Tensione: Cos'è?

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Campo: Elettricità di base

China

Cos'è la tensione elettrica?

La tensione elettrica (nota anche come differenza di potenziale elettrico, forza elettromotrice emf, pressione elettrica o tensione elettrica) è definita come la differenza di potenziale elettrico per unità di carica tra due punti in un campo elettrico. La tensione elettrica viene espressa matematicamente (cioè nelle formule) utilizzando il simbolo “V” o “E”.

Se stai cercando una spiegazione più intuitiva per comprendere cosa sia la tensione elettrica, salta a questa sezione dell'articolo.

Altrimenti, continueremo di seguito con una definizione più formale della tensione elettrica.

In un campo elettrico statico, il lavoro richiesto per muovere una unità di carica tra due punti è noto come tensione elettrica. Matematicamente, la tensione elettrica può essere espressa come,

$\begin{align*} Tensione\ elettrica = \frac{Lavoro\ svolto\ (W)}{Carica\ (Q)} \end{align*}$

Dove il lavoro svolto è in joule e la carica è in coulomb.

$\begin{align*} Quindi, Tensione\ elettrica = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

Possiamo definire la tensione elettrica come l'energia potenziale tra due punti in un circuito.

Un punto ha un potenziale più alto e gli altri punti hanno un potenziale più basso. La differenza di carica tra il potenziale più alto e quello più basso è chiamata tensione o differenza di potenziale.

La tensione o differenza di potenziale fornisce la forza agli elettroni per fluire attraverso il circuito.

Più alta è la tensione, maggiore è la forza, e quindi più elettroni fluiscono attraverso il circuito. Senza tensione o differenza di potenziale, gli elettroni si muoverebbero casualmente nello spazio libero.

La tensione viene talvolta anche definita come "tensione elettrica". Ad esempio, la capacità di gestione della tensione dei cavi come 1 kV, 11 kV e 33 kV sono rispettivamente definiti come cavi a bassa tensione, alta tensione e super tensione.

Definizione della Differenza di Potenziale come Potenziale del Campo Elettrico

Come menzionato, la tensione è definita come la differenza di potenziale elettrico per unità di carica tra due punti in un campo elettrico. Descriviamolo utilizzando equazioni.

Consideriamo due punti A e B.

Il potenziale del punto A rispetto al punto B è definito come il lavoro svolto nel trasferire una unità di carica dal punto A al punto B in presenza del campo elettrico E.

Matematicamente, questo può essere espresso come,

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

Questo rappresenta anche la differenza di potenziale tra i punti A e B con il punto B come punto di riferimento. Può anche essere espresso come,

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

Ora, la tensione può essere un concetto piuttosto difficile da comprendere concettualmente.

Quindi utilizzeremo un'analogia con qualcosa di tangibile—qualcosa nel mondo reale—per rendere la tensione più facile da comprendere.

Comprendere la Tensione Attraverso un'Analogia

L'analogia idraulica è una comune analogia utilizzata per aiutare a spiegare la tensione.

Nell'analogia idraulica:

La tensione o potenziale elettrico è equivalente alla pressione dell'acqua idraulica
La corrente elettrica è equivalente al flusso dell'acqua idraulica
La carica elettrica è equivalente a una quantità d'acqua
Un conduttore elettrico è equivalente a un tubo

Analogia 1

Consideriamo un serbatoio d'acqua come mostrato nella figura sottostante. La figura (a) mostra due serbatoi riempiti allo stesso livello d'acqua. Quindi, l'acqua non può fluire da un serbatoio all'altro in quanto non c'è differenza di pressione.

Ora, la figura (b) mostra due serbatoi riempiti con livelli d'acqua diversi. Pertanto, c'è una certa differenza di pressione tra questi due serbatoi. Quindi, l'acqua fluisce da un serbatoio all'altro fino a quando il livello dell'acqua in entrambi i serbatoi diventa uguale.

Allo stesso modo, se connettiamo due batterie attraverso un filo conduttore con livelli di tensione diversi, le cariche possono fluire dalla batteria con potenziale più alto alla batteria con potenziale più basso. Pertanto, la batteria con potenziale più basso si carica fino a quando il potenziale di entrambe le batterie diventa lo stesso.

