Tensione elettrica

differenza tra il potenziale elettrico di due punti dello spazio

La tensione elettrica è una grandezza fisica che rappresenta il lavoro elettrico della forza associata a un campo elettrico rispetto alla carica elettrica lungo un percorso orientato. Il suo valore dipende in generale da un campo elettrico variabile nello spazio e nel tempo e dal percorso orientato, quando però il campo elettrico è un campo elettrostatico allora la tensione coincide con la differenza di potenziale elettrico tra i due punti di inizio e fine del percorso. La tensione elettrica è misurabile con il voltmetro e la sua unità di misura è il volt, talvolta è impropriamente indicata con il termine "voltaggio", francesismo derivato da voltage.[1]

DefinizioneModifica

La tensione elettrica   è definita come il lavoro elettrico elementare   della forza associata a un campo elettrico rispetto alla carica elementare   lungo un percorso orientato:[2]

 

Considerata una forza di qualunque natura in generale variabile nello spazio e nel tempo   detta forza elettrica agente su una carica elettrica   allora per definizione a questa è associato un campo elettrico variabile nello spazio e nel tempo   legato alle due grandezze dall'equazione differenziale  . Per definizione di lavoro elementare lungo un percorso infinitesimo   orientato dal versore tangente   con   allora si ha  . Combinando queste relazioni si ha che la tensione elettrica lungo un percorso finito   è data dall'integrale di linea del campo elettrico:[2]

 

La tensione elettrica è generalmente indicata con il simbolo   se variabile nel tempo e con il simbolo   se costante nel tempo; nel sistema internazionale di unità di misura è misurata in volt, simbolo  , che per definizione è omogeneo al rapporto tra joule e coulomb e che in termini di grandezze fondamentali è dato dal prodotto kg × m2 × A−1 × s−3.

DescrizioneModifica

Differenza di potenziale elettricoModifica

La differenza di potenziale elettrico è una tensione generata da un campo elettrico conservativo   detto campo elettrostatico che può essere generato da un distribuzione fissa di cariche o da una corrente elettrica le cui cariche si muovono di moto rettilineo uniforme, ovvero una corrente continua. Essendo il campo elettrostatico un campo vettoriale conservativo allora il suo integrale di linea lungo un percorso di estremi   e   e quindi la tensione associata è:[3]

 

Essendo conservativo il campo elettrostatico ammette un potenziale scalare detto potenziale elettrico il cui valore dipende dalla posizione e non dal percorso effettuato per raggiungerla, allora per il teorema fondamentale del calcolo integrale si ha che la tensione è pari alla differenza di potenziale elettrico   tra gli estremi del percorso:

 

Il segno della differenza di potenziale elettrico, così come in generale quello della tensione, dipende dal verso di percorrenza che deve essere determinato da una convenzione di segno.

Forza elettromotriceModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Forza elettromotrice.

La forza elettromotrice è una tensione calcolata lungo un percorso chiuso   che solitamente viene indicata con la sigla f.e.m. oppure con il simbolo  . Per definizione allora:[4]

 

La forza elettromotrice associata a un campo elettrostatico si può calcolare come differenza di potenziale elettrico tra i punti di inizio e fine percorso, che però nel caso di un percorso chiuso coincidono, segue quindi che la forza elettromotrice di un campo elettrostatico è sempre nulla:

 

Generatore di tensioneModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Generatore di tensione.

Affinché la forza elettromotrice abbia un valore non nullo, alla forza elettrica agente sulle cariche deve essere associato un campo non conservativo e ciò è possibile attraverso l'utilizzo di un generatore di tensione. La tensione   tra i due poli di un generatore reale inserito in un circuito è inferiore rispetto alla forza elettromotrice generata in quanto la corrente elettrica   che scorre nel generatore attraversa una resistenza elettrica   interna al generatore che dissipa parte dell'energia elettrica prodotta in calore per effetto Joule. La tensione ai poli di un generatore allora è:

 

La non idealità di un generatore di tensione può essere causata, oltre che dalle cadute ohmiche, anche dalle cadute di potenziale associate a eventuali sovratensioni interne al generatore, di natura elettrochimica (se il generatore è una cella galvanica, ad esempio una pila). Per i calcoli di grandezze elettriche, si può tenere conto degli effetti delle sovratensioni pensando alla resistenza interna come la somma delle cadute ohmiche e delle sovratensioni, ma tale semplificazione non può essere utilizzata per il calcolo del calore sviluppato per effetto Joule, in quanto l'energia dissipata dalle sovratensioni è convertita solo in parte in calore; l'altra parte di tale energia può essere invece convertita per lo svolgimento di vari processi interni alla cella elettrochimica, tra cui: reazioni di trasferimento di carica, trasporto degli ioni nell'elettrolita e deposizione degli ioni agli elettrodi.

