Editura Paralela 45 este recunoscutd de

Consiliul Nalional al Cercetdrii ;tiinlifice (CNCS)

Redactare: Bianca ViganTehnoredactare & pregitire de tipa[ Marius Badea

Design copertd: Ionut Bro$tianu

Descrierea CIP a Bibliotecii Nafionale a RomanleiAIIGHf,L, TRAIAN

Programarea pltrcll Arduino / Traian Anghel. - Ed. a 2-a. - Pitegti :

Paralela 45,2020Confine bibliografiersBN 978-97347-3204-3

004

Copyright @ Editura Paralela 45 , 2020Prezenta lucrare folose$te denumiri ce constituie mirci iffegistrate,iar conlinuhrl este protejat de legislalia privind dreptul de proprietate

intelectuali.www.edituraparalela45.ro

Traian Anghel

PROGRAMAREAPLACII ARDUINO

Editia a ll-a

Editura Paralela 45

Cuprins

1.2. Sarcina elecric6.................................... ............. t81.3. Conductori, izolatori, semiconductori................,....... ..................201.4. Legea lui Coulomb. Campul electric. ..........................................23

1.5. Potentialul electric. Tensiunea electric5................... ..................,.271.6. Condensatorul. Capaciktea e1ec1ric6.......................... .................29L7. Curentul electric. Circuitul electric .-..............311.8. Intensitatea curentului electric ...... ................... 33

1.9. Rezistenta electrica. Rezistivitatea .................361.10. Surse electrice. Tensiunea electromotoare................................. 38l.l l. Legile circuitelor electrice ........... ..................40

2.1. Sisteme de numeragie.................. ........................ 52

2.3. Limbajul pseudocod...................

2.4. Programarea structuatii ...........,.. ...................612.5.IntroducereinlimbajulC+........ ...................662.6. Instructiunile limbajului C++...,.. ........,..........732.7. Funclii ftr C++ ..................792.8. Programarea orientati pe obiect in C#....................................... 83

Capitolul 3. Prezentarea pldcii 9i a rnediului de dezvoltare Arduino ...... 94

3 . 1 . Placa de dezvoltare Arduino

57

.....'...'............,..,,',. 943.2. Instalarea IDE Arduino Software. ................ 100

3.3. Conectarea pldcii Arduino laPC.. " """"1013.4. Biblioteci Arduino.............. .......... ." " " 102

3.5. Software suplimentar ............ ..... " "" " 105

3.6. Bootloader-ul Arduino...'............... "" " "' 106

Capitolul4. Bazele programarii pldcii Arduino ..... .... ...... '.. "" " " 109

4.l. Structura unui program Arduino.. "" " """ 109

4.2. Compilarea qi inc6rcarea sketch-ului pe placa Arduino"""" " 1 1 l4.3. Primul sketch Arduino ................... """""" '1'12

4.4. Breadboard, fire de legeturA $i LED-uri.". " " " "" """""" " 115

4.5. Intreri $i iegiri digitale..... ..'."" " """"" 118

4.6. Generarea semnalelor PWM ........ "" "" " "' 123

4.7. Utilizarea intreruperilor.............. " " " "-125

4.8. Intriri analogice ........... ...........'.. ..""" " "" 128

4.9. Afiqarea datelor folosind LCD-uri.....'....'. "" " "" "" " " ' 137

4-10- Generarea sunete1or.................'. "" " " " 143

Capitolul 5.Interfete de comunicalie ................ ............... "" " """" 146

5.1. Porhri analogice 9i digitale..... ... """"" " " 146

5.2. Intedala serialA......... ................. """""""" 147

5.3. Interfata SPI.. ........""" 150

5.4. lnterfala I2c... ....." """"' 152

Capitolul 6. Aplicatii bazate pe senzori. ............. ............"" " """""" 156

6.1. Mdsurarea temperaturii $i umiditalii.. ..'.........'............ " "" " ' 156

6.2. Mbsurarea nivelului de iluminare " """"".'" 159

6.3. Misurarea distantei..... ............ . """"""" " 162

6.4. Mdsurarea nivelului de fum... ...' " """"" " 165

6.5. Mbsurarea forfei................'....... .. " """ "" 167

6.6. Misurarea inducliei magnetice... " " " ""'1696.7. Detectarea migc4rii....................... " " " "" ' 178

6.8. Detectarea inclinirii ..... ...'.......... "" " """" l8l6.9. Detectarea p1oii................ ....'..... """ "" " ' 183

