L'intricato speciale

Che cos’è l’energia? Domanda all’apparenza semplice ma dalla risposta difficile. L’energia non si crea né si distrugge ma si trasferisce da un ente all’altro cambiando anche tipologia. L’energia chimica contenuta nel succo di frutta che abbiamo bevuto si trasforma in energia potenziale quando saliamo le scale; l’energia potenziale acquistata dall’automobile che si è arrampicata su un paesino di montagna diventa energia cinetica quando questa ridiscende senza usare i freni e quando diventa troppa l’autista rallenta e l’energia cinetica si trasferisce ai freni sotto forma di calore.

L’energia non si tocca, non si vede ma si osservano solo i suoi effetti. La manifestazione dell’energia cinetica è la velocità; dell’energia termica, la temperatura; dell’energia chimica, le reazioni; dell’energia luminosa, il numero di fotoni per unità di superficie. Non esiste dispositivo al mondo in grado di misurare direttamente l’energia. Gli unici rivelatori che danno informazione sull’energia misurano il numero di coppie elettrone-lacuna generate dentro uno strato di silicio dal passaggio di una particella carica. Possiamo misurare la temperatura, la velocità, la quantità di reagente prodotto, la quantità di luce, il flusso degli elettroni in un conduttore, il numero di ioni, ma non l’energia.

Che sia pura convenzione? L’invenzione dei fisici per fare tornare i conti? No. L’energia esiste, non è una convenzione. Non è convenzione il Sole, che brucia il suo combustibile nucleare per produrre luce e calore. Non è convenzione la stanchezza che percepiamo ogni giorno e il cibo che ingeriamo per recuperare le energie. Che l’energia esista è praticamente ovvio ma difficile da dire perché l’energia è elusiva. Solo l’esperienza dell’osservazione lo conferma, permette di vedere le trasformazioni e i viaggi dell’energia nell’Universo.

Una manifestazione tangibile dell’energia c’è e si chiama massa, quell’entità che è suscettibile alla gravitazione, ciò che indirettamente misuriamo ogni volta che saliamo sulla bilancia. Distruggendo la massa si libera energia, da un fotone che ha una certa energia si può ottenere massa. Quando l’energia si “incarna” diventa tangibile e ci accorgiamo che ce n’è in tutte le cose che esistono, ovunque. Siamo ancora al punto di partenza: misuriamo la massa, non l’energia direttamente.
Che strana quest’energia: una cosa invisibile, intangibile, non misurabile, definibile con difficoltà, della quale possiamo mostrare solo gli effetti ma che abbiamo certezza che essa esiste ed è ovunque, permea ogni cosa. Caratteristiche che dovrebbero fare riflettere tutti coloro che sostengono – per via di un materialismo spregiudicato – l’esistenza di sole le cose misurabili. L’energia trascende la materia tangibile.

Ci si ritrova spesso a dover alimentare qualche dispositivo con una differenza di potenziale stabile, indipendentemente dalle pretese del dispositivo stesso. Ad esempio potremmo voler alimentare una vecchia pennetta MP3 utilizzando la presa dell’accendisigari invece della pila a stilo da 1.5V; oppure la nostra sveglia (3 Volts) ci ha dato buca per l’ennesima volta perché le batterie si sono scaricate e vorremmo collegarla ad un alimentatore esterno (12 Volts) etc.

Per risolvere il problema spesso non basta fare un partitore di tensione – cioè collegare delle resistenze insieme al nostro dispositivo affinché ai suoi capi ci sia la differenza di potenziale desiderata – perché, soprattutto nel caso del lettore MP3, la resistenza del dispositivo cambia a seconda che sia stato appena attivato o che sia suonando o che sia in attesa di comandi. Poiché con il metodo del partitore di tensione la differenza di potenziale ai capi del dispositivo dipende dalla sua resistenza interna, rischieremmo di distruggerlo o di non farlo funzionare affatto.
Dobbiamo allora complicare un po’ le cose costruendo un regolatore di tensione rudimentale:

L’amplificatore operazionale, che possiamo scegliere in base alla tensione massima di alimentazione (ad esempio un TL081 regge fino a 36V o ±18V), è il cuore del sistema. Se la tensione sull’ingresso (-) è maggiore rispetto a quella sull’ingresso (+) l’operazionale provvede a ridurre la sua uscita; viceversa, l’operazionale aumenta il potenziale d’uscita. La resistenza R1 (240 Ω) è una protezione che può essere omessa. I due transistor mettono in pratica la regolazione: il BC337 (Q1) serve solo a pilotare il BD139 (Q2) che può gestire correnti più alte. La scelta dei transistor non è vincolante: l’unica precauzione è che Q2 possa gestire correnti più sostenute. R2 è un trimmer (100 KΩ) che consente di alzare la tensione di uscita fino (o quasi) al valore massimo mentre il minimo della tensione di uscita è il riferimento (REF). Se si vuole che l’uscita sia sempre uguale al riferimento si può eliminare R2 e collegare l’ingresso (-) direttamente all’uscita.

La cosa fondamentale del circuito è che per funzionare ha bisogno sempre di una tensione di riferimento da collegare a REF. Senza scomodare i diodi zener (noti riferimenti di tensione) si può costruire un riferimento da poco più di un volt usando un led rosso, alimentato attraverso una resistenza opportuna (1 KΩ a 12 V) e ulteriormente stabilizzato con un condensatore (100 nF).
Il riferimento fisso è sempre necessario, anche quando vogliamo essere indipendenti dal carico. Un po’ come nella vita bisogna sempre avere dei valori, dei riferimenti immutabili e innegabili dai quali far dipendere poi tutto il resto. Senza un riferimento esterno a noi, possiamo fare ben poco: possiamo solo illuderci di poter distinguere un potenziale più alto da uno più basso pretendendo di essere al centro. C’è bisogno di qualcosa o qualcuno che apporti un valore fisso di riferimento per le nostre azioni affinché il nostro giudizio sia valido.