REL · EXP 05 Elettromagnetismo Classe V

Circuiti RC e Applicazioni Pratiche in Fotografia

Simulazione di un flash fotografico tramite circuito RC e diodo LED
Scuola: ITSOS Albe e Lica Steiner Argomenti: Circuiti RC · Condensatore · Costante di tempo A.S.: 2025/26
01 Obiettivo
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Realizzare un circuito temporizzato RC che simula il funzionamento del flash fotografico tramite un diodo LED, sfruttando il processo di carica e scarica di un condensatore. L'esperienza mira a verificare sperimentalmente il legame tra la costante di tempo τ = R × C e la durata dell'impulso luminoso del LED, rispondendo alla domanda: in che modo le proprietà dei componenti passivi di un circuito RC determinano la durata del lampo?
02 Principi Teorici
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Resistenza elettrica
R [Ω = V / A]
Componente passivo che ostacola il flusso di corrente elettrica. Determina, insieme al condensatore, la velocità di carica e scarica del circuito RC.
Condensatore
C [F = C / V]
Immagazzina energia elettrica tra le armature sotto forma di campo elettrico. Può fungere da accumulatore temporaneo a scarica rapida.
Costante di tempo
τ = R × C [s]
Carica: in un tempo τ il condensatore raggiunge il 63,2 % della carica massima.
Scarica: in τ la carica scende al 36,8 % del valore iniziale.
Diodo LED
I → solo polariz. diretta
Componente polarizzato (anodo +, catodo –) che emette luce quando percorso da corrente nel verso diretto. Nel circuito RC segna visivamente la scarica del condensatore.
Principio del flash RC
Il condensatore si carica quando il circuito è alimentato: il LED rimane spento. Alla rimozione dell'alimentazione il condensatore si scarica attraverso il LED, generando un lampo di durata proporzionale a τ. Variando il valore della resistenza R o della capacità C è possibile modificare τ e quindi la durata del lampo.
Nota Storica — Il Flash al Magnesio I primi flash fotografici (fine '800) sfruttavano la combustione di polvere di magnesio: 2 Mg + O₂ → 2 MgO. La reazione era rapidissima, intensamente luminosa, ma non controllabile né ripetibile. L'evoluzione verso i circuiti RC ha reso il lampo programmabile, sicuro e preciso, aprendo nuove possibilità espressive alla fotografia e al cinema.
Guida ai Componenti e al Montaggio
R
La Resistenza e il Codice dei Colori
Tabella del codice colori delle resistenze
Lettura del valore tramite gli anelli colorati (4 o 5 fasce).

La resistenza è un componente che si oppone al passaggio della corrente elettrica, dissipando parte dell'energia sotto forma di calore. Il suo valore, espresso in Ohm (Ω), non è scritto in cifre sul corpo del componente ma è codificato tramite anelli colorati.

Nelle resistenze a 4 fasce i primi due anelli indicano le cifre significative, il terzo il moltiplicatore (potenza di dieci), il quarto la tolleranza. Nelle resistenze a 5 fasce le cifre significative sono tre.

Come si collega La resistenza non è polarizzata: può essere inserita nel circuito in entrambi i versi. Va posta in serie al ramo di alimentazione, tra la sorgente (Arduino) e il nodo del condensatore/LED, per limitare la corrente che li attraversa.
C
Il Condensatore Elettrolitico
Diversi tipi di condensatori e relativo simbolo circuitale, con indicazione di polarità + e –
Tipologie di condensatori (poliestere, ceramico, elettrolitico) e simbolo circuitale: nei condensatori polarizzati i terminali + e – non sono intercambiabili.

Il condensatore elettrolitico è un componente che immagazzina energia elettrica sotto forma di campo elettrico tra due armature separate da un sottile strato isolante. A differenza delle resistenze, è un componente polarizzato: possiede un terminale positivo e uno negativo, e la sua capacità si misura in Farad (F) o, più comunemente nei piccoli componenti, in microfarad (μF).

Il terminale negativo è riconoscibile da una banda chiara stampata sul corpo del componente (spesso con il simbolo "–"), ed è inoltre più corto rispetto al terminale positivo.

