Voltaggio - Voltage

Voltaggio
Confronto batterie AA AAA AAAA A23-1.jpg
Le batterie sono fonti di tensione in molti circuiti elettrici .
Simboli comuni
V , Δ V , U , Δ U
unità SI volt
In unità di base SI kg⋅m 2 s −3 ⋅A −1
Derivazioni da
altre grandezze
Tensione = Energia / carica
Dimensione M L 2 T −3 I −1

Tensione , differenza di potenziale elettrico , pressione elettrica o tensione elettrica è la differenza di potenziale elettrico tra due punti, che (in un campo elettrico statico ) è definita come il lavoro necessario per unità di carica per spostare una carica di prova tra i due punti. Nel Sistema Internazionale di Unità , l' unità derivata per la tensione (differenza di potenziale) è chiamata volt . Nelle unità SI, il lavoro per unità di carica è espresso come joule per coulomb , dove 1 volt = 1 joule (di lavoro) per 1 coulomb (di carica). La vecchia definizione SI per volt usava potenza e corrente ; a partire dal 1990, sono stati utilizzati l' effetto Hall quantistico e Josephson e recentemente (2019) sono state introdotte le costanti fisiche fondamentali per la definizione di tutte le unità SI e unità derivate. La differenza di potenziale elettrico o di tensione è indicata simbolicamente con , semplificata V , o U , ad esempio nel contesto delle leggi circuitali di Ohm o Kirchhoff .

Le differenze di potenziale elettrico tra i punti possono essere causate dall'accumulo di carica elettrica (es. un condensatore ) e da una forza elettromotrice (es. induzione elettromagnetica nel generatore , induttori e trasformatori ). Su scala macroscopica, una differenza di potenziale può essere causata da processi elettrochimici (ad es. celle e batterie), dall'effetto piezoelettrico indotto dalla pressione e dalla forza elettromotrice indotta dal calore attraverso le giunzioni metallo-metallo. Questi ultimi processi a livello microscopico hanno le origini fisiche precedentemente citate.

Un voltmetro può essere utilizzato per misurare la tensione (o la differenza di potenziale) tra due punti in un sistema. Spesso un potenziale di riferimento comune come la massa del sistema viene utilizzato come uno dei punti. Una tensione può rappresentare una fonte di energia o la perdita, la dissipazione o l'immagazzinamento di energia.

Definizione

Esistono molti modi utili per definire la tensione, inclusa la definizione standard menzionata in precedenza. Esistono anche altre definizioni utili di lavoro per carica (vedi § Potenziale di Galvani vs potenziale elettrochimico ).

La tensione è definita in modo tale che gli oggetti con carica negativa vengono attratti verso tensioni più elevate, mentre gli oggetti con carica positiva vengono attratti verso tensioni più basse. Pertanto, la corrente convenzionale in un filo o in un resistore scorre sempre da una tensione più alta a una tensione più bassa.

Storicamente, la tensione è stata definita usando termini come "tensione" e "pressione". Ancora oggi, il termine "tensione" è ancora usato, ad esempio all'interno della frase " alta tensione " (HT) che è comunemente usata nell'elettronica basata su valvole termoioniche ( tubo a vuoto ).

Definizione in elettrostatica

Il campo elettrico attorno all'asta esercita una forza sulla sfera del midollo carica, in un elettroscopio
In un campo statico, il lavoro è indipendente dal percorso

In elettrostatica , l'aumento di tensione da un punto ad un certo punto è dato dalla variazione del potenziale elettrostatico da a . Per definizione, questo è:

In questo caso, l'aumento di tensione dal punto A al punto B è pari al lavoro svolto per unità di carica, contro il campo elettrico, per spostare la carica da A a B senza provocare alcuna accelerazione. Matematicamente, questo è espresso come l' integrale di linea del campo elettrico lungo quel percorso. In elettrostatica, questo integrale di linea è indipendente dal percorso intrapreso.

Sotto questa definizione, qualsiasi circuito in cui sono presenti campi magnetici variabili nel tempo, come i circuiti CA , non avrà una tensione ben definita tra i nodi del circuito, poiché la forza elettrica non è una forza conservativa in quei casi. Tuttavia, a frequenze più basse, quando i campi elettrico e magnetico non cambiano rapidamente, questo può essere trascurato (vedi approssimazione elettrostatica ).

Generalizzazione all'elettrodinamica

Il potenziale elettrico può essere generalizzato all'elettrodinamica, in modo che le differenze di potenziale elettrico tra i punti siano ben definite anche in presenza di campi variabili nel tempo. Tuttavia, a differenza dell'elettrostatica, il campo elettrico non può più essere espresso solo in termini di potenziale elettrico. Inoltre, il significato e il valore delle potenziali differenze dipenderanno dalla scelta del misuratore .

