+ All Categories
Home > Documents > Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^...

Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^...

Date post: 30-Aug-2019
Category:
Upload: others
View: 223 times
Download: 49 times
Share this document with a friend
9
Editura Paralelo 45 este recunoscutd de Consiliul Nalional al Cercetdrii gtiinlifice (CNCS) Redactare: Bianca Vigan Tehnoredactare & pregdtire de tipar: Marius Badea Design copert?i: Ionul Brogtianu Descrierea CIP a Bibliotecii Nafionale a Rom0niei ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine bibliografie rsBN 978-97 3 -47 _2402-4 004 Copynght @ Editura paralela 45,2016 Irezentl lucrare folosegte denumiri ce constituie mlrci inregistrate, iar continutul este protejat de legislafia privind dreptul oe p.ipri"tate intelectuald. Traian Anghel PROGRAMAREA PLACII ARDUINO Editura Paralela 45
Transcript
Page 1: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

Editura Paralelo 45 este recunoscutd deConsiliul Nalional al Cercetdrii gtiinlifice (CNCS)

Redactare: Bianca ViganTehnoredactare & pregdtire de tipar: Marius BadeaDesign copert?i: Ionul Brogtianu

Descrierea CIP a Bibliotecii Nafionale a Rom0nieiANGHEL, TRAIAN

^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45,

2016Con{ine bibliografiersBN 978-97 3 -47 _2402-4

004

Copynght @ Editura paralela 45,2016

Irezentl lucrare folosegte denumiri ce constituie mlrci inregistrate,iar continutul este protejat de legislafia privind dreptul oe p.ipri"tate intelectuald.

Traian Anghel

PROGRAMAREAPLACII ARDUINO

Editura Paralela 45

Page 2: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

Cuprins

Introducere ..............9

Capitolul 1. Notiuni de electricitate .................. .................. l41.1. Structura corpurilor.... ......141.2. Sarcina electric6...... ......... 18

1.3. Conductoi, izolatoi, semiconductori................ ......201.4. Legea lui Coulomb. Cdmpul electric. ................,."...231.5. Potentialul electric. Tensiunea electric6....... ............271.6. Condensatorul. Capaeitatea electricd ......................29l.T.Curentulelectric.Circuitulelectric........ .................311.8. Intensitatea curentului electric ............ Jr1.9. Rezistenta electricd. Rezistivitatea.................. .........361.10.Surseelectrice.Tensiuneaelectromotoare ............38l I 1. Legile circuitelor electrice ............... 40Ll2.Eneryia gi puterea electricd ..............441.13. Potentiomekul."...... .......471.14. Fotorezistorul ...............471.15. Sistemul International. Multipli gi submultipli ..........................50

Capitolul 2. Notiuni de programare.................. ..................52

2.1. Sisteme de numeralie ......522.2. A1goritmi................... ......................... 552.3. Limbajul pseudocod. .......572.4.Prograrcrarea structuratd ............... .......612.5. lntroducere in limbajul C++......... .......662.6.Instruc{iunile limbajului C+r........... ....................... /r2.7. Func{ii in C+r......... ........792.8. Programarea orientatd pe obiect in C++......... ......... 83

Capitolul 3.Prezentarea pldcii gi a mediului de dezvoltare Arduino ......94

3.1. Placa de dezvoltare Arduino ...............943.2. Instalarea IDE Arduino Software... ....................... 100

Page 3: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

3.3.Conectareapl5ciiArduinolapC........... ................1013.4. Biblioteci Arduino... .....1023.5. Software suplimentar ........................ 1053.6. Bootloader-ul Arduino................ ..... 106

Capitolul 4. Bazele programdrii pldcii Arduino ......................."............ 1094.1. StructuraunuiprogramArduino...... .....................1094.2. Compilanea gi incdrcarea sketch-ului pe placa Arduino............. l l14.3. Primul sketch Arduino ...................... I 124.4. Breadboard, fire de leg[turd 9i LED_uri... ............. I 154.5. Inhdri 9i iegiri digitale........ .............. I 184.6. Generarea semnalelor pWM.......... ....................... 1234.7"Utilizareaintreruperilor................. ........................1254.8. Intr6ri analogice .......... l2g4.9. Afigarea datelor folosind LCD-uri ........................ 1374.10. Generarea sunetelor... ...................... 143

