L'elettronica che governa la corrente

Nel modulo sulla fisica avevamo lasciato gli elettroni che scivolavano in un filo, con tensione, corrente e resistenza presentate come personaggi ancora senza nome. Adesso quei personaggi diventano gli attrezzi veri del mestiere, e a ognuno assegniamo il suo nome completo e la sua unità di misura, come si fa con gli abitanti di una nuova via, che si imparano una volta sola e poi restano per sempre. La tensione si misura in volt, dal nome di Alessandro Volta, ed è, con l'analogia dell'acqua che ci accompagnerà per tutta la pagina, la pressione che la pompa imprime al liquido dentro il tubo. La corrente si misura in ampere, dal nome di André-Marie Ampère, ed è la portata, cioè la carica che attraversa una sezione del filo in ogni secondo. La resistenza si misura in ohm, dal cognome di Georg Ohm, ed è lo strozzamento che restringe il tubo e ostacola il passaggio, e accanto a questi tre entra presto in scena la potenza, perché un circuito si progetta solo quando tutti e quattro gli attrezzi lavorano insieme.

Perché l'acqua scorra serve un percorso chiuso che dalla pompa torni alla pompa, e appena il tubo si interrompe la portata cessa ovunque nello stesso istante, e alla corrente vale la stessa legge, che chiede un giro completo dal polo della batteria attraverso il filo, l'apparecchio e il ritorno. Da questo cerchio chiuso il mestiere prende il nome, perché circuito deriva da una parola latina che significa cerchio, e ogni interruttore che premi agisce proprio su quel cerchio, aprendolo o chiudendolo come un rubinetto sul tubo principale. La corrente che scorre sempre nello stesso verso si dice continua, ed è quella delle pile e delle batterie, mentre la corrente della presa a muro si ribalta avanti e indietro molte volte al secondo e si dice alternata, e questa distinzione, che ora sembra un dettaglio, fra poco si rivelerà preziosa quando incontreremo il diodo e il suo modo di piegare l'onda.

Tra tensione, corrente e resistenza corre una regola di coerenza che non ammette smentite, la famosa legge di Ohm, che gli elettronici scrivono in forma compatta come V uguale R per I e che con l'acqua suona così, una volta fissata la pressione della pompa e lo strozzamento del tubo, la portata è decisa, e pretendere una portata maggiore significherebbe chiedere all'acqua di tradire la sua natura. Il calcolo è mansueto, basta dividere la tensione per la resistenza per ottenere la corrente, e se colleghiamo una resistenza da cento ohm alla batteria da nove volt la corrente sarà di zero virgola zero nove ampere, perché nove diviso cento fa proprio quello. Questo minuscolo esercizio, risolto dentro la frase, è già un progetto elettronico vero, perché progettare un circuito significa esattamente questo, scegliere la tensione disponibile, fissare la corrente desiderata e chiedere alla legge quale resistenza occorre.

Il quarto personaggio è la potenza, che si misura in watt, dal nome di James Watt, e si ottiene moltiplicando la tensione per la corrente, raccontando la velocità con cui l'energia viene consumata, un po' come un contatore che si fissa sulla quantità d'acqua fatta passare in un certo tempo anziché su quella ferma nel tubo. Una lampadina da sessanta watt spende energia più in fretta di una da dieci, e per questo scalda e illumina di più, e nel nostro esempietto la batteria da nove volt che spinge zero virgola zero nove ampere attraverso la resistenza eroga circa zero virgola otto watt, che si convertono in calore dentro il componente. Proprio questo calore spiega un dettaglio che si legge nei cataloghi, dove ogni resistenza dichiara un wattaggio, per esempio un quarto di watt, cioè la quantità di calore che sopporta senza bruciarsi, e se in un circuito prevedi più di zero virgola otto watt devi sceglierne una più robusta oppure dividerli tra due componenti.

