LE GUIDE DEL CAR AUDIO

Lo Staff Hi-Fi Car Boccolucci ha raccolto per Voi una serie di interessanti guide per entrare nell'affascinante mondo del suono e dell'audio di qualità. Non solo le basi e le vecchie concezioni del car audio e dell'ascolto in generale, ma una vera e proria carrellata delle nuove tecnologie, degli standard audio digitali e del futuro della musica e dell'hifi car.

ElettricitA'

Fin dall’antichità si è potuto osservare sperimentalmente che corpi di particolari materiali (le prime esperienze furono fatte conebanite e vetro), strofinati con un panno di lana, acquistano delle proprietà particolari:

• Una bacchetta di ebanite o di vetro ha la capacità di attrarre dei pezzettini di carta.
• Una bacchetta di ebanite ed una di vetro si attraggono reciprocamente.
• Due bacchette di ebanite, o di vetro, si respingono reciprocamente.
• Se una bacchetta di ebanite entra in contatto, direttamente o tramite un corpo di un particolare materiale (conduttore), con unabacchetta di vetro, entrambe perdono le proprietà che abbiamo visto. Se si strofinano nuovamente con un panno di lana, queste proprietà vengono riacquistate.

Definendo elettricità lo stato in cui un corpo possiede queste proprietà,da queste esperienze deduciamo che:

• Un corpo puòpossedere due stati distinti di elettricità, convenzionalmente denominati positivo (+) e negativo (-).
• Corpi elettrizzati dello stesso segno si respingono e corpi elettrizzati di segno contrario si attraggono

La scelta di denominare i due stati come positivo e negativo è dovuta al fatto che si credeva che sul corpo elettrizzato positivamente ci fosse un eccesso di cariche elettriche, mentre su quello elettrizzato negativamente ve ne fosse un difetto.
Quando, nel secolo scorso, con la scissione dell’atomo, si capì effettivamente la natura di queste cariche elettriche, ci si rese conto dell’errore commesso nell’attribuire i segni + e - . Infatti queste cariche elettriche non sono altro che gli elettroni che in un atomo orbitano intorno al nucleo. Elettrizzando un corpo aumentiamo o diminuiamo in esso la quantità di elettroni. Dal momento che per definizione l’elettrone ha carica elettrica negativa, si deduce che in realtà sono i corpi elettrizzati negativamente ad avere un eccesso di elettroni ossia di cariche elettriche in contraddizione con quanto fino a quel momento teorizzato. Tuttavia giustamente non si ritenne opportuno stravolgere le convenzioni finora adottate sulla polarità dei corpi elettrizzati,per cui ancora oggi continuiamo a chiamare positivo quello stato elettrico in cui vi è un difetto di elettroni, e negativo quello in cui ve ne è un eccesso.

Corrente Elettrica

Delle esperienze precedentemente citate, ha una particolare importanza quella secondo la quale se due corpi elettrizzati con polarità differente, vengono posti incontatto, direttamente o tramite un corpo di un particolare materiale (conduttore),entrambe perdono il loro stato di elettrizzazione. É facile quindi teorizzare che le cariche elettriche in eccesso sul corpo elettrizzato negativamente, trasmigrino sul corpo elettrizzato positivamente a colmare le lacune provocate dal difetto di elettroni. Questo passaggio di cariche elettriche da un corpo ad un altro prende il nome di corrente elettrica. Quindi:

• La corrente elettrica si genera dal passaggio di cariche elettriche fra un corpo elettrizzato negativamente ed uno elettrizzato positivamente.

