I circuiti elettrici sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana. Dai complessi circuiti integrati che controllano il dispositivo che stai leggendo questo articolo al cablaggio che ti permette di commutare a accendere e spegnere la lampadina in casa, tutta la tua vita sarebbe radicalmente diversa se non fossi circondato da circuiti ovunque tu partire.
Ma la maggior parte delle persone non impara davvero il nocciolo di come funzionano i circuiti e le equazioni abbastanza semplici, come Legge di Ohm - che spiega le relazioni tra concetti chiave come resistenza elettrica, tensione ed elettricità attuale. Tuttavia, approfondire un po' la fisica dell'elettronica può darti una visione molto più profonda delle regole fondamentali alla base della tecnologia più moderna.
Qual è la legge di Ohm?
La legge di Ohm è una delle equazioni più importanti quando si tratta di comprendere i circuiti elettrici, ma se hai intenzione di capirla, avrai bisogno di una buona conoscenza dei concetti di base che collega:
La tensione è il termine più comunemente usato per la differenza di potenziale elettrico tra due punti e fornisce la "spinta" che consente alla carica elettrica di muoversi attorno a un circuito conduttore.
Il potenziale elettrico è una forma di energia potenziale, come l'energia potenziale gravitazionale, ed è definito come l'energia potenziale elettrica per unità di carica. L'unità SI per la tensione è il volt (V) e 1 V = 1 J/C, o un joule di energia per coulomb di carica. A volte viene anche chiamatoforza elettromotivao EMF.
La corrente elettrica è la velocità del flusso di carica elettrica oltre un dato punto in un circuito, che ha l'unità SI dell'ampere (A), dove 1 A = 1 C/s (un coulomb di carica al secondo). Si presenta sotto forma di corrente continua (DC) e corrente alternata (AC), e sebbene la DC sia più semplice, i circuiti AC sono utilizzato per fornire energia alla maggior parte delle famiglie in tutto il mondo perché è più facile e sicuro trasmettere a lungo distanze.
L'ultimo concetto che devi capire prima di affrontare la legge di Ohm è la resistenza, che è una misura dell'opposizione al flusso di corrente in un circuito. L'unità SI per la resistenza è l'ohm (che usa la lettera greca omega, Ω), dove 1 Ω = 1 V/A.
Equazione della legge di Ohm
Il fisico tedesco Georg Ohm ha descritto la relazione tra tensione, corrente e resistenza nella sua equazione omonima. La formula della legge di Ohm è:
V=IR
doveVè la tensione o la differenza di potenziale,ioè la quantità di corrente e resistenzaRè la quantità finale.
L'equazione può essere riorganizzata in modo semplice per produrre una formula per il calcolo della corrente basata su tensione e resistenza, o resistenza basata su corrente e tensione. Se non ti senti a tuo agio nel riorganizzare le equazioni, puoi cercare il triangolo della legge di Ohm (vedi Risorse), ma è abbastanza semplice per chiunque abbia familiarità con le regole di base dell'algebra.
I punti chiave mostrati dall'equazione della legge di Ohm sono che la tensione è direttamente proporzionale alla corrente elettrica (quindi maggiore è il tensione, maggiore è la corrente), e tale corrente è inversamente proporzionale alla resistenza (quindi maggiore è la resistenza, minore è la attuale).
Puoi usare l'analogia del flusso d'acqua per ricordare i punti chiave, che si basa su un tubo con un'estremità in cima a una collina e un'estremità in fondo. La tensione è come l'altezza della collina (una collina più ripida e più alta significa più tensione), il flusso di corrente è come il flusso dell'acqua (l'acqua scorre più velocemente lungo una collina più ripida) e la resistenza è come l'attrito tra le pareti del tubo e l'acqua (un tubo più sottile crea più attrito e riduce la velocità del flusso dell'acqua, come fa una resistenza maggiore per la corrente elettrica flusso).
Perché la legge di Ohm è importante?