Come si collega Il terminale negativo (banda chiara, piedino corto) va collegato verso il polo a potenziale inferiore del circuito, cioè verso il GND. Il terminale positivo va collegato verso il nodo a potenziale più alto, lo stesso a cui è collegato l'anodo del LED. Un collegamento invertito può danneggiare irreversibilmente il componente: verificare sempre la polarità prima di alimentare il circuito.
D
Il Diodo LED: Struttura e Polarità
Struttura del LED e simbolo del diodo: anodo positivo e catodo negativo
Struttura del LED e simbolo circuitale del diodo: la freccia indica il verso di conduzione, dall'anodo (+) al catodo (–).

Un diodo è un componente che permette il passaggio di corrente in un solo verso (polarizzazione diretta) e lo blocca nel verso opposto (polarizzazione inversa). Il LED (Light Emitting Diode) è un diodo che, quando attraversato da corrente nel verso diretto, converte l'energia elettrica in luce grazie a un semiconduttore racchiuso in una cavità riflettente, protetto da una lente.

I due terminali del LED si distinguono per lunghezza: il piedino più lungo è l'anodo (+), quello più corto è il catodo (–). Spesso anche il bordo della lente presenta una piccola smussatura in corrispondenza del catodo.

Come si collega L'anodo (piedino lungo) va collegato verso il nodo a potenziale più alto del circuito — lo stesso del terminale positivo del condensatore. Il catodo (piedino corto) va collegato verso il GND. Se il LED è inserito al contrario non si accende (polarizzazione inversa) ma in genere non si danneggia, a differenza del condensatore elettrolitico.
B
La Breadboard: come Sono Collegati i Fori
Schema delle connessioni interne della breadboard
Connessioni interne: righe orizzontali collegate a gruppi di 5, strisce verticali laterali per l'alimentazione.

La breadboard (basetta sperimentale) permette di assemblare circuiti senza saldature, grazie a connettori metallici nascosti sotto la plastica forata. Non tutti i fori sono collegati fra loro: bisogna conoscere lo schema delle connessioni interne per montare correttamente un circuito.

Nella zona centrale di prototipazione, i 5 fori di ogni riga verticale corta sono collegati elettricamente fra loro, ma sono isolati dalla riga adiacente. Una scanalatura centrale separa elettricamente i due lati della basetta. Le strisce laterali (contrassegnate + e –) sono invece collegate orizzontalmente lungo tutta la breadboard e si usano normalmente per portare l'alimentazione e la massa a tutto il circuito.

Come si collega Inserire ogni componente in modo che i suoi terminali occupino colonne diverse della stessa zona di prototipazione (così risultano collegati allo stesso nodo solo i terminali nella medesima colonna). Usare le strisce laterali + e – per distribuire l'alimentazione di Arduino (5V e GND) ai vari rami del circuito tramite cavetti di collegamento.
03 Strumenti e Materiali
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Componenti del circuito
  • Resistore fisso valore: ___ Ω
  • Condensatore elettrolitico polarizzato C = ___ μF
  • Diodo LED colore: ___
Strumenti e infrastruttura
  • Breadboard (basetta sperimentale)
  • Cavi di collegamento
  • Arduino sorgente 5 V in continua
  • Multimetro digitale
  • Cronometro
  • Software Tinkercad simulazione preliminare
  • Filamento di magnesio riferimento storico
04 Schema del Circuito e Montaggio
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Schema elettrico · TinkerCAD
Schema elettrico del circuito RC
Schema elettrico simulato su TinkerCAD: V1 (12V) → S2 → R1 (1Ω) → C1 (1F) in parallelo con LED1. Il voltmetro PR1 misura la tensione sul condensatore; l'amperometro PR2 la corrente di scarica.
Montaggio su Breadboard · TinkerCAD
Montaggio del circuito RC su breadboard in TinkerCAD
Montaggio virtuale su breadboard: Arduino UNO come sorgente di tensione, resistore R, condensatore elettrolitico e diodo LED collegati secondo lo schema. Rispettare la polarità del condensatore (banda –) e del LED (gamba lunga = anodo +).
→ Apri il progetto originale su TinkerCAD
05 Procedimento
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    Simulazione virtuale (TinkerCAD): Prima del montaggio fisico, riprodurre il circuito su TinkerCAD. Verificare la polarità del LED (anodo +, catodo –) e del condensatore elettrolitico (banda – sul terminale negativo). Osservare il comportamento atteso nella simulazione. Questo passaggio è stato svolto dal docente.

    ⚠ Non procedere al montaggio fisico senza aver simulato e verificato la correttezza dello schema.
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    Identificazione dei componenti: Leggere il valore delle resistenze dal codice a colori. Verificare la capacità del condensatore (stampata sul corpo). Identificare anodo (+) e catodo (–) del LED dalla diversa lunghezza dei terminali.