Capitolul 5. Interfele de comunicatie ................ ...............1465.1. Porfuri analogice 9i digitale..... .....,....146S.2.Interfala seriald.......... ....1475.3. Interfala SPI.............. .... 1505.4. Interfafa I2C............... ..... t52

Capitolul6. Aplicafii bazatepe senzori.... ....1566.1. Mdsurarea temperaturii 9i umiditd{ii.......................................... 1566.2. Mdsurarea nivelului de iluminare ..... 1596.3. M6surarea distanfei

6.7.Detectarca miqcdrii..... ....................... l7g6.8. Detectarea inclinirii ..... lgl6.9.Detectnea ploii ............ lg36. 10. Mdsurarea presiunii atmosferice .......... l g66.11. Detectarea sunetului... .... .....:......................::....... ,rn

Capitolul 7. Comunicalia prin Bluetooth ...... 193

7.1. Standardul Bluetooth... ....................... lg37.2. Conectarea modulului HC-06 la placa Arduino LINO R3.......... 195

7.3. Proiect comunicarea intre Arduino gi calculator prin Bluetooth .... 195

7.4.Proiect: comunicarea intre Arduino gi telefon prin Bluetooth...20l7. 5. Proiect: telefonul, telecomandi Bluetooth pentru Arduino........ 204

Capitolul 8. Comunica{ia in retele Ethemet gi in Intemet.....................205

8. 1. Standardul Ethemet.....

8.2. Internet gi Web: organizare gi accesare... ...............2118.3. Shield Ethemet....... .......2198.4. Conectarea qi testarea shield-ului Ethernet ............2208.5. Client Web cu Arduino ......................2268.6. Server Web cu IP dinamic .................2288.7. Proiect: server Web pentru monitorizarea camerei....................2308. 8. Proiect: postarea unui tweet folosind Arduino....... .................... 2348.9. Proiect: salvarea datelor misurate folosind PHP gi MySQL......2378.10. Proiect: server Web care folosegte un card micro-SD.... ..........250

Capitolul 9. Comunica;ia in refele Wi-Fi qi in Internet... ......................256

9.1. Re{ele Wi-Fi........... .......2569.2. Conectarea plicii Arduino la o retea Wi-Fi ................"..............2589.3. Scurti prezentarc a modulului 8SP8266..... ...........2589.4.Prezentarea pldcii NodeMCU ...........2609.5. Proiect: client Web cu NodeMCU ....2619.6. Proiect: server Web cu NodeMCU ......."...............2649.7. Proiect: monitorizarea nivelului de iluminare cu NodeMCU ....2699.8. Proiect: stalie meteo cu NodeMCU .......................2729.9. Instalarea firmware-ului LUA pe NodeMCU ........2759.10. Proiect: server Web cu NodeMCU gi LUA Script.......... .........279

Capitolul 10. Comunica{ia prin GSM..........:. ...................292

10.1. Standardul GSM.......... ....................292i0.2. Shield cSM............ ....28210.3. Proiect: sistem de alarmare prin GSM ................283

Page 4: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

Capitolul 11. Controlul motoarelor .............29111.1. Motoare de curent continuu ...........2g11 1.2. Proiect: comanda a dou6 motoare de curent continuu...... ........2g4I 1.3. Proiect: modifi carea dinamicd a vitezeimotoarelor DC .......... 2g711.4. Motoare pas cu pas............... ..........29g11.5. Proiect: controlul rota{iei unui motor pas cu pas...................... 300I1.6. Servomotoare

I1.7. Proiect: controlul unui servomotor.............. ........304Capitolul 12. Programarea plicii Arduino cu LabVIEW...................... 307

12.1. Introducere in LabVIEW ...............30712.2. Cum se utilizeazd,LabVlEW cu Arduino.. .......... 30g12.3. Analiza unui instrument virtual.... ....................... 310l2.4.Proiect: rndsurarea temperaturii gi a iluminirii.................. ......314

Capitolul 13.Intemetul lucrurilor ...............31g13. I . Avantaje gi dezavantaje ale utilizdrii IoT................................. 3 l g13.2. Servicii IoT ............ ........................32013.3. Proiect: monitorizarea temperaturii cu ThingSpeak............. ....32113.4. Proiect: monitorizarea nivelului de iluminare cu ubidots .......33513.5. Proiect: monitorizarea temperaturii cu NodeMCU qi ubidots.34313.6. Proiect: utilizarea platformei Thethings.... ..........345

Bibliografie. ........348c54i............ ........................ 348Web............ .....349

Introducere

,,Lucrul cel mai important este sd nu incetezi si pui intrebdri.Curiozitatea are propria ra(iune de a exista."

