Tensione: definizione, equazione, unità (con/esempi)

Immagina l'acqua che scorre a valle attraverso un sistema di tubi. La tua intuizione dovrebbe dirti quali fattori farebbero scorrere l'acqua più velocemente e cosa la farebbe scorrere più lentamente. Più alta è la collina, più veloce sarà la corrente e più ostruzioni nel tubo, più lentamente scorrerà.

Tutto questo è dovuto ad adifferenza di energia potenziale​ ​tra la cima della collina e il fondo, perché l'acqua ha energia potenziale gravitazionale in cima alla collina e nessuna quando raggiunge il fondo.

Questa è un'ottima analogia per l'elettricovoltaggio. Allo stesso modo, quando c'è una differenza di potenziale elettrico tra due punti su un circuito elettrico, la corrente elettrica scorre da una parte all'altra del circuito.

Proprio come nell'esempio dell'acqua, la differenza di energia potenziale tra i due punti (creata dalla distribuzione della carica elettrica) è ciò che crea il flusso di corrente. Naturalmente, i fisici hanno definizioni più precise di questa e l'apprendimento di equazioni come la legge di Ohm ti dà una migliore comprensione della tensione.

La tensione è il nome dato a una differenza di energia potenziale elettrica tra due punti ed è definita come l'energia potenziale elettrica per unità di carica. Sebbenepotenziale elettricoè un termine più accurato, il fatto che l'unità SI del potenziale elettrico sia il volt (V) significa che è comunemente indicato come voltaggio, in particolare quando si parla della differenza di potenziale tra i terminali di una batteria o altre parti di a circuito.

La definizione può essere scritta matematicamente come:

DoveVè la differenza di potenziale,E​_el è l'energia potenziale elettrica (in joule) eqè la carica (in coulomb). Da questo, dovresti essere in grado di vedere che 1 V = 1 J/C, il che significa che un volt è definito come un joule per coulomb (cioè per unità di carica). A volte, vedraiEusato come simbolo per la tensione, perché un altro termine per la stessa quantità è "forza elettromotrice" (EMF), ma molte fonti usanoVper abbinare l'uso quotidiano del termine.

Il volt prende il nome dal fisico italiano Alessandro Volta, noto soprattutto per aver inventato la prima batteria elettrica (chiamata "pila voltaica").

Tuttavia, l'equazione di cui sopra non è l'equazione più comunemente usata per la tensione, perché la maggior parte dei volta che incontri il termine riguarderà un circuito elettrico e l'equazione più utile per questo èLegge di Ohm. Questo mette in relazione la tensione al flusso di corrente nel circuito e la resistenza al flusso di corrente dai fili e dai componenti del circuito e ha la forma:

DoveVè la differenza di potenziale in volt (V);ioè il flusso di corrente, con un'unità di ampere o amp in breve (A); eRè la resistenza in ohm (Ω). A prima vista, questa equazione ti dice che a parità di resistenza, tensioni più elevate producono correnti più elevate (analoghe all'aumento dell'altezza del collina in introduzione) e a parità di tensione il flusso di corrente si riduce per resistenze maggiori (analoghe alle ostruzioni alle tubazioni in esempio). Se non c'è differenza di tensione, non scorrerà corrente.

Diversi componenti di un circuito avranno diversicadute di tensioneattraverso di loro, e puoi usare la legge di Ohm per capire cosa saranno. In linea con la legge sulla tensione di Kirchhoff, tuttavia,la somma delle cadute di tensione attorno a qualsiasi anello completo in un circuito deve essere uguale a zero​.

La tensione ai capi di un elemento in un circuito elettrico può essere misurata con un voltmetro o un multimetro, con quest'ultimo contenente un voltmetro ma anche altri strumenti come un amperometro (per misurare la corrente). Collega il voltmetro in parallelo attraverso l'elemento da misurare per determinare la caduta di tensione tra i due punti - non collegarlo mai in serie!

