Differenza di potenziale elettrico

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In fisica, la differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica, spesso abbreviata in d.d.p., è definita come la differenza tra il potenziale elettrico di due punti dello spazio. Si tratta della differenza tra l'energia potenziale elettrica posseduta da una carica nei due punti a causa della presenza di un campo elettrico, divisa per il valore della carica stessa. In condizioni stazionarie è pari al lavoro compiuto per spostare una carica unitaria attraverso il campo da un punto all'altro, cambiato di segno.

Tipicamente la differenza di potenziale elettrico si misura con un voltmetro, in genere integrato in un "tester" elettrico. Nell'ambito del Sistema internazionale di unità di misura l'unità di misura della differenza di potenziale elettrico è il volt (V).

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

La definizione di "tensione elettrica" si deve ad Alessandro Volta, che accanto ai concetti di "capacità" e di "quantità" usa per la prima volta il concetto di "tensione elettrica" per rendere conto delle proprietà intensive dell'elettricità. Volta ne parla nei suoi studi relativi alla scoperta della pila voltaica (la prima batteria elettrochimica).

Analogia con i circuiti idraulici[modifica | modifica sorgente]

Analogia tra un circuito idraulico (a sinistra) e un circuito elettrico (a destra): 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.
Nella figura sono indicati inoltre i seguenti dispositivi, tra loro analoghi:
1 - pompa idraulica / generatore di tensione;
2 - turbina / lampadina;
3 - valvola di laminazione / resistore;
4 - valvola di chiusura / interruttore.

In un circuito elettrico alimentato da un generatore di tensione ideale la differenza di potenziale elettrico tra i due poli del generatore è pari alla forza elettromotrice. Nel caso si consideri un generatore reale, la tensione agli estremi del generatore è minore a causa della caduta di potenziale relativa alla resistenza interna del generatore.[1]

L'energia erogata dal generatore può venire dissipata nel circuito in diversi modi, ad esempio attraverso carichi resistivi o sovratensioni, nel caso in cui siano presenti celle elettrochimiche.

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 altezza 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 ad 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.

Differenza di potenziale in un campo elettrico statico[modifica | modifica sorgente]

La tensione elettrica ai capi di un percorso è definita come la quantità di lavoro per unità di carica sviluppato dal campo elettrico per muovere una carica elettrica, ed equivale quindi all'integrale di linea del campo elettrico lungo la curva considerata come percorso. Essendo il campo conservativo in condizioni stazionarie, esso ammette potenziale, e quindi l'integrale di linea del campo elettrico dipende solo dagli estremi di integrazione. In questo caso la tensione equivale alla differenza di potenziale, e l'integrale è nullo su qualsiasi linea chiusa.

Esplicitamente, la differenza di potenziale V tra due punti a e b è l'integrale del campo elettrico E lungo una qualunque linea l che congiunga i due punti:

  V_a - V_b = \int_{a}^{b} \vec E \cdot \operatorname d \vec l = \int_{a}^{b} E \cos \varphi \operatorname d l

dove \cdot rappresenta il prodotto scalare e φ l'angolo compreso tra il vettore campo elettrico e la retta congiungente a e b.

Forza elettromotrice indotta da un campo magnetico variabile[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Legge di Faraday.

In una spira che racchiude una superficie attraversata da un flusso magnetico, si genera una fem 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 ad un campo magnetico.

Forza elettromotrice generata da proprietà elettrochimiche[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Cella galvanica.

Legge di Ohm[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi legge di Ohm e 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 V ai capi di una resistenza R, la corrente elettrica risultante che la attraversa è di intensità I direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale al valore della resistenza:

I = \frac{V}{R}

Il passaggio di corrente elettrica attraverso un componente resistivo genera una dissipazione di potenza P data dal prodotto della corrente che lo attraversa per la differenza di potenziale ai suoi capi:

P = V \cdot I = R \cdot I^2

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.

Effetti sul corpo umano[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Folgorazione e Elettroterapia.

Normativa[modifica | modifica sorgente]

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:[2][3]

Abbreviazione Categoria In corrente alternata In corrente continua
Bassissima tensione Elv 0 ≤ 50 V ≤ 120 V (in corrente continua non ondulata)
Bassa tensione bt I 50-1.000 V 120-1.500 V
Media tensione MT II 1-30 kV 1,5-30 kV
Alta tensione AT III >30 kV >30 kV

La norma CEI EN 50160 (a cui fa riferimento l'AEEG) riporta invece i seguenti valori:[2]

Abbreviazione Tensione nominale tra le fasi
Bassa tensione bt ≤ 1 kV
Media tensione Mt 1-35 kV
Alta tensione AT 35-150 kV
Altissima tensione AAT >150 kV

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ 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.
  2. ^ a b Tensione nelle tensioni - Articolo su ElettricoPlus.it
  3. ^ Valori nominali - ElectroYou

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]