whatsapp La storia dell'elettronica
Contenuti della pagina [NASCONDI]- L'atomo ed il mondo sub-atomico
- La forza elettromotrice
- La luce artificiale ed il motore elettrico
- L'impulso elettrico ed il telegrafo
- Guglielmo Marconi e la nascita della radio
- L'induzione elettromagnetica e la corrente industriale
- Alan Turing e l'inizio del calcolo elettronico
- I microprocessori e la produzione di massa
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Da molte parti si definisce l'avvento dell'informatica per le masse, iniziato con vari scaglioni negli anni '70, come la 'terza rivoluzione industriale'.
Ciò è indubbiamente vero: il calcolo automatizzato ha cambiato radicalmente la società, ed in pochissimo tempo è riuscito a costruire un enorme settore - escludendo gli indotti - ormai così ramificato e omni-comprensivo che anche la divisione basilare può essere suddivisa in tanti altri sotto-settori, che formano un oceano pressoché sconfinato, in grado di soddisfare pressoché ogni genere di bisogno informativo.
Ma l'informatica è una scienza che da sola non potrebbe esistere, in quanto deve necessariamente appoggiarsi ad altri settori scientifici, ed in particolare all'elettrotecnica che, in senso generale, è la scienza che studia i fenomeni e le applicazioni pratiche dell'elettricità.
A sua volta, l'elettrotecnica è suddivisa in varie sotto-scienze che da essa derivano, e la scienza che studia la propagazione degli elettroni attraverso la materia (e le sue tecniche applicative) è chiamata elettronica.
Allo stato attuale delle cose, non è possibile eseguire un calcolo computerizzato, e quindi informatico, senza l'ausilio delle conquiste dell'elettronica.
Una storia decisamente affascinante, in cui menti eccelse si sono mischiate a teorie, prove pratiche (spesso pericolose), grandi fallimenti ed altrettanto grandi scoperte, che hanno permesso al mondo di essere molto più connesso rispetto al passato.
Buona lettura!
Se il settore dell'automobile si fosse sviluppato come l'industria informatica, oggi avremmo veicoli che costano 25 dollari e fanno 500 Km con un litro.
L'atomo ed il mondo sub-atomico
Rappresentazione artistica di un atomo
Come tutti ci ricordiamo dalle lezioni scolastiche, l'Universo è composto da materia, che altro non è che qualsiasi cosa che ha massa ed occupa spazio.
Alla materia, nell'accezione data dalla meccanica classica, si aggiungerebbe l'energia, ovvero sia la grandezza che esprime la quantità di lavoro possibile.
Per la nota equazione di Albert Einstein, comunque, questo concetto è stato riformulato ad inizio secolo e, datosi
che massa ed energia sono equivalenti - la massa, in parole molto povere, è energia compressa - molti tendono ad accorpare, con il termine di 'materia', sia la materia classica che l'energia.
Analizzandola nella definizione classica, la materia è composta da svariati elementi, scoperti nei secoli dai primi alchimisti e poi dai fisici e dai chimici, e raggruppati per la prima volta a fine '800 dal grande scienziato russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev in una precisa tabella, chiamata tavola periodica degli elementi (o tavola periodica di Mendeleev).
Mendeleev fu il primo scienziato a catalogare con precisione non solo tutti gli elementi conosciuti da millenni all'uomo (tipo l'oro, l'argento, il rame, il ferro e così via), ma ideò la sua tavola 'a scalare', cioè come un sistema aperto che gli scienziati a lui posteri avrebbero potuto ampliare nel caso di scoperte di nuovi elementi.
Albert Einstein descrisse matematicamente l'equazione che equipara massa ad energia
La più piccola parte di un elemento, capace di conservarne intatte tutte le proprietà e le caratteristiche intrinseche, è chiamata atomo.
Al contrario di quello che pensa molta gente, già millenni fa - nella Grecia antica - i grandi filosofi del periodo avevano intuito, empiricamente, la natura atomica della materia, ma per la dimostrazione reale del modello atomico occorrerà attendere molti secoli, fino all'arrivo del metodo scientifico, con l'adeguata sperimentazione ed osservazione.
L'atomo, sebbene provenga dal greco ἄτομος - àtomos - ovvero indivisibile, in realtà non è una struttura monoblocco, ma è composta da svariate particelle, molto piccole, chiamate per l'appunto particelle sub-atomiche.
Le particelle subatomiche, essenzialmente, si dividono in due grandi categorie: bosoni e fermioni.
I bosoni, così chiamati in onore del grande fisico indiano Satyendra Nath Bose, sono particelle estremamente piccole, solitamente dotate di molta energia e che, curiosamente, possono occupare lo stesso spazio (energetico) contemporaneamente, ammucchiandosi così in grandi quantità.