Quando i componenti si collegano uno dopo l'altro, attraversati dalla stessa corrente come una fila di strozzature sullo stesso tubo, si dicono in serie, e le loro resistenze si sommano senza storie, due pezzi da cento ohm in fila valgono come uno da duecento, e tre da cento come uno da trecento. In serie la corrente è unica per tutti, ed è la tensione a spartirsi tra i componenti in proporzione alle loro resistenze, così lo strozzamento più generoso si prende la fetta maggiore della pressione. Se alla batteria da nove volt colleghiamo in serie una resistenza da cento e una da duecento ohm, la corrente sarà di trenta milliampere, perché nove diviso trecento fa zero virgola zero tre, e la resistenza grande si prenderà sei volt mentre la piccola se ne prende tre, come due corsie strette che si dividono il traffico in modo proporzionale alla loro larghezza.

L'altra disposizione è il parallelo, in cui ogni componente riceve lo stesso tratto di tubo con la pressione piena, e allora vale la tensione completa per tutti, sono le correnti a dividersi tra i rami e poi a ricomporsi nel ritorno. Due resistenze da cento ohm in parallelo equivalgono a una da cinquanta, perché raddoppiano il passaggio disponibile, e per due pezzi qualsiasi vale la regola comoda del prodotto diviso la somma, cento per cento diviso duecento fa cinquanta, esattamente come due corsie d'autostrada affiancate portano il doppio delle vetture. La tua casa è cablata in parallelo, e il motivo merita di essere capito a fondo, perché ogni apparecchio deve ricevere tutti i circa duecentotrenta volt della rete e deve poter essere spento da solo con il suo interruttore, mentre un cablaggio in serie spegnerebbe la televisione ogni volta che spegni la lampada del corridoio, vita domestica curiosa quanto impraticabile.

Il bilancio di ogni circuito si governa con due regole che portano il nome del fisico tedesco Gustav Kirchhoff, e la prima riguarda i nodi, i punti dove i fili si incontrano come strade in un incrocio, affermando che la somma delle correnti che entrano in un nodo è sempre uguale alla somma di quelle che escono, perché le cariche non possono accamparsi all'incrocio ad aspettare. Se al nodo arrivano novanta milliampere provenienti dalla batteria e un ramo se ne porta trenta, nell'altro ramo troverai di sicuro i sessanta mancanti, e questo bilancio vale sempre, per un circuito con due rami come per un quadro elettrico con cento uscite. L'acqua torna a esserci d'aiuto, un incrocio di tubi riceve da un lato esattamente ciò che cede dagli altri, altrimenti il serbatoio dell'incrocio traboccerebbe o si svuoterebbe, e i nodi obbediscono alla stessa decenza idraulica.

La seconda regola di Kirchhoff riguarda i giri, i percorsi chiusi che attraversano il circuito, e afferma che la somma di tutte le tensioni incontrate lungo un giro completo torna a zero, il che con l'acqua significa che la pressione regalata dalla pompa si esaurisce esattamente attraverso gli strozzamenti, e rifacendo il giro ritrovi la pressione iniziale. Nel nostro futuro circuito a LED la batteria regala nove volt, il LED ne assorbe circa due e la resistenza i restanti sette, e nove meno due meno sette fa zero, il conto torna alla perfezione. Quando tra poco misurerai con il multimetro le tensioni ai capi dei componenti potrai verificare questo bilancio con le tue mani, scoprendo che la natura tiene la contabilità del circuito con la precisione di una banca.

Dalle due regole di Kirchhoff discende uno degli schemi più usati di tutta l'elettronica, il partitore di tensione, che è semplicemente una serie di due resistenze con un filo preso nel punto di mezzo, e che serve a fabbricare una tensione intermedia partendo da una più alta, come un rubinetto pescato a metà di un tubo che offre una pressione dimezzata. La tensione nel punto di mezzo si calcola dividendo la tensione totale in proporzione alle resistenze, e con due pezzi uguali da quattrocentosettanta ohm attaccati alla batteria da nove volt il punto di mezzo offre la metà esatta, quattro volt e mezzo, perché nove per quattrocentosettanta diviso novecento quaranta fa quattro virgola cinque. Se le resistenze sono diverse il punto si sposta, una da cento e una da duecento danno un terzo e due terzi della batteria, e molti circuiti sfruttano questo trucco per alimentare sensori e stadi intermedi senza bisogno di una seconda batteria.