Chiamiamo conduttori quei materiali che permettono il passaggio della corrente elettrica, ed isolanti o dielettrici, quelli che non lo consentono. Queste caratteristiche dipendono essenzialmente dalla natura dei materiali: sono buoni conduttori di corrente elettrica i metalli in genere, l’acqua e in varia misura i corpi umidi. Sono isolanti l’aria, il legno, la carta, la ceramica, alcune materie tessili e alcune materie plastiche. Il corpo umano essendo composto per una grande percentuale di acqua,può essere considerato un conduttore. La corrente elettrica che fruisce da un corpo elettrizzato ad un altro, quando vengono posti in comunicazione è maggiore quanto maggiore la differenza fra l’elettrizzazione dei due corpi. Possiamo dire che ogni corpo elettrizzato possieda un potenziale elettrostatico, che può essere definito come la capacità di far fruire corrente elettrica. La quantità di corrente elettrica dipende quindi dalla differenza di potenziale elettrostatico dei due corpi. Questa grandezza ha come unità di misura il volt (V) con i suoi multipli e sottomultipli. I più usati sono:

• chilovolt(KV) = 1.000 V
• millivolt (mV) = 1/1.000 V
• microvolt (μV) = 1/1.000.000 V

Per quantificare la corrente elettrica quale grandezza fisica prendiamo in considerazione la quantità di carica che passa in un conduttore nell’unità di tempo (un secondo). Per tale grandezza l’unità di misura è l’ampère (A) con i suoi multipli e sottomultipli:

• chiloampère (KA) = 1.000 A
• milliampère (mA) = 1/1.000 A
• microampère (μA) = 1/1.000.000

Resistenza elettrica

Fra la differenza di potenziale elettrostatico fra due corpi elettrizzati e la corrente elettrica che fruisce da uno all’altro quando vengono posti in comunicazione, vi è una diretta proporzionalità, ossia: se per ipotesi una differenza di potenziale elettrostatico di 10V produce una corrente elettrica di 10 A, sicuramente una differenza di potenziale elettrostatico di 100V produrrà una corrente elettrica di 100 A. Tale regola, nota come prima legge di Ohm, può essere riassunta dalla seguente formula:

I = V/R(I = intensità della corrente, V = differenza di potenziale elettrostatico)

Ossia: la corrente elettrica che scorrein un conduttore ha un’intensità pari al valore della differenza di potenziale elettrostatico che vi è alle sue estremità, diviso per un fattore R che dipende unicamente dal conduttore stesso. Il fattore R prende il nome di resistenza elettrica.
L’unità di misura della resistenza elettrica è l’ohm (Ω). I suoi multipli più usati sono:

• chiloohm (KΩ) = 1.000 Ω
• megaohm (MΩ) = 1.000.000 Ω

Quindi possiamo dire che un conduttore ha una resistenza elettrica di 1 Ω se applicata alle sue estremità una differenza di potenziale elettrostatico di 1 V, in esso scorre una corrente elettrica di 1 A.
La seconda legge di Ohm specifica quali caratteristiche del conduttore in oggetto determinano la sua resistenza elettrica: in particolare questa dipende dal materiale di cui è composto, dalla sua lunghezza e dalla sua sezione. La sezione di un conduttore è l’area della superficie che otteniamo tagliandolo trasversalmente.

R = ρ l/ S (l = lunghezza del conduttore, S = sezione del conduttore)

Il fattore ρ viene chiamato resistività o resistenza specifica e riassume le caratteristiche del materiale per quanto riguarda la sua resistenza elettrica. Più grande è il suo valore, maggiore sarà la resistenza elettrica del conduttore. Inoltre questo indice varia con la temperatura: in genere cresce col crescere della temperatura.
Riportiamo a titolo d’esempio la resistività di alcuni metalli (a 0 gradi, in Ω • m):

• Agargento1.49 • 10-8
• Curame1,56 • 10-8
• Auoro2,02 • 10-8
• Alalluminio2,56 • 10-8

Quindi riassumendo laseconda legge di Ohm può essere enunciata nel seguente modo:

• La resistenza elettrica che un conduttore oppone al passaggio della corrente elettrica è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e alla sua resistività, ed inversamente proporzionale alla sua sezione.