6.10. Mdsurarea presiunii atmosferice " " " "' 186

6.11. Detectarea sunetului... ..'....... ... """ " ""' 189

Capitolul 7. Comunicalia prin Bhietooth .............................................. 193

7.1. Standardul Bluetooth.............. ...................... 193

7.2. Conectarea modulului HC-06 la placa Arduino UNO 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, telecomanda Bluetooth pentru Arduino........ 204

Capitolul 8. Comunica{ia in retele Ethemet $i in Internet.....................205

8.l. Standardul Etherne1...................... ................205

8.2. Intemet $i Web: organizare qi accesare......................-...............21 I

8.3. Shield Ethemet............................ .................219

8.4. Conectarea Si testarea shield-ului Ethemet................................220

8.5. Client Web cu Arduino ................ ................226

8.6. Server Web cu lP dinamic .........-.......-..-...-..228

8.7. Proiect: server Web pentru monitorizarea camerei.................... 230

8.8. Proiect: postarea urui tweet folosind Arduino...........................234

8.9. Proiect: salvarea datelor mdsurate folosind PHP 9i MySQL......2378.10. Proiect: server Web care folosegte un card micro-SD..............250

Capitolul 9. Comunica{ia in relele Wi-Fi fi in Intemet......... ................256

9.1. Rejele Wi-Fi.. .................256

9.2. Colectarea pldcii Arduino la o re{ea Wi-Fi ...............................258

9.3. Scurtd prezentare a modulului ESP8266....................................258

9.4. Prezenlarea plicii NodeMCU ..... .................260

9.5. Proiect: client Web cu NodeMCU.............................................261

9.6. Proiect: server Web cu NodeMCU .................. ..........................264

9.7. Proiect: monitorizarea nivelului de iluminare cu NodeMCU .... 269

9.8. Proiect: statrie meteo cu NodeMCU............................................272

9.9. lnstalarea firmware-ului LUA pe NodeMCU ............................275

9.10. Proiect: seruer Web cu NodeMCU gi LUA Script...................279

Clapitolul 10. Comunicalia prin GSM........................ ............................282

10.1. Standardul GSM........................ -...-..-...-...--282

10.2. Slrield GSM. .................282

10.3. Proiect: sistem de alarmare prin GSM .....................................283

Capitolul 11. Controlul motoarelor '......'.."........"" """ """""""" "" ' 291

11.1. Motoare de curent continuu '..-.. """"""""'2911 1.2. Proiect: comanda a doui motoare de curent continuu """"""29411.3. Proiect modificarea dinamice a vitezei motoarelor DC """""29711.4. Motoare pas cu pas...'.."'......'....'... """"""'299I 1^5. Proiect: controlul rotatiei unui motor pas cu pas"""" """"""' 300

I1.6. Servomotoffe ..'...".........'......'." """"""""' 302

11.7. Proiect: controlul unui sefvomotor" " " """""""" """"" """" 304

Capitolul 12. Programarea pl[cii Arduino cu LabVlEW """"""""""" 307

12.1. Intoducere in LabMEW ............ """"""" 307

12.2. Cum se utilizeazi LabVIEW cu Arduino" """"""""""" """' 308

l2.3. Analiza unui instrument virtual'. """ """"'31012.4. Proiect mbsurarea temperaturii 9i a ilumindrii """""" """""' 314

Capitolul 13. Intemetul lucrurilor .........'..."""" "" """""""" "" """" 318

13.1. Avantaje 9i d eza\arfiaje ale fillizAt'ri IoT """""""" "" """"" 318

13.2. Servicii IoT. .................320

13.3. Proiect: monitorizarea temperaturii cu ThingSpealL"" """""' 321

13.4. Proiect: monitorizarea nivelului de iluminare cu Ubidots """' 335

13.5. Proiect: monitorizarea temperaturii cu NodeMCU Si Ubidots' 343

13.6. Proiect: utilizarea platformei Thethings""""" """"""" """"' 345

Bib1iografre........... "" """ "" '- 348

ce4i...................... """""""" 348

Web...................'.. """"""""'349

Introducere

,J-ucrul ael mai important este si nu lncetezi str pui intrebdri.Curiozitatea are propria raliune de a exista."