Con le regole del gioco in tasca presentiamo i componenti uno alla volta, cominciando dal più umile, la resistenza, un piccolo cilindretto con due fili metallici, i reofori, che spunta dal circuito stampato di ogni apparecchio. Il suo corpo porta anelli colorati che formano un codice, quasi un numero di casa dipinto sul cancello, e decifrandolo si legge il valore in ohm senza strumenti, con le prime due bande che danno le cifre, la terza che dice quanti zeri aggiungere e una quarta dorata o argentata che ammette la tolleranza, cioè lo scarto concesso tra il valore scritto e quello vero. Giallo e violetto e marrone, per esempio, raccontano un quattro, un sette e uno zero finale, ed è proprio quella la combinazione del pezzo da quattrocentosettanta ohm che userai negli esperimenti di fine capitolo.

Il condensatore è il secondo componente, e con l'acqua diventa subito familiare, perché è un piccolo serbatoio che si riempie di cariche elettriche quando gli arriva la tensione e le restituisce quando il percorso lo permette, e la sua capacità si misura in microfarad, milionesimi di un'unità, il farad, troppo generosa per i circuiti comuni. La carica avviene con un ritmo ben preciso, rapida all'inizio quando il serbatoio è vuoto e via via più lenta man mano che si riempie, e il tempo caratteristico si ottiene moltiplicando la resistenza che alimenta il condensatore per la sua capacità, un prodotto che si chiama costante di tempo. Con una resistenza da diecimila ohm e un condensatore da cento microfarad il prodotto fa un secondo, e dopo un secondo di carica il condensatore avrà raccolto circa due terzi della tensione della batteria, dopo due secondi circa nove decimi, e così via fino al pieno, che raggiunge in teoria solo aspettando all'infinito.

Gli usi del condensatore sono ovunque, e i primi tre meritano di essere nominati con calma. Negli alimentatori, dopo che il ponte di diodi ha raddrizzato la corrente, grandi condensatori livellano le increspature della tensione come un serbatoio livella il flusso irregolare di una pompa, regalando alla circuiteria un fiume calmo. Nei filtri, accoppiati con resistenze o induttori, i condensatori lasciano defluire verso massa le oscillazioni rapide e trattengono le lente, separando ciò che deve rimanere da ciò che deve andare. Nel flash della fotocamera, infine, un condensatore si carica in pochi secondi e poi scarica tutta l'acqua accumulata in un lampo di millisecondi attraverso il tubo della lampada, ed è per questo che il flash esige una pausa tra uno scatto e l'altro, il tempo di riempire di nuovo il serbatoio.

Il terzo componente introduce una scelta di direzione, ed è il diodo, una valvola di non ritorno per la corrente, costruito con una giunzione, una superficie sottilissima dove due zone di silicio trattato in modo diverso si toccano, e da questo incontro nasce il comportamento direzionale. Quando la tensione arriva dal verso giusto, la regione diretta, il diodo conduce pagando una piccola tassa di ingresso di circa zero virgola sette volt, la famosa caduta di giunzione del silicio che ritroverai in ogni calcolo, e solo oltre quella soglia la corrente scorre con comodo. Quando la tensione arriva dal verso opposto, la regione inversa, il diodo oppone una barriera quasi invalicabile e lascia passare una perdita trascurabile, salvo a cedere di colpo se la tensione supera i limiti dichiarati sul catalogo, cosa che si evita rispettando le specifiche del componente.

C'è una famiglia di diodi che lavora guardandoti, ed è il LED, sigla dell'espressione inglese light-emitting diode, cioè diodo che emette luce, perché quando conduce in regione diretta una parte dell'energia si converte in fotoni, i granelli di luce, anziché disperdersi tutta in calore, e il colore dipende dal materiale della giunzione e dalla sua soglia. Un LED rosso comincia a passare corrente con una tensione diretta di circa due volt, quelli gialli e verdi chiedono qualcosa in più, tra i due e i tre volt, e quelli blu e bianchi arrivano a circa tre volt, il che spiega perché le torce a LED alimentate da poche batterie preferiscono il rosso. Sotto la soglia il LED resta spento, appena sopra divora corrente con avidità e va sempre accompagnato da una resistenza che lo tenga a dieta, altrimenti il calore lo fonde in un soffio, e la resistenza giusta cambia proprio con la soglia del colore scelto.