Sono ad esempio bosoni i fotoni, ovverosia la radiazione elettromagnetica, chiamata anche in maniera impropria 'luce'.
Un prisma è in grado di scomporre la luce bianca del sole nei colori delle frequenze dell'iride
I fermioni invece - così chiamati in onore del grande fisico italiano Enrico Fermi - sono particelle che non possono occupare contemporaneamente la stessa posizione quantica: in poche parole, ruotano su loro stesse (si chiama momento di spin) e l'orientamento del momento angolare è semintero, quindi 1/2 o -1/2.
Il fisico austriaco Wolfgang Ernst Pauli scoprì che tali particelle non possono coesistere sullo stesso piano energetico avendo spin eguale, e che quindi devono necessariamente 'ruotare' con monenti angolari differenti: è il motivo per cui, ad esempio, in una struttura atomica esistono gli orbitali.
I fermioni, che grossomodo compongono tutta la materia esistente, a loro volta si sidduvidono in due grandi categorie principali: quark e leptoni.
Enrico Fermi, uno dei più grandi scienziati del 1900, e pioniere degli studi sulla radioattività
Tali categorie, almeno sino a quello scoperto al momento, non sono ulteriormente divisibili e sono, di fatto, le particelle più piccole esistenti, non composte da altre particelle.
I quark non esistono singolarmente, ma si trovano sempre accoppiati tra di loro, formando altre particelle più grandi, come ad esempio i protoni ed i neutroni.
I leptoni invece non si accoppiano tra di loro, e rimangono sempre entità isolate: l'esempio più comune di leptone è l'elettrone.
Quark e leptoni formano la struttura atomica, e tale struttura è tenuta assieme da una serie di forze principali, che ne impediscono il collasso.
Il nucleo atomico è composto da protoni e, in alcuni casi, neutroni, mentre l'impianto esterno è composto dagli elettroni.
Wolfgang Ernst Pauli, il fisico austriaco che formulò il principio di indeterminazione che porta il suo nome
Alcune particelle esistenti hanno la caratteristica di avere carica elettrica, ovverosia tendono a formare un campo elettromagnetico tra di loro: tale campo fa attrarre o respingere le particelle, a seconda del loro segno.
Alcune particelle - come gli elettroni - hanno segno negativo, mentre altre - come i protoni - hanno segno positivo; per la legge formulata dal francese Charles Augustin de Coulomb, i campi sviluppati dai segni elettrici possono essere attrattivi o repulsivi, generando quindi attrazione o repulsione tra le particelle.
Segni opposti si attraggono, mentre segni eguali si respingono, e questa interazione - molto potente - è chiamata forza elettromagnetica.
Il nucleo atomico, composto da protoni, è caricato positivamente, mentre gli elettroni presenti nella struttura esterna sono caricati negativamente: ciò genera una fortissima attrazione degli elettroni verso il centro dell'atomo, che per non collassare occupano specifiche zone spaziali dove possono liberamente girare attorno al nucleo, contrastando l'azione elettromagnetica con la forza centrifuga.
Datosi che le cariche degli elettroni e dei protoni sono opposte ma eguali, un atomo è elettricamente neutro, perché le cariche positive del nucleo sono annullate dalle cariche negative dei suoi orbitali.
Tuttavia, è possibile che un atomo perda od acquisti elettroni da altri atomi, e questa estrema facilità di scambio da origine alle reazioni chimiche, ed anche al fenomeno dell'elettricità.
La forza elettromotrice
Una turbina, con attaccato il volano e collegata all'alternatore
Sul finire del XVIII secolo, lo scienziato italiano Alessandro Volta riuscì a costruire un primo, rudimentale ma efficace, accumulatore elettrico, che nominò 'pila'.
Con tale costrutto, riuscì a dimostrare non solo l'esistenza di un flusso elettronico (cosa già intuita dagli scienziati del '700 come Luigi Galvani), ma che era possibile utilizzarlo per compiere lavoro.
Cominciò quindi ad essere considerata la differenza di potenziale, ovverosia la tensione elettrica: gli elettroni presenti negli orbitali più esterni degli atomi tendono a staccarsi da essi molto facilmente, venendo attratti da vicine zone in cui c'è una carica positiva.
Questa caratteristica fa percorrere agli elettroni tutta la superficie di un generico materiale conduttivo, fino a che non abbiano raggiunto la zona che li attira, chiamata lacuna: tutto ciò è stato scoperto dallo scienziato inglese Michael Faraday, ed è il motivo per cui è possibile utilizzare cavi metallici per far scorrere il flusso elettronico.
