Tensione, corrente, resistenza e legge di Ohm: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:05

Coperto in questo tutorial

Come la carica elettrica si riferisce a tensione, corrente e resistenza.

Quali sono la tensione, la corrente e la resistenza.

Cos'è la legge di Ohm e come usarla per capire l'elettricità.

Un semplice esperimento per dimostrare questi concetti.

Passaggio 1: carica elettrica

La carica elettrica è la proprietà fisica della materia che la fa sperimentare una forza quando viene posta in un campo elettromagnetico. Esistono due tipi di cariche elettriche: positive e negative (comunemente trasportate rispettivamente da protoni ed elettroni). Le cariche simili si respingono e diversamente si attraggono. Un'assenza di addebito netto viene definita neutrale. Un oggetto è caricato negativamente se ha un eccesso di elettroni, ed è altrimenti caricato positivamente o non caricato. L'unità SI derivata della carica elettrica è il coulomb (C). In ingegneria elettrica, è anche comune usare l'amperora (Ah); mentre in chimica, è comune usare la carica elementare (e) come unità. Il simbolo Q denota spesso la carica. La prima conoscenza di come interagiscono le sostanze cariche è ora chiamata elettrodinamica classica ed è ancora accurata per problemi che non richiedono la considerazione degli effetti quantistici.

La carica elettrica è una proprietà fondamentale conservata di alcune particelle subatomiche, che determina la loro interazione elettromagnetica. La materia elettricamente carica è influenzata da o produce campi elettromagnetici. L'interazione tra una carica in movimento e un campo elettromagnetico è la sorgente della forza elettromagnetica, che è una delle quattro forze fondamentali (Vedi anche: campo magnetico).

Gli esperimenti del ventesimo secolo hanno dimostrato che la carica elettrica è quantizzata; cioè, viene fornito in multipli interi di singole piccole unità chiamate carica elementare, e, approssimativamente uguale a 1.602×10-19 coulomb (ad eccezione delle particelle chiamate quark, che hanno cariche che sono multipli interi di 1/3e). Il protone ha una carica di +e e l'elettrone ha una carica di -e. Lo studio delle particelle cariche e del modo in cui le loro interazioni sono mediate dai fotoni è chiamato elettrodinamica quantistica.

Passaggio 2: tensione:

Tensione, differenza di potenziale elettrico, pressione elettrica o tensione elettrica (denotata formalmente ∆V o ∆U, ma più spesso semplificata come V o U, ad esempio nel contesto delle leggi circuitali di Ohm o Kirchhoff) è la differenza di energia potenziale elettrica tra due punti per unità di carica elettrica. La tensione tra due punti è uguale al lavoro svolto per unità di carica contro un campo elettrico statico per spostare la carica di prova tra due punti. Questo è misurato in unità di volt (un joule per coulomb).

La tensione può essere causata da campi elettrici statici, dalla corrente elettrica attraverso un campo magnetico, da campi magnetici variabili nel tempo o da una combinazione di questi tre.[1][2] Un voltmetro può essere utilizzato per misurare la tensione (o la differenza di potenziale) tra due punti di un sistema; spesso un potenziale di riferimento comune come la massa dell'impianto viene utilizzato come uno dei punti. Una tensione può rappresentare una fonte di energia (forza elettromotrice) o energia persa, utilizzata o immagazzinata (caduta potenziale)

Quando si descrivono tensione, corrente e resistenza, un'analogia comune è un serbatoio d'acqua. In questa analogia, la carica è rappresentata dalla quantità d'acqua, la tensione è rappresentata dalla pressione dell'acqua e la corrente è rappresentata dal flusso d'acqua. Quindi per questa analogia, ricorda:

Acqua = Carica

Pressione = Tensione

Flusso = Corrente

Considera un serbatoio dell'acqua a una certa altezza dal suolo. Nella parte inferiore di questo serbatoio, c'è un tubo.

Quindi, la corrente è più bassa nel serbatoio con una resistenza maggiore.

Passaggio 3: elettricità:

L'elettricità è la presenza e il flusso di carica elettrica. La sua forma più nota è il flusso di elettroni attraverso conduttori come i fili di rame.

L'elettricità è una forma di energia che si presenta in forme positive e negative, che si verifica naturalmente (come nei fulmini) o viene prodotta (come nel generatore). È una forma di energia che usiamo per alimentare macchine e dispositivi elettrici. Quando le cariche non si muovono, l'elettricità è chiamata elettricità statica. Quando le cariche si muovono sono una corrente elettrica, a volte chiamata "elettricità dinamica". Il fulmine è il tipo di elettricità più noto e pericoloso in natura, ma a volte l'elettricità statica fa sì che le cose si uniscano.

L'elettricità può essere pericolosa, specialmente intorno all'acqua perché l'acqua è una forma di conduttore. Dal diciannovesimo secolo, l'elettricità è stata utilizzata in ogni parte della nostra vita. Fino ad allora, era solo una curiosità vista in un temporale.

L'elettricità può essere creata se un magnete passa vicino a un filo metallico. Questo è il metodo utilizzato da un generatore. I più grandi generatori sono nelle centrali elettriche. L'elettricità può anche essere generata combinando sostanze chimiche in un barattolo con due diversi tipi di barre di metallo. Questo è il metodo utilizzato in una batteria. L'elettricità statica si crea attraverso l'attrito tra due materiali. Ad esempio, un berretto di lana e un righello di plastica. Strofinarli insieme può fare una scintilla. L'elettricità può essere creata anche utilizzando l'energia del sole come nelle celle fotovoltaiche.