In una spira che racchiude una superficie attraversata da un flusso magnetico, si genera una forza elettromotrice proporzionale alla velocità di variazione di flusso nel tempo. Una differenza di potenziale è anche generata tra gli estremi di un conduttore elettrico che si muove perpendicolarmente a un campo magnetico.

Circuiti elettrici in corrente continuaModifica

Legge di OhmModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Legge di Ohm ed Effetto Joule.

Alla base del comportamento dei circuiti con carico puramente resistivo, vi è la legge di Ohm. Essa stabilisce che se si applica una tensione   ai capi di una resistenza  , l'intensità   della corrente elettrica risultante che la attraversa, è direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza:

 

La corrente elettrica che passa attraverso un componente resistivo (R), genera una dissipazione di potenza   il cui valore è dato dal prodotto dell'intensità (I) per la differenza di potenziale (V):

 

Tale fenomeno è detto effetto Joule. La tensione tra due o più rami del circuito posti in serie è pari alla somma tra le tensioni dei singoli rami, mentre due punti che in un circuito sono connessi da un conduttore ideale (cioè avente resistenza nulla) hanno differenza di potenziale pari a zero.

Analogia con il circuito idraulicoModifica

 
La differenza di potenziale elettrico tra i due punti A e B del circuito elettrico è analoga alla differenza di pressione tra i due punti A e B del circuito idraulico corrispondente. Sono presenti i seguenti elementi:
1) pompa idraulica / generatore di tensione;
2) turbina / lampadina;
3) valvola di laminazione / resistore;
4) valvola di chiusura / interruttore.

Facendo un'analogia con un circuito idraulico, alla differenza di potenziale si può associare la differenza di pressione che si genera in un tubo chiuso pieno di liquido con le estremità poste ad altezze differenti: alla tensione fra due punti del circuito elettrico corrisponde la differenza di pressione fra due punti del circuito idraulico. La differenza di potenziale tra i poli del generatore elettrico può essere vista come la differenza di pressione dei serbatoi dell'analogo circuito idraulico, e le dissipazioni di energia elettrica come conseguenti dell'attrito del liquido con le pareti interne del tubo. Infine, l'intensità di corrente elettrica che scorre nel conduttore può essere messa in analogia con la portata di liquido nel tubo.

In questa analogia, come il flusso d'acqua può compiere del lavoro scorrendo da un punto ad alta pressione a uno a bassa pressione, azionando ad esempio una turbina, allo stesso modo le cariche che si muovono tra due punti posti a potenziale differente costituiscono una corrente elettrica, che può alimentare, ad esempio, un motore elettrico o fornire comunque energia sotto altre forme.[5]

Livelli di tensioneModifica

 
Segnale di pericolo per la presenza di alta tensione

La classificazione della tensione elettrica è differente a seconda dell'ambito a cui si fa riferimento e al tipo di corrente (alternata o continua). In particolare secondo quanto dettato dalla norma CEI EN 50110-1 "Esercizio degli impianti elettrici", la tensione elettrica viene classificata come indicato nella seguente tabella:[6][7]

Tensione Abbreviazione Categoria Corrente alternata Corrente continua
Bassissima tensione BBT 0 0 ÷ 50 V 0 ÷ 120 V
Bassa tensione BT I 50 ÷ 1000 V 120 ÷ 1500 V
Media tensione MT II 1 000 ÷ 30000 V 15 00 ÷ 30000 V
Alta tensione AT III > 30000 V > 30000 V

La norma CEI EN 50160 (a cui fa riferimento l'AEEG) riporta invece i seguenti valori:[6]

Tensione Abbreviazione Tensione nominale tra le fasi
Bassa tensione BT 0 ÷ kV
Media tensione MT 1 ÷ 35 kV
Alta tensione AT 35 ÷ 150 kV
Altissima tensione AAT > 150 kV

NoteModifica

  1. ^ Voltaggio, in Treccani.it – Vocabolario Treccani on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
  2. ^ a b Mazzoldi, Nigro, Voci, p. 29.
  3. ^ Mazzoldi, Nigro, Voci, p. 31.
  4. ^ Mazzoldi, Nigro, Voci, p. 31.
  5. ^ Analogia tra circuiti idraulici ed elettrici, su pcfarina.eng.unipr.it. URL consultato il 3 dicembre 2021.
  6. ^ a b Tensione nelle tensioni - Articolo su ElettricoPlus.it
  7. ^ Valori nominali - ElectroYou

BibliografiaModifica

  • Giuseppe Chitarin, Massimo Guarnieri, Francesco Gnesotto, Alvise Maschio e Andrea Stella, Elettrotecnica 1 - Principi, vol. 1, 1ª ed., Bologna, Società Editrice Esculapio, 2017, ISBN 978-88-9385-050-6.
  • Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Fisica, vol. 2, EdiSES Editore, 2001, ISBN 88-7959-152-5.

Voci correlateModifica

Altri progettiModifica

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