Albert Einstein

AstAzi, singura constantd este schimbarea, lumea transformdndu-se intr-unritm nemaiintdlnit. In zilele noastre, suntem martorii inceputului celeide-a patra revolulii industrialer, care constd in pdtrunderea rapidd a

tehnologiilor digitale in toate domeniile. ,,Viitorul este aici, doar cd nueste uniform distribuit", spunea cdndva William Gibson, scriitor canadiande origine americani. La fel se int6mplS qi acum, cdnd noua revolulieindustriald se manifestd deja ?n zone diverse ale activitdlii omului,cuprinzAnd treptat un numdr mare de sectoare ale activitblii economice,sociale, dar qi personale a acestuia.

Tehnologia avansatd pdtrunde in toate domeniile, inclusiv in cele carep6nd nu de mult pireau a fi. ,,ferite" de aceasta. Automatizarea casei(home automation) este un concept care se dezvoltd extrem de rapid. Deexemplu, se pot controla lumininile din cas5, precum qi sistemele deinc5'lzire, de aer condiJionat gi de securitate ale acesteia. De asemenea, se

pot utiliza diverse gadgeturi in apropierea casei (cu care, de exemplu,sunt controlate temperatura qi umiditatea aerului din sera de flori sau de

legume) sau in drumul cdtre casd (e.g. se pornegte magina de spdlat).

in urmdtorul deceniu, mai mult de un trilion de senzori vor fi conectali laInternet, conform afirma{iilor fbcute la Forumul Economic Mondial de laDavos, 2016. Aceqtia vor trimite diverse informalii omului, dar vorcomunica gi intre ei, scopul acestei uriaqe ,,desfdqurdri de forfe" fiind de aoferi omului un trai mai bun, mai confortabil gi mai sigur.

I Aceastd idee a fost avansatd la cea de-a 46-a ediJie a Forumului EconomicMondial, desftguratd la Davos (Elve{ia), in perioada 20-23 ianuaie 2016.

Page 5: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

Capitolul 1. Nofiuni de electricitate

,,Studiazd mai int6i gtiinla gi continud apoi cupractica niscutE din aceastd gtiin{d!,'

Leonardo da Vinci

in primul capitol sunt prezentate succint o serie de nofiuni de electricitatenecesare pentru buna inJelegere a lucri.rii, in special a exemplelor practiceoferite in cadrul acesteia. precizdm c6 notiuniie prezentate in capiiolul defa!6 se regdsesc ?ntre cele incluse in programel e de fizicd,pentru gimnaziugi de liceu, fiind astfel accesibile tuturor persoanelor intiresatJde bunaintelegere a lucrdrii.

1.1. Structura corpurilor

Eforturile depuse de savanli de-a lungul secolelor - in special fizicieni gichimigti - au permis oblinerea unei imagini bogate qi complexe arcalitdiiiinconjurdtoare, in particular a structurii corpurilor.

Astdzi, se qtie cd toate corpurile, indiferent de starea de agregarea acestora, sunt compuse din atomi gi molecule. Moleculele suntstructuri alcdtuite din atomi'ni!i prin cdteva tipuri de legdturichimice (e.g. covalentd, ionicd). Un tip special de legdturi estecea metalicS.

Dupd incercarea de pionieratt din 1904 alui J.J. Thomson (care a elaboratun model simplificat al atomului, supranumit ,,cozonacul cu stafide"),structura atomului a fost dezv6luit6 in lgll de cdtre fizicianul ErnestRutherford (1871-1937), laureat al premiului Nobel pentru chimie (190g),considerat ,pdrintele" fizicii nucleare gi cel mai mare experimlntatordupi Michael Faraday. Rutherford a formulat, ca urmare a celebrelor saleexperien{e de imprSgtiere a particulelor alfa2 pe foite metalice subtiri,

I Menliondm cd primul model atomic a fost cel al lui Dalton (1766-1g44).conform acesfuia, atomul este sferic ai fdrd strucfurd intemd, atomii aceluiaqielement fiind identici, dar diferifi de atomii altor elemente.2 Particulele alfa (o) sunt nuclee de heliu (i.e. atomi de heliu care au cedat prinionizarc ambii electroni), cu o sarcind pozitivd de dour ori mai mare dec6t cea aelectronului qi cu o masd de circa 7300 de ori mai mare dec6t masa unui electron.

