Dispositivi Non Ohmici: Quando la Legge di Ohm Non Si Applica

La Legge di Ohm (V = I × R) è il "Hello World" dell'elettronica — ma si applica solo a materiali ohmici con resistenza costante. Il mondo reale è pieno di dispositivi non ohmici dove la resistenza cambia con tensione, corrente, temperatura o storia. Comprenderli è essenziale per la progettazione di circuiti, elettronica di potenza ed elaborazione del segnale.

Cosa Rende un Dispositivo Non Ohmico?

Qualsiasi dispositivo dove la curva I-V non è una retta passante per l'origine. La "resistenza" R = V/I diventa una funzione: R(V), R(I), R(T), o R(t).

Categorie Principali di Dispositivi Non Ohmici

1. Giunzioni Semiconduttrici (Le Più Importanti)

• Diodi PN (Rettificatore, Schottky, Zener, LED): I-V esponenziale (equazione di Shockley). Conduce in una direzione; blocca in inversa (fino alla rottura). Resistenza dinamica r_d = nV_T/I varia con la corrente.
• Transistor a Giunzione Bipolare (BJT): Sorgente di corrente controllata da corrente. Base-emettitore = diodo; Corrente di collettore ∝ exp(V_BE/V_T). Altamente non lineare.
• MOSFET / JFET: Resistenze controllate da tensione (regione ohmica) → sorgenti di corrente (saturazione). Legge al quadrato o esponenziale sub-soglia.
• Tiristori / Triac / SCR: Interruttori bloccanti. Regione di resistenza differenziale negativa durante l'accensione.

2. Resistenze Dipendenti dalla Temperatura

• Filamento a Incandescenza: La resistenza del tungsteno aumenta ~10–15× da freddo a caldo. Corrente di spunto = 10–15× lo stato stazionario. Classico resistore non ohmico.
• Termistore NTC: La resistenza diminuisce esponenzialmente con la temperatura (β ≈ 3000–4500 K). Usato per limitazione spunto, rilevamento temperatura.
• Termistore PTC / Polifusibile: La resistenza salta bruscamente alla temperatura di Curie. Protezione da sovracorrente auto-resettante.

3. Resistenze Dipendenti dalla Tensione

• Varistore (MOV — Metal Oxide Varistor): Alta resistenza a tensione normale; collassa a bassa resistenza sopra la tensione di clamping (V_clamp). Protezione da sovratensione. I ∝ V^α (α ≈ 20–50).
• Tubo a Scarica di Gas (GDT): Isolante fino alla rottura (~90–600 V), poi resistenza differenziale negativa al plasma. Diversione di sovratensione ad alta energia.

4. Conduzione Ionica / Plasma

• Elettroliti / Celle Elettrochimiche: Polarizzazione, gradienti di concentrazione, correnti faradiche/non faradiche. Cinetica di Butler-Volmer. Non è un resistore.
• Plasma di Gas / Lampade al Neon: Rottura di Townsend → scarica a bagliore → arco. Regione di resistenza differenziale negativa.
• Valvole Termoisniche: Corrente limitata da carica spaziale (legge di Child-Langmuir: I ∝ V^3/2).

5. Dispositivi Quantistici / Esotici

• Diodo a Tunnel (Esaki): Regione di resistenza differenziale negativa (NDR) tramite tunnelamento quantistico. Oscillatori a microonde.
• Diodo Gunn: Bulk GaAs/InP, effetto trasferito-elettrone → NDR. Sorgente a microonde.
• Diodo a Tunnel Risonante (RTD): NDR di pozzo quantistico. Oscillatori THz.
• Memristor: La resistenza dipende dalla storia del flusso di carica (relazione flusso-carica). Memoria non volatile.

Perché Questo è Importante per gli Ingegneri

Conclusione

La Legge di Ohm descrive un sottoinsieme del comportamento elettrico (conduttori lineari, invarianti nel tempo, isoterma). I dispositivi interessanti, utili e spesso difficili — diodi, transistor, sensori, elementi di protezione, interruttori — sono deliberatamente non ohmici. Padroneggiare la loro fisica I-V è ciò che separa gli assemblatori di circuiti dai progettisti di circuiti.