I circuiti elettronici sono parte integrante di quasi tutti i progressi tecnologici compiuti oggi nelle nostre vite. Vengono subito in mente televisione, radio, telefoni e computer, ma l'elettronica viene utilizzata anche in automobili, elettrodomestici da cucina, apparecchiature mediche e controlli industriali. Al centro di questi dispositivi ci sono componenti attivi o componenti del circuito che controllano elettronicamente il flusso di elettroni, come i semiconduttori. Tuttavia, questi dispositivi non potrebbero funzionare senza componenti passivi molto più semplici che precedono i semiconduttori da molti decenni. A differenza dei componenti attivi, i componenti passivi, come resistori, condensatori e induttori, non possono controllare il flusso di elettroni con segnali elettronici.
Resistenza
Come suggerisce il nome, un resistore è un componente elettronico che resiste al flusso di corrente elettrica in un circuito.
In metalli come argento o rame, che hanno un'alta conduttività elettrica e quindi una bassa resistività, gli elettroni sono in grado di saltare liberamente da un atomo all'altro, con poca resistenza.
La resistenza elettrica di un componente del circuito è definita come il rapporto tra la tensione applicata e la corrente elettrica che scorre attraverso di essa, secondo HyperPhysics, un sito Web di risorse fisiche ospitato dal dipartimento di fisica e astronomia della Georgia State University. L'unità standard per la resistenza è l'ohm, che prende il nome dal fisico tedesco Georg Simon Ohm. È definita come la resistenza in un circuito con una corrente di 1 ampere a 1 volt. La resistenza può essere calcolata usando la legge di Ohm, che afferma che la resistenza è uguale alla tensione divisa per la corrente, o R = V / I (più comunemente scritto come V = IR), dove R è resistenza, V è tensione e I è corrente.
I resistori sono generalmente classificati come fissi o variabili. Le resistenze a valore fisso sono semplici componenti passivi che hanno sempre la stessa resistenza entro i limiti di corrente e tensione prescritti. Sono disponibili in una vasta gamma di valori di resistenza, da meno di 1 ohm a diversi milioni di ohm.
I resistori variabili sono semplici dispositivi elettromeccanici, come controlli di volume e interruttori dimmer, che cambiano la lunghezza effettiva o la temperatura effettiva di un resistore quando si gira una manopola o si sposta un controllo a scorrimento.
Induttanza
Un induttore è un componente elettronico costituito da una bobina di filo con una corrente elettrica che lo attraversa, creando un campo magnetico. L'unità per l'induttanza è la Henry (H), che prende il nome da Joseph Henry, un fisico americano che scoprì l'induttanza in modo indipendente più o meno contemporaneamente al fisico inglese Michael Faraday. Un henry è la quantità di induttanza necessaria per indurre 1 volt di forza elettromotrice (la pressione elettrica da una fonte di energia) quando la corrente cambia a 1 ampere al secondo.
Un'importante applicazione degli induttori nei circuiti attivi è che tendono a bloccare i segnali ad alta frequenza lasciando passare le oscillazioni a bassa frequenza. Si noti che questa è la funzione opposta dei condensatori. La combinazione dei due componenti in un circuito può filtrare selettivamente o generare oscillazioni di quasi tutte le frequenze desiderate.
Con l'avvento dei circuiti integrati, come i microchip, gli induttori stanno diventando meno comuni, perché le bobine 3D sono estremamente difficili da fabbricare in circuiti stampati 2D. Per questo motivo, i microcircuiti sono progettati senza induttori e usano invece condensatori per ottenere essenzialmente gli stessi risultati, secondo Michael Dubson, professore di fisica all'Università del Colorado Boulder.
Capacità
La capacità è la capacità di un dispositivo di immagazzinare carica elettrica e, come tale, il componente elettronico che immagazzina carica elettrica è chiamato condensatore. Il primo esempio di condensatore è il vaso Leyden. Questo dispositivo è stato inventato per immagazzinare una carica elettrica statica sulla lamina conduttiva che rivestiva l'interno e l'esterno di un barattolo di vetro.
Il condensatore più semplice è costituito da due piastre conduttrici piatte separate da un piccolo spazio. La differenza di potenziale, o tensione, tra le piastre è proporzionale alla differenza nella quantità di carica sulle piastre. Questo è espresso come Q = CV, dove Q è carica, V è tensione e C è capacità.
La capacità di un condensatore è la quantità di carica che può immagazzinare per unità di tensione. L'unità per misurare la capacità è il farad (F), chiamato per Faraday, ed è definito come la capacità di immagazzinare 1 coulomb di carica con un potenziale applicato di 1 volt. Un coulomb (C) è la quantità di carica trasferita da una corrente di 1 ampere in 1 secondo.
Per massimizzare l'efficienza, le piastre del condensatore sono impilate in strati o avvolte in bobine con uno spazio d'aria molto piccolo tra di loro. I materiali dielettrici - materiali isolanti che bloccano parzialmente il campo elettrico tra le piastre - vengono spesso utilizzati all'interno del traferro. Ciò consente alle piastre di immagazzinare più carica senza arco e corto circuito.
I condensatori si trovano spesso nei circuiti elettronici attivi che utilizzano segnali elettrici oscillanti come quelli nelle radio e nelle apparecchiature audio. Possono caricare e scaricare quasi istantaneamente, il che consente loro di essere utilizzati per produrre o filtrare determinate frequenze nei circuiti. Un segnale oscillante può caricare una piastra del condensatore mentre l'altra si scarica, quindi quando la corrente viene invertita, caricherà l'altra piastra mentre la prima piastra si scarica.
In generale, le frequenze più alte possono passare attraverso il condensatore, mentre le frequenze più basse sono bloccate. La dimensione del condensatore determina la frequenza di taglio per la quale i segnali vengono bloccati o lasciati passare. I condensatori in combinazione possono essere utilizzati per filtrare le frequenze selezionate all'interno di un intervallo specificato.
I supercondensatori sono fabbricati usando la nanotecnologia per creare strati superthin di materiali, come il grafene, per raggiungere capacità da 10 a 100 volte quelle dei condensatori convenzionali della stessa dimensione; ma hanno tempi di risposta molto più lenti rispetto ai condensatori dielettrici convenzionali, quindi non possono essere utilizzati nei circuiti attivi. D'altra parte, a volte possono essere utilizzati come fonte di alimentazione in alcune applicazioni, ad esempio nei chip di memoria del computer, per prevenire la perdita di dati in caso di interruzione dell'alimentazione principale.
I condensatori sono anche componenti critici dei dispositivi di temporizzazione, come quelli sviluppati da SiTime, una società con sede in California. Questi dispositivi sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, dai telefoni cellulari ai treni ad alta velocità e al commercio in borsa. Conosciuto come MEMS (sistemi microelettromeccanici), il piccolo dispositivo di temporizzazione si basa su condensatori per funzionare correttamente. "Se il risonatore non ha il giusto condensatore e capacità di carico, il circuito di temporizzazione non si avvierà in modo affidabile e, in alcuni casi, smetterà di oscillare del tutto", ha affermato Piyush Sevalia, vice presidente esecutivo del marketing presso SiTime.
Questo articolo è stato aggiornato il 16 gennaio 2019 dalla collaboratrice di Live Science Rachel Ross.