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    Assemblaggio sulla breadboard: Inserire i componenti rispettando le connessioni interne della basetta. Collegare il terminale negativo del condensatore elettrolitico al ramo GND. Posizionare C e LED in parallelo tra il nodo A e GND.

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    Collegamento ad Arduino: Collegare il pin 5V di Arduino al ramo della resistenza R e GND al ramo negativo del circuito.

    ⚠ Corrente massima per pin Arduino: 40 mA. Verificare che I = V/R resti entro questo limite prima di alimentare.
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    Verifica visiva: Prima di alimentare, controllare ogni connessione. Attenzione alla polarità di C e del LED. Un condensatore elettrolitico invertito può danneggiarsi irreversibilmente.

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    Prima accensione e misura: Alimentare il circuito (fase di carica: LED spento). Disconnettere l'alimentazione e misurare con il cronometro la durata del lampo del LED (fase di scarica).

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    Variazione di R: Sostituire la resistenza con un valore diverso. Ripetere la misura e confrontare la durata del lampo con la previsione τ = R × C.

▶ Risultato Finale — Video
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Circuito RC realizzata in laboratorio
Il video mostra il circuito RC montato su breadboard con Arduino come sorgente di tensione. Si osserva la fase di carica (LED spento) e la fase di scarica dopo la disconnessione (LED acceso per una durata proporzionale a τ = R × C).
Versione con interruttore reale
Questo video mostra la versione del circuito realizzata con un interruttore vero e proprio al posto della disconnessione manuale dell'alimentazione: l'apertura dell'interruttore avvia la fase di scarica del condensatore, accendendo il LED per la durata τ = R × C.
▶ Approfondimento Storico — Saggio alla Fiamma del Magnesio
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Contesto storico Prima dell'avvento dei circuiti elettronici, i fotografi utilizzavano la combustione del magnesio per produrre il lampo necessario all'esposizione. La reazione di ossidazione del magnesio è estremamente rapida e produce una luce bianca intensa:

2 Mg + O₂ → 2 MgO

Il lampo è però istantaneo, non controllabile e non ripetibile. Questa dimostrazione permette di confrontare direttamente la tecnologia chimica del passato con quella elettronica del circuito RC realizzato in laboratorio.
Combustione del filamento di magnesio
Il video mostra la combustione di un filamento di magnesio. Si osserva la reazione 2 Mg + O₂ → 2 MgO: la luce prodotta è intensa, bianca e di brevissima durata, del tutto incontrollabile. A differenza del circuito RC, non è possibile regolare la durata né ripetere il lampo senza sostituire il filamento.
06 Raccolta Dati e Analisi
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Questa esperienza ha carattere dimostrativo e non quantitativo: l'obiettivo era osservare qualitativamente il funzionamento del circuito RC come simulatore di flash fotografico, non effettuare misure di precisione della costante di tempo. Per questo motivo non è prevista una raccolta sistematica di dati numerici né un'analisi quantitativa dei risultati.
07 Osservazioni
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Comportamento durante la carica: Con il circuito alimentato, la corrente nel ramo del LED è praticamente nulla. Il condensatore, caricandosi, porta il potenziale ai suoi capi fino a quello della sorgente, azzerando la differenza di tensione disponibile per il LED.
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Polarità dei componenti: L'inversione della polarità del LED ha impedito il funzionamento del circuito, confermando l'importanza critica dell'orientamento corretto dei componenti polarizzati.
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Variazione dei componenti: Modificando il valore della resistenza R o della capacità C è stato possibile osservare la variazione della durata del lampo, confermando in modo diretto la relazione τ = R × C.
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Confronto con il flash al magnesio: Il filamento di magnesio ha prodotto un lampo istantaneo, non controllabile né ripetibile. Il circuito RC produce invece un lampo di durata precisa e modificabile: il progresso tecnologico ha trasformato un processo chimico unidirezionale in uno strumento programmabile.
08 Conclusioni
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Risposta all'obiettivo

L'obiettivo è stato raggiunto: il circuito RC realizzato simula correttamente il funzionamento di un flash fotografico.

La variazione della resistenza di un ordine di grandezza ha prodotto una variazione equivalente del tempo di accensione, confermando sperimentalmente la relazione τ ∝ R.

L'esperienza ha reso concreta la connessione tra i principi dell'elettrotecnica (resistenza, capacità, costante di tempo) e un dispositivo di uso comune.