Analisi 2

Consideriamo un serbatoio d'acqua posizionato ad una certa altezza dal suolo.

La pressione dell'acqua all'estremità del tubo è equivalente alla tensione o differenza di potenziale in un circuito elettrico. L'acqua nel serbatoio è equivalente alla carica elettrica. Ora, se aumentiamo la quantità d'acqua nel serbatoio, viene sviluppata una maggiore pressione all'estremità del tubo.

Inversamente, se prosciughiamo una certa quantità d'acqua dal serbatoio, la pressione creata all'estremità del tubo diminuirà. Possiamo assumere che questo serbatoio d'acqua sia come una batteria di accumulo. Quando la tensione della batteria diminuisce, le lampade diventano più fioche.

Analisi 3

Cerchiamo di capire come il lavoro può essere svolto dalla tensione o differenza di potenziale in un circuito elettrico. Il circuito elettrico è mostrato nella figura sottostante.

Come mostrato nel circuito idraulico, l'acqua scorre attraverso un tubo spinta da una pompa meccanica. Un tubo è equivalente a un filo conduttore in un circuito elettrico.

Ora, se una pompa meccanica produce una differenza di pressione tra due punti, l'acqua pressurizzata sarà in grado di svolgere un lavoro, come azionare una turbina.

Allo stesso modo, in un circuito elettrico, la differenza di potenziale di una batteria può causare il flusso di corrente attraverso il conduttore, pertanto, il flusso di corrente elettrica può svolgere un lavoro, come accendere una lampada.

Cosa si misura con la tensione (unità di tensione)?

Unità SI della tensione

L'unità SI per la tensione è il volt. Questo è rappresentato da una V. Il volt è un'unità SI derivata di tensione. Il fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827), che inventò la pila voltaica, la prima batteria elettrica, quindi l'unità di misura volt è stata chiamata in suo onore.

Volt nelle unità di base SI

Il volt può essere definito come la differenza di potenziale elettrico tra due punti in un circuito elettrico che dissipa un joule di energia per colombo di carica che passa attraverso il circuito elettrico. Matematicamente, può essere espresso come,

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

Pertanto, il volt può essere espresso in termini di unità di base SI come $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ o $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

Può anche essere misurato in watt per ampere o ampere per ohm.

Formula della tensione

La formula di base per la tensione è mostrata nell'immagine sottostante.

Formula della Tensione 1 (Legge di Ohm)

Secondo la legge di Ohm, la tensione può essere espressa come,

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

Esempio 1

Come mostrato nel circuito sottostante, una corrente di 4 A scorre attraverso la resistenza di 15 Ω. Determinare il calo di tensione nel circuito.

Soluzione:

Dati forniti: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

Secondo la legge di Ohm,

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

Quindi, utilizzando l'equazione, otteniamo un calo di tensione nel circuito di 60 volt.

Formula della tensione 2 (potenza e corrente)

La potenza trasferita è il prodotto della tensione di alimentazione e della corrente elettrica.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

Ora, sostituendo $I=\frac{V}{R}$ nell'equazione sopra otteniamo,

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Quindi, otteniamo che la tensione è uguale alla potenza divisa per la corrente. Matematicamente,

$\begin{align*} V = \frac{P}{I} \,\,Volts \end{align*}$

Esempio 2

Come mostrato nel circuito sottostante, una corrente di 2 A scorre attraverso una lampada da 48 W. Determinare la tensione di alimentazione.

Soluzione:

Dati forniti: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Secondo la formula tra tensione, potenza e corrente menzionata sopra,

$\begin{align*} & V = \frac{P}{I} \\ & = \frac{48}{2} \\ & V = 24 \,\,Volts \end{align*}$

Quindi, utilizzando l'equazione, otteniamo una tensione di alimentazione di 24 volt.

Formula della tensione 3 (potenza e resistenza)

Secondo l'equazione (1), la tensione è la radice quadrata del prodotto della potenza e della resistenza. Matematicamente,

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

Esempio 3

Come mostrato nel circuito sottostante, determinare la tensione necessaria per far brillare una lampada da 5 W con una resistenza di 2 Ω.

