Non è possibile parlare di elettronica senza effettuare le misure elettriche. I comportamenti di un circuito elettrico devono essere previsti mediante alcuni semplici calcoli aritmetici, allo scopo di scegliere i corretti valori dei componenti elettronici e calcolare alcune condizioni di lavoro. E’ un po’ come una ricetta di cucina, nella quale tutti gli ingredienti devono essere accuratamente misurati per ottenere un pasto delizioso. Con alcuni semplici esempi saranno affrontate proprio le tematiche principali della misurazione elettrica, con particolare riferimento alla tensione elettrica e al calcolo della resistenza ohmica.

Le misure

Non esiste un campo pratico in cui non vi siano le misurazioni. Le lunghezze, i pesi, i voti a scuola, i punti in un videogioco, la febbre dei bambini sono alcuni esempi. Qualsiasi grandezza fisica, chimica o elettrica, per potere essere ben controllata e gestita, deve essere misurata. Non si può prevedere alcun comportamento dal circuito se non si eseguono alcune misurazioni. Ovviamente non stiamo parlando di misura di lunghezza effettuate con il metro o il righello. Parliamo, invece, di misure elettriche effettuate con uno strumento indispensabile che prende il nome di tester o multimetro, visibile in figura 1.

Il tester

Per eseguire le prime misurazioni non è necessario acquistare un modello sofisticato da centinaia di dollari. E’ sufficiente anche un modello analogico o digitale, acquistabile anche per pochi euro. Esso può essere sia analogico che digitale, anche se oggi è più raro trovare un tester analogico e la maggior parte dei dispositivi sono tutti digitali. Il tester o multimetro è un’importante strumento di misura. Esso può includere tante funzioni, ma quelle presenti in tutti i modelli sono le seguenti:

• voltmetro, per la misura di tensioni alternate e continue;
• amperometro, per la misura di correnti;
• ohmmetro, per la misura di resistori.

Prima di continuare gli esempi sulla misurazione elettrica, è bene fissare i seguenti concetti sulla tensione, sulla corrente e sulla resistenza, ben evidenziati nella figura 2. Si tratta di tre pilastri dell’elettronica senza i quali nessuna progettazione può essere portata a termine. La tensione e la corrente sono due termini spesso scambiati tra loro o sono usati come sinonimi nel linguaggio quotidiano, ma in realtà corrispondono a due concetti ben distinti. Conoscere la differenza tra queste due parole è indispensabile per evitare situazioni di pericolo o per utilizzare al meglio gli apparecchi elettronici. Il comportamento dell’elettricità è molto simile a quello dell’acqua, per cui la tensione elettrica potrebbe essere rappresentata dalla pressione dell’acqua mentre la corrente elettrica potrebbe essere rappresentata dall’acqua stessa. Guardando la figura, dunque, sono presenti i tre seguenti attori:

• la tensione elettrica è la pressione che, dalla sorgente di alimentazione, spinge gli elettroni attraverso il circuito. Essa è misurata in volt (V);
• la corrente elettrica è l’insieme degli elettroni che scorrono sul circuito. Si tratta, dunque, di un flusso ordinato determinato dalla tensione elettrica. Essa è misurata in ampere (A);
• la resistenza, infine, è una misura che esprime l’opposizione al flusso di corrente in un circuito elettrico e si misura in ohm. Tutti i materiali sono caratterizzati da un certo grado di resistenza alla corrente e si suddividono nelle seguenti categorie:
  • conduttori: sono i materiali che offrono pochissima resistenza e gli elettroni possono muoversi facilmente (per esempio l’argento, l’oro, il rame e alluminio);
  • semiconduttori: sono i materiali che hanno caratteristiche comprese fra quelle dei conduttori e degli isolanti;
  • isolanti: sono i materiali che offrono una resistenza elevata e limitano al massimo il flusso di elettroni (per esempio la carta, il vetro, la gomma e la plastica).