I4 t5

modelul planetar al atomului (figura 1). in cadrul acestui model, atomuleste similar cu sistemul planetar, ?n cadrul cdruia - dup6 cum se qtie -planetele (inclusiv Pdmdntul) se rotesc pe orbite aproximativ circulare injurul Soarelui.

in cadrul modelului elaborat de Rutherford, atomul (avdnd raza de circal0-r0+10-e m) este alcdtuit dintr-un invelig electronic Ai un nucleu (av6ndraza de circa l0-15+ltto ttr), in jurul cdruia se rotesc pe orbite circulareelectronii. in modelul planetar ai atomului a fost introdusd prima oar6 infizicd notiunea de nucleu atomic.

Electronul (cu simbolul eJ este o particuld elementarl, cu sarcinaelectricd negativd gi egald in modul cu sarcina electricd elementarb(pentru detalii, a se citi seciiunea urm5toare), avdnd masa foarte micd3:

e = -1,6. 10-1e C m =9,1.10-3tkg (l)Electronii unui atom formeazd, inveligul electronic al acestuia. Numdrulelectronilor unui atom se nume$te numdr atomic Si se noteazd. cu Z.

Figura I. Modelul planetar al atomului

Nucleul atomic, con{in0nd aproape intreaga mas6 aincdrcat pozitiv, fiind alcdtuit din protonis (Rutherford,

atomuluia, este1920) qi neutroni

t Masa unui electron este de circa 1840 de ori mai micd dec6t masa nucleuluicclui mai uqor atom din naturd (atomul de hidrogen).

lo-1flro

Page 6: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

(chadwick, 1932). Masele protonului gi neutronului sunt foarte apropiategi practic egale cu o unitate atomicd de masd:

u =1,66.10-27 kg e)spre deosebire de neutron (av6nd simbolul n), care este neutru din punctde vedere electric, protonul (av6nd simbolul p) este incdrcat cu o sarcinlelectricd pozitivd, egald cu cea elementari.

Numdrul protonilor din nucleu este egal cu Z, astfelincdt in condilii fizicegi chimice obignuite, atomul este neutru din punct de vedere Llectric,adicd sarcina electricd totaldaacesfuia este nuld:

Qatou =Q"bm,i *Q,u"t"o = Z.(-e)* Z.e=0 (3)

Num6ru1 total al protonilor qi neutronilor din nucleu se nume$te numdr demasd gi se noteazd cu l. Denumirea este justificatd, deoarece masaatomului este aproximativ egal6 cu cea a nucleului, iar masa acestuia dinurmd - exprimatd in unitdti atomice de masd - este practi c egald cu A.Numdrul neutronilor din nucleu este N : A-2. protonii gi ne-utronii senumesc ?mpreund nucleoni. Astfel, A reprezintd,numdrul nucleonilor.

Izotopii sunt atomi care au acelaqi num6r atomic, dar numere de masddiferite, ceea ce inseamnd cb izotopii diferd unul de altul prin numdrulneutronilor6 din nucleu. cele mai cunoscute exemple suni izotopii hi-drogenului qi cei ai carbonului. De altfel, definilia udtblii atomice demas6 include ca referinld izotopul 12 aI atomului de carboni, care con{ine6 electroni, 6 protoni gi 6 neutroni (adicd 12 nucleoni), spre deosebire deizotopul 13, care contine 6 electroni, 6 protoni gi 7'neutroni (adicd 13nucleoni). Alt exemplu este reprezentat de izotopii hidrogenului: hidrogenul

a Printr-un calcul relativ simplu, se g[segte c6 densitatea medie a nucleuluiatomic este de circa 4.1017 kgm3. adicd 400 de milioane de tone ne cm3!Comparafi aceastd valoare cu densitatea apei: 1000 kg/m3 sau I g/cm3ls Denumirea provine de la cuvdnfur grec protos, care inseamnd primul, deoareceprotonul este nucleul primului element al tabelului periodic (hidrogenui).6 Termenul izntop provine din limba greacd,: rsos - acelag i, topos - loc. Elvreyiz,e.fiastfel cd izotopii unui element chimic ocupd u"..ugi cdsu16 in tabelulperiodic. Denumirea a fost inhodusd de F. Soddy in 1913.7 A 12-a parte din masa izotopului de carbon 12 se numeqte unitate atomicd demasd, notatii cu simbolul a.

t6 t7

propriu-zis (1 electron gi I proton), deuteriul (l electron, I proton qiI neutron) qi tritiul (1 electron, I proton gi 2 neutroni). Izotopii au pro-priet6{i chimice identice (deoarece au aceeagi structurd a inveliguluielectronic), dar au proprietiti frzicein general diferite.

