Elettricità e sensori

Tutti i materiali sono costituiti da minuscole particelle chiamate atomi. Gli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate protoni, neutroni ed elettroni. I protoni che si trovano nell’atomo hanno una carica positiva e gli elettroni hanno una carica negativa. Queste cariche si bilanciano a vicenda, dando all’atomo una carica complessiva neutra.

Correnti elettriche

L’elettricità può essere manifestata come un flusso di elettroni o cariche. Il flusso di elettroni o cariche è noto come corrente elettrica.

Un circuito elettrico avrà elettroni vaganti lungo tutto il suo percorso. Quando l’energia elettrica viene fornita nel circuito, si crea un campo elettrico che fa sì che questi elettroni nel circuito scorrano tutti insieme come l’acqua che scorre in un tubo o in una pompa.

Circuiti elettrici

I sensori artificiali sono basati su circuiti elettrici. I circuiti elettrici sono costituiti da componenti elettrici specifici, una fonte di alimentazione e fili di collegamento, e possono commutare o cambiare una corrente elettrica. Il flusso di cariche elettriche in un circuito è controllato dalla conduttività elettrica del materiale utilizzato, dai componenti e dal design del circuito. Un circuito può essere progettato per permettere a diverse quantità di cariche elettriche di fluire in diverse parti del circuito, così le parti del circuito possono avere lavori diversi ma interagenti.

L’elettronica è l’uso di piccoli componenti come i dispositivi semiconduttori nei circuiti elettrici per controllare il flusso di cariche elettriche o eseguire una funzione. Questo viene fatto aumentando o diminuendo la corrente o fermando il flusso del tutto. La maggior parte dei dispositivi elettrici usa l’elettronica – da un semplice interruttore che accende una luce quando fa buio, a un circuito complesso che ha molti lavori da fare, come quello che si trova all’interno delle lavatrici o dei robot.

Conduttività

Quando le cariche elettriche scorrono attraverso qualcosa, noi la chiamiamo conduzione elettrica. La sostanza attraverso cui scorrono le cariche elettriche è chiamata conduttore.

Materiali diversi hanno conducibilità elettrica diversa. Questa è una misura di quanto sia facile per la corrente elettrica passare attraverso il materiale. L’inverso della conduttività è la resistività – quanto è difficile per una carica elettrica muoversi attraverso un materiale.

Alcuni materiali, come i metalli, hanno elettroni vagamente trattenuti nella loro struttura atomica, che permettono alle cariche elettriche di scorrere facilmente e sono quindi molto utili come fili che collegano i vari componenti di un circuito. Il metallo rame è un esempio di buon conduttore ed è spesso usato come fili di collegamento.

Le sostanze che non permettono il flusso di cariche elettriche sono chiamate isolanti. Per esempio, la gomma, la plastica e l’aria sono poveri conduttori e sono quindi utili come isolanti per bloccare il flusso di cariche elettriche.

Altri materiali con proprietà conduttive che sono tra i buoni conduttori e gli isolanti, come il silicio, sono chiamati semiconduttori. La loro conducibilità elettrica può essere alterata dal tipo di atomi usati per drogarli con impurità. I componenti semiconduttori come i diodi e i transistor possono cambiare la loro capacità di condurre cariche a seconda di certe condizioni come la tensione. Questo rende i semiconduttori utili come sensori e interruttori che rispondono ai cambiamenti delle condizioni fisiche.

Per esempio, un sensore di calore chiamato termistore cambia la sua capacità di permettere il flusso di cariche elettriche attraverso di esso in risposta alla temperatura. Mettendo un termistore in un circuito elettrico, la corrente può essere attivata o disattivata in un’altra parte del circuito, come spegnere un riscaldatore se l’aria diventa troppo calda. Proprio come i sensori nella pelle umana inviano impulsi al cervello dove l’informazione viene analizzata e noi sentiamo caldo o freddo, nelle macchine, l’elettronica viene usata per analizzare le condizioni fisiche che vengono rilevate attraverso cambiamenti nella corrente elettrica.

Come funzionano i sensori?

I sensori reagiscono al cambiamento delle condizioni fisiche alterando le loro proprietà elettriche. Quindi, la maggior parte dei sensori artificiali si basa su sistemi elettronici per catturare, analizzare e trasmettere informazioni sull’ambiente. Questi sistemi elettronici si basano sugli stessi principi dei circuiti elettrici per funzionare, quindi la capacità di controllare il flusso di energia elettrica è molto importante.

In parole povere, un sensore converte stimoli come calore, luce, suono e movimento in segnali elettrici. Questi segnali vengono passati attraverso un’interfaccia che li converte in un codice binario e lo passa a un computer per essere elaborato.

Molti sensori agiscono come un interruttore, controllando il flusso di cariche elettriche attraverso il circuito. Gli interruttori sono una parte importante dell’elettronica perché cambiano lo stato del circuito. I componenti dei sensori come i circuiti integrati (chip), i transistor e i diodi contengono tutti materiale semiconduttore e sono inclusi nei circuiti dei sensori in modo da agire come interruttori. Per esempio, un transistor funziona usando una piccola corrente elettrica in una parte del circuito per attivare una grande corrente elettrica in un’altra parte del circuito.

Sensori attivi e passivi

La maggior parte dei sensori usa radiazioni come la luce o il laser, onde infrarosse o altre onde come quelle ultrasoniche per rilevare oggetti e cambiamenti nel loro ambiente. Possono farlo avendo al loro interno una fonte di energia che permette loro di emettere la radiazione verso il loro oggetto bersaglio. Questa radiazione viene riflessa indietro dall’oggetto e rilevata dal sensore – questo è chiamato un sensore attivo, per esempio, nell’uso del radar.

I sensori passivi non inviano la propria radiazione o onde – rilevano la radiazione emessa dai loro oggetti bersaglio, come il calore o la radiazione infrarossa termica, o rilevano la radiazione da qualche fonte esterna come il sole che viene riflessa dagli oggetti. Un esempio è un termistore per misurare elettronicamente la temperatura.

Il valore nell’uso dei sensori è che non sono intrusivi e possono rilevare a distanza. Sia i sensori attivi che quelli passivi possono essere montati sui satelliti che orbitano intorno alla Terra per catturare informazioni sul nostro ambiente. Le radiazioni o le onde o altri fenomeni fisici rilevati dai sensori vengono convertiti in segnali elettrici ed elaborati dai computer.

MARVIN il robot è dotato di sensori attivi come sensori a infrarossi, sensori a ultrasuoni e sensori laser. Il sensore del contatore che determina la distanza percorsa da MARVIN è un sensore passivo.