Albert Einstein

Astizi, singura consianE este schimbarea" lumea transformdndu-se infr-mritnn nemaiintalnit. in zilele noastre, suntem martorii incepuh.rlui celeide-a patra revolufii industrialel, care constd ln pAtrunderea rapide .atehnologiilor digitale in toate domeniile. ,,Viitorul este aici, doar cd nueste uniform distribuif', spunea cdndva William Gibson, scriitor canadiande origine american6. La fel se lnt6mpl6 9i acum, cdnd noua revo$eindustriala se manifestd deja in zone diverse ale activitdJii omului,cuprinzand feptat un num6r mare de sectoaxe ale activitiilii economice,sociale, dar gi personale a acestuia.

Tehnologia ava,lsati pAtruhde in toate domeniile, inclusiv in cele carepdai nu de mult pireau a fi ,,ferite" de aceasta. Automatizarea casei(home automation) este un concept caxe se dezvolti extrem de rapid. Deexemplu, se pot controla lumininiie din cas6, precum gi sisternele deincilzire, de aer condilionat 9i de securitate ale acesteia. De asemenea, sepot utiliza diverse gadgeturi in apropierea casei (cu care, de exemplu,sunt controlate temperatura gi umiditatea aerului din sera de flori sau delegume) sau in drumul c6tre cas6 (e.9. se pomegte magina de spilat).

in urmdtorul deceniu, mai mult de un trilion de senzori vor fi conectatri laIntemet, conform afirmatiilor fbcute la Forumul Economic Mondial de laDavos, 2016. Acegtia vor trimite diverse informatii omului, dar vorcomrmica gi lntre ei, scopul acestei uriage ,desfigurdri de fo4e" fiind de aoferi omului un trai mai bun, mai confortabil qi mai sigur.

I Aceasti idee a fost avansati la cea de-a 46-a edilie a Forumului EconomicMondial, desfiSurad la Davos (Elvetia), ln peioada20-23 i?ruai.e 2016.

Capitolul 1. Nofiuni de electricitate

',Studiaza mai intai Stiinfa $i continua apol cu

practica nlscute din aceasta $tiinl6!"

Leonarc'lo da Vinci

in nrimul caDitol sunt prezentate succint o serie de no{iuni de electricitate

"iJ.trti t."1* r;nu'lii.r.gttt a lucririi' 1n special a exemplelorpractice

"ilJ.-r"?J-f acesteia. Piecizam cd noliuniie prezentate in capitolul de

iutu r".agar"t" intre cele incluse in programele de fizicd penmr gtmnaztu

ii'i" 1.."".'i' i"o "tifel

accesibile tuturor persoanelor interesate de huna

inPlegere a lucrbrii.

1.1. Structura corPurilor

Ffonrrrile deouse de savan(i de-a lungul secolelor -in special fizicieni 5i

ilil,i'' ;;;;;;i;;;'a unei iiagini bogate 5i complexe a realitd[ii

in"onj,rratoate, in particular a structurii corpurilor'

Duoi incercarca de pionieratr din 1904 a lui J J Thomson (care a elaborat

;;ffi;t;iltF"li ut ato,nutui' supranumit -"cozonacul cu stafide")'

;;;;-;;"hi a fost dezvdluits' in lgll de catre fizicianul Emest

;i;;;;ai-ati-le3?), laureat al premiului Nobel pentru chimie (1908)'

"""11J".", ..oari*elc" fizicii nucleare 5i cel mai mare experimentator

;;"N;i;i;;;;;av. nutt'ertord a formulat' ca utmare a celebrelor sale

"-i*i".t" de impragtiere a particulelor alfa'z pe foile metalice subliri'

I Mentiondm ca primul modcl atomic a fost cel al lui Dalton (11j6-1844)'

.;;#;;;i":;i;;"i ;; sicii" 5i li'a srructura interna atomii aceluiasi

element fiind identici, dar diferili de atomii altor elemente'

2 Particulele alfa (c) sunt nuclee de heliu {ie atomi 'lc heliu carc auledat Prin

i"J"* "-Uii "f".ttoni),

cu o sarcini pozitiva de doue ori mai mare d:c:lcea a

;i";;fii$i;" ;asi de circa 7300 de ori mai mare decat masa unui electron'