Prin element chirnic se infelege o specie de atomi identici, avdnd acelaginumbr de electroni in inveligul electronic Ai acelagi numdr de protoni innucleu. Dupi cum se poate observa, defini{ia prezentatd" nu se referi lanumlru] neutronilor din nucleu, ceea ce inseamnd cE un element chimicinclude toJi izotopii sbi.

Elementele chimice, al cdror numir este de I 188, sunt incluse intabelul periodic al elementelor, care poartd numele cunoscutuluichimist rus Dimitri Mendeleeve (1334-1907). Acestea suntordonate in func{ie de proprieti{ile lor fizice gi chirnice, in grupe(in numdr de 18) qi perioade (in numir de 7).

in condilii normale (i.e. temperatura de zero grade Celsius gi presiunea deo atmosferd), corpurile alcdtuite din elementele chimice prezente intabelul lui Mendeleev se afli intr-o anumitd stare de agregare (solidd,lichidd sau gazoasd), dar aceasta se poate modifica in urma schimbului decdlduri cu mediul exterior, producdndu-se astfel o transformare de starede agregare.

Modelul planetar al atomului a fost imbuniti{it de Niels Bohr (1885-1962) carc, in 1913, a creat un model hibrid, cuanto-mecanic, pentru aelimina deficien{ele modelului elaborat de Rutherford, dintre care cea maiimportanti este instabilitatea electrodinamici (electronul, in migcarea saacceleratd in jurul nucleului, ar trebui sd radieze energie electromagneticdgi, in final, si se prdbuqeascd pe nucleu, ceea ce - evident - nu seintdmpld).

Bohr a introdus pentru prima oard la nivelul atomului conceptul decuantificare, demonstrdnd - pe baza celor doud postulate care ii poart|numele - ci mdrimile fizice utilizate tn interiorul atomului sunt cuantificate

8 in ianuarie 2016 au fost addugate tabelului periodic ultimele elemente chimice(avdnd numerele atomice 113, 115, I 17 9i 118).

t Dmitri Mendeleev a publicat pentru prima oarl (in 1869) un tabel periodic alelementelor, asem[nitor cu cel actual. Elementul chimic l0l al acestui tabel iipoarti numele (mende I e eviu).

Page 7: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

(e.g. raza orbitelor electronice, energia stdrilor stalionare). Modelul atomical lui Bohr a fost perfeclionat ulterior de cdtre Arnold Sommerfeld, carein 1915 a elaborat modelul Bohr-Sommerfeld.

Un model complet al atomului este furnizat de mecanica cuanticl(Erwin Schnidinger, 1926). in cadrul modelului respect iv, bazatpe interpretarea statisticd a functiei de undd (Max Born, 1926),notiunea de orbitd electronicd este inlocuitd cu cea de orbitalelectronic, acesta reprezentAnd distribu{ia spaliald a probabilitdliide localizare a electronului.

1.2. Sarcina electricl

Prin procedee specifice (frecare, contact, inductie), corpurile pot fi aduseintr-o stare speciali, numitd stare de electizare, in care interac{ioneazIintre ele prin for{e, numite forfe electrice, acestea fiind de atraclie sau derespingere. Fenomenul de electrizare este cunoscut incd din Antichitate,cdnd rhales din Milet (sec. al vl-lea i.Hr.) a studiat proprietatea chihlim-barului (piatri preJioasd, de origine organicd) de a itrage corpuri u$oarecdnd este frecat.

starea de elecl:,izarc este caracterizatl cantitativ folosind o mdrime fizicddenumiti sarcind electricd. tindnd seama de existenja celor doud tipuri deinterac{iuni - de atracfie gi de respingere - rezultd cd sarcina electricd estede doui feluri, negativ[ gi pozitivd. coqpurile incdrcate cu sarcindelectricd de acelagi semn se resping, iar cele incdrcate cu sarcind electricdde semne opuse se atrag.

