Se sei nuovo nella fisica dell'elettricità, termini comevoltaggioeamplificatoripotrebbero sembrare quasi intercambiabili in base al modo in cui vengono utilizzati. Ma in realtà sono quantità molto diverse, sebbene siano strettamente legate da come lavorano insieme in un circuito elettrico, come descritto dalla legge di Ohm.
In realtà, gli "ampere" sono una misura della corrente elettrica (che viene misurata inampere), e la tensione è un termine che significa potenziale elettrico (misurato involt), ma a meno che tu non abbia appreso i dettagli, è comprensibile che tu possa confondere i due tra loro.
Per capire la differenza - e non confonderli mai più - hai solo bisogno di un primer di base su cosa significano e come si riferiscono a un circuito elettrico.
Che cos'è la tensione?
La tensione è un altro termine per la differenza di potenziale elettrico tra due punti e può essere semplicemente definita come l'energia potenziale elettrica per unità di carica.
Proprio come il potenziale gravitazionale è l'energia potenziale che un oggetto ha in virtù della sua posizione all'interno di a campo gravitazionale, il potenziale elettrico è l'energia potenziale che un oggetto carico possiede in virtù della sua posizione in un campo elettrico. La tensione descrive specificamente questo per unità di carica elettrica e quindi può essere scritto:
V=\frac{E_{el}}{q}
DoveVè la tensione,Eel è l'energia potenziale elettrica eqè la carica elettrica. Poiché l'unità dell'energia potenziale elettrica è il joule (J) e l'unità della carica elettrica è il coulomb (C), l'unità di misura della tensione è il volt (V), dove 1 V = 1 J/C, o in parole un volt è uguale a un joule per coulomb.
Questo ti dice che se permetti a una carica di 1 coulomb di passare attraverso una differenza di potenziale (cioè una tensione) di 1 V, guadagna 1 J di energia, o al contrario, ci vorrà un joule di energia per spostare un coulomb di carica attraverso una differenza di potenziale di 1 v. La tensione è talvolta indicata anche comeforza elettromotiva(EMF).
La differenza di tensione (o differenza di potenziale) tra due punti, ad esempio su entrambi i lati di un elemento in un circuito elettrico, può essere misurato collegando un voltmetro in parallelo con l'elemento che ti interessa nel. Come suggerisce il nome, un voltmetro misura la tensione tra due punti del circuito, ma quando ne usi uno, deve essere collegatoin paralleloper evitare interferenze con la lettura della tensione o danni al dispositivo.
Che cosa è attuale?
La corrente elettrica, a volte indicata come amperaggio (poiché ha l'unità dell'ampere), è la velocità del flusso di carica elettrica oltre un punto in un circuito. La carica elettrica è trasportata dagli elettroni, le particelle cariche negativamente che circondano il nucleo di un atomo, quindi la quantità di corrente ti dice davvero la velocità del flusso degli elettroni. Una semplice definizione matematica di corrente elettrica è:
io=\frac{q}{t}
Doveioè la corrente (in ampere),qè la carica elettrica (in coulomb) etè il tempo trascorso (in secondi). Come mostra questa equazione, la definizione di un ampere (A) è 1 A = 1 C/s, o un flusso di una carica elettrica di 1 coulomb al secondo. In termini di elettroni, questo è circa 6,2 × 1018 elettroni (circa sei miliardi di miliardi) che attraversano il punto di riferimento al secondo per un flusso di corrente di appena 1 A.
La corrente può essere misurata in un circuito elettrico collegando un amperometro in serie, ovvero nel percorso della corrente principale – con la sezione del circuito che si desidera misurare la quantità di corrente attraverso.
Flusso d'acqua: un'analogia
Se stai ancora lottando per capire i ruoli che giocano la differenza di tensione e la corrente elettrica all'interno di un circuito elettrico, un'analogia ampiamente utilizzata tra elettricità e acqua dovrebbe aiutare a chiarire cose. È possibile utilizzare due diversi scenari per rappresentare la tensione in un circuito elettrico: un tubo dell'acqua che scende da una collina o un serbatoio d'acqua riempito con un beccuccio di uscita nella parte inferiore.
