Musica e Codice

Elettricità

Si spiegano così lo scorrere delle acque, la caduta dei fulmini, e la meravigliosa forza d'attrazione dell'ambra e della calamita: in nessuno di tutti questi oggetti vi è la forza attraente, ma poiché il vuoto non c'è, questi corpi si respingono in giro l'uno con l'altro, e separandosi e congiungendosi, cambiano di posto, e vanno ciascuno nella propria sede.   Platone

La materia dell'universo è formata da atomi che a loro volta sono formati da una combinazione di tre particelle:

• Elettroni (-)
• Protoni (+)
• Neutroni

Il loro numero all'interno di un atomo (o meglio il numero di protoni o numero atomico) definisce quale elemento chimico rappresenta quell'atomo, ad esempio:

• 1 protone = idrogeno
• 29 protoni = rame
• 94 protoni = plutonio

Se un atomo è in uno stato di equilibrio stabile ha lo stesso numero di protoni e di elettroni. I primi formeranno assieme ai neutroni il nucleo dell'atomo, i secondi ruoteranno attorno al nucleo seguendo diverse orbite:

Gli elettroni infatti sono legati all'atomo grazie alla carica elettrica che è una proprietà della materia e può essere di due tipi:

• positiva (+)
• negativa (-)

Gli elettroni hanno una carica negativa, i protoni hanno carica positiva mentre i neutroni non hanno carica (carica neutra). Tra questi due tipi di carica agisce una forza chiamata forza elettrostatica o forza di Coulomb che fa sì che due cariche dello stesso segno si respingono mentre due cariche di segno opposto si attraggono:

Questo è il collante che tiene gli elettroni legati al nucleo di un atomo.

La distanza tra due cariche (sia di segno opposto che dello stesso segno) definisce la quantità di forza elettrostatica: più sono vicine maggiore sarà la forza (sia di spinta che di attrazione). Le orbite dei singoli elettroni si sviluppano a distanze variabili rispetto al nucleo e gli elettroni più vicini ad esso subiranno una maggiore forza di attrazione rispetto a quelli più lontani che sono chiamati elettroni di valenza e possono essere espulsi dall'atomo più facilmente dei primi. Infatti se applichiamo in qualche modo una maggiore forza elettrostatica su un elettrone di valenza (attirandolo con una carica positiva o respingendolo con una negativa) lo possiamo estrarre dall'atomo trasformandolo in un elettrone libero All'interno della materia questi elettroni passano da un atomo all'altro in modo caotico sostituendosi vicendevolmente per mantenere l'equilibrio elettrico dei singoli atomi:

Se però prendiamo in considerazione la materia che forma un filo di rame (materiale conduttore) e applichiamo alle sue due estremità cariche di segno opposto il moto degli elettroni liberi non sarà più caotico ma seguirà un flusso ordinato che va dalla carica negativa verso quella positiva (anche se la corrente convenzionale ha direzione opposta: dal potenziale positivo a quello negativo).

Questo flusso si chiama corrente elettrica e per quanto riguarda l'argomento trattato in questo scritto scorre in un circuito elettrico. Essa infatti è la forma di energia che alimenta tutti i devices elettrici che utilizziamo quotidianamente e come abbiamo visto può descrivere e trasportare all'interno di una catena elettroacustica un segnale audio.

Esistono due tipi di corrente: continua (DC o Direct Current) e alternata (AC o Alternate Current).

Il primo caso (DC) si verifica quando ad esempio colleghiamo una pila ad un circuito come faremo in seguito: il flusso di elettroni scorre nel cavo seguendo un'unica direzione oppure quando inviamo la phantom power (+48V) ad un microfono a condensatore, mentre il secondo caso (AC) è quello della corrente fornita alle prese elettriche delle nostre abitazioni: tutti i generatori elettrici producono infatti corrente di questo tipo dove il flusso di elettroni si muove prima in una direzione (fase positiva) poi nell'altra (fase negativa) seguendo usualmente un andamento sinusoidale. Possiamo verificare questa affermazione osservando uno schema illustrante i tipi di elettricità ditribuiti nei vari paesi del mondo notando come i parametri specificati siano due: il voltaggio (V) e la frequenza (Hz) dell'andamento sinusoidale. Questo tipo di corrente inoltre è quello che descrive e trasporta tutti i segnali audio analogici.

Circuiti elettrici

La corrente elettrica può scorrere all'interno di un circuito chiuso realizzato con un materiale conduttivo come ad esempio il rame (non a caso il materiale con il quale sono costruiti i fili elettrici), ovvero un materiale che non oppone grande resistenza al flusso di elettroni liberi, al contrario di un materiale isolante come ad esempio la gomma con la quale sono ricolerti i fili elettrici di rame.