Denumirile de sarcind electricd negativd qi pozitivi au fost introduse deBenjamin Franklin (1706-1790). Acesta a denumit electricitatea careapare prin frecare cu o bucatb de mdtase pe (bagheta de) sticl6, pozitivd,iar cea de pe ebonitd, negativd, denumiri care --dup5 cum se gtie _ s_aupistrat pdnd, astdzi.

In procesul de electrizarc a corpurilor nu este generatd sarcinbelectricd, ci are loc un proces de separare sau de transferare asarcinii electrice existente.

in sistemul Interna{ional (SI), sarcina electricd este o mdrime fizicdderivatd, definitd prin relalia e : I ./, unde 1 este intensitatea unui curentelectric sta{ionar care strdbate un conductor in timpul l. De asemenea, insI, unitatea de mSsurd a sarcinii electrice este derivatd. Aceasta senume$te coulomb - cu simbolul C - qi este definitd prin rela{ia:

l8 19

lQlr, =lc = [1]r, '[/]r, = A't (4)

Clea mai micd sarcind electric[ pusd in evidenli este cea a unui electron.Valoarea absolutd a acesteia se nume$te sarcind electrici elementard:

e =I,6.10-re C (5)

'f indnd seama de ceea ce s-a prezentat in subcapitolul anterior, rentltd cdclectrtzarca corpurilor se poate explica foarte simplu prin surplusul saudeficitul de electroni in raport cu starea neutr6. Acesta este motivulpentru care sarcina electricd a unui corp este intotdeauna egal5 cu unmultiplu intreg al sarcinii elementare:

Q=ne,mde ne Z (6)

in stare neutr6, corpurile contin cantitdli egale de sarcini electricipozitivd gi negativS. Prin frecare - acesta fiind unul dintre procedeele deelectrizarc, dupd cum s-a v6zut - o micd sarcind electricd se transferd dela un corp la altul, perturbdnd astfel starea lor neutr6. De exemplu, prinfrecarea unei baghete de sticld cu o bucatd de mdtase, sticla devinepozitivd, iar mdtasea negativd, ceea ce inseamnd cd un numdr de electroniau trecut de la sticld la mdtase. Sticla rlmine cu un deficit de electroni(ceea ce explicd incdrcarea pozitivd), iar mdtasea capdtd un surplus deelectroni (ceea ce explicd incdrcarea negativl).

O mdrime fizicd avdnd numai anumite valori permise (cum este sarcinaelectricd) se nume$te mdrime cuantificatdr0. Se mai spune ci sarcinaelectricd are proprietatea de cuantificare sau cd are un caracter discretll.Sarcina electricd elementard se mai numegte cuantd de sarcind electricd.

Cuantificarea sarcinii electrice nu este observabilS la nivelmacroscopic deoarece sarcina electricd elementard este foartemicd. In acest caz, se poate vorbi de o distribu{ie continud asarcinii electrice.

r0 Cuantificarea st[ la baza fizicli modeme. La nivel atomic Ai nuclear, toatemdrimile fizice sunt cuantificate (e.g. energia, momentul cinetic).

't Natura discretd a sarcinii electrice a fost demonstrati experimental dehzicianul R.A. Milikan, intr-un experiment celebru care ii poart6 numele,efectuatin 1911.

Page 8: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

rn caanl unui sistem de corpuri care nu schimbi sarcind electricd cuexteriorul, adicd este izorat din punct de vedere electric, sarcina poatetrece d9 la un corp la altul in cursul interac{iunilor dintre aiestea., udi"a ,"redistribuie, dar valoarea sa total[ (i.e. suma sarcinilor erectrice aletuturor corpurilnr) r6m6ne constant6 in timp. Se spune cd sarcina electricdse conserva. Aceasta este o altii proprietate a sarcinii electrice.