In questo caso generale, alcuni autori usano la parola "tensione" per riferirsi all'integrale di linea del campo elettrico, piuttosto che a differenze di potenziale elettrico. In questo caso, l'aumento di tensione lungo un percorso da a è dato da:

Tuttavia, in questo caso la "tensione" tra due punti dipende dal percorso intrapreso.

Trattamento in teoria dei circuiti

Nell'analisi dei circuiti e nell'ingegneria elettrica , i modelli a elementi concentrati vengono utilizzati per rappresentare e analizzare i circuiti. Questi elementi sono elementi circuitali idealizzati e autonomi utilizzati per modellare i componenti fisici.

Quando si utilizza un modello a elementi concentrati, si presume che gli effetti dei campi magnetici variabili prodotti dal circuito siano opportunamente contenuti in ciascun elemento. Sotto queste ipotesi, il campo elettrico nella regione esterna a ciascun componente è conservativo e le tensioni tra i nodi del circuito sono ben definite, dove

purché il percorso di integrazione non attraversi l'interno di alcun componente. Quanto sopra è la stessa formula utilizzata in elettrostatica. Questo integrale, con il percorso di integrazione lungo i puntali, è ciò che un voltmetro misurerà effettivamente.

Se i campi magnetici non contenuti in tutto il circuito non sono trascurabili, i loro effetti possono essere modellati aggiungendo elementi di mutua induttanza . Tuttavia, nel caso di un induttore fisico, la rappresentazione concentrata ideale è spesso accurata. Questo perché i campi esterni degli induttori sono generalmente trascurabili, soprattutto se l'induttore ha un percorso magnetico chiuso . Se i campi esterni sono trascurabili, troviamo che

è indipendente dal percorso e c'è una tensione ben definita attraverso i terminali dell'induttore. Questo è il motivo per cui le misurazioni con un voltmetro su un induttore sono spesso ragionevolmente indipendenti dal posizionamento dei puntali.

Volt

Il volt (simbolo: V ) è l' unità derivata per potenziale elettrico , differenza di potenziale elettrico e forza elettromotrice . Il volt prende il nome dal fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827), che inventò la pila voltaica , forse la prima batteria chimica .

Analogia idraulica

Una semplice analogia per un circuito elettrico è l'acqua che scorre in un circuito chiuso di tubazioni , azionata da una pompa meccanica . Questo può essere chiamato un "circuito idrico". La differenza di potenziale tra due punti corrisponde alla differenza di pressione tra due punti. Se la pompa crea una differenza di pressione tra due punti, l'acqua che scorre da un punto all'altro sarà in grado di svolgere un lavoro, come azionare una turbina . Allo stesso modo, il lavoro può essere svolto da una corrente elettrica guidata dalla differenza di potenziale fornita da una batteria . Ad esempio, la tensione fornita da una batteria per automobile sufficientemente carica può "spingere" una grande corrente attraverso gli avvolgimenti del motorino di avviamento di un'automobile . Se la pompa non funziona, non produce alcuna differenza di pressione e la turbina non ruota. Allo stesso modo, se la batteria dell'automobile è molto debole o "scarica" ​​(o "scarica"), non farà girare il motorino di avviamento.

L'analogia idraulica è un modo utile per comprendere molti concetti elettrici. In un tale sistema, il lavoro svolto per spostare l'acqua è pari alla " caduta di pressione " (confronta pd) moltiplicata per il volume di acqua spostata. Allo stesso modo, in un circuito elettrico, il lavoro svolto per spostare gli elettroni o altri portatori di carica è pari alla "differenza di pressione elettrica" ​​moltiplicata per la quantità di cariche elettriche spostate. In relazione al "flusso", maggiore è la "differenza di pressione" tra due punti (differenza di potenziale o differenza di pressione dell'acqua), maggiore è il flusso tra di essi (corrente elettrica o flusso d'acqua). (Vedi " energia elettrica ".)

Applicazioni

Lavori su linee elettriche ad alta tensione

La specifica di una misurazione di tensione richiede la specifica esplicita o implicita dei punti attraverso i quali viene misurata la tensione. Quando si utilizza un voltmetro per misurare la differenza di potenziale, un cavo elettrico del voltmetro deve essere collegato al primo punto, uno al secondo punto.

Un uso comune del termine "tensione" è nel descrivere la tensione caduta su un dispositivo elettrico (come un resistore). La caduta di tensione attraverso il dispositivo può essere intesa come la differenza tra le misurazioni su ciascun terminale del dispositivo rispetto a un punto di riferimento comune (o massa ). La caduta di tensione è la differenza tra le due letture. Due punti in un circuito elettrico che sono collegati da un conduttore ideale senza resistenza e non all'interno di un campo magnetico variabile hanno una tensione pari a zero. Qualsiasi due punti con lo stesso potenziale possono essere collegati da un conduttore e nessuna corrente scorrerà tra di loro.

