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Capire prima di costruire – 01: che differenza c’è tra tensione, corrente e resistenza?

Tre parole che compaiono ovunque in elettronica, ma che spesso vengono confuse tra loro.

Chi inizia a studiare elettrotecnica o elettronica incontra quasi subito tre grandezze fondamentali: tensione, corrente e resistenza.
Sono termini molto usati, ma proprio perché si sentono spesso si rischia di credere di averli capiti, quando in realtà restano un po’ sfocati.

Dagli appunti per i miei studenti.
Capire bene la differenza tra queste tre grandezze è importante perché costituisce una delle basi di tutto ciò che verrà dopo: circuiti, sensori, LED, alimentatori, Arduino, motori, misure elettriche.

La tensione elettrica

La tensione elettrica, spesso indicata come differenza di potenziale (d.d.p.), rappresenta la causa prima di ogni fenomeno elettrico dinamico. Scientificamente, si definisce tensione tra due punti A e B il rapporto tra il lavoro L compiuto dalle forze del campo elettrico per spostare una carica positiva q dal punto A al punto B e la carica stessa. In termini matematici, utilizzando la notazione standard, si esprime come:

$V_{AB} = \frac{L_{AB}}{q}$

L’unità di misura, il Volt (V), rende omaggio ad Alessandro Volta, la cui ricerca presso l’Università di Pavia ha segnato la nascita dell’elettrotecnica moderna. Per chi inizia lo studio dell’elettrotecnica, è fondamentale comprendere che la tensione non è un “flusso” ma una “condizione” di squilibrio energetico. Una batteria carica possiede una tensione ai suoi capi anche se non è collegata a alcun circuito, esattamente come un corpo sollevato da terra possiede energia potenziale gravitazionale anche se non è in caduta libera.

Sorgente di Tensione	Valore Nominale (V)	Ambito di Utilizzo
Pila Zinco-Carbone / Alcalina	1,5 V	Telecomandi, piccoli apparati
Batteria al Litio (Singola Cella)	3,7 V	Smartphone, droni, wearable
Porta USB Standard	5,0 V	Alimentazione logica digitale, Arduino
Batteria Piombo-Acido (Auto)	12,0 V	Avviamento motori, servizi automotive
Rete Domestica (Monofase)	230 V	Elettrodomestici, illuminazione civile

Nelle applicazioni pratiche di laboratorio, la tensione viene fornita da generatori che possono essere pile chimiche o alimentatori da banco, questi ultimi permettono di regolare la “spinta” impressa alle cariche, permettendo di osservare come variano le altre grandezze in gioco. Un errore frequente nella fase di apprendimento è confondere la tensione disponibile con quella effettivamente “utilizzata” dai componenti; la comprensione che la tensione è una proprietà relativa a due punti e non un valore assoluto è il primo passo per una corretta analisi dei nodi e delle maglie di un circuito.

L’intensità di corrente

Se la tensione è la causa, la corrente elettrica è l’effetto. Essa consiste nel movimento ordinato di particelle dotate di carica elettrica. Nei conduttori metallici, tipicamente utilizzati nei laboratori, i portatori di carica sono gli elettroni di conduzione, che si muovono all’interno del reticolo cristallino del metallo. L’intensità di corrente I è definita come la quantità di carica dQ che attraversa una sezione del conduttore nell’intervallo di tempo dt:

$I = \frac{dQ}{dt}$

L’unità di misura è l’Ampere (A), una delle sette unità fondamentali del Sistema Internazionale. È cruciale distinguere tra la velocità con cui l’energia si propaga nel circuito (vicina a quella della luce) e la velocità di deriva degli elettroni, che è sorprendentemente lenta, spesso dell’ordine di pochi millimetri al secondo. Questo fenomeno viene spiegato agli studenti attraverso il modello del “domino” o della “colonna di palline”: quando si applica tensione, l’effetto si ripercuote istantaneamente su tutta la linea, ma ogni singola carica percorre solo un breve tratto nell’unità di tempo.

Nell’elettronica moderna, specialmente quando si opera con sensori e microcontrollori, si utilizzano quasi esclusivamente i sottomultipli dell’Ampere.