L'elettricità arriva alle case attraverso i fili dal luogo in cui viene generata. Viene utilizzato da lampade elettriche, stufe elettriche, ecc. Molti elettrodomestici come lavatrici e fornelli elettrici utilizzano l'elettricità. Nelle fabbriche ci sono macchine elettriche. Le persone che si occupano di elettricità e dispositivi elettrici nelle nostre case e fabbriche sono chiamate "elettricisti".

Diciamo ora che abbiamo due serbatoi, ogni serbatoio con un tubo che viene dal fondo. Ogni serbatoio ha la stessa quantità d'acqua, ma il tubo su un serbatoio è più stretto del tubo sull'altro.

Misuriamo la stessa quantità di pressione all'estremità di entrambi i tubi, ma quando l'acqua inizia a scorrere, la portata dell'acqua nel serbatoio con il tubo più stretto sarà inferiore alla portata dell'acqua nel serbatoio con il tubo più stretto. tubo più largo. In termini elettrici, la corrente attraverso il tubo più stretto è inferiore alla corrente attraverso il tubo più largo. Se vogliamo che il flusso sia lo stesso attraverso entrambi i tubi, dobbiamo aumentare la quantità di acqua (carica) nel serbatoio con il tubo più stretto.

Passaggio 4: resistenza elettrica e conduttanza

Nell'analogia idraulica, la corrente che scorre attraverso un filo (o resistore) è come l'acqua che scorre attraverso un tubo e la caduta di tensione attraverso il filo è come la caduta di pressione che spinge l'acqua attraverso il tubo. La conduttanza è proporzionale alla quantità di flusso che si verifica per una data pressione e la resistenza è proporzionale alla quantità di pressione necessaria per ottenere un dato flusso. (Conduttanza e resistenza sono reciproche.)

La caduta di tensione (cioè la differenza tra le tensioni su un lato del resistore e l'altro), non la tensione stessa, fornisce la forza motrice che spinge la corrente attraverso un resistore. In idraulica, è simile: la differenza di pressione tra due lati di un tubo, non la pressione stessa, determina il flusso attraverso di esso. Ad esempio, potrebbe esserci una grande pressione dell'acqua sopra il tubo, che cerca di spingere l'acqua verso il basso attraverso il tubo. Ma potrebbe esserci una pressione dell'acqua altrettanto grande sotto il tubo, che cerca di spingere l'acqua indietro attraverso il tubo. Se queste pressioni sono uguali, non scorre acqua. (Nell'immagine a destra, la pressione dell'acqua sotto il tubo è zero.)

La resistenza e la conduttanza di un filo, un resistore o un altro elemento sono principalmente determinate da due proprietà:

• geometria (forma), e
• Materiale

La geometria è importante perché è più difficile spingere l'acqua attraverso un tubo lungo e stretto rispetto a un tubo largo e corto. Allo stesso modo, un filo di rame lungo e sottile ha una resistenza maggiore (conduttanza inferiore) rispetto a un filo di rame corto e spesso.

Anche i materiali sono importanti. Una pipa piena di peli limita il flusso dell'acqua più di una pipa pulita della stessa forma e dimensione. Allo stesso modo, gli elettroni possono fluire liberamente e facilmente attraverso un filo di rame, ma non possono fluire altrettanto facilmente attraverso un filo di acciaio della stessa forma e dimensione, ed essenzialmente non possono fluire affatto attraverso un isolante come la gomma, indipendentemente dalla sua forma. La differenza tra rame, acciaio e gomma è correlata alla loro struttura microscopica e configurazione elettronica ed è quantificata da una proprietà chiamata resistività.

Oltre alla geometria e al materiale, ci sono vari altri fattori che influenzano la resistenza e la conduttanza.

È ovvio che non possiamo inserire tanto volume attraverso un tubo stretto di uno più largo alla stessa pressione. Questa è resistenza. Il tubo stretto "resiste" al flusso d'acqua che lo attraversa anche se l'acqua ha la stessa pressione del serbatoio con il tubo più largo.

In termini elettrici, questo è rappresentato da due circuiti con tensioni uguali e resistenze diverse. Il circuito con la resistenza più alta consentirà il flusso di meno carica, il che significa che il circuito con la resistenza più elevata ha meno corrente che lo attraversa.

Passaggio 5: legge di Ohm:

La legge di Ohm afferma che la corrente attraverso un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla tensione attraverso i due punti. Introducendo la costante di proporzionalità, la resistenza, si arriva alla consueta equazione matematica che descrive questa relazione:

dove I è la corrente attraverso il conduttore in unità di ampere, V è la tensione misurata attraverso il conduttore in unità di volt e R è la resistenza del conduttore in unità di ohm. Più specificamente, la legge di Ohm afferma che la R in questa relazione è costante, indipendente dalla corrente.

La legge prende il nome dal fisico tedesco Georg Ohm, che in un trattato pubblicato nel 1827 descrisse misurazioni di tensione e corrente applicate attraverso semplici circuiti elettrici contenenti varie lunghezze di filo. Ohm ha spiegato i suoi risultati sperimentali con un'equazione leggermente più complessa rispetto alla forma moderna sopra (vedi Storia).

In fisica, il termine legge di Ohm è anche usato per riferirsi a varie generalizzazioni della legge originariamente formulata da Ohm.