La resistenza elettrica può essere sfruttata per determinare l’intensità di corrente elettrica che deve scorrere in un conduttore o in un circuito. A tale scopo esiste un componente elettronico passivo denominato resistore che altro non è che un conduttore dotato di una resistenza elettrica nota. Il simbolo elettronico del resistore è il seguente:

 

Per indicare il valore in Ω della sua resistenza elettrica si usa il codice dei colori. Tale codice associa ad ogni colore un numero. In genere sui resistori di uso comune sono presenti tre anelli colorati corrispondenti i primi due alle prime due cifre, il terzo al numero degli zeri che segue tali cifre. I colori sono i seguenti:

0 = nero

1 = marrone

2 = rosso

3 = arancio

4 = giallo

5 = verde

6 = blu

7 = viola

8 =grigio

9 =bianco

Vi è inoltre un quarto anello colorato che indica la tolleranza, ossia di quanto la resistenza indicata può discostarsi da quella reale. I colori usati sono: argento = 10%oro = 5
Per fare un esempio: se su un resistore leggiamo i colori giallo – viola – arancio – argento il resistore avrà una resistenza di 47.000 Ω +/- 10% ossia una resistenza effettiva compresa fra 42.300 Ω e 51.700 Ω.

Circuito Elettrico

Abbiamo visto come il passaggio della corrente elettrica fra due corpi elettrizzati, provochi in un tempo rapidissimo la fine del loro stato di elettrizzazione, e come conseguenza l’interruzione della stessa corrente elettrica. Affinché la corrente elettrica si mantenga nel tempo, è necessario che questo stato persista. Occorre quindi che qualcosaripristini continuamente lo stato di elettrizzazione dei corpi, spostando cariche elettriche dal corpo elettrizzato positivamente a quello negativamente. Questa è la funzione dei generatori di corrente elettrica che possono essere di varia natura e che verranno esaminati in seguito.
Se noi abbiamo due corpi elettrizzabili, un conduttore che li metta in contatto, e un generatore che mantenga l’elettrizzazione, avremo senz’altro una corrente elettrica che si mantiene nel tempo.
Abbiamo in questo modo realizzato un primo semplice circuito elettrico.

 

 

Le frecce indicano ovviamente la direzione della corrente elettrica.

Da questo schema notiamo che l’esistenza dei due corpi elettrizzati non ha più molta importanza. Il generatore è in grado di far comunque circolare una corrente elettrica. Per questo motivo da ora in poi, non parleremo più di corpi elettrizzati, ma solo di circuito elettrico. La causa che genera una corrente elettrica nel circuito non è più una differenza di potenziale elettrostatico, ma una forza elettromotrice,che possiamo semplicemente chiamare tensione elettrica. La sua unità di misura naturalmente rimane il volt (V) con i suoi multipli e sottomultipli.

• Una tensione di 1 volt agli estremi di un conduttore produce gli stessi effetti di una differenza di potenziale di 1 volt.

Corto circuito

 

Nel circuito elettrico sopra indicato il generatore G genera una certa tensione V ai suoi morsetti. Questa, in accordo con la prima legge di Ohm, suscita una corrente elettrica nel conduttore la cui intensità I dipende dalla resistenza R del conduttore.

I = V/R(prima legge di Ohm)

Se la resistenza R del conduttore è particolarmente bassa, tendendo idealmente a zero, la corrente che circola nel circuito tende a diventare infinita.
Questo caso rappresenta il corto circuito. Si verifica quando entrano in contratto diretto due conduttori connessi direttamente ai capi di un generatore. L’altissima intensità della corrente provoca lo sviluppo di una grande quantità di caloreche può provocare un incendio, e che porta senz’altro alla fusione dei conduttori.
É necessario quindi prestare la massima attenzione per evitare il verificarsi del corto circuito, verificando l’integrità degli strati isolanti nei cavi e nelle apparecchiature.
Esistono tuttavia particolari dispositivi (fusibili, interruttori automatici) che interrompono il circuito in caso di corto circuito.