Michael Faraday, lo scienziato inglese famoso per gli studi sulla conduttanza elettrica
L'americano Joseph Henry, più o meno contemporaneamente al suo collega Faraday, scoprì che un conduttore - solitamente un magnete - messo a girare perpendicolarmente in un campo magnetico, produceva a sua volta un flusso elettronico in uscita: era la scoperta della forza elettromotrice, e della conseguente corrente elettrica da essa generata.
In tale corrente gli elettroni vengono spinti dal generatore (una dinamo od un alternatore) attraverso un circuito, creando differenze di potenziale idonee affinché la tensione tra emittente e ricevente sia idonea a compiere lavoro.
In buona sostanza: la tensione indica la 'velocità' a cui vengono inviati gli elettroni della corrente, che saranno usati poi per molteplici utilizzi.
La luce artificiale ed il motore elettrico
Il motore elettrico ha radicalmente cambiato la produzione industriale mondiale
Henry non ci mise molto a capire che se forza elettromotrice era originata da una rotazione di un conduttore in un campo magnetico, così allora un flusso elettrico avrebbe potuto a sua volta far rotare un conduttore in un altro campo magnetico.
Costruì quindi il primo prototipo di motore elettrico, ovverosia il dispositivo inverso di un generatore elettrico: se nel generatore l'entrata è meccanica e l'uscita è elettrica, nel motore l'entrata è elettrica e l'uscita è meccanica.
Ciò costituì una rivoluzione nella storia umana, in quanto i motori elettrici presero molto velocemente il posto di quelli a vapore.
Uno dei più geniali e famosi inventori del 1900, Thomas Alva Edison
Nel 1878, il geniale inventore americano Thomas Alva Edison notò che in particolari metalli - il tungsteno in primis - una determinata sollecitazione elettrica produceva così tanta eccitazione termica da fargli emettere spontaneamente fotoni (quindi, luce): era la nascita della lampadina elettrica, che avrebbe in pochissimo tempo stravolto le millenarie abitudini umane e dato il via alla vita notturna per come la conosciamo ora.
L'impulso elettrico ed il telegrafo
Il telegrafo fu il primo dispositivo elettro-meccanico usato dall'uomo per comunicare a grandissima distanza in brevissimo tempo
Subito dopo gli esperimenti di Volta e le scoperte di Faraday e Henry, apparve subito chiaro che un flusso elettrico poteva essere usato anche 'spezzandolo' e facendolo confuire in un circuito in maniera non continua, un po' come un rubinetto d'acqua, regolando sia la tensione che l'intensità.
Quando un flusso elettrico è modificato in modo tale da non essere più volutamente coerente nel tempo si parla di impulso elettrico, e a tale impulso si può associare una determinata informazione.
Ciò permise all'inventore americano Samuel Morse, nel 1837, di ideare il primo sistema di comunicazione elettro-meccanico funzionante senza intoppi, con un relativo codice chiaro e non ambiguo per trasmettere e ricevere informazioni: era nato il telegrafo con il codice Morse.
Samuel Morse, l'inventore del telegrafo elettrico e del relativo codice di comunicazione
Datosi che gli elettroni viaggiano molto veloci sulla superficie di un filo conduttore (tale velocità è data dalla tensione, e può arrivare anche a quasi la velocità della luce), le informazioni trasmesse con un sistema telegrafico sono praticamente instantanee: questo permise, una volta costruite strutture adeguate per i fili telegrafici, lo scambio d'informazioni in maniera rapida ed agevole, e molti fanno coincidere l'inizio dell'era dell'elettronica proprio con la nascita del telegrafo.
Guglielmo Marconi e la nascita della radio
Gugliemo Marconi, il padre della radiocomunicazione
Ad inizio XX secolo, un giovane inventore italiano chiamato Guglielmo Marconi, dopo alcuni esperimenti amatoriali, scoprì che era possibile modificare la radiazione dell'onda elettromagnetica (la luce) più o meno come un flusso elettronico, cambiandone fase, frequenza ed ampiezza a piacimento, permettendo quindi di generare impulsi nella parte delle radiofrequenze (una porzione dello spettro elettromagnetico).
Per generare le onde opportunamente modificate, si potevano usare antenne a dipoli, ovverosia dispositivi in cui un flusso elettronico, scorrendo, genera un campo elettromagnetico che può essere così immesso nell'etere.
Tale invezione, del tedesco Heinrich Rudolf Hertz, permetterà a Marconi di inventare il sistema di comunicazione radio, che ancora viene comunemente usato in tutto il mondo.
All'epoca di Marconi i pareri sulla trasmissione delle radiofrequenze erano discordanti: c'era chi sosteneva che, data la curvatura terrestre, fosse impossibile inviare onde agli antipodi del pianeta.
Marconi invece dimostrò, attraverso vari esperimenti, che le onde corte potevano rimbalzare sull'aria ionizzata, aggirando quindi la linea dell'orizzonte.
