1. Elettricità di Base per Radioamatori

Più di duemila anni fa i greci notarono che l'ambra (una resina fossile indurita), dopo essere stata strofinata con un panno di lana, acquisiva la proprietà di attrarre corpi leggeri come pezzetti di paglia o piccoli semi. Da questa osservazione deriva il termine elettricità, dal greco elektron che significa appunto ambra.

L'elettricità è una forma di energia estremamente versatile: può essere convertita in molte altre forme, come la luce (lampade), il calore (forni elettrici, scaldabagni), il movimento (motori elettrici) e il suono (altoparlanti). Questa versatilità la rende la forma di energia più utilizzata nella tecnologia moderna, compresa tutta l'elettronica dei radioamatori.

Tutte le sostanze sono composte da particelle microscopiche chiamate atomi. Sono talmente piccoli che in una capocchia di spillo ve ne sono circa 60 miliardi. Ogni atomo ha una struttura precisa:

• Nucleo — al centro dell'atomo, molto piccolo rispetto alle dimensioni totali ma contenente quasi tutta la massa. È composto da protoni (carica positiva) e neutroni (nessuna carica).
• Elettroni — orbitano attorno al nucleo su strati detti gusci. Sono numericamente uguali ai protoni in un atomo neutro, ma hanno massa trascurabile (9,1 × 10⁻³¹ kg) e portano una carica negativa di circa −1,6 × 10⁻¹⁹ Coulomb ciascuno. Attorno al nucleo possono esserci al massimo 7 gusci, ognuno con un numero massimo di elettroni.

Numero atomico  = numero di protoni nel nucleo
Numero di massa = protoni + neutroni
Atomo neutro    = numero di protoni = numero di elettroni

La carica elettrica può essere di due tipi: positiva e negativa. In un corpo neutro le due cariche si bilanciano esattamente. Un corpo diventa carico quando acquisisce o perde elettroni: se perde elettroni risulta carico positivamente, se ne acquista risulta carico negativamente. Cariche dello stesso segno si respingono; cariche di segno opposto si attraggono.

La tensione (o differenza di potenziale) è la grandezza fisica che misura il dislivello elettrico tra due punti di un circuito. Si può immaginare come la differenza di quota fra due punti in un sistema idraulico: più alto è il dislivello, più forte è la spinta dell'acqua (o degli elettroni).

Il generatore di tensione è un dispositivo che mantiene una differenza di potenziale costante ai propri poli, «pompando» gli elettroni nel circuito allo stesso modo in cui una pompa idraulica fa circolare l'acqua nelle tubature. Esempi concreti:

• La pila / batteria — il generatore più comune; ha un polo positivo (+) e uno negativo (−). Per convenzione, la corrente circola dal polo positivo verso il polo negativo nel circuito esterno.
• La dinamo / alternatore — usato nelle biciclette e negli alternatori delle automobili.
• La presa di rete — si comporta come generatore di tensione alternata quando vi si collega un circuito.

# Unità di misura della tensione
Grandezza  : Tensione  (V)
Simbolo    : V  (Volt)
In onore di: Alessandro Volta

# Esempi di tensioni tipiche
Pila stilo AA    = 1,5 V
Batteria auto    = 12 V
Rete elettrica   = 230 V (AC, valore efficace)
Trasmettitore HF = da 12 a 50 V di alimentazione

I materiali si classificano in base alla loro capacità di permettere il flusso di corrente elettrica:

• Conduttori — sostanze in cui gli elettroni si muovono facilmente. Gli atomi dei metalli hanno elettroni negli strati esterni molto mobili. I migliori conduttori in ordine di conduttività sono: argento, rame, oro, alluminio, ferro. Per il buon rapporto conduttività/costo, i fili elettrici sono quasi sempre in rame, talvolta in alluminio per linee ad alta tensione.
• Isolanti — sostanze in cui gli elettroni non si muovono liberamente. Esempi: plastica, gomma, vetro, porcellana, quarzo, aria, carta, legno. I fili conduttori sono avvolti in materiale isolante (tipicamente PVC) per prevenire cortocircuiti e proteggere l'utente.
• Semiconduttori — materiali con proprietà elettriche intermedie tra conduttori e isolanti. Sono alla base di transistor, diodi e circuiti integrati. I più usati sono silicio (Si), germanio (Ge) e arseniuro di gallio (GaAs).

