Immagina di essere catapultato indietro nel tempo, all’epoca in cui l’elettricità era un mistero affascinante. I pionieri dell’elettricità scoprirono un fenomeno che avrebbe cambiato per sempre il nostro modo di vivere. In questo viaggio nel mondo dell’elettronica, esploreremo le radici della scoperta dell’elettricità, esamineremo la sua natura fisica e vedremo quale è la differenza tra tensione e corrente.
La natura fisica della tensione elettrica
Per comprendere appieno la tensione elettrica, dobbiamo immergerci nella fisica dell’elettricità. Al livello fondamentale, la tensione elettrica è la differenza di potenziale elettrico tra due punti. Ma cosa significa a livello microscopico?
Gli elettroni, piccole particelle cariche negativamente, sono i protagonisti di questo spettacolo elettrico. Insieme ai protoni e agli elettroni, sono una delle tre componenti fondamentali della materia stabile che ci circonda (corpi terrestri, pianeti, la galassia).
Questi tre elementi si combinano in strutture, chiamate atomi. Precisamente, un certo numero di protoni e neutroni, legati dall’interazione forte (un altro tipo di interazione fondamentale esistente in natura) costituiscono il nucleo dell’atomo, che risulta quindi carico positivamente.
Attorno al nucleo si muove un certo numero di elettroni, sotto l’azione elettrica attrattiva esercitata dal nucleo. La configurazione di questi elettroni è determinata dalle leggi della meccanica quantistica ed è caratteristica del tipo di atomo.
La carica elettrica dell’elettrone è la più piccola osservata sperimentalmente, chiamata carica elementare (-e), che è negativa.
Il protone, invece, ha una carica positiva (+e) uguale in valore assoluto a quella dell’elettrone. Il neutrone ha invece una carica elettrica nulla (è neutro).
Elettroni in movimento: il flusso di cariche
La carica elementare dell’elettrone è stata confermata sperimentalmente con esperimenti come quello di Millikan, ma anche dal fatto che tutte le particelle subatomiche hanno una carica che è uguale o multipla intera della carica elementare (in valore assoluto). Questo indica che la carica elettrica è una grandezza quantizzata.
Uno strumento che permette di riconoscere il segno relativo della carica dei corpi è l‘elettroscopio.
Ad esempio, se tocchiamo un elettroscopio precedentemente caricato con una carica di un certo segno usando una bacchetta carica dello stesso segno, la deflessione delle foglie aumenta. Al contrario, se la carica della bacchetta è di segno opposto, la deflessione diminuisce.
Gli elettroni degli atomi, in particolare quelli più esterni, sono più o meno legati al nucleo. Questa differenza determina la distinzione tra materiali isolanti e conduttori. Negli isolanti, gli elettroni sono ben vincolati al nucleo e non possono spostarsi liberamente attraverso il corpo. Quindi gli isolanti non trasportano facilmente la carica.
Tuttavia, tramite una specifica azione locale come lo strofinio con un panno, è possibile trasferire un certo numero di elettroni (-ne) da un corpo (ad esempio, una bacchetta di vetro) a un altro corpo (ad esempio, il panno). Il secondo corpo risulterà caricato negativamente nei punti di contatto con il primo corpo, ma tale carica non si muoverà verso altre zone del secondo corpo.
Questa differenza di potenziale è ciò che permette il movimento delle cariche elettriche lungo un circuito.
Quando una forza spinge gli elettroni lungo un filo conduttore, si crea un flusso di cariche elettriche che trasporta l’energia da un punto all’altro.
Immagina un fiume in cui la tensione elettrica è rappresentata dalla differenza di altezza tra due punti. Più grande è la differenza di altezza, più velocemente l’acqua scorre. Allo stesso modo, la tensione elettrica è la forza che spinge gli elettroni a fluire da un punto a un altro.
Differenza tra tensione e corrente elettrica
È importante comprendere la differenza tra tensione e corrente elettrica, e come sono collegati con la resistenza, in quanto si tratta di concetti fondamentali correlati.
Cosa è la Tensione elettrica
La tensione elettrica, o differenza di potenziale, corrisponde all’energia utilizzata per separare due cariche elettriche con segno opposto, all’interno di un campo magnetico. Quindi rappresenta la forza che spinge gli elettroni a fluire da un punto a un altro nel circuito, vista come la differenza tra l’energia elettrica potenziale di una certa carica in due diversi punti, dovuta alla presenza di un campo elettrico.