,q.rEj.,.,,,..a toate corpurile. indilerent de starea de agregare

"'r..ta*, ir", .o.pur. din atomi 5i molecule .Moleculele -sun1

"*"hr i}"attir" ain atomi unili prin c6teva tipuri de legaturi

.fri"""" f".g. covalent6, ionici) Un tip special de legatura este

l4 l5

modelul planetar al atomului (figura l). in cadrul acesh.ri model, atomuleste sinilar cu sistcmul planetar, in cadrul cdruia - dupd. cum se ftieplanetele (inclusiv Pnmdntul) se rotesc pe orbite aproximativ circulare injurul Soarelui.

in cadrul modelului elaborat de Rutherford, atomul (avdnd rcza de circal0 10=10 e m) este alcAtuit dintr-un inveliE electronic qi un nucleu (av6ndraza de circa l0 t,l0ra m). in jurul cbruia se rotesc pe orbite circulareelectronii. In modelul planetar al atomului a fost introdus6 prima oar6 infizici noliunea de nucleu atomic.

Electronul (cu simbolul el este o particuld elementard, cu sarcinaclectrici negativd gi egal6 in modul cu sarcina electrica elementare(pentru detalii, a se citi sectiunea urmAtoare), avind masa foarte mici3:

e = -1,6.10-reC n=9,l.lo-3rkg (l)Electronii unui atom formeazd inveligul electronic al acestuia. Numirulclectronilor unui atom se numeste numir atomic $i se noteazd cu Z.

Figura I. Modelul planetar al atomului

Nucleul atomic, conJin6nd aproape intreaga masd a atomuluia, esteincircat pozitiv, fiind alcituit din protonis (Rutherford, 1920) gi neutroni

' Masa unui electron este de circa 1840 de ori mai mic6 decat masa nucleuluicclui mai ugor atom din natura (atomul de hidrogen).

1o-10-

1o-l5m

tChadwick, 1932;. Masete protonului Ei neutronului sunt foade apropiate

5i practic egale cu o unitate atomica de masd:

u =1,66'lo-21 kg Q)

Sore deosebire de neutron iavdnd simbolul n), care este neutru din punct

ii*a"t. .f..rtl., protonul (a\'And simbolul p) este incercat cu o sarcini

electricA pozitivi, egald cu cea elementara'

Numarul protonilor din nucleu e:te egal cu Z' astlel incet in condiliifizic^e

,i ahi.i.a obi5nuite. atomul esle neutru din ptrnct de \edere elec{rlc'

adica sarcina electrica lotala a acestuia este nula:

Q.-,=Qr-,,,,+Q,,*t",,=Z (-e)+Z e=O (3)

Numaml total al protonilor !i neutronilor din nucleu se numeite numer de

aura qi ta noteazi cu l. Denumirea este -

justificatd' deoarece .masa

"i"."i"i "i" "pt"ximativ egal5 cu cea a nucleului' iar masa acestuia din

"""i - "tpii-ira in unitiliatorr.rice de mas6 - este practic egal6 ctt A'

il.r.a*i i*ttonifor din nucleu este N = A-Z' Protonii 9i neutronii se

nurn.r" itrrpt""na "ucleoni.

Astfel,l reprezinta numdrul nucleonilor'

lzotopii sunl atomi care au acelaSi numa-r atomic' dar .numere

de masS

il#;, ;;;;;; inseamnd cd izoiopii diferd unul de- altul prin numarul

""-*rif"t; din nucleu. Cele mai cunoscute exemple sunt izotopii hi-

a.nn.nutui si cei ai carbonului De altlel' definitia unitatri atomice.de

nrn& in.tud. ., referinla izotopul l2 al atomului de carbon - care contrne

i "i""tror.ti,

6 protoni 9i 6 neutioni (adica 12 nucleoni)' spre deosebire de

ir;6;i ii, ;" "oniine

6 electroni, 6 protoni 9i 7 neutroni (adica 13

nu"fJo"ll. ilt exemplu este reprezentat de izotopii hidrogenului: hidrogenul

o Printr-un calcul relativ simplu, se gase$te c[ <iensitatea medie a nucleului

atomic este de circa 410rt kg/n.r3' adici 400 de milioane de tone pe cm-!