O=iOo =const. (7)k=1

1.3. Conductori, izolatori, semiconductori

Dac6. un corp metalic {inut in mdni va fi supus unui procedeu deeleckizare (de exemplu, va fi frecat cu o bucatd de blane), acestanu r" rruincdrca electric. Totugi, se constata cd un metar este posiLil ,e r"1n.ur."cu sarcinr electricd, dacd are'n m6ner de sticld ruu d. ebonita-gi este{inut de acesta in cursul frecirii, frrd afi atins cu m6na. constatarea poatefi explicatd dac6 se acceptl clasificarea corpurilor in conductor; lruucorpuri conducdtoare de.electricitate) gi izolatorr (sau

"orp*i-"u." ,ruconduc electricitatea). Din categoria conductoriloi fac pui" *"tut"t",

c.grgul omenesc qi pdmdntul, iar din cea a izolatoriior fn"rniU Sidielectrici) fac parte sticla, ebonita, plasticul etc.

Deosebirea dintre conductori qi izoratoi este datd de faptul cd ininteriorul conductorilor existd sarcini electrice libere (cale se potdeplasa), in timp ce in izolatori nu existl astfel de sarcini. Totuqi, nuexistd materiale perfect izolatoare.

Purtdtorii de sarcind electricd liberi in metale sunt electronii, care - av6ndaceastd caracteristicd - poartd denumirea de electroni li6eri. Apariliaelectronilor liberi i'tr-un metal poate fi explicatd lindnd seama'ca laformarea acestuia din mai murli itomi identici uauqi un;i io ufropi"r.uceluilalt, electronii de valen{6 (slabi lega{i de nuclee) nu r6m6n ioiitizalipe atomii din care provin,^ci sunt delocaliza[i, aparjindnd in egate mesuratuturor ionilor metalului, formdnd un aga-numit noi sau g

"i"it iii". tunagtere astfel legdtura metalicd, in care norur de erectroni situat in spaliurdintre ioni, exercitd fo4e de atractie electrostaticd u.upru u".'rto.u.Deoarece legdtura metalicd constituie o partajare colectivd i

"r""tr*lo.metalului, ea nu este direc{ionatd.

in alte categorii de corpuri conductoare, ambele tipuri de purtdtori desarcinS.(e.g' ioni pozitivi gi ioni negativi in electrolilisau electroni gi ionipozitivi in gaze) se pot deplasa libei prin interiorul acestora.

202t

lrxistd o a treia categorie de materiale, intermediar'd intre conductori qiizolatori din punct de vedere al proprietd{ii de conductie a sarciniiclectrice, denumite semiconductori. Conductibilitatea materialelor se-rniconductoare - siliciul (Si) qi germaniul (Ge) fiind reprezentative pentruaceast[ categorie - se poate mdri foarte rmrlt prin addugarea altorolemente, denumite impuritdli (e.g. arsen, bor, indiu, aluminiu, stibiu), incantitd{i foarte mici, procedeu cunoscut sub numele de dopare.Semiconductorii fbrb impuritSli se numesc intrinseci, iar cei cu impuritdtise numesc extrinseci. Semiconductorii extrinseci pot fi de tip n (cuimpuritali donoare) gi de tip p (cu impuritdti acceptoare).

intr-un semiconductor, indiferent dacd este intrinsec sau extrinsec, se potdeplasa - participdnd astfel la conduclia electricd - doud tipuri de pur-tdtori de sarcind electrici: electroni gi goluri. in teoria zonald, (de benzi) asolidelor cristaliner2, intr-un semiconductor electronii se deplaseazd larrivelul benzii de conductie, iar golurile la nivelul benzii de valen!5.'l'rebuie re{inut cd golul are o realitate frzicd numai intr-un solid cristalin,rcflect6nd un anumit mod de comportare a electronilor de valen16. inacest sens trebuie in{eleasd gi denumirea de cvasiparticuld atribuitigolului.

Figura 2. Benzi de energie pentru metale

in teoria benzilor de energie, existd o tratare unitard a tuturor materialelorsolide (metale, izolatori gi semiconductori), clasificarea acestora fbcdndu-se

'2 Solidele cristaline (e.g. metalele, semiconductorii) se caructerizeazd printr-oaranJare spaliald ordonatd a atomilor sau moleculelor componente. Solidelecaracteizate printr-o aranjare neregulatd a particulelor componente se numesccorpuri amorfe (e.g. sticla, smoala).