Livello di Corrente	Valore Tipico	Significato Tecnico
Corrente di dispersione	<1 µA	Valori minimi in isolanti o standby
Corrente Sensori Analogici	1–10 mA	Segnale tipico per trasduttori
Corrente LED Standard	10–20 mA	Valore di sicurezza per segnalazione
Limite Pin Arduino	40 mA	Massima corrente prelevabile senza danni
Carico di Potenza (Motori)	>500 mA	Richiede stadi di amplificazione o driver

Un aspetto che richiede un’attenzione particolare è il verso della corrente. Storicamente, prima della scoperta dell’elettrone, si ipotizzò che a muoversi fossero cariche positive dal polo + al polo –. Questa convenzione è rimasta universale in tutta l’elettrotecnica e l’elettronica. Per chi inizia lo studio è necessario chiarire che, sebbene fisicamente gli elettroni risalgano il potenziale (dal – al +), i calcoli e gli schemi seguono il verso convenzionale discendente. Questa distinzione è essenziale quando si affrontano componenti polarizzati come i diodi o i condensatori elettrolitici.

La resistenza elettrica e le proprietà tecnologiche dei materiali

La resistenza elettrica è la grandezza che quantifica l’opposizione di un corpo al passaggio della corrente. Tale opposizione non deve essere vista come un fattore puramente negativo, ma come lo strumento principale per il controllo delle correnti e per la trasformazione dell’energia elettrica in altre forme, come il calore (effetto Joule) o la luce. La resistenza R si misura in Ohm ( $\Omega$ ) e dipende strettamente dalla natura del materiale e dalle sue dimensioni geometriche, secondo la seconda legge di Ohm:

$R = \rho \cdot \frac{L}{S}$

Dove $\rho$ (rho) rappresenta la resistività, una proprietà intrinseca del materiale che varia anche in funzione della temperatura. La formula offre una comprensione intuitiva della “fatica” che le cariche compiono: un conduttore più lungo (L) oppone più resistenza perché aumenta il numero di urti tra cariche e atomi; un conduttore con sezione (S) maggiore offre invece più “spazio” per il passaggio, riducendo la resistenza.

Materiale	Resistività ρ (Ω·m) a 20 °C	Utilizzo Tecnologico
Argento	1,59·10−8	Contatti di alta precisione
Rame	1,68·10−8	Cablaggi elettrici universali
Alluminio	2,82·10−8	Linee aeree di alta tensione
Costantana	4,9·10−7	Resistenze di precisione (stabile con T)
Silicio	Variabile	Semiconduttore per microchip

Un approfondimento necessario riguarda la dipendenza dalla temperatura. Nella maggior parte dei metalli, la resistenza aumenta con il calore poiché l’agitazione termica degli atomi del reticolo aumenta la probabilità di collisione con gli elettroni di conduzione. Questo fenomeno è alla base del funzionamento di dispositivi come i termistori (NTC/PTC) utilizzati in elettronica per la misura della temperatura. Al contrario, nei semiconduttori, l’aumento di temperatura può liberare più portatori di carica, riducendo la resistenza, un comportamento che sottolinea la complessità e la varietà dei materiali elettronici che gli studenti impareranno a classificare.

L’analogia idraulica tra tradizione didattica e limiti scientifici

L’uso di analogie nel campo della fisica è una pratica consolidata. Nel contesto didattico, l’analogia idraulica è lo strumento più efficace per visualizzare grandezze altrimenti invisibili.

In questo modello, il circuito elettrico viene paragonato a un sistema di tubazioni in cui scorre un liquido incomprimibile (l’acqua).

Elemento Elettrico	Analogia Idraulica	Significato Fisico dell’Analogia
Tensione (V)	Pressione o dislivello	La forza che spinge il fluido attraverso il condotto.
Corrente (I)	Portata	Il volume d’acqua che passa in una sezione per unità di tempo.
Resistenza (R)	Strozzatura o attrito	L’opposizione fisica causata dal diametro o dalla rugosità del tubo.
Generatore	Pompa	Il dispositivo che ristabilisce il potenziale fornendo energia.
Conduttore	Tubo di grosso diametro	Il percorso che permette il movimento con perdite minime.
Interruttore	Rubinetto (con inversione logica)	Il comando che permette o impedisce il flusso.

