Transistor: la Meccanica Quantistica nella vita di tutti i giorni

La Meccanica Quantistica coinvolge molti aspetti della nostra vita anche senza saperlo! I transistor ne sono un esempio.

La meccanica quantistica è una teoria fisica che ha permesso di spiegare il comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica alla scala di lunghezza dell’ordine dell’atomo, circa 10-9 m! Attraverso questa teoria si sono spiegati tanti fenomeni, che con la meccanica classica non potevano essere compresi, come la struttura degli atomi.

Questo nuovo modo di vedere la realtà, però, risulta molto difficile da comprendere. Noi siamo abituati a interagire con il mondo che ci circonda a livello macroscopico. Anche solo il fatto che la M.Q. ci dica che non possiamo conoscere contemporaneamente di una particella la sua posizione e il suo momento, ci manda in confusione. Naturalmente, non facciamo ragionamenti simili per sapere dove si trova il portapenne sulla nostra scrivania. La M.Q. non è, però, così distante come sembra. Tutti i giorni, e tutto intorno a noi, ci sono dei dispositivi che non potrebbero funzionare senza questa teoria. Tra questi oggetti ci sono i transistor.

Che cosa sono i Transistor e che centra la Meccanica Quantistica?

Per rispondere alla seconda domanda, la M.Q. è stata di fondamentale importanza per lo studio dei fenomeni nella fisica dello stato solido. Ad esempio, nello studio dei semiconduttori e di come gli elettroni e la corrente si muovano nella struttura del materiale. Il transistor è una tecnologia ottenuta proprio dallo studio dei semiconduttori. Nel 1948, i ricercatori Shockley, Bardeen e Brattain, realizzarono il primo transistor in laboratorio. La scoperta valse loro il Nobel nel 1956.

Questo dispositivo può amplificare, cioè produrre un segnale in uscita con più potenza del segnale in ingresso, dove la potenza aggiuntiva proviene da una sorgente esterna, come una batteria. Ad esempio con un transistor è possibile amplificare una corrente.

Innanzitutto vediamo cos’è la corrente: il flusso di cariche elettriche in un conduttore. Quindi, con un transistor, sembrerebbe possibile ottenere una corrente molto grande in uscita, quando in ingresso viene fornita una corrente molto piccola. Il che vorrebbe dire creare nuove cariche elettriche che costituiscono la corrente… IMPOSSIBILE, perché la corrente si conserva! Non può essere creata o distrutta. Allora come fanno i transistor ad amplificare la corrente?

Transistor e idraulica

Possiamo provare a spiegarlo con un esempio idraulico. Immaginiamo di avere un serbatoio pieno d’acqua e dal cui fondo esce un tubo, lungo il quale ci sono due valvole. La prima, più vicina al serbatoio, fa passare solo l’acqua dal basso verso l’alto, mentre la seconda solo l’acqua dall’alto verso il basso. Quindi, dal serbatoio non esce acqua per ora.

Immaginiamo che la valvola sopra si apra più facilmente di quella sotto, se sottoposta alla pressione dell’acqua. Applichiamo un foro nella sezione di tubo compresa tra le due valvole e ci facciamo entrare dell’acqua. Questa farà sempre più pressione sulla prima valvola. Una volta aperta farà scorrere tutta l’acqua contenuta nel serbatoio attraverso il tubo. Ora che l’acqua scorre dal tubo la pressione è sufficiente a far aprire anche la valvola sotto. Così dal tubo uscirà tanta più acqua di quella che è passata attraverso il foro del tubo. Guardando da fuori quanto accade al tubo sembrerebbe proprio che l’acqua in uscita si sia moltiplicata!

Nel transistor accade un fenomeno del tutto analogo a quello visto sopra. Il serbatoio, però, è dato dalla batteria con cui alimentiamo il transistor, e gli elettroni sono molto più complicati delle gocce d’acqua!

Una volta applicato il foro B nel tubo, l’acqua spingerà sulla valvola C. Una volta aperta, allora tutta l’acqua scorrerà verso la valvola, facendo così uscire tutta l’acqua del serbatoio. Le lettere B,C,E sono state utilizzate in analogia agli ingressi di un transistor: il componente schematizzato accanto. Dove B sta per base, C per collettore e E per emettitore.

Dove sono i transistor?

Dopo averli descritti è arrivato il momento di sapere dove si trovano tutti questi dispositivi nella vita quotidiana. Ad esempio nelle fotocamere digitali dove la debolissima corrente generata dei pixel colpiti dalla luce, durante lo scatto, sarebbe troppo bassa per consentire di vedere l’immagine su un display. Con un transistor è così possibile amplificarla. In una fotocamera da 10 Megapixel, ad esempio, ci sono 107 pixel con altrettanti transistor!

Un’ altra applicazione dei transistor, un po’ diversa da quella vista, è nei cancelli automatici. Qui il transistor funziona da interruttore. Quando non passa nessuno la fotocellula del cancello invia un piccola corrente al transistor,che mantiene aperto un circuito senza farci scorrere corrente. Se passa una persona o un mezzo la fotocellula non invia più corrente. Il transistor allora chiude il circuito facendo scorrere una corrente molto più alta così da aprire il cancello.

Ancora altri esempi di utilizzo dei transistor si hanno nell’elettronica, dove le CPU dei computer sono costituite da milioni di transistor.

Quindi, anche senza saperlo, la meccanica quantistica e le sue applicazioni sono tutte intorno a noi. Cominciando dallo smartphone o dal computer sul quale state leggendo questo articolo!

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