La legge di Ohm è di vitale importanza per descrivere i circuiti elettrici perché mette in relazione la tensione con la corrente, con il valore della resistenza che modera la relazione tra i due. Per questo motivo, puoi usare la legge di Ohm per controllare la quantità di corrente in un circuito, aggiungendo resistori per ridurre il flusso di corrente e togliendoli per aumentare la quantità di corrente.
Può anche essere esteso per descrivere la potenza elettrica (la velocità del flusso di energia al secondo), perché potenza P = IV, quindi puoi usarlo per assicurarti che il tuo circuito fornisca energia sufficiente per, ad esempio, un apparecchio da 60 watt.
Per gli studenti di fisica, la cosa più importante della legge di Ohm è che ti permette di analizzare gli schemi circuitali, specialmente quando la combini con le leggi di Kirchhoff, che ne conseguono.
La legge di Kirchhoff sulla tensione afferma che la caduta di tensione attorno a qualsiasi anello chiuso in un circuito è sempre uguale a zero e la la legge attuale afferma che la quantità di corrente che scorre in una giunzione o nodo in un circuito è uguale alla quantità che scorre fuori di esso. È possibile utilizzare la legge di Ohm con la legge della tensione in particolare per calcolare la caduta di tensione su qualsiasi componente di un circuito, che è un problema comune nelle classi di elettronica.
Esempi di legge di Ohm
Puoi usare la legge di Ohm per trovare qualsiasi quantità sconosciuta dei tre, a condizione che tu conosca le altre due quantità per il circuito elettrico in questione. L'elaborazione di alcuni esempi di base mostra come farlo.
Innanzitutto, immagina di avere una batteria da 9 volt collegata a un circuito con una resistenza totale di 18 Ω. Quanta corrente scorre quando si collega il circuito? Riorganizzando la legge di Ohm (o usando un triangolo), puoi trovare:
\begin{aligned} I &= \frac{V}{R} \\ &= \frac{9 \text{ V}}{18 \text{ Ω}} \\ &= 0.5 \text{ A} \end {allineato}
Quindi 0,5 ampere di corrente circolano intorno al circuito. Ora immagina che questa sia la quantità di corrente perfetta per un componente che desideri alimentare, ma hai solo una batteria da 12 V. Quanta resistenza dovresti aggiungere per assicurarti che il componente riceva la quantità ottimale di corrente? Di nuovo, puoi riorganizzare la legge di Ohm e risolverla per trovare la risposta:
\begin{aligned} R &= \frac{V}{I} \\ &= \frac{12 \text{ V}}{0.5 \text{ A}} \\ &= 24 \text{ Ω} \end {allineato}
Quindi avresti bisogno di un resistore da 24 per completare il tuo circuito. Infine, qual è la caduta di tensione su un resistore da 5 in un circuito attraversato da 2 A di corrente? Questa volta, la forma standard V = IR della legge funziona bene:
\begin{allineato} V&=IR \\ &= 2 \text{ A} × 5 \text{ Ω} \\ &= 10 \text{ V} \end{allineato}
Resistori ohmici e non ohmici
Puoi usare la legge di Ohm in una vasta gamma di situazioni, ma ci sono limitazioni alla sua validità: non è una legge fisica veramente fondamentale. La legge descrive una relazione lineare tra tensione e corrente, ma questa relazione vale solo se il resistore o l'elemento del circuito resistivo con cui stai lavorando ha una resistenza costante sotto diversi voltaggioVe attualeiovalori.
I materiali che obbediscono a questa regola sono chiamati resistori ohmici e, sebbene la maggior parte dei problemi fisici riguardi resistori ohmici, conoscerai molti resistori non ohmici della tua vita quotidiana.
Una lampadina è un perfetto esempio di resistenza non ohmica. Quando fai un grafico diVcontroioper i resistori ohmici, mostra una relazione completamente lineare, ma se lo fai per qualcosa come una lampadina, la situazione cambia. Quando il filamento nella lampadina si riscalda, la resistenza della lampadinaaumenta, il che significa che il grafico diventa una curva anziché una linea retta e la legge di Ohm non si applica.