Caduta di tensione

La caduta di tensione si verifica quando un conduttore avente una certa resistenza R viene percorso da una corrente elettrica di intensità I.

 

V1V2 

Ai morsetti del generatore misuriamo una tensione V1. Al termine del conduttore una tensione V2 minore di V1. Possiamo dire che lungo il conduttore si verifica una caduta di tensione pari a V1 – V2.
Questa caduta di tensione cresce con la resistenza R del conduttore e con l’intensità I della corrente elettrica che percorre il conduttore.

V1 – V2 = IR

Per ridurre al minimo questo effetto, che provoca una diminuzione della potenza disponibile per l’utilizzatore, occorre scegliere opportunamente la sezione dei conduttori da utilizzare.
In particolare per conduttori bipolari con lunghezza inferiore ai 50 metri può essere opportuno applicare la seguente tabella:

Per lunghezze superiori è necessario aumentare proporzionalmente la sezione.

Potenza elettrica

La potenza elettrica ha una grande importanza per le nostre applicazioni: essa rappresenta la capacità di svolgereun lavoro elettrico, quale accendere una lampada o far suonare un altoparlante.
Rappresenta anche l’energia utilizzata nell’unità di tempo.
La potenza di una lampada determina direttamente la sua luminosità, quella di un impianto di diffusione sonora determina la pressione acustica generata.
Le formule che legano la potenza (W) alle altre grandezze elettriche che conosciamo sono le seguenti:

W = V I(la potenza è uguale al prodotto della tensione con l’intensità della corrente)

W =V2/R(la potenza è uguale al rapporto fra il quadrato della tensione e la resistenza)

W = I2R(la potenza è uguale al prodotto fra il quadrato della corrente e la resistenza)

Da queste formule si evince che:

• Possiamo ottenere la stessa potenza con una grande tensione ed una piccola corrente oppure con una piccola tensione e una grande corrente.
• In un circuito elettrico dato, quindi a parità di resistenza, la potenza aumenta o diminuisce con il quadrato della tensione. Ad esempio se un circuito alimentato con 220 volt impegna una potenza di 1000W,aumentando la tensione del 10% (portandola ossia a 242 V) la potenza aumenta del 21% (1210 W)

L’unità di misura della potenza elettrica è il watt (W) . I multipli e sottomultipli più usati sono:

• Milliwatt (mW) = 1/1.000 W
• Chilowatt (KW) = 1.000 W
• Megawatt (MW) = 1.000.000 W
• Gigawatt (GW) = 1.000.000.000 W

• Se in un circuito elettrico al quale viene fornita una tensione di 1 volt, circola una corrente elettrica di intensità pari a 1 ampère, tale circuito svilupperà una potenza di 1 watt.

Energia elettrica

Dalla definizione di potenza elettrica deriva immediatamente quella di energia elettrica.
L’energia elettrica necessaria ad un circuito elettrico è pari alla potenza moltiplicata per il tempo.
L’unità di misura dell’energia elettrica è quindi il watt · secondo. Tuttavia in campo commerciale si preferisce usare il watt · ora (Wh), o addirittura il chilowattora (KWh). É questa infatti l’unità di misura con cui lavorano i contatori delle società che forniscono energia elettrica.

Finora abbiamo visto generatori che producevano una tensione tale da provocare una correnteelettrica che scorre costantemente nel tempo sempre nello stesso verso del circuito. Possiamo parlare di tensione continua e di corrente continua. Tale è quella nei circuiti alimentati da pile o da accumulatori quali per esempio quelli delle automobili. In realtà esiste un altro tipo di tensione che ha un enorme importanza: la tensione alternata.
In questo caso la tensione prodotta dal generatore cambia nel tempo.
Fra tutte le tensioni alternateha particolare importanza lo studio di quelle ad andamento sinusoidale, e questo per due motivi:

• La tensione alternata comunemente distribuita dalle società elettriche per uso domestico o industriale è di questo tipo.
• Vedremo più avanti che, grazie al teorema di Fourier, qualunque tensione alternata può considerarsi la somma di un certo numero di tensioni alternate sinusoidali.