A;;;;';;i;;;;;loare cu dJrsitatea apei: 1000 kg/mr sau 1 g/cm3!

s Denumirea provine de la cuvdntul grec p r9t?s::arc inranma primul'.deoarece

protonul este nucleul primului elcment al tabelului periodic (hldroBenul)'

6 Termenul izotop provine din limba greaca: isos acelaqi' topos - loc El

-".J""ra "uf"f iu iroropii unui elemen-t chimrc ocupir acecasi casula in lahclul

feriodic. Denumirea a fost introdusd dc l- Soddy in l9l3

7 A 12-a pafie din masa izotopului de carbon 12 se nume$te unitate atomici de

masd. notata cu simbolul !l

t61'7

propriu-zis (1 electron gi I proton), deuteriul (1 electron, I proton qi

I neutron) 9i tritiul (1 electron, I proton gi 2 reufioni). Izotopii au pro-prietdli chimice identice (deoarece au aceeaqi structuri a inveliquluielectronic), dar au proprietdti fizice in general diferite.

Pdn element chimic se intelege o specie de atomi identici, av6nd acelaqinumar de electroni in inveligul electronic $i acelaqi numAr de protoni innucleu. Dupd cum se poate obsewa, definilia prezentat' nu se referd lanumdrul neutronilor din nucleu, ceea ce inseamni cA un element chimicinclude to(i izotopii sdi.

Elementele chimice, al cdror numdr este de I 18", sunt incluse intabelul periodic al elementelor, care poartd numele cunoscutuluichimist rus Dimitd Mendeleevn 1ta:+-tloz). Acestea suntordonate in func{ie de propriet6tile lor fizice qi chimice, in grupe

numir de 18) si nerioade (in numdr de

in condilii normale (i.e. temperatura de zero grade Celsius gi presiunea deo atmosferd), corpurile alcdtuite din elementele chimice prezente intabelul lui Mendeleev se afle intr-o arumite stare de agregare (solidi,lichidl sau gazoasd), dar aceasta se poate modifica in urma schimbului de

c[lduri cu mediul exterior, produc6ndu-se astfel o translormare de starede agregare.

Modelul planetar al atomului a fost imbundtAit de Niels Bohr (1885-1962) carc, in 1913, a creat un model hibrid, cuanto-mecanic, pentru a

climina deficien(ele modelului elaborat de Rutherford, dintre care cea maiimportantA este instabilitatea electrodinamici (electronul, in miqcarea sa

rccelerati in jurul nucleului, ar trebui sd radieze energie electromagneticd

5i, in final, sa se prdbuSeasca pe nucleu, ceea ce - evident - nu se

intdmplS).

Ilohr a introdus pentru prima oard la nivelul atomului conceptul de

cuantificare, demonstrand - pe baza celor doud postulate care ii poartinrmele - ci mirimile fizice utilizate in interiorul atomului sunt cuantificate

n in ianuarie 2016 au fost addugate tabelului pedodic ultimele elemente chimice(irvand numercle atomice I13, I15, 117 9i 118).

" Dmitri Mendeleev a publicat pentru prima oara (in 1869) un tabel periodic alclcmentelor, asemdnetor cu cel actual. Elementul chimic 101 al acestui tabel iip oafid rltmele (m e n d e I e ev i u).

{e.s. raza orbitelor elecffonice, energia stfuilor stalionare) Modelul atomic

ai iui goht a fost perfeclionat ulterior de cdtre Arnold Sommerfeld' care

in 1915 a elaborat modelul Bohr Somurerfeid'

tln tnoa.t .otnot., ul atomului este fumizat de mecanica cuanticd

(Erwin Schrddinger. lq26) in cadrul modelului respectiv'. bazat

n; irtemrelarea ilatistica a luncliei de unda (Max Bom' 1926)'

ln,iurl"u a" orbird electronica esle inlocuil; cu cea de orbital

"t.itlonl., acesta reprezentand distribulia spatiali a probabiliEtii

de localizare a electronului.

1,2. Sarcina electrici

Prin procedee speciltce (frecare, contact, induclie), colpurile pot fi aduse

i,,t.-o r,ut" special6, numita stare de electdzare' in care interacfioneaza

iiir" "i"

ptin'foa", numite lo4e electrice, acestea fiind de atrac{ie sau de

;;;pd; Fenomenul de electrizare este cunoscut incd din Antichitate'

"-atiJ iiuie" an ftlilet (sec. al Vl-lea i'Hr') a studiat proprietatea chihlirn-

barului (piatrd preJioasd, de origine organicd) de a atrage corpurl u$oare

cand este frecat.

