Tensioni e correnti

Da Hacknowledge.

Le grandezze fondamentali in campo elettrotecnico ed elettronico, di cui si sentirà parlare in qualsiasi contesto, sono le correnti e le tensioni.

[modifica] Corrente

Per intensità di corrente (o semplicemente corrente) si intende la quantità di carica passante nella sezione di un cavo conduttore nell'unità di tempo. In modo più spicciolo, possiamo definire la corrente come la quantità di elettroni che passano in un filo conduttore nell'unità di tempo (dato che gli autentici portatori di carica sono gli elettroni). In modo più formale,


I = {{\Delta Q} \over {\Delta t}}


dove ΔQ è la quantità di carica che attraversa la sezione del conduttore nell'intervallo di tempo Δt. In forma infinitesimale (ovvero per un intervallo di tempo non più finito e misurabile, ma per un intervallo di tempo quasi nullo, come se si volesse 'fotografare' la quantità di corrente in un istante di tempo) la relazione diventa


i(t) = {dq \over dt}


Questa scrittura torna molto utile nel caso di correnti variabili nel tempo, in quanto rende possibile la scrittura della corrente come una funzione variabile nel tempo, conoscendo il modo in cui varia la quantità di carica. Allo stesso modo, tramite questa scrittura è possibile conoscere viceversa la variazione di carica in un tempo T conoscendo l'andamento della corrente:


Q = \int_0^T i(t) dt


Questa scrittura tornerà molto utile quando vorremo studiare la quantità di carica all'interno di componenti non lineari come condensatori e induttanze.

La corrente si misura in ampere (A), e in virtù della sua definizione una corrente è di 1 A quando la quantità di carica che attraversa una sezione qualsiasi del cavo conduttore in 1 secondo è uguale a 1 coulomb. Proprio in virtù dell'unità di misura della carica (1 coulomb è una quantità di carica abbastanza grossa) in genere di rado si trovano in giro correnti maggiori di una decina di ampere. Le correnti gestite dai grandi gruppi di continuità sono nell'ordine dell'intervallo 1 A/10 A. In elettronica si ha generalmente a che fare con correnti nell'ordine dei mA (10 − 3 A) o dei μA (10 − 6 A). Un fulmine è in grado di scaricare correnti nell'ordine dei kA (10³ A), ma questo è un altro discorso.

[modifica] Verso della corrente

Nello studio dei circuiti è fondamentale stabilire un verso per le correnti che percorrono i fili conduttori. Per convenzione (in particolare questa è chiamata convenzione degli utilizzatori) viene preso positivo il verso della corrente che va dal polo positivo al polo negativo, e viene preso negativo il verso della corrente che va in senso opposto. L'altra convenzione, detta convenzione dei generatori, è definita in modo opposto a questa, ma è decisamente meno utilizzata, specie in campo elettronico. In generale, dovunque nel mondo una corrente positiva è tale se è diretta da un polo di tensione positivo a un polo negativo.

[modifica] Tensione

La tensione elettrica (o potenziale elettrico, o differenza di potenziale, o più semplicemente potenziale, o ancora voltaggio, in onore della sua unità di misura) può essere vista un po' come l'analogo elettromagnetico del potenziale gravitazionale che troviamo in meccanica. Se abbiamo un bacino d'acqua a livello del mare, questo bacino d'acqua avrà potenziale gravitazionale nullo, in quanto l'acqua al suo interno non subirà nessuna forza gravitazionale per andare verso il mare. Ma se il bacino è più in alto del livello del mare, allora il potenziale gravitazionale cresce, in quanto se collego il bacino al mare con tubature in pendenza la forza gravitazionale porterà l'acqua al mare. La stessa cosa avviene in campo elettromagnetico. Se faccio un 'ponte' che collega due punti qualsiasi di un cavo elettrico dove scorre corrente, ma tra le estremità di questo ponte non c'è nulla, il potenziale elettrico tra le estremità è nullo (un po' come se metto un bacino d'acqua sul livello del mare e costruisco una tubatura che mi porti l'acqua allo stesso livello del bacino), e quindi essendo il potenziale elettrico nullo la forza per portare le cariche da un'estremità all'altra è praticamente nulla. Ma se collego un terminale di un filo conduttore a un corpo elettricamente scarico (a massa, o a terra), allora è come se creassi la mia 'tubatura', e le cariche si muoveranno lungo quel filo così come l'acqua si muove lungo delle tubature in pendenza. È questo il concetto, detto in parole molto semplici, di potenziale elettrico.

In modo formale, possiamo definire la tensione elettrica tra due punti qualsiasi dello spazio A e B immersi in campo elettrico come il lavoro W del campo elettrico necessario per portare una carica da A a B indipendentemente dal percorso compiuto, diviso la carica di prova q:


V_{AB} = V_B - V_A = {W_{AB} \over q}


In virtù delle relazioni tra campo elettrico E e lavoro del campo elettrico, possiamo scrivere una relazione fondamentale in campo fisico tra campo elettrico tra A e B e relativo potenziale V:


E = - \nabla \cdot V


Ovvero il campo elettrico tra A e B è il vettore gradiente cambiato di segno del potenziale tra A e B, gradiente calcolato rispetto a tutte le variabili spaziali (2 nel caso di un campo elettrico nel piano, 3 nel caso di un campo elettrico nello spazio). Di riflesso, possiamo scrivere il potenziale in funzione del campo elettrico come


V = - \int_A^B E(s) ds


La tensione si misura in volt (V), unità di misura definita come J/C (joule su coulomb), proprio in virtù della definizione fisica di tensione.

In virtù della definizione fisica, la tensione, o differenza di potenziale, deve sempre essere definita tra due punti dello spazio o di un filo conduttore, due punti A e B:


VAB = VB − VA


Non ha senso prendere un solo punto e calcolare il potenziale 'assoluto' in quel punto (sarebbe un po' come tentare di calcolare il potenziale gravitazionale di un oggetto sospeso senza conoscere l'altezza dell'oggetto rispetto ad un punto di riferimento). Come punto di riferimento per il potenziale, in campo strettamente fisico si prende il potenziale calcolato a distanza infinita dal punto in cui si vuole calcolare. Il potenziale a infinito è, per convenzione, nullo:


V = V_A - V_{\infty} = V_A - 0 = V_A


In campo circuitale, non esistendo il concetto di infinito, si prende come potenziale di riferimento la terra, o massa, che ha una concentrazione di cariche praticamente nulla e quindi potenziale elettrico nullo. In campo circuitale tutte le tensioni vengono quindi calcolate rispetto alla massa del circuito, che rappresenta il potenziale di riferimento.

Estratto da "http://blacklight.gotdns.org/wiki/index.php/Tensioni_e_correnti"
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