vengono indicate con simboli corsivi maiuscoli: ad esempio, V, I. Invece, le grandezze elettriche variabili nel tempo si indicano con simboli corsivi minuscoli: ad esempio, v indica una tensione che varia nel tempo (e quindi dovrebbe essere scritta come v(t), ma spesso la dipendenza dal tempo non viene indicata esplicitamente). Attenzione a non confondere le grandezze elettriche constanti nel tempo con le unità di misura: ricordare sempre che le unità di misura sono indicate in carattere normale. Elettronica I Grandezze elettriche e unità di misura p