L’unità di misura della tensione è il Volt (V) e può essere misurata con un voltmetro.
La tensione viene generata da una sorgente di energia, come una batteria o una presa di corrente, che crea una differenza di potenziale tra i suoi terminali.
Un esempio classico, vede la tensione confrontata con l’acqua immagazzinata in un serbatoio: più è grande e alto sarà il serbatoio (e quindi la sua velocità potenziale), maggiore sarà la forza con cui l’acqua scorre (come gli elettroni) nel momento in cui una valvola viene aperta.
Cosa è la Corrente elettrica
La corrente elettrica è il flusso di cariche elettriche attraverso un materiale conduttore, come ad esempio un filo. L’unità di misura della corrente è l’ampere (A) e questa rappresenta la quantità di elettroni che attraversano un punto specifico del circuito in un dato intervallo di tempo.
Quindi la corrente elettrica viene determinata dalla presenza di una differenza di potenziale elettrico, che spinge gli elettroni a muoversi in un certo circuito. Si può immaginare la corrente elettrica come il flusso di acqua in un tubo: più è intenso il flusso di elettroni, maggiore è la corrente.
Si tratta pertanto di un flusso ordinato di cariche elettriche soggette alla differenza di potenziale applicato tra due punti differenti di un corpo conduttore.
Conduttori, isolanti e resistenza
Alcuni materiali, come i metalli, permettono un facile movimento degli elettroni e sono chiamati conduttori. Al contrario, gli isolanti, come la plastica o il vetro, impediscono il libero movimento delle cariche elettriche. Questa differenza nella conducibilità dei materiali è essenziale per la generazione e il controllo della tensione elettrica. È come se gli elettroni stessero ballando, saltando da un atomo all’altro nei conduttori, mentre negli isolanti rimangono saldamente ancorati al loro posto.
La resistenza è un fattore che ostacola il flusso di corrente nel circuito. È misurata in ohm (Ω) e dipende dalle caratteristiche dei materiali utilizzati nel circuito. Ad esempio, un filo di rame ha una resistenza molto più bassa rispetto a un filo di nichel-cromo.
Relazione tra tensione, corrente e resistenza
Tensione, corrente e resistenza sono strettamente correlati tra loro, ed è possibile dimostrarlo con la legge di Ohm. Questa legge, afferma che la corrente in un circuito è direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza.
V = I x R (formula fondamentale della legge di Ohm, dove V è la tensione, I è la corrente e R è la resistenza).
In altre parole, questo significa che se la tensione applicata a un circuito aumenta, la corrente che vi scorre aumenterà a parità di resistenza. Al contrario, se ad aumentare è la resistenza, allora per una data tensione la corrente diminuirà.
Potenza elettrica
La potenza elettrica è un’altra grandezza importante correlata alla tensione e alla corrente. Misurata in watt (W), questa rappresenta il lavoro svolto o l’energia trasferita da un circuito elettrico. La potenza può essere calcolata moltiplicando la tensione per la corrente (P = V x I).
Un’alta tensione con una bassa corrente può fornire la stessa potenza di una bassa tensione con una alta corrente.
Ad esempio, un dispositivo con una tensione di 100 V e una corrente di 1 A ha la stessa potenza di un dispositivo con una tensione di 10 V e una corrente di 10 A. Tuttavia, è importante notare che la potenza è influenzata anche dalla resistenza del carico, secondo la formula:
P = I^2 x R o P = V^2 / R.
Tensione continua (DC) vs Tensione alternata (AC)
Esistono due tipi principali di tensione elettrica: la tensione continua (DC) e la tensione alternata (AC).
La tensione continua è caratterizzata da un flusso costante di corrente, in una sola direzione. È il tipo di tensione fornita da una batteria o da una pila, dove gli elettroni si muovono sempre nello stesso verso.
D’altra parte, la tensione alternata si alterna tra valori positivi e negativi a una frequenza specifica. Questo tipo di tensione è comunemente utilizzato nella rete elettrica domestica.
La corrente alternata cambia costantemente di direzione, consentendo un trasferimento efficiente di energia e una distribuzione più ampia.