Addizione di tensioni

La tensione tra A e C è la somma della tensione tra A e B e la tensione tra B e C . Le varie tensioni in un circuito possono essere calcolate usando le leggi del circuito di Kirchhoff .

Quando si parla di corrente alternata (AC) c'è una differenza tra tensione istantanea e tensione media. Le tensioni istantanee possono essere aggiunte per la corrente continua (DC) e AC, ma le tensioni medie possono essere aggiunte in modo significativo solo quando si applicano a segnali che hanno tutti la stessa frequenza e fase.

Strumenti di misura

Multimetro impostato per misurare la tensione

Gli strumenti per misurare le tensioni includono il voltmetro , il potenziometro e l' oscilloscopio . I voltmetri analogici , come gli strumenti a bobina mobile, funzionano misurando la corrente attraverso un resistore fisso, che, secondo la legge di Ohm , è proporzionale alla tensione ai capi del resistore. Il potenziometro funziona bilanciando la tensione sconosciuta contro una tensione nota in un circuito a ponte . L'oscilloscopio a raggi catodici funziona amplificando la tensione e utilizzandola per deviare un fascio di elettroni da un percorso rettilineo, in modo che la deflessione del fascio sia proporzionale alla tensione.

Tensioni tipiche

Una tensione comune per le batterie delle torce è di 1,5 volt (DC). Una tensione comune per le batterie delle automobili è di 12 volt (DC).

Le tensioni comuni fornite dalle società elettriche ai consumatori vanno da 110 a 120 volt (AC) e da 220 a 240 volt (AC). La tensione nelle linee di trasmissione dell'energia elettrica utilizzate per distribuire l'elettricità dalle centrali elettriche può essere diverse centinaia di volte superiore alle tensioni dei consumatori, tipicamente da 110 a 1200 kV (AC).

La tensione utilizzata nelle linee aeree per alimentare le locomotive ferroviarie è compresa tra 12 kV e 50 kV (AC) o tra 0,75 kV e 3 kV (DC).

Potenziale di Galvani vs potenziale elettrochimico

All'interno di un materiale conduttivo, l'energia di un elettrone è influenzata non solo dal potenziale elettrico medio ma anche dallo specifico ambiente termico e atomico in cui si trova. Quando un voltmetro è collegato tra due diversi tipi di metallo, non misura l'energia elettrostatica differenza di potenziale, ma invece qualcos'altro che è influenzato dalla termodinamica. La grandezza misurata da un voltmetro è il negativo della differenza del potenziale elettrochimico degli elettroni ( livello di Fermi ) diviso per la carica dell'elettrone e comunemente indicata come differenza di tensione, mentre il potenziale elettrostatico puro non aggiustato (non misurabile con un voltmetro) è a volte chiamato potenziale di Galvani . I termini "tensione" e "potenziale elettrico" sono ambigui in quanto, in pratica, possono riferirsi a uno di questi in contesti diversi.

Storia

Il termine forza elettromotrice fu usato per la prima volta da Volta in una lettera a Giovanni Aldini nel 1798, e apparve per la prima volta in un articolo pubblicato nel 1801 negli Annales de chimie et de physique . Volta intendeva con questo una forza che non era una forza elettrostatica , in particolare una forza elettrochimica . Il termine fu ripreso da Michael Faraday in relazione all'induzione elettromagnetica negli anni 1820. Tuttavia, al momento non era stata sviluppata una definizione chiara della tensione e del metodo per misurarla. Volta distingueva la forza elettromotrice (fem) dalla tensione (differenza di potenziale): la differenza di potenziale osservata ai terminali di una cella elettrochimica quando era a circuito aperto deve bilanciare esattamente la fem della cella in modo che non scorresse corrente.

Guarda anche

Riferimenti

  1. ^ a b International Bureau of Weights and Measures (2019-05-20), SI Brochure: The International System of Units (SI) (PDF) (9a ed.), ISBN 978-92-822-2272-0
  2. ^ IEV: potenziale elettrico
  3. ^ IEV: tensione
  4. ^ Demetrius T. Paris e F. Kenneth Hurd, Teoria elettromagnetica di base , McGraw-Hill, New York 1969, ISBN  0-07-048470-8 , pp. 512, 546
  5. ^ P. Hammond, Elettromagnetismo per ingegneri , p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC  854336 .
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Note a piè di pagina

  1. ^ Questo segue dall'equazione di Maxwell-Faraday : se ci sono campi magnetici variabili in unaregione semplicemente connessa , allora l' arricciatura del campo elettrico in quella regione è diversa da zero e, di conseguenza, il campo elettrico non è conservativo. Per ulteriori informazioni, vedere Forza conservativa § Descrizione matematica .
  2. ^ Questa affermazione fa alcune ipotesi sulla natura del voltmetro (queste sono discusse nel documento citato). Una di queste ipotesi è che la corrente assorbita dal voltmetro sia trascurabile.

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