Quattro diodi collegati a croce formano il ponte raddrizzatore, il circuito che prende l'onda alternata della presa, che sale e scende cambiando verso, e la piega in modo che entrambe le semionde viaggino nella stessa direzione, il pezzo positivo passa com'è e il pezzo negativo viene ribaltato, ottenendo una corrente tutta d'un verso, anche se ancora a scatti. Subito dopo il ponte arriva il condensatore che abbiamo appena incontrato, che riempie le scanalature in una tensione quasi liscia, e poi un circuito stabilizzatore tiene il livello costante, e questo tris, ponte, condensatore e stabilizzatore, è il cuore di ogni caricatore del telefono e di ogni alimentatore del computer, quei cubetti neri che convertono la corrente di casa nei pochi volt continui dei dispositivi.

Il quinto componente è quello che cambiò la storia, ed è il transistor bipolare, un pezzetto di silicio con tre contatti chiamati emettitore, base e collettore, la cui magia si racconta con un rubinetto, il passaggio principale tra emettitore e collettore è la conduttura dell'acqua, e la base è la manopola, sensibile al punto che una correnticina esile applicata sulla base regola una corrente molto più grande che scorre tra gli altri due poli. Questo dona al transistor un doppio mestiere, da una parte amplificatore, perché un segnale debole sulla base esce ingrandito sul collettore, ed è così che le radio e i microfoni alzano la voce, dall'altra interruttore comandato, perché togliendo corrente alla base la conduttura si chiude del tutto, e qui conviene gustare la rivelazione, un interruttore comandato elettricamente può pilotarne un altro, e poi mille, aprendo la strada alla logica.

Accanto al bipolare lavora il suo cugino più giovane, il transistor MOS, dove la parola chiave è tensione anziché corrente, perché il suo terminale di comando, il gate, è separato dal canale da un sottilissimo strato di ossido che lo isola, e una tensione applicata al gate attira le cariche e apre un canale conduttivo senza chiedere quasi nessuna corrente di comando. Il MOS vince su due fronti decisivi per i chip moderni, consuma pochissimo in comando, visto che il gate, essendo isolato, non assorbe energia per restare aperto o chiuso, e si rimpicciolisce con grazia seguendo decenni di miniaturizzazione, per cui i processori di oggi custodiscono miliardi di questi interruttori, mentre il bipolare tiene il campo dove serve robustezza e corrente di comando generosa. Entrambi svolgono il doppio ruolo di amplificatore e di interruttore, e insieme sono il seme da cui germoglia tutta l'informatica, processore che esegue questa pagina compreso.

Prima di salire fino al chip c'è un passaggio obbligato, capire come parla la corrente quando deve raccontare qualcosa, perché finora l'abbiamo vista scorrere dritta e obbedire alle regole, e adesso va ascoltata mentre esprime. La voce di questo capitolo sono i segnali, e il mestiere di ascoltarli si chiama misura, due nozioni che si tengono per mano fino alla fine del modulo. E quando avremo imparato a riconoscere i segnali nel filo e nell'aria, sarà finalmente chiaro perché il computer, che conosce solo numeri, ha tanto bisogno di qualcuno che gli traduca il mondo continuo in numeri, e chi è quel qualcuno.

Fin qui la corrente viaggiava costante come acqua in un tubo col rubinetto fermo, ma può anche ondeggiare, ed entra in scena il segnale analogico, una grandezza elettrica che varia con continuità nel tempo assumendo infiniti valori intermedi, come la lancetta di un vecchio orologio che scivola senza scatti. La forma più nobile di oscillazione è la sinusoide, la curva morbida dell'onda, e per misurarla servono tre numeri, il periodo, cioè il tempo di un'oscillazione intera, la frequenza, che sono le oscillazioni complete contate in un secondo e si misura in hertz dal nome di Heinrich Hertz, e l'ampiezza, cioè quanto la curva sale e scende rispetto alla quiete. La nota la con cui l'orchestra si accorda vibra quattrocentoquaranta volte al secondo, e un microfono fedele la tradurrebbe in una sinusoide a quattrocentoquaranta hertz, che sullo schermo di un oscilloscopio disegnerebbe quattrocentoquaranta colline al secondo.