Tuttavia bisogna avere estrema cautela nell’uso di questo modello. Uno dei rischi maggiori è indurre lo studente a pensare che l’elettricità possa “uscire” dal filo come l’acqua da un tubo rotto. È necessario spiegare che, mentre l’acqua può fluire in un tubo aperto verso l’atmosfera, la corrente elettrica richiede necessariamente un percorso chiuso e un ritorno al generatore, a causa dell’altissima rigidità dielettrica dell’aria. Inoltre, l’analogia fallisce nel descrivere i campi elettromagnetici che circondano il filo, fondamentali per comprendere il funzionamento di trasformatori e motori che gli allievi incontreranno nel proseguimento del corso di studi.

Errori tipici e difficoltà

Una delle idee più radicate è il cosiddetto “modello della consumazione”. Molti allievi ritengono che la corrente diminuisca man mano che attraversa i componenti di un circuito (ad esempio, che ce ne sia di più prima di una lampadina e meno dopo). Questo errore deriva da una confusione tra corrente (materia/carica) ed energia. Credo che la strategia didattica corretta possa essere quella che utilizza l’analogia della catena di bicicletta o del circuito idraulico chiuso: la catena si muove alla stessa velocità in ogni punto, ma è il lavoro compiuto dal ciclista a trasferire energia alla ruota.

Un’altra difficoltà riguarda il “ragionamento sequenziale”. Gli studenti tendono ad analizzare i circuiti come se la corrente decidesse cosa fare man mano che incontra i componenti, ignorando che un cambiamento in qualsiasi punto del circuito modifica istantaneamente l’equilibrio di tutto il sistema. L’uso di simulatori come PhET, che permettono di vedere le cariche muoversi in tempo reale e reagire a ogni variazione di resistenza, è fondamentale per superare questo limite cognitivo.

Infine, persiste spesso la confusione tra tensione e corrente, usate nel linguaggio comune come sinonimi (si dice spesso “è passata la 220” intendendo la tensione). E’ importante insistere sul fatto che la tensione è una causa potenziale e la corrente è un effetto attuale: si può avere tensione senza corrente (circuito aperto), ma non corrente senza tensione (salvo nei superconduttori, argomento avanzato).

Questa breve lezione è un primo passo, nei prossimi post vedremo come queste grandezze entrano in gioco in situazioni pratiche, ad esempio quando si collega un LED o si usa un multimetro.

Buono Studio 🙂

Esercitazione 3 – Scheduler cooperativo con tre task e supervisione dei tempi

2 Repliche

Allenamento per l’esame di maturità
Percorso di laboratorio con Arduino per studenti di quinta ITIS

Obiettivo didattico

Organizzare il programma come scheduler cooperativo con tre task indipendenti: acquisizione analogica, lampeggio di stato e trasmissione seriale periodica. L’attività mostra come il loop() possa diventare un piccolo supervisore software.

Materiali suggeriti

Arduino UNO R3 o UNO R4;
1 potenziometro;
2 LED;
2 resitori (per i LED);
breadboard;
cavetti jumper.

Schema di collegamento

Richiamo teorico

In un sistema embedded semplice non si usa un vero sistema operativo, ma si può costruire uno scheduler cooperativo con millis(). Ogni task possiede il proprio intervallo e il proprio istante dell’ultima esecuzione. Il loop() controlla se ciascun task è pronto e lo richiama.

Schema logico dell’attività

Il programma inizializza i timer dei tre task. Nel loop legge il tempo corrente e verifica uno dopo l’altro se è il momento di eseguire il task di acquisizione, quello di segnalazione e quello di stampa seriale. Se il tempo non è scaduto, passa al controllo successivo.

Diagramma di flusso

Diagramma di flusso Mermaid

flowchart TD
    A[Inizio] --> B[Configura pin, seriale e timer]
    B --> C[Leggi tempo attuale]
    C --> D{Task acquisizione pronto?}
    D -- Sì --> E[Esegui acquisizione]
    D -- No --> F{Task LED pronto?}
    E --> F
    F -- Sì --> G[Commuta LED di stato]
    F -- No --> H{Task seriale pronto?}
    G --> H
    H -- Sì --> I[Invia dati in seriale]
    H -- No --> J[Ritorna al loop]
    I --> J
    J --> C

Programma

/*
  Prof. Maffucci Michele
  Esercizio 3: scheduler cooperativo con tre task indipendenti
*/

const int PIN_SENSORE = A0;
const int PIN_LED_STATO = 8;
const int PIN_LED_SOGLIA = 9;

// ---------------------------
// Intervalli dei tre task
// ---------------------------
const unsigned long PERIODO_ACQUISIZIONE = 50;
const unsigned long PERIODO_LED = 300;
const unsigned long PERIODO_SERIALE = 500;