Misurare la tensione di una batteria o di una pila

Con questo tipo di misura si può leggere la tensione elettrica presente ai capi di una pila ed è utile per determinare, in modo approssimativo, se essa è carica oppure è da gettare. Si predisponga il tester in modalità voltmetro (come mostrato in figura 3) collegando il puntale rosso alla presa della tensione (V) e il puntale nero alla presa comune (COM o terra). Conviene sempre impostare la portata massima (fondo scala) a una posizione maggiore e poi, eventualmente, abbassarla. Nel nostro esempio, dal momento che le pile da misurare hanno la tensione, rispettivamente, di 1.5 V, 4.5 V e 9 V, è consigliabile utilizzare la portata massima di 20 V, selezionabile tramite il relativo commutatore rotativo. E’ adesso possibile iniziare direttamente la misurazione della tensione delle pile. Non aspettatevi una tensione esattamente uguale a quella indicata sulla targhetta della pila. Per una pila di 4.5 V, ad esempio, potreste leggere il valore 4.7 V se essa è nuova e carica, il valore di 4.1 V se essa è un po’ scarica, oppure 3.4 V se essa è già abbastanza scarica. La stessa regola è uguale per tutti gli altri generatori di tensione. Durante la misura della tensione elettrica è importante rispettare la corretta polarità dei puntali. Il puntale di colore rosso deve essere collegato al polo positivo della batteria, mentre il puntale nero deve essere connesso al polo negativo. A ogni modo, una eventuale inversione di polarità non distrugge il tester, ma la tensione sarà indicata con un valore negativo. Si ricorda, ancora una volta, di non mettere a diretto contatto elettrico i due poli della pila. Si potrebbe generare molto calore e anche una fiamma.

Misurare le tensioni di un circuito composto da vari componenti

La figura 4 mostra lo schema elettrico che permette l’illuminazione di due diodi Led collegati in serie. Il calcolo del valore della resistenza sarà studiato in una delle prossime puntate. Eseguiamo, adesso, alcune misure di tensione, per migliorare la nostra visione generale. Queste misure non sono finalizzate per ulteriori scopi, si eseguano solamente per prendere maggiore confidenza con il tester. Ricordiamo che in questo tipo di collegamento, gli elettroni che attraversano la pila, la resistenza e i due diodi Led sono gli stessi, così come l’acqua che scorre attraverso un solo tubo. Si predisponga il tester alla misura della tensione (Volt) con la tensione di 20 V fondo scala. Esaminiamo, adesso, le seguenti misurazioni, considerando che i vari punti del circuito sono detti nodi:

• puntale rosso sul nodo N1 e puntale nero sul nodo G: il valore di tensione letto è di circa 4.5 V. In pratica stiamo misurando la tensione presente ai capi della batteria;
• puntale rosso sul nodo N1 e puntale nero sul nodo N2: il valore di tensione letto è di circa 0.7 V. Stiamo misurando la tensione presente ai capi del resistore;
• puntale rosso sul nodo N1 e puntale nero sul nodo N3: il valore di tensione letto è di circa 2.6 V. Stiamo misurando la tensione presente tra il polo positivo della batteria e il catodo del primo diodo Led;
• puntale rosso sul nodo N2 e puntale nero sul nodo N3: il valore di tensione letto è di circa 1.89 V. Stiamo misurando la tensione presente ai capi del primo diodo Led;
• puntale rosso sul nodo N2 e puntale nero sul nodo G: il valore di tensione letto è di circa 3.78 V. Stiamo misurando la tensione presente ai capi dei due diodi Led;
• puntale rosso sul nodo N3 e puntale nero sul nodo G: il valore di tensione letto è di circa 1.89 V. Stiamo misurando la tensione presente ai capi del diodo Led.