La sinusoide è la mattonella da cui sono fatti tutti i disegni del mondo analogico, perché anche le forme più sghembe, l'onda quadra dei vecchi computer, l'onda triangolare dei generatori di prova, la voce stessa, si scompongono in somme di sinusoidi a frequenze diverse, un risultato matematico che porta il nome di serie di Fourier e che gli elettronici usano istintivamente. L'insieme delle sinusoidi presenti in un segnale si chiama spettro, ed è un po' come smontare una minestra per elencarne gli ingredienti, con le frequenze basse che danno il corpo e quelle alte che danno il dettaglio. Quando giri la manopola del tono di un vecchio amplificatore stai proprio accarezzando lo spettro, decidendo quali fette lasciare passare e quali attenuare, e l'equalizzatore del lettore musicale è lo stesso mestiere vestito da festa.

Accanto al segnale desiderato viaggia sempre il suo cattivo fratello, il rumore, cioè oscillazioni indesiderate sovrapposte al messaggio vero, fruscii di fondo, sibili, disturbi raccolti dall'aria come polvere su un mobile appena spolverato. Il rumore nasce ovunque, nei fili che fanno da antenna ai disturbi, nei contatti imperfetti, nelle correnti parassite della rete, e l'analogico lo copia con la stessa fedeltà con cui copia il segnale buono, perché la tensione che sale e scende ignora se la spinta arriva dal microfono o da un motore lontano, e questo limite si sente nelle registrazioni vecchie, nel sibilo tra due stazioni radio, nella sabbia dell'immagine quando il segnale televisivo arriva debole. Per un secolo gli ingegneri hanno combattuto una guerra di trincea contro il rumore, schermando i cavi e raffreddando le apparecchiature, e vedremo fra poco come il digitale, che ci aspetta nel prossimo modulo, abbia vinto questa guerra con un espediente geniale.

Per misurare tutte queste grandezze esiste lo strumento del mestiere, il multimetro, che unisce in una scatoletta il voltmetro, l'amperometro e l'ohmmetro, e conviene impararne le tre posture. La tensione si misura toccando i due puntali ai due punti di interesse, con lo strumento in parallelo al componente, e il flusso del circuito continua indisturbato, come un manometro pescato sul tubo mentre l'acqua scorre. La corrente invece va fatta passare attraverso lo strumento, bisogna aprire il percorso e inserire il multimetro in serie, come deviare un fiume attraverso una chiusa per contarne il flusso, e per questo il selettore ha una posizione dedicata e spesso un foro dei puntali separato. La resistenza infine si misura a componente scollegato e a riposo, perché un circuito in funzione mentirebbe le misure, e questa distinzione fra le tre posture è il primo vero mestiere che imparerai al banco.

Il suono che produci parlando è un'onda di pressione che l'aria spinge e ritira intorno alle tue corde vocali, e il microfono è un orecchio elettrico che traduce quell'aria in una tensione che sale e scende seguendo la pressione con fedeltà di calco, così la voce diventa segnale e può viaggiare nei fili fino alla scheda del computer. L'ampiezza delle oscillazioni è legata al volume, urlare ingrossa l'onda e sussurrare la rimpicciolisce, e la frequenza è legata all'altezza, note gravi che ondeggiano poche volte e note acute moltissimo, e il microfono onesto registra entrambe senza schiacciare nulla, offrendo alla scheda un disegno elettrico fedele di ciò che le orecchie hanno sentito.

L'interfaccia audio che trovi qui sopra, con manopole e prese per microfono e cuffie, è proprio il ponte di cui parliamo, il varco dove il segnale analogico del suono entra nella scatola del computer per essere misurato migliaia di volte al secondo e tradotto in numeri, e l'altro capo di quel ponte, il destino di quei numeri, sarà il cuore del modulo successivo. La stessa idea di oscillazione viaggia anche senza fili, perché le onde radio sono oscillazioni di un campo elettromagnetico a frequenze precise, e i manuali di radiotecnica insegnano che i suoni si esauriscono entro le centocinquantamila oscillazioni al secondo, oltre le quali comincia il regno delle radiofrequenze, dai segnali che attraversano il muro della cucina fino a quelli che raggiungono i satelliti.

