Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2007/08
Annarita Margiotta [email protected]
tel. 0512095226
Gianni Siroli [email protected] tel.: 0512095240
Scopi del corso
• fornire i principii di base e gli elementi tecnico- pratici relativi allo studio dei circuiti elettrici e
dell’elettronica a semiconduttori lineare e digitale
• introduzione all’uso della strumentazione di base per le misure elettriche
• introduzione alla strumentazione in uso nelle osservazioni astronomiche e astrofisiche
Programma del corso
• cenni di elettromagnetismo classico:
• cariche, forze, potenziali, campi
• elettronica analogica:
– grandezze fondamentali per l’analisi dei circuiti elettronici ed elementi lineari dei circuiti:
• tensione
• corrente
• resistenza
• capacità
• induttanza
– leggi di Ohm e di Kirchhoff
• legge di Ohm generalizzata
– formalismo complesso – filtri
• cenni sulla struttura a bande
• semiconduttori
• elementi non lineari
– passivi : diodi
– attivi : transistor - BJT; FET
• amplificatori
• ADC/DAC
• richiami sulla teoria degli errori
• introduzione al laboratorio
• elettronica digitale:
– fondamenti di logica simbolica (algeba di Boole) – porte logiche e tavole di verità
– circuiti digitali combinatori:
• multiplexer
• codificatori
• decodificatori
• sommatori
• genaatori di parità
• ROM
• PLA
– circuiti sequenziali :
• flip-flop
• registri
• contatori
• introduzione ai sistemi di acquisizione dati
• CCD ad uso astronomico
• fotomoltiplicatori
• radiotelescopi
• Esercitazioni di laboratorio con relazione scritta
(obbligatorie)
Testi consigliati
Una selezione di argomenti da:
• Resnick, Halliday, Krane – Fisica 2, C.E.A.
• Millman, Grabel - Microelettronica, McGraw-Hill
• Martinez, Klotz – A practical guide to CCD astronomy, Cambridge University Press
• dispense presso la portineria del Dip. Astronomia
• sito Internet: http://ishtar.df.unibo.it
• in alternativa si può usare qualunque altro testo di elettromagnetismo, circuiti ed elettronica
Tutti i testi sono disponibili nella biblioteca del Dipartimento di Astronomia
schema di reticolo cristallino moto caotico delle cariche libere
velocità media tra 2 urti ≈ 106 m/s
velocità di deriva ≈ 10-2 - 10-3 m/s
• simbolo circuitale resistenza
• dipendenza di e quindi di R dalla temperatura
questi valori valgono per una temperatura prefissata
= 10+15 m
= 10- 8 m
= da 10- 3 a 10 2 m Isolanti: Vetro, plastica, polistirolo
Semiconduttori: Germanio, silicio, boro Conduttori: Rame, ferro, alluminio
0,01
da 1 K a 100 M
1013 isolante
semiconduttore conduttore
Resistenza di un filo di lunghezza 3 m e sezione 3 mm 2
L = 3 m A = 3 mm2
RESISTIVITA’ : metro (ohm metro) RESISTENZA R = L / A ohm
RESISTORI
• Per un conduttore ohmico la resistenza è indipendente dalla ddp applicata
R V
I
- +
v (t) = R i(t)
IMPORTANTE:
Leggi di Ohm
• Prima legge di Ohm: in un conduttore metallico l'intensità di corrente (a temperatura T costante) è direttamente proporzionale alla tensione
applicata ai suoi capi e inversamente
proporzionale alla resistenza del conduttore.
i(t) = 1/R v(t)
• Seconda legge di Ohm: in un conduttore
metallico di sezione costante S e lunghezza L, la resistenza è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e alla resistività , inversamente
proporzionale alla sua sezione S:
R = L/S
elementi lineari (ideali)
• resistore: elemento di circuito dotato di uno specifico valore di resistenza. Dissipa energia sotto forma di calore (effetto Joule)
v(t) = R i(t)
• capacitore: elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo elettrico
v(t) = 1/C ∫ i(t) dt
• induttore : elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo magnetico
v(t) = L di(t)/dt
Potenza ed energia
• Potenza dissipata in un circuito:
W = V I = R I2 = V2/R
in una resistore effetto Joule
• energia immagazzinata in un capacitore:
E = 1/2 C V2
• energia immagazzinata in un induttore:
E = 1/2 L I2
facciamo il punto della situazione 1
• conduttori - isolanti
• intensità di corrente i = dq/dt : 1 Ampere = 1 Coulomb/s
• nei conduttori la corrente è data dal movimento di elettroni (unipolare).
• per convenzione il verso positivo della corrente è quello che si avrebbe se si muovessero le cariche positive.
• differenza di potenziale elettrica (o forza elettromotrice o tensione):
Volt
• resistenza : Ohm
• RESISTORI : v(t) = R i(t) legge di Ohm
• capacità : Farad
• CAPACITORI (CONDENSATORI) : q(t) = C v(t) v(t) = 1/C ∫ i(t) dt
• induttanza : Henry
• INDUTTORI : v(t) = L di(t)/dt
Per completare
• generatore di tensione (ideale): dispositivo che mantiene costante una ddp ai capi di un carico, indipendentemente dal valore del carico
• generatore di corrente (ideale): dispositivo che fornisce una corrente indipendentemente dal carico
• circuito : insieme di elementi cpllegati mediante conduttori di resistenza, capacità e induttanza trascurabili
• rete : circuito complesso
• maglie : circuiti componenti una rete
• rami : parte di un circuito percorso dalla stessa corrente e compreso tra 2
• nodi : è un punto in cui le correnti si dividono
Leggi di Kirchhoff
1. In ogni nodo la somma algebrica delle correnti è uguale a 0
2. In ogni maglia la somma algebrica delle ddp è uguale a 0.
• Resistenze in serie e in parallelo
• Condensatori in serie e in parallelo
• Induttanze in serie e in parallelo
Generatore di tensione ideale e reale
Un generatore di tensione ideale è un generatore che produce la stessa tensione indipendentemente dal carico; questo equivale a dire che ha una resistenza interna nulla.
Ciò non accade nel generatore reale in cui, a causa della resistenza interna, la tensione decresce all’aumentare del carico.
L i
i L
i L
i L
R R R V
R R
V V
1 0
Ri
RL Vi
VL
Generatore di corrente ideale e reale
Un generatore di corrente ideale è un generatore che fornisce una corrente indipendentemente dal carico, questo equivale a dire che ha una
resistenza interna infinita.
Ciò non accade nel generatore reale, la cui la resistenza interna ha un valore finito.
i L L
L i
L i L
L L
R I R
R R
R
R I R
R I V
1
1 1
Ri RL
I VL