// ---------------------------
// Istanti ultima esecuzione
// ---------------------------
unsigned long ultimoTaskAcquisizione = 0;
unsigned long ultimoTaskLed = 0;
unsigned long ultimoTaskSeriale = 0;

// ---------------------------
// Variabili condivise
// ---------------------------
int valoreGrezzo = 0;
float tensione = 0.0;
bool statoLed = false;

void setup() {
  pinMode(PIN_LED_STATO, OUTPUT);
  pinMode(PIN_LED_SOGLIA, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Il loop assume il ruolo di piccolo scheduler.
  unsigned long adesso = millis();

  // ---------------------------
  // Task 1: acquisizione
  // ---------------------------
  if ((adesso - ultimoTaskAcquisizione) >= PERIODO_ACQUISIZIONE) {
    ultimoTaskAcquisizione = adesso;
    taskAcquisizione();
  }

  // ---------------------------
  // Task 2: LED di stato
  // ---------------------------
  if ((adesso - ultimoTaskLed) >= PERIODO_LED) {
    ultimoTaskLed = adesso;
    taskLed();
  }

  // ---------------------------
  // Task 3: seriale
  // ---------------------------
  if ((adesso - ultimoTaskSeriale) >= PERIODO_SERIALE) {
    ultimoTaskSeriale = adesso;
    taskSeriale();
  }
}

// ----------------------------------------------------------
// Legge il sensore e calcola una tensione equivalente.
// ----------------------------------------------------------
void taskAcquisizione() {
  valoreGrezzo = analogRead(PIN_SENSORE);

  // Conversione esplicita ADC -> tensione.
  tensione = (valoreGrezzo * 5.0) / 1023.0;

  // Uso della misura per attivare un LED di soglia.
  if (tensione >= 2.50) {
    digitalWrite(PIN_LED_SOGLIA, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(PIN_LED_SOGLIA, LOW);
  }
}

// ----------------------------------------------------------
// Task di segnalazione periodica.
// ----------------------------------------------------------
void taskLed() {
  if (statoLed == false) {
    statoLed = true;
    digitalWrite(PIN_LED_STATO, HIGH);
  } else {
    statoLed = false;
    digitalWrite(PIN_LED_STATO, LOW);
  }
}

// ----------------------------------------------------------
// Task di comunicazione seriale.
// ----------------------------------------------------------
void taskSeriale() {
  Serial.print("ADC = ");
  Serial.print(valoreGrezzo);
  Serial.print("  Tensione = ");
  Serial.print(tensione, 2);
  Serial.println(" V");
}

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Capire prima di costruire: una nuova serie di elettrotecnica ed elettronica

4 Repliche

Un percorso per chiarire i concetti fondamentali e lavorare in laboratorio con maggiore consapevolezza.

Chi frequenta da tempo questo sito sa che qui trovano spazio soprattutto articoli approfonditi: lezioni estese, tutorial dettagliati, schemi, immagini, codice, proposte operative per il laboratorio e percorsi pensati per la didattica.

L’obiettivo, in queste pagine, è sempre stato quello di affrontare gli argomenti con attenzione, provando a costruire materiali chiari, solidi e riutilizzabili per studenti, docenti, appassionati e maker.

Proprio per questo, può forse sorprendere la nascita di una nuova serie di post più brevi. Eppure questa scelta non nasce da un cambio di rotta, né da una riduzione delle ambizioni didattiche. Nasce, al contrario, da un’esigenza molto concreta che negli ultimi anni è diventata sempre più evidente: per affrontare bene i temi più complessi, bisogna avere chiari i concetti fondamentali.

Da anni lavoro soprattutto con studenti del triennio dell’ITIS, in particolare delle classi quarte e quinte. Più recentemente, però, mi è capitato sempre più spesso di accompagnare anche studenti del biennio, molti dei quali mostrano un entusiasmo autentico verso l’uso di Arduino e desiderano progettare dispositivi, automazioni e piccoli sistemi anche piuttosto articolati.

Questo entusiasmo è prezioso. Curiosità, desiderio di costruire, voglia di sperimentare: sono spesso il miglior punto di partenza possibile per avvicinarsi all’elettronica e all’automazione.

