Differenza di potenziale elettrico

In fisica, la differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica, spesso abbreviata in d.d.p., è definita coma 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 un campo elettrico, ed in condizioni stazionarie è pari al lavoro compiuto per spostare una carica unitaria attraverso il campo da un punto all'altro.

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

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

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, la differenza di potenziale elettrico tra due punti del circuito è pari alla differenza tra la forza elettromotrice (imposta da un generatore di tensione) e le dissipazioni di energia elettrica (dovute ad esempio a cadute ohmiche o a sovratensioni nel caso in cui siano presenti celle elettrochimiche). Le dissipazioni possono avvenire all'interno del generatore di tensione (se non è un generatore di tensione ideale) e nel resto del circuito.

Tale forza elettromotrice non è analoga alla forza meccanica agente sulle masse, ma è più simile alla differenza di pressione che si genera in un tubo (chiuso) pieno di liquido, con le estremità poste ad altezze differenti. Le dissipazioni di energia elettrica sono invece analoghe alle dissipazioni che avvengono all'interno del circuito idraulico a causa dell'attrito del fluido con le pareti interne del tubo.

Se si considera un conduttore elettrico collegato tra il polo positivo e il polo negativo di un generatore di forza elettromotrice, differenza di potenziale tra i poli del generatore elettrico è analoga alla differenza di altezza dei serbatoi dell'analogo circuito idraulico mentre la tensione elettrica associata a tale differenza di potenziale è analoga alla differenza di pressione dovuta al dislivello tra i serbatoi; infine l'intensità di corrente elettrica che scorre nel conduttore è analoga alla portata di liquido nel tubo.

Se si pensa ad un'analogia fra un circuito elettrico, in cui scorrono cariche elettriche libere, ed uno idraulico, in cui scorre acqua, bisogna tener presente che le cariche elettriche libere sono "costrette" a restare all'interno dei conduttori, come l'acqua all'interno dei tubi, perché l'aria (come tutti i materiali isolanti) non permette la loro diffusione, anche se sono sottoposte a tensione.
In questa analogia, la tensione (o differenza di potenziale) fra due punti del circuito elettrico corrisponde alla differenza di pressione fra due punti del circuito idraulico. Così pure, come il flusso d'acqua, scorrendo da un punto ad alta pressione ad uno a bassa pressione, può compiere del lavoro alimentando ad esempio una turbina, la corrente elettrica causata dalla tensione può compiere lavoro alimentando, ad esempio, un motore elettrico o fornire comunque energia sotto altre forme, alimentando ad esempio una stufetta elettrica o una lampadina.

Differenza di potenziale in un campo elettrico statico

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

Per approfondire, vedi la voce Legge di Faraday.

In una spira che racchiude una superficie attraversata da un flusso magnetico, si genera una fem proporziomale 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

Per approfondire, vedi la voce Cella galvanica.

Legge di Ohm

Per approfondire, vedi le voci legge di Ohm e Effetto Joule.

Alla base del comportamento dei circuiti con carico puramente resisitivo vi è la legge di Ohm. Essa stabilisce che 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 differenza di potenziale ai sui 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

Per approfondire, vedi le voci Folgorazione e Elettroterapia.

Normativa

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:

	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
Alta tensione	AT	II	1-30 kV	1,5-30 kV
Altissima tensione	AAT	III	>30 kV	>30 kV

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

	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

Voci correlate

• Alessandro Volta
• Automatic voltage regulator
• Circuito elettrico
• Corrente elettrica
• Corrente indotta
• Differenza di potenziale
• Forza elettromotrice
• Generatore di tensione
• Induzione elettrica
• Legge di Ohm

Portale Elettromagnetismo

Portale Elettrotecnica