Ogni oscillazione radio porta con sé una lunghezza d'onda, la distanza che l'onda percorre durante un ciclo completo, e si calcola dividendo la velocità della luce, circa trecento milioni di metri al secondo, per la frequenza in hertz, un rapporto che gli elettronici scrivono in forma compatta come lambda uguale c diviso f. Con cento megahertz, cioè cento milioni di oscillazioni al secondo, la divisione dà tre metri esatti, e infatti le antenne delle vecchie radio FM, che lavorano intorno a quella frequenza, erano sbarre lunghe circa tre quarti di metro, un quarto dell'onda, misura comoda per catturare il segnale. Le bande si susseguono con nomi ereditati dalla storia, onde lunghe, medie, corte, ultracorte, e salendo oltre i tremila megahertz cominciano le microonde che scaldano il pranzo e collegano il telefono, ognuna con il suo mestiere e le sue regole d'uso.

Per portare una voce lontano serve un trucco antico e affascinante, la modulazione, che appoggia il suono pigro e lento su un'onda viaggiante rapida chiamata portante, come una lettera caricata su un treno ad alta velocità. La modulazione di ampiezza, detta AM, compie il lavoro più semplice, lascia la portante alla sua frequenza e fa variare la sua ampiezza al ritmo della voce, e il disegno che ne esce mostra un inviluppo che ricalca la forma della voce stessa. La matematica del segnale modulato racconta che accanto alla portante compaiono due bande laterali, la somma e la differenza delle frequenze, così una portante a mille kilohertz modulata da un segnale a un kilohertz genera righe a mille e uno e a novecentonovantanove kilohertz, spalmando il messaggio intorno al treno che lo trasporta fino alla stazione.

La modulazione di frequenza, detta FM, compie il movimento opposto, tiene ferma l'ampiezza e lascia che la frequenza della portante oscilli avanti e indietro al ritmo del suono, spingendosi più veloce quando la voce sale e rallentando quando scende. Il ricevitore FM, sensibile solo agli spostamenti di frequenza, ignora le variazioni d'ampiezza, e questo gli regala una vittoria preziosa contro il rumore, perché quasi tutti i disturbi naturali, scariche, motori e lampade, modulano in ampiezza il segnale che attraversano lasciando la frequenza intatta, così il fruscio viene scartato con disinvoltura e la musica arriva pulita. Per questo la radio FM suona meglio della AM, e quando fra poco ascolterai una stazione saprai che il suono ti arriva impresso nei passi instabili di una portante veloce.

Il rumore, che la FM respinge senza sconfiggere, affligge ogni segnale analogico, e il motivo è profondo, la tensione che sale e scende può assumere infiniti valori e ognuno può essere sfumato dal disturbo senza possibilità di distinguere il vero dal falso. Il digitale, che incontreremo nel prossimo modulo, ribalta la partita con una mossa da scacchi, riduce i valori ammessi a due soli livelli netti, alto e basso, lontani dalla tentazione dei valori intermedi, così un segnale disturbato che arriva sfocato viene riconosciuto e ricondotto al livello giusto, e a ogni passaggio attraverso un dispositivo la copia viene rigenerata pulita, senza la degradazione delle copie di copie che logora l'analogico. Questa vittoria sul rumore, insieme alla possibilità di elaborare i numeri con milioni di interruttori, spiega perché il mondo si è convertito al digitale, e il ponte fra i due mondi è proprio l'ingresso audio della fotografia di sopra, dove il continuo diventa sequenza.

La teoria è servita, adesso sporchiamoci le mani, e per farlo useremo pile, resistenze, un LED, un multimetro e una basetta sperimentale, o fili attorcigliati con pazienza. Prima di cominciare una promessa esplicita, resteremo sempre e soltanto a batteria, a anni luce dalla presa di corrente di casa, perché la rete nasconde correnti capaci di danni seri a chi sta imparando e non serve a nulla per questi giochi, mentre le pile che useremo sono mansuete e puoi toccarle anche a circuito chiuso senza il minimo rischio, il che rende il tavolo di casa un laboratorio perfetto per un principiante. Gli esperimenti sono ordinati dal più semplice al più articolato, e ognuno chiude un cerchio concettuale aperto nella parte teorica.