Le misure più importanti riguardano la prima (N1-G) che ha lo scopo di misurare la tensione della pila (4.5 V), la quarta e la sesta (N2-N3 e N3-G) che ha lo scopo di misurare la tensione ai capi del primo e del secondo diodo Led (1.89 V) e la quinta (N2-G) che ha lo scopo di misurare la tensione ai capi dei due diodi Led (3.78 V). Le misure lette potrebbero essere diverse da quelle riportate qui, in quanto le pile e i componenti elettronici sono sempre leggermente diversi tra loro. Come si è anche visto dalle misure, il puntale nero non deve essere sempre collegato al polo negativo della batteria ma può connettersi a qualsiasi nodo, così come il puntale rosso. Occorre prendere dimestichezza con tale fatto. Collegando il tester ai vari nodi del circuito, otteniamo la lettura di una determinata tensione elettrica sul tester. Essa non è generata dai singoli componenti elettronici ma è quella della batteria che si ripartisce sui vari componenti. In questo tipo di circuito, infatti, non troveremo mai una tensione maggiore di 4.5 V.

Misurare i resistori

L’ultimo esperimento ha lo scopo di misurare il valore dei resistori che, ricordiamolo, possono essere paragonati a dei tubi per l’acqua di differente diametro, come è possibile osservare in figura 5. La regola generale dei resistori è la seguente:

• più è grande il valore del resistore e meno corrente passa attraverso essa, come un tubo stretto (ad esempio 330000 Ohm. Equivalente a 330 kOhm);
• più è piccolo il valore del resistore e più corrente passa attraverso essa, come un tubo largo (ad esempio 15 Ohm).

E’ interessante notare che per effettuare la misura di un resistore non occorre rispettare la polarità, infatti questi tipi di componenti non sono polarizzati e i puntali del tester possono essere orientati a piacimento, così come il loro verso in un circuito elettrico. Il corpo dei resistori è, solitamente, provvisto di alcuni anelli colorati che ne indicano il valore ohmico. Il codice dei colori internazionale è il seguente:

• nero: 0
• marrone: 1
• rosso: 2
• arancione: 3
• giallo: 4
• verde: 5
• blu: 6
• viola: 7
• grigio: 8
• bianco: 9

Per esempio, per un resistore con i colori delle bande marrone, nero e marrone avremo il seguente valore:

• prima banda marrone: 1;
• seconda banda nera: 0;
• terza banda marrone: 1 zero da aggiungere.

Pertanto il valore del resistore è di 100 Ohm.

Un altro esempio, per un resistore con i colori delle bande giallo, viola e arancione avremo il seguente valore:

• prima banda giallo: 4;
• seconda banda viola: 7;
• terza banda arancione: 3 zeri da aggiungere.

Pertanto il valore del resistore è di 47000 Ohm, equivalenti a 47 kOhm. A seconda del valore del resistore da misurare, occorre posizionare il commutatore rotativo del tester in una corretta posizione, come si vede anche nell’esempio. Anche il corpo umano possiede una sua resistenza. Se si prova a toccare i puntali del tester in posizione Ohm con le due mani, si potranno leggere i seguenti valori approssimativi:

• 10,000,000 Ohm (10 megaOhm) circa, quando si hanno le mani asciutte;
• 700,000 Ohm (700 kOhm) circa, quando si hanno le mani umide e sudate;
• 50,000 Ohm (50 kOhm) circa, quando si hanno le mani molto bagnate.

Inoltre l’acqua salata è molto più conduttiva dell’acqua dolce.

Conclusioni

I giovani dovrebbero eseguire numerosi esperimenti, in modo da realizzare praticamente i circuiti elettronici, anche semplici. Anche se ancora qualche concetto non risulta chiaro non importa, con il tempo e tanta pratica essi saranno compresi perfettamente. Occorre eseguire le prove solo utilizzando le pile, in quanto esse non sono pericolose. E’ opportuno, inoltre, essere affiancati da una persona adulta durante l’apprendimento e gli esperimenti elettronici.