Per il tubo dell'acqua con un'estremità in cima a una collina e l'altra estremità in basso, la tua intuizione dovrebbe dirti che l'acqua scorrerebbe attraverso di essa più velocemente se la collina fosse più alta e più lentamente se la collina fosse più bassa. Per l'esempio del serbatoio dell'acqua, se ci fossero due serbatoi dell'acqua riempiti a livelli diversi, ti aspetteresti il serbatoio più pieno per far uscire l'acqua dall'uscita ad un ritmo più veloce di quello riempito ad un livello inferiore livello.
Che si tratti del potenziale dall'altezza della collina (dovuto al potenziale gravitazionale) o del potenziale creato dalla pressione dell'acqua nel serbatoio, entrambi questi esempi trasmettono un fatto chiave sulla tensione differenze. Maggiore è il potenziale, più velocemente scorrerà l'acqua (cioè la corrente).
Il flusso dell'acqua stesso è analogo alla corrente elettrica. Se hai misurato l'acqua che scorre oltre un singolo punto sul tubo al secondo, questo è come il flusso di corrente in un circuito, tranne che con l'acqua al posto della carica elettrica sotto forma di elettroni. Quindi, se tutto il resto è uguale, un'alta tensione porta a un'alta corrente e viceversa. La parte finale dell'immagine è la resistenza, che è analoga all'attrito tra le pareti di il tubo e l'acqua, o un'ostruzione fisica posta nel tubo che blocca parzialmente l'acqua flusso.
Somiglianze e differenze
\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{c: c} \text{Somiglianze} & \text{Differenze} \\ \hline\hline \text{Entrambi riguardano circuiti elettrici} & \text{Unità diverse, la tensione è misurata in volt, dove 1 V = 1 J/C} \\ & \text{mentre la corrente viene misurata in ampere, dove 1 A = 1 C/s} \\ \hline \text{Entrambi influiscono sulla potenza dissipata attraverso un circuito element} & \text{La corrente è equamente distribuita in tutti i componenti quando sono in serie}\\ & \text{mentre la caduta di tensione tra i componenti può differire}\\ \hline \text{Entrambi possono essere alternati polarità (ad es. alternata} & \text{La caduta di tensione è uguale su tutti } \\ \text{corrente o tensione alternata) o polarità diretta } & \text{componenti collegati in parallelo, mentre la corrente differisce} \\ \hline \text{Sono direttamente proporzionali tra loro in linea con la legge di Ohm} & \text{La tensione produce un campo elettrico mentre la corrente produce un campo magnetico field} \\ \hline & \text{La tensione provoca la corrente, mentre la corrente è l'effetto della tensione} \\ \hline & \text{La corrente scorre solo quando il circuito è completo, ma le differenze di tensione rimani} \end{array}
Come mostra la tabella, la corrente elettrica e la tensione hanno più differenze che somiglianze, ma ci sono anche alcune somiglianze. La più grande differenza tra i due è il fatto che descrivono quantità completamente diverse, quindi una volta comprese le basi di ciò che ognuno è, è improbabile che vengano confusi con uno un altro.
Relazione tra tensione e corrente
Differenza di tensione e corrente elettrica sono direttamente proporzionali tra loro in linea con la legge di Ohm, una delle equazioni più importanti nella fisica dei circuiti elettrici. L'equazione riguarda la tensione (cioè la differenza di potenziale creata dalla batteria o da un'altra fonte di alimentazione) alla corrente nel circuito e la resistenza al flusso di corrente creato dai componenti del circuito.
La legge di Ohm afferma:
V = IR
DoveVè la tensione,ioè la corrente elettrica eRè la resistenza (misurata in ohm, ). Per questo motivo, la legge di Ohm viene talvolta definita equazione di tensione, corrente e resistenza. Se conosci due quantità qualsiasi in questa equazione, puoi riorganizzare l'equazione per trovare l'altra quantità, che lo rende utile per risolvere la maggior parte dei problemi di elettronica che incontrerai in fisica classe.