Accanto a questo slancio iniziale, però, nel lavoro quotidiano in laboratorio emerge con chiarezza anche un altro aspetto: le nozioni di base dell’elettrotecnica e dell’elettronica non sempre sono sufficientemente stabili e consapevoli.

Capita così che termini come tensione, corrente, resistenza, massa, polarità, collegamento in serie e in parallelo, uso corretto del multimetro o funzione di una resistenza di pull-up vengano utilizzati in modo intuitivo, ma non pienamente compresi.

Molti dei temi che compariranno in questa serie nascono proprio dalle domande ricorrenti che gli studenti più giovani mi pongono durante le lezioni e le attività di laboratorio. Ho voluto raccogliere quei dubbi, quelle richieste di chiarimento e quelle incertezze che emergono con maggiore frequenza per trasformarle in un percorso ordinato, accessibile e utile anche al di fuori della classe.

Ed è precisamente da questa osservazione che nasce l’idea della nuova rubrica.

Molto spesso, infatti, la difficoltà non sta soltanto negli argomenti avanzati, ma nel fatto che i fondamenti vengono incontrati presto, usati presto, ma non sempre assimilati con la necessaria profondità. Così può accadere che uno studente riesca a montare un circuito, caricare uno sketch e vedere un sistema funzionare, ma fatichi poi a spiegare che cosa stia realmente accadendo dal punto di vista elettrico. E senza questa comprensione, anche le attività più motivanti rischiano di restare fragili.

Per questo ho deciso di affiancare ai tutorial più articolati una serie di lezioni brevi, chiare e mirate, pensate per tornare sui concetti essenziali con un linguaggio accessibile, ma senza rinunciare al rigore.

Saranno testi più snelli nella forma, ma costruiti con la stessa attenzione che riservo ai contenuti più estesi: attenzione ai dubbi reali degli studenti, agli errori ricorrenti, alle semplificazioni fuorvianti e ai passaggi che, se trascurati, rendono più difficile tutto ciò che viene dopo.

A questa scelta si lega anche una riflessione sul formato.

So bene che oggi il video è uno strumento potente, immediato e molto efficace sotto molti aspetti. Non ho nulla contro questa forma di comunicazione, che anzi può essere molto utile in diversi contesti. Tuttavia, realizzare video con continuità richiede tempi di progettazione, registrazione, montaggio e revisione che, almeno in questa fase, non riesco a sostenere in modo regolare. Ma il punto, per me, non è soltanto organizzativo.

Da sempre prediligo la lezione scritta.

La scrittura mi obbliga a rallentare, a ordinare meglio le idee, a scegliere con maggiore precisione le parole e a riflettere più a fondo sul modo in cui un concetto può essere spiegato. Ogni testo diventa così non solo un contenuto da pubblicare, ma anche una traccia di lavoro, una struttura didattica, un riferimento che posso riprendere, sviluppare e collegare ad altri argomenti nel tempo. In questo senso, le lezioni scritte funzionano per me anche come uno storyboard permanente: aiutano chi legge, ma aiutano anche me a costruire percorsi più coerenti.

C’è poi un secondo aspetto che considero importante.

Nel caso di argomenti tecnici di base, credo che leggere un testo mentre si osserva uno schema, si prende un appunto, si prova un collegamento, si misura un valore o si monta un piccolo circuito possa essere estremamente formativo. Il testo scritto ha un ritmo diverso: permette di fermarsi, tornare indietro, rileggere, verificare, annotare, confrontare subito teoria e pratica. Non impone velocità, lascia spazio al tempo dell’apprendimento.

Non penso affatto che il testo debba sostituire il video in assoluto. Penso però che, almeno per alcuni apprendimenti fondamentali, la combinazione tra lettura, riflessione e azione pratica sia particolarmente efficace. In un contesto in cui siamo sempre più abituati a fruire contenuti rapidamente, riprendere un passo più lento può sembrare controcorrente, eppure, proprio questa lentezza consente spesso di fissare meglio i concetti e di trasformarli in competenza reale.

Questa nuova serie, dunque, non nasce per sostituire gli articoli lunghi, né per semplificare artificialmente i contenuti. Nasce per affiancarli e per offrire un percorso di accesso più graduale a studenti, principianti e lettori curiosi che desiderano chiarire bene i fondamenti prima di affrontare temi più complessi.