Soluzione:

Dati forniti: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Secondo la formula menzionata sopra,

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

Quindi, utilizzando l'equazione, otteniamo la tensione necessaria per far brillare una lampada da $5 W, 2\Omega$ 3.16 Volt.

Simbolo del circuito di tensione (CA e CC)

Simbolo della tensione CA

Il simbolo per la tensione CA (corrente alternata) è mostrato di seguito:

企业微信截图_17098668569432.png — Simbolo della tensione CA

Simbolo della tensione CC

Il simbolo per la tensione CC (corrente continua) è mostrato di seguito:

Dimensioni della tensione

La tensione (V) è una rappresentazione dell'energia elettrica per unità di carica.

Le dimensioni della tensione possono essere espresse in termini di massa (M), lunghezza (L), tempo (T) e ampere (A) come dato da $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

Si noti che alcuni utilizzano anche I al posto di A per rappresentare la corrente. In questo caso, la dimensione della tensione può essere invece rappresentata come $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

Come Misurare la Tensione

In un circuito elettrico ed elettronico, la misurazione della tensione è un parametro essenziale che deve essere misurato. Possiamo misurare la tensione tra un punto specifico e il punto di massa o la linea a zero volt in un circuito.

In un circuito trifase, se misuriamo la tensione tra una qualsiasi delle fasi del circuito trifase e il punto neutro, allora si tratta di tensione fase-massa.

Analogamente, se misuriamo la tensione tra due fasi qualsiasi del circuito trifase, allora si tratta di tensione linea-linea.

Esistono vari strumenti utilizzati per misurare la tensione. Discutiamo ciascun metodo.

Metodo del Voltmetro

La tensione tra due punti in un sistema può essere misurata utilizzando un voltmetro. Per misurare una tensione, il voltmetro deve essere connesso in parallelo con il componente la cui tensione deve essere misurata.

Un morsetto del voltmetro deve essere connesso al primo punto e uno al secondo punto. Si noti che il voltmetro non deve mai essere connesso in serie.

Il voltmetro può essere utilizzato anche per misurare la caduta di tensione su qualsiasi componente o la somma della caduta di tensione su due o più componenti all'interno di un circuito.

Un voltmetro analogico funziona misurando la corrente attraverso un resistore fisso. Ora, secondo la legge di Ohm, la corrente attraverso il resistore è direttamente proporzionale alla tensione o differenza di potenziale sul resistore fisso. Quindi, possiamo determinare la tensione sconosciuta.

Un altro esempio di connessione del voltmetro per la misura della tensione su una batteria da 9 V è mostrato nella figura sottostante:

Metodo del multimetro

Al giorno d'oggi, uno dei metodi più comuni per misurare la tensione è l'uso di un multimetro. Il multimetro può essere analogico o digitale, ma i multimetri digitali sono più comunemente utilizzati a causa della maggiore precisione e del costo ridotto.

La tensione o differenza di potenziale su qualsiasi apparecchiatura può essere semplicemente misurata collegando le sonde del multimetro tra i due punti dove si desidera misurare la tensione. La misura della tensione della batteria utilizzando un multimetro è mostrata nell'immagine sottostante.

Multimeter for Voltage Measurement — Connessione del multimetro per la misura della tensione della batteria

Metodo del potenziometro

Il potenziometro funziona sul principio della tecnica di bilanciamento a zero. Misura la tensione confrontando una tensione sconosciuta con una tensione di riferimento nota.

Altri strumenti come l'oscilloscopio, il voltmetro elettrostatico possono anche essere utilizzati per misurare la tensione.

Differenza tra Tensione e Corrente (Tensione vs Corrente)

La principale differenza tra tensione e corrente è che la tensione è la differenza di potenziale elettrico tra due punti in un campo elettrico, mentre la corrente è il flusso di cariche elettriche da un punto all'altro in un campo elettrico.

Possiamo semplicemente dire che la tensione è la causa del flusso della corrente, mentre la corrente è l'effetto della tensione.