Con la nascita della radiocomunicazione cambiò anche totalmente la storia umana, con un crescendo velocissimo di migliorie e perfezionamenti di cui vediamo tutt'ora i frutti.
L'induzione elettromagnetica e la corrente industriale
Nikola Tesla, lo stravagante e geniale scienziato studioso dell'elettromagnetismo
Più o meno nello stesso periodo in cui Gugliemo Marconi faceva i suoi esperimenti, un altro grande scienziato serbo, poi naturalizzato americano, Nikola Tesla, metteva a punto il sistema divenuto poi standard di distribuzione della corrente elettrica, inviando alle case e alle industrie un flusso generato da un alternatore a turbina con polarità alternata ed alta tensione: questo permetterà, a costi contenuti, di distribuire la corrente in maniera molto più efficiente
Tesla dimostrò anche che era possibile non solo utilizzare le onde radio per scambiare informazioni, ma anche per trasmettere potenza, e quindi alimentare un circuito: è l'induzione elettromagnetica, che verrà ripresa industrialmente solamente un secolo dopo la sua scoperta.
Alan Turing e l'inizio del calcolo elettronico
Alan Turing, il grande matematico inglese ideatore dell'omonimo automa
A cavallo tra le due guerre mondiali, il brillante matematico inglese chiamato Alan Turing idealizzò un automa per il calcolo numerico, schematizzando la macchina in due unità ben distinte: processore di calcolo e memoria.
I suoi contributi porteranno allo sviluppo del primo abbozzo di calcolatore totalmente elettronico della storia, il famoso Atanasoff-Berry Computer (conosciuto anche come ABC).
Utilizzando il dimenticato codice binario ideato da Gottfreid Leibniz secoli prima, fu possibile regolare la tensione del flusso elettronico in soli due valori (corrispondenti allo 0 all'1), permettendo quindi di eseguire tutti i calcoli possibili, e realizzando la versione pratica dell'automa di Turing.
Al primo calcolatore ABC ne seguirono molti altri (come non citare il famoso Electronic Numerical Integrator and Computer, ovverosia ENIAC), ma il problema principale era costruire porte logiche stabili ed efficienti: le valvole termoioniche utilizzate per costruire i componenti attivi erano instabili, ingombranti e si bruciavano spessissimo, e si dovette aspettare l'invenzione del primo transistor - chiamato nche triodo a stato solido - e dei semiconduttori al silicio per riuscire a costruire processori di calcolo compatti ed affidabili.
Uno dei microprocessori più venduti al mondo, prodotto ininterrottamente dal 1976 è il famoso Z80 della Zilog, progettato dal papà delle CPU, l'italiano Federico Faggin.
Da oltre quarant'anni viene venduto pressoché invariato, ed è attualmente ancora incluso nei sistemi embedded di una quantità spropositata di dispositivi elettronici: dai tostapane ai comandi apricancello.
Tra versioni prodotte dalla Zilog e copie prodotte da produttori giapponesi e sovietici, si stima che ne siano stati venduti almeno 2 miliardi di pezzi, ma la cifra è di difficile stima.
L'americano John von Neumann progettò
uno schema logico, chiamato per l'appunto "schema di von Neumann" per la progettazione di un calcolatore elettronico; nello schema erano presenti più o meno tutti i componenti tutt'ora usati in qualsiasi computer esistente.
L'evoluzione dell'elettronica dovrà comunque attendere circa una ventina d'anni prima di essere economicamente implementata nella produzione industriale di massa, ovversia fino all'avvento della Very Large Scale Integration di inizio anni '70.
I microprocessori e la produzione di massa
Federico Faggin, il padre del microprocessore
Nel 1971, l'ingegnere italiano Federico Faggin, all'epoca dipendente dell'Intel, ideò un sistema di incisione di tutti i componenti logici di una CPU in un singolo chip monoblocco in silicio, e rinominò tale processo 'silicon gate'.
Grazie alla litografia planare, riuscì a ricavare oltre 2000 transistor in un piccolissimo die, intengrando quindi tutte le componenti di una CPU in un unico circuito ('circuito integrato', per l'appunto): era nato l'Intel 4004, il primo microprocessione della storia.
Il lavoro di Faggin diede il via alla Very Large Scale Integration, ovverosia la tecnologia produttiva, costantemente migliorata nel corso degli anni, che permette la costruzione di milioni o miliardi di transistori in chip monoblocco di dimensioni molto contenute.
La produzione industriale dei microprocessori spalancò l'elettronica al mercato di consumo di massa, dando il via alla cosidetta 'terza rivoluzione industriale', cioè l'informatica per ogni tipo d'utenza, sia domestica che industriale.