Ogni post sarà costruito attorno a una domanda semplice o a un nodo concettuale essenziale. L’obiettivo sarà spiegare in modo comprensibile, ma corretto, un singolo aspetto dell’elettrotecnica o dell’elettronica, cercando di collegarlo, quando possibile, a situazioni reali di laboratorio, a esempi concreti o a errori frequenti da evitare.

Questa serie è pensata soprattutto per:

studenti che stanno iniziando;
docenti che cercano spiegazioni sintetiche ma affidabili da riprendere in classe;
appassionati e maker che desiderano chiarire alcuni concetti di base;
lettori che preferiscono contenuti brevi, ma non superficiali.

Continuo a credere che, soprattutto nelle discipline tecniche, spiegare bene le basi sia un lavoro importante quanto affrontare gli argomenti più avanzati. Anzi, spesso è proprio dalla qualità delle fondamenta che dipende la possibilità di comprendere davvero tutto il resto.

Per questo motivo, accanto ai tutorial più ampi e strutturati, da oggi troveranno spazio anche queste brevi lezioni essenziali, pensate per rendere più accessibili i concetti fondamentali dell’elettrotecnica e dell’elettronica e per accompagnare, un passo alla volta, chi sta iniziando questo percorso.

Da dove partirà la serie

Questa collezione di lezioni è attualmente in costruzione e si svilupperà progressivamente a partire da alcuni concetti fondamentali che, nell’attività di laboratorio, si rivelano spesso decisivi per comprendere davvero ciò che si sta facendo.

Tra i primi temi che intendo affrontare ci sono:

differenza tra tensione, corrente e resistenza;
perché un LED ha bisogno di una resistenza in serie;
che cosa significa GND in un circuito;
collegamento in serie e in parallelo;
che cos’è un cortocircuito e perché è pericoloso;
a cosa serve il multimetro e come iniziare a usarlo;
pull-up e pull-down;
differenza tra segnale analogico e digitale.

Il percorso crescerà nel tempo, anche a partire dalle difficoltà più frequenti che emergono durante le attività pratiche e dalle domande ricorrenti degli studenti.

Spero che questa nuova formula possa essere utile.

Come sempre, osservazioni, suggerimenti e proposte di temi da affrontare saranno molto ben accetti.

Buona lettura e buon lavoro 🙂

Meditazione da Maker: un supporto DIN per prototipare in fretta (e con ordine)

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5 minuti da Maker del fine settimana.

In queste settimane devo prototipare velocemente e rispondere ai dubbi di studenti di classi diverse: c’è chi inizia a “giocare” con l’elettronica e chi, più grande, pensa già ai progetti per la maturità. Risultato? Un continuo montare e smontare circuiti… e l’ordine che vacilla.

Per la mia attività di making del weekend ho deciso di dare forma a un supporto di prototipazione basato su guide DIN (guide omega), utilissime in elettronica e automazione. Chi mi segue sa che in passato ho realizzato vari supporti, trovate esempi sul mio sito e su Thingiverse, soprattutto per esercitazioni con PLC e microcontrollori.

Oggi pomeriggio, stanco dei moduli sparsi sul banco, ho sfruttato solo materiale di recupero per costruire una base pratica che mi permetta di passare da un’esercitazione all’altra in pochi minuti. Ho trattato l’attività come una piccola “Meditazione da Maker”: due ore di musica in sottofondo, progettazione e realizzazione. Missione compiuta nei tempi.

Il progetto è ancora migliorabile, quindi per ora non condivido i sorgenti: li pubblicherò a breve. Dalle immagini si capisce comunque quanto sia semplice replicarlo. La base misura 22×22 cm, una scelta dettata dal pannello già a disposizione e la struttura che ospita le barre DIN riprende i miei progetti precedenti, con qualche variazione mirata.

Nei prossimi giorni arriveranno sorgenti e dettagli, tornate a trovarmi. 🙂

Costruire un sistema per la rilevazione del particolato (PM2.5 – PM10) a bassissimo costo

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Come sapete da tempo mi occupo di progettazione di sistemi di monitoraggio ambientale e ultimamente per diversi motivi lavorativi, ma soprattutto per passione, ho ripreso a sperimentare in tal senso.

Ciò che scrivo di seguito è la bozza di un progetto didattico più ampio che sto sviluppando che condivido con voi.