Il primo esperimento è il più semplice di tutti e richiede solo una batteria a bottone da tre volt, quella piatta e lucente che alimenta orologi e giocattoli piccoli, e un LED qualsiasi recuperato da una lucina natalizia ormai stanca. Appoggia il piede lungo del LED sul lato contrassegnato dal segno più della batteria e il piede corto dall'altro, premendo con le dita perché il contatto regga, e vedrai accendersi un granulo di luce senza alcuna resistenza, perché la pila a bottone è pigra per costruzione e limita da sola la corrente a un soffio, appena sufficiente per un LED rosso che si accontenta di due volt. Questo trucco funziona con la pila a bottone e con nient'altro, provare lo stesso gioco con la batteria da nove volt brucerebbe il LED in un istante, perché quella pila è generosa di corrente e pretende la resistenza che calcoleremo tra poco.

Il secondo esperimento è il classico circuito a LED da nove volt, da progettare con calma prima di montarlo, come un buon artigiano stende il disegno sul banco. Prendi la batteria da nove volt e il LED rosso che si accontenta di due volt, così alla resistenza restano sette volt da scaricare, e se desideri circa venti milliampere, cioè zero virgola zero due ampere, che è il regime sereno di un LED comune, la legge di Ohm dice di dividere sette per zero virgola zero due, e il risultato è trecentocinquanta ohm. I negozi vendono valori normalizzati, cioè numeri di serie preferiti, e il più vicino per eccesso è quattrocentosettanta ohm, giallo e violetto e marrone, che stringe la corrente a una quindicina di milliampere, un bel bagliore senza affaticare nessuno. Monta il tutto sulla basetta, la breadboard che da noi chiamano millefori, oppure attorciglia i reofori ai fili tenendo il piede lungo verso il polo positivo, e al momento di chiudere il percorso un punto di luce rossa premia il tuo primo progetto calcolato con la legge.

Il terzo esperimento veste il multimetro da voltmetro e verifica la regola di Kirchhoff dei giri promessa dalla teoria. Imposta lo strumento sulla tensione continua e tocca i puntali ai poli della batteria a vuoto, cioè mentre non alimenta nulla, e leggerai poco meno di nove volt, perché le pile fresche esagerano appena, abitudine sana quella di misurare prima di credere. Con il circuito acceso misura poi la tensione ai capi del LED e vedrai due volt scarpi, la soglia promessa, e ai capi della resistenza troverai i restanti circa sette, e la somma dei due tratti torna alla tensione della batteria come il bilancio del giro esige, verificato vivo con le mani. Se il conto tornasse a fatica, da qualche parte il percorso perderebbe gocce per un contatto ballerino da raddrizzare prima di proseguire.

Il quarto esperimento monta il partitore di tensione della teoria con i tuoi pezzi da quattrocentosettanta ohm, e basta collegarli in serie ai poli della batteria, piede dopo piede, formando la fila di due strozzature del disegno. Accendi il multimetro sempre sulla tensione continua, poggia il puntale nero sul polo negativo della batteria e quello rosso nel punto di mezzo fra le due resistenze, e lo schermo racconterà quattro volt e mezzo, la metà esatta dei nove della batteria, perché le due resistenze uguali si spartiscono la tensione in parti identiche come promesso. Sposta poi il puntale rosso lungo la fila, da un estremo all'altro, e leggi il progresso da zero a nove volt passando per il punto di mezzo, e se hai resistenze di valore diverso prova a sostituirle e vedrai il punto di mezzo spostarsi, confermando a occhi chiusi la regola del partitore con una misura sola.