I voltmetri analogici funzionano utilizzando un galvanometro (un dispositivo per misurare piccole correnti elettriche) in serie con un resistore ad alto ohm, con il galvanometro contenente una bobina di filo in un campo magnetico. Quando una corrente scorre attraverso il filo, crea un campo magnetico, che interagisce con l'esistente campo magnetico per far ruotare la bobina, che poi sposta il puntatore sul dispositivo per indicare il voltaggio.

Perché la rotazione della bobina è proporzionale alla corrente e la corrente è a sua volta proporzionale alla tensione (per la legge di Ohm), più la bobina ruota, maggiore è la tensione tra i due punti. Questo è più complicato se stai misurando la corrente alternata piuttosto che la corrente continua, ma anche diversi design lo rendono possibile.

Devi collegare un voltmetro in parallelo perché due elementi del circuito in parallelo hanno la stessa tensione ai loro capi. Un voltmetro deve avere un'elevata resistenza perché questo gli impedisce di prelevare una corrente troppo grande dal circuito principale e quindi di interferire con il risultato. Inoltre, i voltmetri non sono costruiti per assorbire grandi correnti, quindi se ne colleghi uno in serie, potrebbe facilmente rompersi o bruciare un fusibile.

Imparare a lavorare con il potenziale elettrico implica imparare a usare la legge di Ohm e imparare ad applicare la legge di Kirchhoff sulla tensione per determinare le cadute di tensione tra i diversi elementi di un circuito. La cosa più semplice da fare è applicare la legge di Ohm a un intero circuito.

Se un circuito è alimentato da una batteria da 12 V e ha un totale di 70 ohm di resistenza, qual è la corrente che scorre attraverso il circuito?

Qui, devi semplicemente riorganizzare la legge di Ohm per creare un'espressione per la corrente elettrica. La legge afferma:

Tutto quello che devi fare è dividere entrambi i lati perRe invertire per ottenere:

Inserendo i valori si ottiene:

Quindi la corrente è 0,1714 A o 171,4 milliampere (mA).

Ma ora immagina che questo 70 Ω di resistenza sia suddiviso su tre diversi resistori in serie, con valori di 20, 10 Ω e 40. Qual è la caduta di tensione su ciascun componente?

Ancora una volta, puoi usare la legge di Ohm per guardare ogni componente a turno, annotando la corrente elettrica complessiva attorno al circuito di 0,1714 A. Usando V = IR per ciascuno dei tre resistori a turno:

Per la prima:

Il secondo:

E il terzo:

Secondo la legge sulla tensione di Kirchhoff, queste tre cadute di tensione dovrebbero sommarsi fino a 12 V:

Ciò equivale a 12 V con due decimali, con la leggera discrepanza dovuta a errori di arrotondamento.

Nella discussione su come misurare la tensione sopra, è stato notato che le cadute di tensione tra i componenti paralleli in un circuito sono le stesse. Questo è spiegato daLegge di Kirchhoff sulla tensione, che afferma che la somma di tutte le tensioni (la tensione positiva dalla fonte di alimentazione e la caduta di tensione dai componenti) in un circuito chiuso deve essere uguale a zero​.

Per un circuito parallelo, con più rami, è possibile creare un tale loop includendo uno qualsiasi dei rami paralleli e la batteria. Indipendentemente dal componente su ciascun ramo, la caduta di tensione su qualsiasi ramodoverequindi essere uguale alla tensione fornita dalla batteria (tralasciando la possibilità di altri componenti in serie, per semplicità). Questo è vero per tutti i rami, quindi i componenti paralleli avranno sempre uguali cadute di tensione attraverso di essi.

La legge di Ohm può anche essere estesa per riferirsi alla potenza (P), che è il tasso di fornitura di energia in joule al secondo (watt,W), e risulta che P = IV.

Per un componente del circuito come una lampadina, ciò mostra che la potenza che dissipa (cioè si trasforma in luce) dipende dalla tensione ai suoi capi, con tensioni più elevate che portano a una maggiore potenza. In linea con la discussione sui componenti paralleli nella sezione precedente, più lampadine disposte in parallelo emettono un bagliore più luminoso delle stesse lampadine disposte in serie, perché la piena tensione della batteria scende su ciascuna lampadina quando è collegata in parallelo, mentre solo un terzo di essa quando è collegata in serie.