Vale la pena notare che la legge di Ohm non lo èsemprevalida, e come tale non è una “vera” legge della fisica, ma un'utile approssimazione per quelle che vengono chiamateohmicomateriali. La relazione lineare che implica tra corrente e tensione non vale per cose come un filamento bulbo, dove l'aumento della temperatura provoca un aumento della resistenza e quindi ha un impatto sul lineare relazione. Tuttavia, nella maggior parte dei casi (e sicuramente nella maggior parte dei problemi di fisica che ti verranno chiesti che coinvolgono tensione e corrente elettrica) può essere utilizzato senza problemi.
Legge di Ohm per il potere
La legge di Ohm viene utilizzata principalmente per mettere in relazione la tensione con la corrente e la resistenza; esiste però un'estensione della legge che permette di utilizzare le stesse grandezze per calcolare la potenza elettrica dissipata in un circuito, dove la potenzaPè la velocità di trasferimento dell'energia in watt (dove 1 W = 1 J/s). La forma più semplice di questa equazione è:
P=IV
Quindi, in parole, la potenza è uguale alla corrente moltiplicata per la tensione. Quindi, questa è un'area chiave in cui la differenza di tensione e la corrente elettrica sono simili: entrambe condividono una relazione direttamente proporzionale con la potenza dissipata in un circuito. Se non conosci la corrente, puoi usare un riarrangiamento della legge di Ohm (I = V / R) per esprimere la potenza come:
\begin{allineato} P&=\frac{V}{R}× V \\ &= \frac{V^2}{R} \end{allineato}
Oppure usando la forma standard della legge di Ohm, puoi sostituire la tensione e scrivere:
P=I^2R
Riorganizzando queste equazioni, puoi anche esprimere tensione, resistenza o corrente in termini di potenza e un'altra quantità.
Le leggi della tensione e della corrente di Kirchhoff
Le leggi di Kirchhoff sono due delle altre leggi più importanti per i circuiti elettrici e sono particolarmente utili quando si analizza un circuito con più componenti.
La prima legge di Kirchhoff è talvolta chiamata legge corrente, perché afferma che la corrente totale che scorre in una giunzione è uguale alla corrente che ne esce - essenzialmente quella carica è conservato.
La seconda legge di Kirchhoff è chiamata legge della tensione e afferma che per qualsiasi circuito chiuso in un circuito, la somma di tutte le tensioni deve essere uguale a zero. Per la legge sulla tensione, tratti la batteria come una tensione positiva e tratti le cadute di tensione su qualsiasi componente come una tensione negativa.
In combinazione con la legge di Ohm, queste due leggi possono essere utilizzate per risolvere essenzialmente qualsiasi problema che potresti incontrare nei circuiti elettrici.
Tensione e corrente: calcoli di esempio
Immagina di avere un circuito che coinvolge una batteria da 12 V e due resistori, collegati in serie, con resistenze di 30 e 15 Ω. La resistenza totale del circuito è data dalla somma di queste due resistenze, quindi 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Nota che quando i resistori sono disposti in parallelo, la relazione coinvolge i reciproci, ma questo non è importante per comprendere la relazione tra differenza di tensione e corrente, quindi questo semplice esempio sarà sufficiente per il presente scopi.
Qual è la corrente elettrica che scorre nel circuito? Prova ad applicare tu stesso la legge di Ohm prima di continuare a leggere.
La seguente forma della legge di Ohm:
I=\frac{V}{R}
Consente di calcolare:
\begin{allineato} I&=\frac{12 \text{ V}}{45 \text{ Ω}} \\ &=0.27 \text{ A} \end{allineato}
Ora, conoscendo la corrente attraverso il circuito, qual è la caduta di tensione attraverso il resistore da 15? La legge di Ohm nella forma standard può essere utilizzata per rispondere a questa domanda. Inserendo i valori diio= 0,27 A eR= 15 Ω dà:
\begin{allineato} V &= IR \\ &= 0,27 \text{ A} × 15 \text{ Ω} \\ &= 4.05 \text{ V} \end{allineato}
Ai fini dell'utilizzo delle leggi di Kirchhoff, questa sarà una tensione negativa (cioè una caduta di tensione). Come esercizio finale, puoi dimostrare che la tensione totale attorno al circuito chiuso sarà uguale a zero? Ricorda che la batteria ha una tensione positiva e tutte le cadute di tensione sono negative.