Secondo l’Organizzazione mondiale della sanità, “L’inquinamento atmosferico causa 7 milioni di morti premature ogni anno”. L’Oms nel 2021 ha pubblicato le nuove linee guida (le precedenti erano del 2005) sulla qualità dell’aria abbassando i livelli minimi di tolleranza per particolato fine e inalabile, biossido di azoto e monossido di carbonio. Il documento fornisce nuove evidenze sui rischi per la salute, dovuti all’inquinamento atmosferico.

Dal documento si evidenzia che i livelli della media annuale particolato fine (PM2.5) è di 5 µg/m3, quella del particolato inalabile (PM10) è di 15 µg/m3, mentre per il biossido di azoto (NO2) 10 µg/m3 e per il monossido di carbonio (CO) si suggerisce il limite giornaliero di 4 µg/m3.

Rispetto al documento precedente del 2005 c’è stato un aumento elevato delle prove scientifiche che mostrano inequivocabilmente che l’inquinamento atmosferico influenza in modo evidente la salute umana, sono state accumulte numerosissime informazioni sulle fonti di emissioni e sul contributo degli inquinanti atmosferici sull’amontare globale delle mallattie.

A pagina 17 del documento di cui trovate link sopra, la tabella 0.1 riporta i seguenti dati:

Non voglio con questo post fare un trattazione scientifica sull’argomento, non è ho attaulmente le competenze e mi sto formando in tal senso, ma nell’affrontare il mio studio e successivamente quello degli studenti della mia scuola sto sperimentando da tempo la realizzazione di centraline elettroniche che rilevano il particolato rischioso per la salute associati ai PM 2.5 e il PM 10 polveri il cui diametro è inferiore o uguale rispettivamente ai 2,5 micron (µm) e ai 10 micron (µm) che sono in grado di penetrare in profondità nei polmoni. Addirittura il PM2.5 è in grado di penetrare nel flusso sanguigno, provocando gravi problemi all’apparato cardiocircolatorio e respiratorio.

Non mi dilungo di più e lascio a voi lo studio del documento sopra cittato, cercherò nel prossimo futuro, durante il mio studio ed il confronto con i colleghi, di essere più preciso.

Il mio interesse attuale è quello di rilevare le polveri sottili e realizzare strumenti relativamente economici che mi possano fornire un’ordine di grandezza della qualità dell’aria che respiriamo nella zona in cui vivo e lavoro.

L’idea nasce in periodo pre-pandemico in una bozza di progettualità in cui vedeva l’installazione di una rete di sensori per la rilevazione della concentrazione delle polveri sottili in diverse zone esterne al mio istituto, un lato che volge verso la ferrovia, uno rispetto ad una strada pubblica ed una verso un giardino pubblico. Questa piccola rete doveva in qualche modo storicizzare i dati su server e renderli pubblici alla comunità scolastica.

La rete di centraline che ho immaginato ha la possibilità di trasmettere i dati via radio a distanze massime di 1Km, pertanto rilevabili dai sistemi informatici della scuola. Le frequenze utilizzabili sono libere e la comunicazione può avvenire usando apparati che hanno costi di qualche decina di Euro quindi rientrano nella filosofia che tanto mi piace: “poca spesa tanta resa” (parlo ovviamente di resa didattica).

Il progetto più ampio aveva nella mia testa la visione di riunire le tre anime dell’istituto: Meccanica, Elettronica e Biotecnologie nel costruire un network operativo tra i vari dipartimenti per mappare gli inquinanti atmosferici in modo sistematico e non solo quello delle polveri sottili, ma anche del monossido di carbonio, ossidi di zolfo, gli ossidi di azoto, l’ozono, il radon e molti altri.

Ma poi arrivò il Covid.

Ora si riparte e i vari cambiamenti lavorativi ed organizzativi che mi coinvolgono mi hanno portato a riprendere in mano il progetto che mi piacerebbe rendere operativo nel breve.

Come sapete la mia attività è prevalentemente didattica e sperimentale e mi piace studiare costruendo gli oggetti del mio studio. Ho ripreso in mano l’elettronica che avevo precedentemente usato e da un suggerimento che mi è giunto dal cognato Leo 🙂 che ringrazio, lo scorso fine settimana mi sono concentrato sul progetto opensorce sensor.community

Lo scopo del progetto è quello di monitorare in modo capillare l’inquinamento derivante da polveri sottili rendendo visibile pubblicamente il monitoraggio tramite una mappa interattiva.