Un circuito deve essere formato da almeno tre elementi:

• Un dispositivo generatore come una batteria o una presa di corrente che generi una differenza di potenziale elettrico (Tensione) alle estremità del circuito.
• Dei cavi attraverso i quali può scorrere il flusso di elettroni liberi (Corrente)
• Un dispositivo utilizzatore (Resistenza) che generalmente trasforma l'energia elettrica in qualche altra forma di energia come luce (lampadina), calore (termosifone), movimento (membrana di un altoparlante), etc. oppure "rallenta" il flusso di elettroni per evitare spiacevoli inconvenienti come il corto circuito.

In genere è presente anche un interruttore per aprire o chiudere il circuito:

Vediamoli nel dettaglio tenendo sempre ben presente la figura sottostante.

Tensione (V)

La tensione può essere definita come la differenza di potenziale tra due punti di un campo elettrico o di un circuito elettrico. Per meglio comprendere questa definizione dobbiamo però prima capire cosa è l'energia in generale: energia è la capacità di un oggetto di compiere lavoro su un altro oggetto ovvero la capacità di muovere quell'oggetto a una certa distanza. Detto ciò completiamo l'informazione col dire che esistono solo due stati di una qualsiasi forma di energia: cinetica o potenziale.

• La prima (energia cinetica) si verifica quando un oggetto è in movimento e la sua quantità dipende dalla massa e dalla velocità dell'oggetto: osservando la figura soprastante pensate ai sassi che cadono dal dirupo: più grandi saranno maggiore sarà la velocità e di conseguenza l'energia cinetica.

• La seconda (energia potenziale) è l'energia immagazzinata da un oggetto quando è a riposo ovvero quanto lavoro potrebbe fare nel caso in cui fosse messo in moto e sempre guardando la figura soprastante corrispone all'alltezza della montagna: più i sassi sono in alto maggiore sarà la la velocità e di conseguenza l'energia cinetica. Quando un oggetto è messo in moto l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica.

Tornando nello specifico l'energia potenziale elettrica descrive la quantità di energia immagazzinata da una carica (sia essa positiva o negativa) che, se messa in moto da una forza elettrostatica si trasforma in energia cinetica che compie lavoro (il flusso di elettroni). Per tutte le cariche comprese in un campo elettrico l'energia potenziale elettrica dipende dal tipo (positivo o negativo) e dalla quantità di carica, nonchè dalla sua posizione nel campo. La tensione ovvero la differenza di potenziale elettrico non è però la stessa cosa dell'energia potenziale elettrica: in ogni campo elettrico o circuito ci sono due punti di potenziale elettrico: uno di alto potenziale (+) dove una carica positiva avrebbe l'energia massima possibile e che nella figura corrisponde al punto più alto della montagna e uno di basso potenziale (-) dove una carica avrebbe la minima energia possibile e che nella figura corrisponde alla valle. L'unità di misura utilizzata per misurare la tensione è il Volt (V). Questi due punti corrispondono ai due poli di una pila (corrente continua) così come ai due buchi delle prese di corrente domestiche (corrente alternata) e ai PIN 5V (o 3.3V) e GND (ground) di Arduino.

Corrente (I)

La corrente o meglio intensità di corrente può essere definita come la quantità di cariche elettriche che fluiscono attraverso una sezione immaginaria di un cavo del circuito in un dato periodo di tempo e viene misurata in Ampere (A) o mA (milliampere dove 1A = 1.000mA) con uno strumento chiamato amperometro. Una corrente con un intensità di 1 ampere sposta 6,24150948*10¹⁸ portatori di carica elementare (elettroni) in un secondo fra due parti di un circuito. Nella figura soprastante corrisponde al numero di sassi che cadono nel dirupo in un secondo.

Resistenza (R)

La resistenza elettrica è una grandezza che misura la tendenza di un oggetto a opporsi al passaggio di corrente elettrica e dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue dimensioni e dalla sua temperatura. Si misura in Ohm (Ω) e nella figura soprastante corrisponde al numero di alberi presenti sul dirupo che possono frenare o bloccare le pietre. Una resistenza è anche un componente di un circuito che resistendo al flusso di corrente converte l'energia in calore.

Se ad esempio ne posizioniamo una prima di un componente utilizzatore come un LED, consumerà parte dell'energia che arriverà a quest'ultimo con una minore intensità. Questo ci consente di alimentare i diversi componenti con la giusta quantità di energia della quale hanno bisogno. Se non inseriamo alcuna resistenza (che può essere anche un componente utilizzatore) tra il polo positivo e quello negativo di un circuito si genera quello che si chiama corto circuito: la sorgente di alimentazione e i cavi convertono l'energia elettrica in calore e possono provocare incendi o esplosioni.

Questi tre elementi (tensione, corrente e resistenza) sono strettamente legati tra loro da una legge, la prima legge di Ohm che affronteremo in altri paragrafi.