Starea de electrizare este camcterizatA cantitativ folosind o mdrime fizicd

iir"*ita t"t"ita "lectric6.

Jindnd seama de existentra celor doud tipuri de

lnl"tu"tioni - O" u,ractie fi de respingere - rezulta ce sarcina electdcA este

J"-Jo"a f"futi, n.guti"a 9i pozitivd Corpurile incarcate. cu sarcina

"t".iti"a a" u""iuli ,i"rnn te i"tping, iar cele incdrcate cu sarcina electrica

de semne opuse se atrag.

Denumirile de sarcini electrica negativi $i pozitiva au fost introduse de

Benjamin Franklin (1706-1790). Acesta a denumit elecfiicitatea care

uo# p.in frecare cu o bucatd de matase pe (bagheta de) sticl1' pozitivd'

ii.."u a" pe ebonitd, negativd' denumiri care - dupe cum se q;tie - s-au

peshat pane astdzi.

in Sistemul Intemalional (SI), sarcina electricd este o mdrime fizici

derivatd, definitd prin relalia Q = I t' unde I este intensitatea unui curent

"f"itri" rtutionu. care strd6ute un conductor in timpul l' De asemenea' in

SI, unitatea de mdsurd a sarcinii electrice este derivata" Aceasta se

numeqte coulomb cu simbolul C - 9i este definitd prin relatia:

l8 l9

[01r,=tc=1r1,, [t]",=e t e)

Cea mai micd sarcind electrici pusd in evidenfi este cea a unui electron.Valoarea absolutd a acesteia sc numegte sarcin6 electrici elementari:

e =7,6 10-te C

lindnd seama de ceea ce s-a prezentat in subcapitolul anterior, rezultd ce

electrizarea corpurilor se poate explica foarte simplu prin surplusul sau

deficitul de electroni in raport cu starea neutra. Acesta este motivulpentru care sarcina elecfiica a unui corp este intotdeauna egali cu unmultiplu intreg al sarcinii elementare:

Q= ne,unde neZ (6)

in stare neutrd, corpurile conlin cantitbti egale de sarcini electricdpozitivd 9i negativd. Prin frecare acesta fiind unul dintre procedeele de

electrizaxe, dup6 cum s-a vezut - o micd sarcind electrici se transferd dela un corp la altul, perturbdnd astfel starea lor neutr6. De exemplu, prinfrecarea unei baghete de sticle cu o bucati de mdtase, sticla devinepozitivt, iar mdtasea negativE, ceea ce inseamnd ci un numir de electroniau trecut de la sticld la mdtase. Sticla rdmdne cu un deficit de electroni(ceea ce explici incdrcarea pozitiv6), iar mdtasea capdtA un surplus deelectroni (ceea ce explicd incdrcarea negativi).

O mdrime frzicd avdnd numai anumite valori permise (cum este sarcinaelectricd) se numeqte mdrime cuantificatdr0. Se mai spune ci sarcinaelectrici are proprietatea de cuantificare sau cA are un caracter discretlr.Sarcina electrici elementarA se mai numeste cuantA de sarcind electrici.

Cuantificarea sarcinii electrice nu este observabild la nivelmacroscopic deoarece sarcina electricd elementarA este foartemic6. in acest caz, se poate vorbi de o distribulie continui a

sarcinii electrice.

r'l Cuantificarea sta la baza fizicii modeme. La nivel atomic li nuclear, toatenrtrrimile hzice suat cuantificate (e.g. energia, momentul cinetic).

'r Nahua discreta a sarcinii electrice a fost demonstrata experimental delizicianul R.A. Milikan, intr-un exp€rim€nt celebru care ii poaftA numele,clcctuat in 191 1.