Il progetto si chiama airRohr (Rohr in tedesco significa tubo) e consente di misurare l’inquinamento in piena autonomia. Viene utilizzato software libero con licenza GNU GPL 3.0 e i dati vengono caricati su un DB con licenza Database Contents License (DbCL) v1.0.

dal sito:

Sensor.Community è una rete di sensori globale guidata dai collaboratori che crea Dati Ambientali Aperti.

La missione della comunità è ispirare e arricchire la vita delle persone offrendo una piattaforma per la curiosità collettiva nella natura che sia genuina, gioiosa e positiva.

Nel momento in cui scrivo questo post i sensori attivi a livello globale sono 13.571 distribuiti in 74 nazioni (tra privati ed enti di ricerca) e tra qualche giorno se ne aggiungerà un’altro, il mio sul balcone di casa mia 🙂 e poi nel prossimo futuro forse anche nella mia scuola.

Ma come si costruisce una centralina per rilevare la concentrazione dei PM10 e PM2.5?

Sul sito di sensor.community nella sezione airRohr trovate il dettaglio preciso sulla costruzione dello strumento ed online tantissimi siti di privati e scuole che propongono varianti ed migliorie.

La costruzione base della centralina, con tutti gli strumenti a disposizione non mi ha richiesto più di un’ora di lavoro per l’assemblaggio e la configurazione.

Vi farò sorridere, ma la difficoltà maggiore è stata reperire i tubi in PVC del diametro consigliato, ho poi optato per una diversa dimensione (perchè è l’unica che ho trovato nel brico vicino casa) progettando i supporti dell’elettronica che potete vedere nelle immagini allegate (condividerò nel breve le mie varianti).

Quindi non rifarò un tutorial di costruzione dell’airRohr, in questa fase di studio non ha senso, è ottima la guida che trovate sul sito di riferimento, sicuramente però realizzerò articoli che aggiungono funzionalità ad airRohr.

Per ora ho solo voglia di sperimentare.

Spero con questo breve post di aver dato spunto ai colleghi che numerosi nelle scorse settimane mi hanno contattato per avere idee per implementare progetti “green” che non siano basati su proposte commerciali preconfezionate ma open a basso costo.

Non è l’unico progetto, ne esistono altri di complessità diversa, ma ve ne parlerò più avanti, perchè complesso è trovare il tempo per scrivere 🙂

Per i colleghi non di materie tecniche, che lavorano nella scuola elementare o media o licei, il mio suggerimento è quello di fare rete e chiedere il supporto di ITIS o Istituti Professionali ad indirizzo Elettronico che si trova nella vostra zona. Il progetto airRohr potrebbe rientrare tranquillamente in un progetto PCTO sviluppato da studenti anche del 3′ anno delle superiori.

… ma se siete miei vicini di scuola, non esitate chiedete.

Buon Making a tutti 🙂

Michele Maffucci

… my stories, life and work

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Capire prima di costruire – 01: che differenza c’è tra tensione, corrente e resistenza?

Tre parole che compaiono ovunque in elettronica, ma che spesso vengono confuse tra loro.

La tensione elettrica

L’intensità di corrente

La resistenza elettrica e le proprietà tecnologiche dei materiali

L’analogia idraulica tra tradizione didattica e limiti scientifici

Errori tipici e difficoltà

Esercitazione 3 – Scheduler cooperativo con tre task e supervisione dei tempi

Allenamento per l’esame di maturità
Percorso di laboratorio con Arduino per studenti di quinta ITIS

Obiettivo didattico

Materiali suggeriti

Schema di collegamento

Richiamo teorico

Schema logico dell’attività

Diagramma di flusso

Diagramma di flusso Mermaid

Programma

Capire prima di costruire: una nuova serie di elettrotecnica ed elettronica

Un percorso per chiarire i concetti fondamentali e lavorare in laboratorio con maggiore consapevolezza.

Da dove partirà la serie

Meditazione da Maker: un supporto DIN per prototipare in fretta (e con ordine)

Costruire un sistema per la rilevazione del particolato (PM2.5 – PM10) a bassissimo costo

Tre parole che compaiono ovunque in elettronica, ma che spesso vengono confuse tra loro.

La tensione elettrica

L’intensità di corrente

La resistenza elettrica e le proprietà tecnologiche dei materiali

L’analogia idraulica tra tradizione didattica e limiti scientifici

Errori tipici e difficoltà

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