La tensione elettrica può essere generata da diverse fonti. Due esempi esempi di generatori di tensione continua sono le batterie e le celle fotovoltaiche, in quanto forniscono una tensione costante nel tempo.
D’altra parte, i generatori di tensione alternata, come le centrali elettriche, producono corrente alternata. Ma questa è un’altra storia.
Le origini della tensione elettrica
Dall’alba dei tempi, gli esseri umani hanno sempre avuto un’attrazione verso l’ignoto, che li ha spinti ad esplorare, sperimentare e cercare di spiegare ad ogni costo i fenomeni che hanno osservato. Anche senza dei mezzi adeguati a spiegare tali fenomeni, la curiosità non ci ha mai abbandonato, permettendoci di diventare ciò che siamo oggi. Nel bene e nel male.
Tra le interazioni fondamentali esistenti in natura, quella elettromagnetica gioca un ruolo essenziale nella costituzione della materia. La comprensione quantitativa di queste interazioni, avvenne tra la fine del settecento e la metà dell’ottocento. Un aspetto particolare di questa interazione è la forza elettrica.
Gilbert e la scoperta della forza elettrica
Nonostante fosse possibile osservare gli effetti di questo fenomeno, tali osservazioni vennero tramandate per oltre venti secoli, fino a quando nel sedicesimo secolo W. Gilbert decise di testare una serie di materiali diversi per identificare quelli che presentavano lo stesso comportamento.
Attraverso un’analisi sistematica, Gilbert classificò come “elettrizzati” i materiali che acquisivano la proprietà di attirare i corpuscoli leggeri e chiamò “forza elettrica” la forza che si manifestava.
Oggi noi attribuiamo le forze elettriche alle cariche elettriche che preesistono nei corpi e che passano da un corpo all’altro durante lo strofinio. Di conseguenza i corpi elettrizzati si definiscono anche elettricamente carichi.
I materiali che si caricano per strofinio vengono definiti come isolanti, perché sono capaci di trattenere la carica elettrica. Invece i corpi che non trattengono la carica mentre, come ad esempio i metalli e il corpo umano, sono detti conduttori.
Dalle rane agli aquiloni: gli esperimenti pionieristici
Benjamin Franklin, famoso per il suo esperimento con il kite (aquilone) e il tuono, contribuì a gettare le basi per la comprensione della tensione elettrica. Ma non meno importante è stato il contributo di Luigi Galvani, che nel tentativo di dimostrare l’esistenza di una forza vitale elettrica, concentrò i suoi esperimenti sulle rane, portando all’osservazione dei movimenti muscolari stimolati dalla tensione elettrica.
Volta, l’inventore della pila
È invece grazie a Alessandro Volta, l’inventore della pila voltaica, se siamo in grado di generare tensione elettrica in modo controllato. La sua scoperta segnò un importante passo avanti nell’energia elettrica, aprendo la strada per il funzionamento di innumerevoli dispositivi elettronici che utilizziamo oggi.
Misurare la tensione elettrica
Per misurare la tensione elettrica in un circuito, è possibile utilizzare strumenti come il multimetro digitale o un voltmetro. Questo dispositivo consente di ottenere una lettura precisa della tensione tra due punti del circuito. È importante selezionare correttamente l’intervallo di tensione sul multimetro per ottenere una misurazione accurata.
La tensione è misurata in unità di volt (V) e rappresenta la differenza di potenziale elettrico tra due punti nel circuito.
La corrente elettrica, d’altra parte, è il flusso di cariche elettriche attraverso il circuito. È misurata in ampere (A) e rappresenta la quantità di carica che passa attraverso un punto specifico del circuito in un dato intervallo di tempo.
Perché è utile misurare la tensione elettrica?
Ottimizzare l’efficienza energetica è importante non soltanto per ridurre i costi, ma anche l’impatto ambientale.
In conclusione, la tensione elettrica è una forza fondamentale che spinge gli elettroni a fluire da un punto a un altro nel circuito. È stata scoperta da pionieri come Gilbert e sviluppata da scienziati come Franklin, Galvani e Volta. La tensione elettrica è diversa dalla corrente elettrica, che rappresenta il flusso di cariche attraverso un conduttore. La resistenza nel circuito influisce sul flusso di corrente. La tensione e la corrente sono strettamente correlate, come evidenziato dalla legge di Ohm.
