Il Concetto di Tensione in Fisica
In fisica, la tensione è la differenza di potenziale elettrico tra due punti. Denotata con la lettera V, la tensione è definita come la quantità di energia di lavoro necessaria per spostare una unità di carica elettrica da un punto di riferimento (a) a un punto specifico (b) in un campo elettrico. La formula è ΔV = Va – Vb. La tensione è definita in modo tale che gli oggetti carichi negativamente siano attratti verso tensioni più elevate, mentre quelli carichi positivamente verso tensioni inferiori. Di conseguenza, la corrente convenzionale in un filo o resistore fluisce sempre da una tensione più alta a una più bassa.
La Legge di Ohm e il Volt
La legge di Ohm afferma che un volt è la quantità di forza necessaria per far scorrere un ampere di corrente attraverso una resistenza di un ohm. Nel Sistema Internazionale di Unità (SI), il potenziale elettrico si esprime in joule per coulomb (J⋅C-1), o volt (V). Anche se il concetto di potenziale elettrico è utile per comprendere i fenomeni elettrici, solo le differenze di energia potenziale sono misurabili. Queste differenze vengono misurate con un voltmetro, utilizzando spesso un potenziale di riferimento comune come il terreno del sistema.
Tipici Livelli di Tensione
Per confrontare diversi ordini di grandezza, ecco alcuni livelli tipici di tensione:
- 1.5V (DC) – Una tensione di circuito aperto comune per le batterie alcaline non ricaricabili (es. AAA, AA, C).
- 3.8V (DC) – Quasi tutte le batterie degli smartphone operano a 3.8 volt.
- 12V (DC) – Una tensione comune per le batterie delle automobili.
- 110 – 120V (AC) – La presa elettrica più comune nelle case in America.
- 3kV – Tensione richiesta per generare ogni 1mm di un arco elettrico.
- 110kV – La tensione nelle linee di trasmissione dell’elettricità.
- 300 MV – Un tipico fulmine ha circa 300 milioni di Volt e circa 30.000 Ampere.
Metodi di Produzione della Tensione
La tensione, o il potenziale elettrico, può essere prodotta con i seguenti metodi:
- Elettricità statica – Attraverso l’effetto triboelettrico, ad esempio sfregando ambra con pelliccia o vetro con seta.
- Elettrochimica – Reazioni chimiche che trasferiscono elettroni per produrre energia elettrica.
- Induzione magnetica – Ruotando bobine di filo attraverso un campo magnetico statico o viceversa.
- Effetto piezoelettr
trico – Piegher o torcere certi materiali causa una migrazione di elettroni. - Termoelettricità – Riscaldare due materiali disuguali uniti provoca un trasferimento di elettroni, creando una corrente.
- Effetto fotoelettrico – Emissione di fotoelettroni da un materiale colpito da radiazione elettromagnetica.
- Emissione termoionica – Gli elettroni vengono emessi da una superficie calda.
Il Volt: Unità di Misura della Tensione
Il volt è l’unità derivata per il potenziale elettrico, la differenza di potenziale (tensione) e la forza elettromotrice. È nominato in onore del fisico italiano Alessandro Volta (1745–1827). Un coulomb è pari a 6,28 x 1018 elettroni. Un volt è definito come la differenza di potenziale che causa il lavoro di un joule per un coulomb di corrente.
Analogia Idraulica della Tensione
L’analogia idraulica, o analogia elettrico-fluida, è un utile strumento didattico per comprendere il funzionamento dei circuiti. In questo modello, la tensione è paragonata alla differenza di pressione che spinge l’acqua attraverso un tubo. Si assume che l’acqua scorra orizzontalmente, ignorando la forza di gravità. La relazione tra tensione e corrente è definita (in dispositivi ohmici come i resistori) dalla legge di Ohm, analoga all’equazione di Hagen-Poiseuille, entrambi modelli lineari che correlano flusso e potenziale nei rispettivi sistemi.
Domande Frequenti
Cos’è importante per il potenziale elettrico?
Anche se il concetto di potenziale elettrico è utile, solo le differenze di energia potenziale sono misurabili con un voltmetro.
Perché le batterie alcaline (AAA o AA) sono da 1.5V mentre quelle ricaricabili sono da 1.2V?
Le celle primarie calano gradualmente di tensione; iniziano a 1.5 volt e scendono a 1.2 e poi a 1.0, dove l’apparecchio smette di funzionare. Le celle secondarie operano più uniformemente anche con solo 1.2 volt; hanno scarica piatta e mantengono questa tensione fino all’esaurimento.
Quali sono le tensioni tipiche per i dispositivi domestici?
I dispositivi comuni in casa operano a tensioni come 1.5V (DC) per le batterie alcaline, 3.8V (DC) per le batterie degli smartphone, 12V (DC) per le batterie delle auto e 110 – 120V (AC) per le prese elettriche in America.