# ρ (resistività) in Ω·m — più basso = miglior conduttore
Argento   1,62 × 10⁻⁸   # ottimo ma costoso
Rame      1,69 × 10⁻⁸   # standard per i cavi
Oro       2,35 × 10⁻⁸   # usato per contatti critici
Alluminio 2,75 × 10⁻⁸   # linee ad alta tensione
Ferro     9,68 × 10⁻⁸
Silicio   2,5  × 10³    # semiconduttore
Vetro     10¹⁰ – 10¹⁴  # isolante
Quarzo    ~10¹⁶         # eccellente isolante RF

Un conduttore è percorso da corrente elettrica quando al suo interno avviene una migrazione ordinata di elettroni, messa in moto da un campo elettrico (cioè da una differenza di potenziale). La corrente misura quanta carica passa attraverso una sezione del conduttore in un secondo.

# Unità di misura: Ampere (A)
1 Ampere = 1 Coulomb al secondo

# 1 A equivale al passaggio di circa:
6,24 × 10¹⁸ elettroni al secondo

In elettronica si usano spesso frazioni dell'Ampere. La tabella dei prefissi del Sistema Internazionale è fondamentale per l'esame e per leggere datasheet di componenti:

# Prefisso  Simbolo  Moltiplicatore   Potenza di 10
Tera        T        1.000.000.000.000    10¹²
Giga        G        1.000.000.000        10⁹
Mega        M        1.000.000            10⁶
kilo        k        1.000                10³
—           —        1                    10⁰
milli       m        1/1.000              10⁻³
micro       µ        1/1.000.000          10⁻⁶
nano        n        1/1.000.000.000      10⁻⁹
pico        p        1/1.000.000.000.000  10⁻¹²

# Esempi pratici
100 mA  = 0,1 A     # corrente tipica LED
3,5 MHz = 3.500.000 Hz  # banda dei 80m
50 µV   = 0,00005 V  # segnale debole in ricezione

Affinché vi sia corrente, i componenti e i fili devono formare un circuito chiuso: un percorso continuo, senza interruzioni, che collega il polo positivo al polo negativo del generatore attraverso il carico. Se il circuito è aperto (un interruttore aperto, un filo spezzato), la corrente non scorre.

Qualunque materiale, anche il rame dei fili, oppone una certa resistenza al passaggio della corrente. La resistenza si misura in Ohm (simbolo Ω) ed è legata alle proprietà fisiche del materiale dalla seconda legge di Ohm:

R = ρ × L / S

# dove:
R = resistenza in Ohm (Ω)
ρ = resistività del materiale (Ω·m)
L = lunghezza del conduttore (m)
S = area della sezione trasversale (m²)

# Esempio: 100 m di filo di ferro con sezione 1 mm²
# 1 mm² = 10⁻⁶ m²
R = 9,68 × 10⁻⁸ × 100 / 10⁻⁶ = 9,68 Ω

La prima legge di Ohm (la più importante per i circuiti) mette in relazione tensione, corrente e resistenza con una semplice proporzionalità diretta:

V = R × I   # tensione = resistenza × corrente
R = V / I   # resistenza = tensione / corrente
I = V / R   # corrente = tensione / resistenza

# Unità derivate:
1 Ω = 1 V / 1 A

# Esempio: batteria 10 V, resistore 5 Ω
I = 10 / 5 = 2 A

Quando due o più resistori sono collegati in serie (uno di seguito all'altro lungo lo stesso percorso), la stessa corrente attraversa tutti i componenti. La resistenza equivalente dell'insieme è semplicemente la somma dei valori individuali:

R_tot = R₁ + R₂ + R₃ + ... + Rₙ

# In serie: la corrente è UGUALE in tutti i resistori
# In serie: le tensioni ai capi si SOMMANO

# Esempio: R₁ = 100 Ω, R₂ = 200 Ω
R_tot = 100 + 200 = 300 Ω

Un'applicazione importante dei resistori in serie è il partitore di tensione: si usano due resistenze in serie per ottenere una tensione minore a partire da una maggiore. La tensione si ripartisce proporzionalmente ai valori delle resistenze:

# Tensione ai capi di R₁ e R₂ in un partitore
V₁ = (R₁ / (R₁ + R₂)) × E
V₂ = (R₂ / (R₁ + R₂)) × E

# Esempio: batteria E = 10 V, voglio V₂ = 2 V
# Scelgo R₁ = 800 Ω, R₂ = 200 Ω
I_tot = 10 / (800+200) = 10 mA
V₂    = 200 × 10 mA = 2 V  ✓

Quando due o più resistori sono collegati in parallelo (entrambi i terminali di ogni resistore connessi agli stessi nodi), la stessa tensione è applicata a tutti. Le correnti si dividono tra i rami. La resistenza equivalente si calcola con la formula dei reciproci:

# Formula generale (N resistori in parallelo)
1/R_tot = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...

# Formula comoda per DUE soli resistori
R_tot = (R₁ × R₂) / (R₁ + R₂)

# Caso speciale: due resistori UGUALI in parallelo
R_tot = R / 2

# Esempio: R₁ = 300 Ω, R₂ = 700 Ω
R_tot = (300 × 700) / (300 + 700) = 210 Ω
# Nota: R_tot è SEMPRE minore del più piccolo resistore!

In parallelo, la corrente si ripartisce in modo inverso ai valori resistivi: il ramo con resistenza maggiore è percorso da corrente minore. Questo comportamento è detto partitore di corrente. Un caso importante è quello di un cortocircuito (R = 0 Ω) in parallelo a un resistore: la resistenza equivalente diventa zero e tutta la corrente scorre nel cortocircuito.

Quando la corrente attraversa un resistore, parte dell'energia elettrica si converte inevitabilmente in calore. Questo fenomeno si chiama effetto Joule (dal fisico inglese James Prescott Joule). Ha implicazioni sia negative (perdita di energia, riscaldamento indesiderato) sia positive (lampade a incandescenza, fusibili, forni elettrici, scaldabagni).

La grandezza che quantifica questo consumo di energia è la potenza dissipata, misurata in Watt (W):

# Forma base
P = V × I

# Sostituendo V = R×I  →  forma con corrente
P = R × I²

# Sostituendo I = V/R  →  forma con tensione
P = V² / R

# Esempio: V = 10 V, R = 100 Ω
I = V/R = 10/100 = 100 mA
P = V×I = 10 × 0,1 = 1 W

# Attenzione: raddoppiando la tensione la potenza QUADRUPLICA!
# V = 20 V  →  P = 20² / 100 = 4 W

I resistori commerciali hanno una potenza massima nominale: i valori standard sono 1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, 1 W e oltre. Superare questo limite causa il danneggiamento (bruciatura) del componente. Prima di inserire un resistore in un circuito è sempre necessario verificare che la potenza dissipata calcolata sia inferiore alla potenza massima del componente.

Tutte le formule viste in questa lezione, raccolte in un unico blocco di riferimento rapido da memorizzare prima dell'esame:

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 LEGGE DI OHM (I forma)
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V = R × I       # [V] = Volt
R = V / I       # [R] = Ohm (Ω)
I = V / R       # [I] = Ampere (A)

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 LEGGE DI OHM (II forma — resistività)
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R = ρ × L / S   # ρ in Ω·m, L in m, S in m²

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 RESISTORI IN SERIE
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R_tot = R₁ + R₂ + ... + Rₙ

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 RESISTORI IN PARALLELO
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R_tot = (R₁ × R₂) / (R₁ + R₂)   # solo 2 resistori
1/R_tot = 1/R₁ + 1/R₂ + ...     # formula generale

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 POTENZA DISSIPATA (Effetto Joule)
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P = V × I       # [P] = Watt (W)
P = R × I²      # cresce col quadrato di I
P = V² / R      # cresce col quadrato di V

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 PARTITORE DI TENSIONE
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V₂ = (R₂ / (R₁ + R₂)) × E