(5)

in cazul unui sistem <le corpuri care nu schimbi sarcin6 electrici cu

exteriorul^ adicS este izolat din punct de vedere electric, sarcina poate

trece de la un cory la altul in cursul interactiunilor dintre acestea' adica se

redistribuie, clar valoarea sa totali (i.e. suma sarcinilor electrice ale

tuturor corpudlor) ramane constante in timp. Se spune cd sarcina electrice

se conservi. Acaasla este o alti proprietate a sarcinii electrice

Q-f Q^-'ont''n=l

1.3. Conductori, izolatori, semiconductori

(1)

Daci un corp metalic tinut in mAni va lt supus unui procedeu de

electrizare (de exemplu, va fi frecat cu o bucati de bland), acesta nu se va

incdrca electric. Totu$i, se constata cd un metal este posibil sd se incarce

cu sarcin6 electricd, daci are un miner de sticld sau de ebonitd Ei este

tinut de acesta in cursul frecdrii, Jhri a fi atins cu mana. Constatarea poate

h explicati dace se accept6 clasificarea corpurilor in conduc.lori (san

corpuri conduc6toare de electricitate) 9i izolatori (sau corpuri care nu

conduc electricitatea). Din categoria conductorilor fac parte metalele,

corpul omenesc ai pimintul, iar din cea a izolatorilor (numiJi 9i

dielectrici) fac parte sticla, ebonita, plasticul etc

Deosebirea dintre conductori 5i izolatori este datA de faptul cd ininteriorul conductorilor existd sarcini electrice libere (care se pot

deplasa), in timp ce in izolatori nu existd astfel de sarcini Totugi, nu

existi materiale perfect izolatoare.

PufiAtorii de sarcind electric[ liberi in metale sunt electronii' care - avdnd

aceasti caracteristicd poada denumirea de electroni liberi Aparilia

electronilor liberi intr-u; metal poate fi explicatA tinand seama cd la

formarea acestuia din mai mulli atomi identici aduli unul in apropierea

celuilalt, elechonii de valen{d (slabi legaJi de nuclee) nu rdmin localiza{i

pe atomii din care provin, ci sunt delocalizali, apa(indnd in qgale mdsura

tuturor ionilor metilului, formdnd un aEa-numit nor sau gaz electronic la

nagtere astfel legdtura metalicd, in care norul de electroni, situat in spaliul

dintre ioni, exercite fo4e de aftactie electrostatice asupra acestora

Deoarece legitura metalicd constituie o paftajare colectivi a electronilor

metalului, ea nu este direclionate.

in alte categorii de corpuri conductoare, ambele tipuri de puftAtori de

sarcini (e.g.-ioni pozitivi qi ioni negativi in elecffoliti sau electroni 9i ioni

pozitivi in gaze) se pot deplasa liber prin interiontl acestora'

20 2t

Exist5 o a treia categorie de materiale, intermediard intre conductori $iizolatori din punct de vedere al proprietdlii de conduclie a sarciniiclectrice, denumite semiconductori. Conductibilitatea materialelor se-

rriconductoare siliciul (Si) 9i germaniul (Ge) fiind reprezentative pentrxaceastd categorie se poate mAri foarte mult prin addugarea altorelemente, denumite impurit6ti (e.9. arsen, bor, indiu, aluminiu, stibiu), incantitdli foarte mici, procedeu cunoscut sub numele de dopare.Scmiconductorii fera impuritali se numesc intrinseci. iar cei cu impuritdlise numesc extrinseci. Semiconductorii extrinseci pot fi de tip n (cuirnpudtai donoare) 9i de tip p (cu impuriteti acceptoare).

intr-un semiconductor, indiferent dacA este intrinsec sau extrinsec, se potcleplasa pafiicipind astfel la conducJia electricd dou6 tipuri de pur-tiltori de sarcin5 electricS: electroni 9i goluri. in teoria zonalS (de benzi) a

solidelor cristaliner2, intr-un semiconductor electronii se deplaseazd lanivelul benzii de conduclie, iar golurile la nivelul benzii de valenJd.'l rebuie relinut cd golul are o realitate fizicd numai intr-un solid cristalin,rcflectand un anumit mod de comportare a electronilor de valenli. inircest sens trebuie inteleasa 9i denumirea de cvasipafticuli atribuitdgolului.