Page 9: Programarea placii Arduino - Traian Anghel - cdn4.libris.ro placii Arduino... · ANGHEL, TRAIAN ^ ^ - Programarea pliicii Arduino / TraianAngher. - pitegti : p ararera 45, 2016 Con{ine

in funclie de gradul de ocupare cu electroni a^benzii de conducfie (BC)sau .de .l'rglmel Er a .benzii interzise (BI),r, ,;;;; r"rrJ-iira" a"conductie gi banda de valenjl (BV), astfel:

a) metalele au BC p?(;ial ocupat5 cu electroni (figura 2). prinaplicarea unui unui c6mp electric srab, se ti'nJelra s#cientaenergie electronilor pentru a_i deplasa in interiorul BC;

b) semiconductorii au la temperatura de 0 K (zero Kervin) BVcomplet ocupatd.cu electroni, iar BC "ste.'compt"t'goia qi

separati de BV prin BI cu ldrgimea E, < 3 eVra (figura 3;c) izolatorii (sau dlelrytlcii)_aulatemperatura de 0 K BV complet

ocupatd cu electroni, iar BV este complet goal6 qi ..pu*a J* eCprin BI cu lbrgimea E, > 3 eV (figura i).

Bmlii cmplstlibeii

BCBudimplstlibmi

sc

rbFigura 3. Benzi de energie pentru semiconductori (a) qi izolatori (b)

in cazul semiconductorilor, banda interzis' are o l'rgime (e.g. A,72 eyp:np Ge gi 1,1 eV pentru Si) comparabil[ cu un".giu p"'"ui" o pout"cAgtiga un electron sub acfiunea *ui

"a*p erectric,"prin iluminari sau

13 Llrgimea benzii interzisl, 1um]td .9i energie de activare, exprimi energianecesari unui electron aflat in banda de valenia pentru a deveni liber. Mdrimeaacesteia arata cdt de putemic sunt lega{i acegti electioni a. uto'oii

"aro.u i" "**ra.xlec-tron-voltul

(av6nd simbolul ev) este o unitate de mdsur' a energiei,utilizatd la nivel microscopic..Acesta se arnrreqi" ca fiind energia pe care oc6gtigd un elecrron accelerat sub o diferenfa de pJienliat a" un ',roti i"iJtrn" .aleV : 1,6 . 10-1e J (Joule).

Eu> 3 eY

22 23

prin incblzire. Acesta este motivul pentru care la temperatura camerei,tlatoritd miqcbrii termice, existd in semiconductori electroni liberi larrivelul BC, care pot participa la conduc{ia electricdls. De asemenea,rilatd cu cregterea temperaturii, numdrul electronilor liberi creqte inscmiconductoril6, spre deosebire de metale, in care rdmdne constant. incitzul izolatorilor, energia de activare este atdl de mare, inc6t prinirrcilzire practic nu apar purtdtori de sarcind liberi.

l.4.Legea lui Coulomb. CAmpul electric.

lio(ele electrice exercitate intre corpurile electrizate au fost mdsuratepcntru prima oari de cdtre fizicianul Charles Augustin de Coulomb( 1736-1806), care, folosind datele experimentale pe care le-a acumulat, alirrmulat in anul 1784 legea interac{iunii electrice, care ii poartd numele.l)cntru mdsurarea forfei electrice, acesta a folosit o balanfi de torsiunesirnilard cu cea utilizatd de Cavendish pentru mdsurarea forlelor gra-vitalionale dintre corpuri.

('onform legii lui Coulomb, fo4a de interactiune eleckicd dintre dou6unrpuri punctiforme electizate este orientati de-a lungul dreptei care lerunegte, avdnd mdrimea proporfionali cu produsul sarcinilor electrice qiinvers proporfionald cu pdtratul distanjei dintre acestea.

fi-r8fl2 rt -^----1-'-r'r

Valoarea constantei fr depinde de mediul in care se afld cele doud corpuripurrctiforme electrizate. in SI, constanta se scrie astfel:

-11t._

4re 4fiep,

'5 Energia medie de agita{ie termicd se calculeazb cu formula frT, unde ft esteconstanta lui Boltzmann, iar Z este temperatura absolutd. La 300 K (adicd 27.C,tcmperatura camerei), energia respectiv6 este de aproximativ 0,025 eV. Deoareceirccasta este numai o valoare medie, unor electroni li se poate fwniza energielcrrnicd mai mare, comparabild cu ldrgirnea beru'li interzise, astfel incdt potliunge din banda de valen{d in banda de conducfie.r" La siliciu pur, concentratia electronilor liberi cregte de la l0l7 m-3 (la temperaturacarnerei) pitdla 1024 m3la 700"C.

(8)

(e)


Recommended