Il quinto esperimento misura la corrente, e qui il multimetro cambia postura, perché lo strumento va inserito dentro il percorso in serie, come una chiusa deviata sul fiume. Prendi una piccola torcia a pile, di quelle che stanno in tasca, individua il punto in cui il conduttore porta la corrente all'interruttore, apri quel punto e inserisci il multimetro nel varco con il selettore sulla corrente continua e i puntali nel foro giusto, poi riaccendi la torcia. Lo schermo dirà quanti milliampere attraversano la lampadina, per esempio una ventina, e moltiplicando quella corrente per la tensione delle pile sommate otterrai la potenza spesa, quattro virgola cinque volt per venti milliampere fanno novanta milliwatt, e capirai perché le pile durano tanto in una torcia che chiede così poco. Questa postura in serie, ripetiamolo per prudenza, resta un gioco da fare soltanto con le pile, la rete di casa non si tocca mai.

Il sesto esperimento gioca con la legge di Ohm variando una sola pedina, e basta sostituire la resistenza del circuito a LED con una più grande, per esempio un pezzo da mille ohm che vive negli stessi kit, per osservare il LED impallidire. La legge lo aveva promesso e il banco conferma, sette volt da smaltire e mille ohm di strozzamento stringono la corrente a sette milliampere e la luce si fa più fioca, il granulo rosso si adagia in un chiarore modesto, e scendendo sotto i trecentocinquanta ohm il LED si fa vivace ma scaldano entrambi, oltre certi valori il diodo rischia di bruciare. La via maestra resta una sola, scegliere la corrente desiderata e lasciare che sia la legge a dettare la resistenza, anziché improvvisare a tentativi come chi apre un rubinetto senza guardare il manometro.

Il settimo esperimento non chiede saldature, basta il computer che hai davanti, e consiste nell'aprire il registratore audio che il tuo sistema offre già installato, premere il pulsante di registrazione e parlare nel microfono guardando lo schermo. Vedrai disegnarsi una forma d'onda che sale e scende seguendo la tua voce, alta quando gridi e bassa quando sussurri, densa nelle note acute e larga in quelle gravi, ed è esattamente il segnale analogico di cui abbiamo parlato, reso visibile come un fiume che lascia sulla sabbia il segno del suo passaggio. Se parli vicino al microfono la linea si gonfia fino ai bordi e rischia di tagliare, se resti in silenzio si appiattisce su una striscia sottile, e fischiettando salendo di tono vedrai le onde stringersi, riconoscendo con gli occhi la frequenza che le orecchie sentono da sempre.

L'ottavo esperimento chiude il cerchio con le onde radio e si fa con qualsiasi ricevitore FM di casa, oppure con l'apparecchio che usi per ascoltare musica. Sintonizza una stazione e pensa a ciò che sta accadendo, una portante rapida oscilla a una frequenza precisa della banda delle ultracorte, e il suono della voce viaggia impresso nelle oscillazioni di frequenza, come una lettera nascosta nel passo di un treno veloce. Sposta poi la sintonia appena fuori stazione e ascolta il fruscio fra due emissioni, quello è il rumore che la modulazione FM sa respingere, il cattivo fratello del segnale che il ricevitore scarta per ricostruire solo lo spartito di frequenze, e in quell'istante hai davanti, trasformata in suono, tutta la teoria di questo modulo, dalla portante al rumore.

Questo modulo attinge alle pagine di due testi custoditi nella cartella dei libri di Tutanum, e cioè Fondamenti di elettronica analogica, da cui arrivano la legge di Ohm, le regole di Kirchhoff per nodi e giri, il partitore di tensione, il comportamento di resistenze, condensatori, diodi, transistor bipolari e MOS, insieme alla scomposizione dei segnali in sinusoidi, e Radiotecnica per radioamatori, da cui prendono forma l'onda, l'ampiezza, la frequenza, le bande e le lunghezze d'onda, l'arte della modulazione con le sue bande laterali e la resistenza al rumore. Il percorso è pronto per il gradino successivo, perché le correnti che abbiamo sfiorato con le dita devono ora diventare circuiti veri, con alimentatori che danno energia, interruttori che comandano e resistenze che dosano la corrente con regole semplici, quindi saluta il tuo LED e prosegui verso i circuiti e i componenti, dove prenderemo dimestichezza con lo strumento con cui si disegna e si calcola ogni apparato elettronico.