Nell’immagine vediamo la rappresentazione di una tensione sinusoidale avente un periodo (o ciclo) di 8 secondi. L’asse verticale rappresenta la tensione, quella orizzontale il tempo.
Osserviamo che nell’istante t=0 la tensione vale 0 (nessuna tensione). La tensione sale gradualmente fino a raggiungere il massimo nell’istante t=2sec. A questo punto la tensione scende, è nulla nell’istante t=4sec., diventa negativa, raggiunge il suo minimo nell’istante t=6sec. La tensione risale e diventa nulla nell’istante t=8sec. In seguito il ciclo si ripete esattamente.

Perché viene distribuita tensione alternata?

I dispositivi elettrici destinati alla produzione della luce e del calore possono funzionare indifferentemente con tensioni e correnti continue o alternate, ma quasi tutti gli altri hanno bisogno di tensioni e correnti continue. Sembrerebbe quindi un controsenso distribuire tensione alternata che poi deve essere convertita in continua all’interno dei singoli apparecchi.
Il motivo è questo: la tensione distribuita viene prodotta in centrali elettriche distanti decine o addirittura centinaia di chilometri dagli utilizzatori. Questo comporterebbe una enorme caduta di tensione nel trasporto. Dal momento che la caduta di tensione come abbiamo visto dipende dall’intensità della corrente, allo scopo di mantenere la sezione dei cavi entro un limite ragionevole, è necessario ridurre l’intensità della corrente. Siccome la potenza è data dal prodotto della corrente per la tensione, per ridurre la corrente bisogna aumentare la tensione. Per questo motivo le centrali elettriche producono una tensione molto alta (220.000 o 380.000 V). Questa tensione viene convertita nelle centrali di trasformazione primarie, di solito una ogni città, in media tensione (8.000 – 20.000 V). Da qui viene distribuita nei singoli quartieri dove nelle centrali di trasformazione secondarie, di solito una ogni isolato, viene trasformata in bassa tensione (220 o 380 V), che è quella che arriva nelle nostre case, nelle nostre fabbriche, nei nostri teatri.
Per convertire la tensione da alta a media, poi a bassa sono necessari dei particolari dispositivi chiamati trasformatori. I trasformatori funzionano esclusivamente con correnti alternate, questo è il motivo per cui la tensione distribuita è alternata.
Nello studio delle tensioni e delle correnti alternate è necessario introdurre nuove grandezze. La più importante di queste è la frequenza.
La frequenza descrive quanti cicli completi compie la tensione alternata in un secondo. Facendo riferimento alla figura di cui sopra, una tensione alternata compie un ciclo completo quando partendo da zero raggiunge il suo massimo, torna a zero, raggiunge il suo minimo e torna nuovamente a zero. Nel caso della figura il ciclo è compiuto in 8 secondi, quindi in un secondo si compie 1/8 di ciclo. La frequenza di tale tensione alternata sarà di 1/8 di ciclo al secondo.
Unità di misura della frequenza è l’hertz (Hz) che corrisponde a un ciclo al secondo. I suoi multipli più usati sono:

• Chilohertz (KHz) = 1.000 Hz
• Megahertz (MHz) = 1.000.000 Hz
• Gigahertz (GHz) = 1.000.000.000 Hz 

La tensione elettrica alternata distribuita in Italia ha una frequenza di 50 Hz. In alcuni paesi del mondo viene distribuita una tensione con una frequenza di 60 Hz. Collegare un apparecchio ad una alimentazione avente frequenza diversa da quella per cui è stato progettato, può causare malfunzionamento e danneggiamento dell’apparecchio stesso.