Conduttori e “Vie Conduttive”

Quando alle persone viene chiesto quale sia il componente più comunemente utilizzato nei circuiti elettrici o elettronici, le risposte tipiche sono "Beh, ovviamente tutti conoscono i suoi resistori", oppure "Devono essere condensatori", e talvolta anche "Niente funziona senza transistor". In effetti, nessuna di queste risposte è corretta; la vera risposta è che i conduttori sono il tipo di componente più comune.

Ovviamente senza conduttori non esisterebbero i circuiti. Anche se i conduttori sono il componente base dei circuiti elettrici, sorprendentemente si tiene poca considerazione della fisica coinvolta nei conduttori (al di fuori dei libri di testo) e sembra esserci ancora meno enfasi nel considerare le caratteristiche delle strutture conduttive (come le "masse del telaio") quando tali conduttori e gruppi conduttivi vengono utilizzati per i percorsi critici di ritorno della corrente in un circuito. Forse è perché i cavi non sembrano così eccitanti! Paradossalmente, una progettazione EMC di successo richiede proprio questa comprensione!

Questo articolo aggiornerà (o forse avvierà) la conoscenza e la comprensione del lettore degli aspetti chiave dei conduttori e dei percorsi conduttivi esaminando una serie di argomenti, tra cui:

Storia dei direttori d'orchestra

Sebbene il filo realizzato con materiali conduttivi (come ferro o rame) sia in uso forse da migliaia di anni, veniva utilizzato come componente meccanico. Fu solo alcune centinaia di anni fa (nel corso del 1700) che fu utilizzato per la prima volta come metodo per definire un percorso per il flusso di corrente elettrica. Alcuni di questi primi usi elettrici furono per la protezione delle strutture in legno nell'America coloniale mediante il fissaggio del filo conduttivo a "aste" di ferro poste sugli edifici per (si spera!) fornire un percorso affinché i fulmini fossero condotti in sicurezza a terra invece di attraverso la struttura (che molte volte ha causato incendi). L'uso del filo per questo scopo (e l'invenzione dei parafulmini associati) è stato attribuito a Benjamin Franklin.

All'inizio del XIX secolo, con la crescita dell'interesse e del fascino mondiale per il "flusso elettrico", Michael Faraday fu tra i primi a eseguire esperimenti empirici per comprendere le proprietà dei conduttori.

Con il progredire del 1800, furono sviluppati più usi dell'elettricità, inclusa la distribuzione dell'energia e la comunicazione (sistemi telegrafici). Man mano che questi sistemi diventavano più complessi, fisicamente grandi e ad alta intensità di capitale, c’era un crescente desiderio di comprendere più a fondo questi metodi di interconnessione. Di conseguenza, Oliver Heaviside sviluppò una serie di importanti concetti e invenzioni durante il 1880, tra cui la teoria della linea di trasmissione e il cavo di tipo "coassiale" che vediamo oggi.

Figura 1: Pionieri nell'uso dei direttori d'orchestra, Benjamin Franklin, Michael Faraday e Oliver Heaviside

Qual è lo scopo di un conduttore?

Dall'evoluzione dei cavi per la protezione dai fulmini alla distribuzione di alimentazione e segnale, e fino ad oggi, si può vedere che esiste un solo scopo di un conduttore. Lo scopo è quello di fornire un percorso previsto per la propagazione dell'energia elettromagnetica.

Pertanto, un conduttore viene utilizzato per:

Il percorso previsto dell'energia elettromagnetica avviene tramite "conduzione", come descritto dal professor Maxwell (oltre alla sua teoria della "corrente di spostamento", come la corrente che "scorre" attraverso un condensatore).

Per comprendere come l'energia viene condotta da una sorgente a un carico, iniziamo con il concetto di ciclo di trasferimento di energia "idealizzato" (come mostrato nella Figura 2).

Figura 2: Schema del circuito di trasferimento energetico di base o "ideale".

Ciclo di trasferimento energetico "idealizzato".

La figura mostra la sorgente dell'energia (o del segnale), rappresentata dal "generatore". Dall'altro lato della figura c'è il carico (che può essere rappresentato da un'impedenza). Il processo di trasferimento dell'energia dalla sorgente al carico avviene tramite il percorso di conduzione, definito dalle linee continue nel diagramma). Questo trasferimento è tipicamente spiegato come simile a una corrente nell'acqua, in quanto c'è un "flusso di corrente" lungo un conduttore, mentre l'altro conduttore funziona come un "ritorno di corrente". Sebbene questa visione non sia errata, a volte è meglio visualizzare l'energia come un'onda elettromagnetica guidata dalla sorgente al carico.