Più alta è la tensione, maggiore sarà la corrente che scorre tra due punti. Si noti che se due punti in un circuito sono allo stesso potenziale, la corrente non può scorrere tra quei punti. L'entità della tensione e della corrente dipende l'una dall'altra (secondo la legge di Ohm).

Altre differenze tra tensione e corrente sono discusse nella tabella sottostante.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Differenza tra Tensione e Corrente

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Differenza tra Tensione e Corrente

Differenza tra Tensione e Differenza di Potenziale (Tensione vs Differenza di Potenziale)

Non c'è molta differenza tra la tensione e la differenza di potenziale. Tuttavia, possiamo descrivere la differenza tra loro in modo seguente.

La tensione è l'energia necessaria per spostare una unità di carica tra due punti, mentre la differenza di potenziale è la differenza tra il potenziale più alto di un punto e il potenziale più basso dell'altro punto.

A causa della carica puntiforme:

La tensione è il potenziale ottenuto in un punto considerando l'altro punto di riferimento all'infinito. Mentre la differenza di potenziale è la differenza di potenziale tra due punti a distanze finite dalla carica. Matematicamente possono essere espressi come,

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

Se preferisci una spiegazione video sulla tensione, guarda il video qui sotto:

Cos'è una Tensione Comune?

Una tensione comune è definita come il livello o la valutazione tipica di tensione degli apparecchi o delle attrezzature elettriche.

Di seguito è elencata una lista di tensioni comuni per vari apparecchi o dispositivi elettrici.

Batterie a piombo-acido utilizzate nei veicoli elettrici: 12 Volt CC. La batteria da 12 V è composta da 6 celle, ciascuna con una tensione comune di 2,1 V. Si noti che le celle sono collegate in serie per aumentare la tensione nominale.
Cellule solari: Tipicamente producono una tensione di circa 0,5 Volt CC in condizioni di circuito aperto. Tuttavia, spesso più cellule solari sono connesse in serie per formare pannelli solari, che possono fornire una tensione totale più alta.
USB: 5 Volt CC.
Linee di trasmissione elettrica ad alta tensione: 110 kV a 1200 kV CA.
Linee di alimentazione (trazione) per treni ad alta velocità: 12 kV e 50 kV CA o 0,75 kV e 3 kV CC.
Alimentazione TTL/CMOS: 5 Volt.
Una singola cellula ricaricabile di batteria nichel-cadmio: 1,2 Volt.
Batterie per torce: 1,5 Volt CC.

Le tensioni comuni fornite dalla società di distribuzione ai consumatori residenziali sono:

100 V, monofase CA in Giappone
120 V, monofase CA in America
230 V, monofase CA in India, Australia

Le tensioni comuni fornite dalla società di distribuzione ai consumatori industriali sono:

200 V, trifase CA in Giappone
480 V, trifase CA in America
415 V, trifase CA in India

Applicazioni della Tensione

Alcune delle applicazioni della tensione includono:

Una delle applicazioni più comuni della tensione è determinare il calo di tensione attraverso un dispositivo o equipaggiamento elettrico, come un resistore.
L'aggiunta di tensione è necessaria per aumentare la tensione nominale. Pertanto, le celle sono collegate in serie per aumentare la tensione nominale.
La tensione è la fonte di energia fondamentale per ogni dispositivo elettrico ed elettronico. Dalle basse tensioni (5 V) alle alte tensioni (415 V) vengono utilizzate in varie applicazioni.
La bassa tensione viene solitamente utilizzata per molte apparecchiature elettroniche e applicazioni di controllo.
L'alta tensione viene utilizzata per

Stampa elettrostatica, verniciatura elettrostatica, rivestimento elettrostatico dei materiali
Studio cosmologico dello spazio
Precipitatore elettrostatico (controllo dell'inquinamento atmosferico)
Laboratorio di propulsione a getto
Tubi ai raggi X
Valvole amplificatrici ad alta potenza
Spettrometria di massa
Prove dielettriche
Test su alimenti e bevande
Applicazioni di elettrospraying e filatura, elettrofotografia
Applicazioni a base di plasma
Sensore di livello
Riscaldamento induttivo
Lampade flash
SONAR
Per test di attrezzature elettriche

Fonte: Electrical4u

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Voltage	Current
The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.