BC

Figura 2. Benzi de energie pentru ntetale

lrr teoria benzilor de energie, existA o tratare unitarA a tuturor materialelorsolide (metale, izolatod gi semiconductori), clasificarea acestora fdcandu-se

'' Solidele cristaline (e.g. metalele, semiconductorii) se caracterizeazi printr-o:rrrrnjare spafiali ordonatd a atomilor sau moleculelor componente. Solidele.rrrlcterizate pdntr-o aranjare neregulati a pafiiculelor componente se numesc, orpuri amorfe (e.g. sticla, smoala).

in functie de gradul de ocupare cu electroni a benzii de conduclie -(BC);;r;;''Lr!i;;;r-a benzii interzise (BI)r3' situata intre banda de

conduclie fi banda di valen{n (BV), astfel:

a) metalele au BC pa4ial ocupaE cu.electroni .tfigura 2)^Prin"'

upii"ut* unui unui camp electric slab' se fumizeazd suficientd

energie electronilor pentru a-i deplasa in interiorul BC;

b\ semiLonductorii au la temperatura de 0 K (zero Kelvin) BV"' ;;il;;;;ala cu elecmoni' iar BC-esteocomplet .goald

si

separata de BV prin Bl cu largimea te' J ev llrgura r):

c\ izol(ttorii lsa\ (lielectriciil au la temperatura de 0 K BV complet"'

"-""p.ir." "f.clroni. iar BV este complet goala $i separata de BC

pri; BI cu ldrgimea E* > 3 eV (figura 3)'

BC

a

Figura 3. Benzi de energie Pentt'u

BC

semiconduclori (a) si izolatori (b)

pfin incalzire. Acesta este motivul penf care la temperatura camerei,datoritd mi$cdrii temice, existA in semiconductori electroni liberi lanivelul BC, care pot participa la conduclia electricir5. De asemenea,

odatd cu cre$terea temperaturii, numdrul electronilor liberi cregte insemiconductoril6, spre deosebire de metale, in care r6mane constant. inoazul izolatorilor, energia de activare este atet de mare, incdt prinincdlzire practic nu apar purtitori de sarcind liberi.

1.4, Legea lui Coulomb. Cimpul electric.

F-orfele electrica exercitate intre corpudle electrizate au lost mAsuratepentru prima oare de cAtre fizicianul Charles Augustin de Coulomb(1736-1806), care, folosind datele experimentale pe care le-a acumulat, a

lbmulat in anul 1784 legea interacliunii electrice, care ii poarte numele.Pentru mesurarea forlei electrice, acesta a folosit o balanfd de torsiunesimilarb cu cea urllizatd de Cavendish pentru mdsurarea fo4elor gra-vitalionale dintre corpuri.

Conform legii lui Coulomb, for{a de interac{iune electrici dintre douacorpuri punctifome electrizate este orientate de-a lungul dreptei care le

runegte, av6nd mdrimea proporJionalS cu produsul sarcinilor electrice gi

invers propor{ionald cu patratul distanlei dintre acestea.

; , 4t4: t

Valoarea constantei t de^pinde de mediul in care se afli cele douE corpuri

Punctiforme electrizate. Jn SI, constanta se scrie astfel:

114ir€ 4ieae,

r" Energia rnedie de agitalie termici se calculeazd cu formula &2, unde t este

r(Dstanta lui Boltzmann, iar f este temperatura absoluti. La 300 K (adicn 27'C,lcnrporatura camerei), energia rcspcctivd este de aproximativ 0,025 eV. Deoareceirccasta este numai o valoare medic, unor electoni li se poate fumiza energielcrmica mai rnare, comparabili cu largimea benzii interzise, astfel incat pot;rjrrnge din banda de valenti in banda de conduclie.r" l-a siliciu pur, concentralia elechonilor liberi cregte de la 10r? m r (la temperatura

r anrcrci) p6ni la 1024 mr la 700oC.

(8)

(e)

in cazul semiconductorilor, banda interzisd are o lErgime (e'g' 0'72 eY

r*,- C. si I . I eV pentru Si) comparabili cu energia pe.tare o poate

casriga un electron sub acliunea unui cdmp electric' pnn tlumlnare sau

rr Lersimea benzii interzise' numita 9i energie de activare' exprima- e,nergra

*"'*"ir'"*' .i..tt"" "n"ii" u-a" oe uulenft pentru a deveni Iiber' Marimea

"""t*" *",4

"A a" putemic sunt legati acegti electroni de atomii cerora le aparlin'

rr Flcctron-voltul tarlnd simbolul eV) este o unirale de masura a energiei'

,-rtitirut[ tu nivel microscopic Acesta se define$te ca fiind energla pe-:are o

;ilG;;"i;;;;;."i"i ..'t o a;r"ttnla de potenfial de un volt se obline cd

lev= 1,6 10 re J 1Joulel.

22