Tensione e corrente

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Nelle reti elettriche DC le due grandezze elettriche fondamentali sono la tensione (V) e la corrente (I).

Il ridente paesino in provincia di Alessandria che apre questa pagina non c'entra nulla con il contenuto di questa pagina, ma molte persone, nella loro ignoranza, non lo sanno.

Corrente

Della corrente (elettrica) possiamo dare due definizioni:

La corrente è la quantità di cariche che attraversano ordinatamente una superficie nell'unità di tempo. In genere si fa riferimento al passaggio di elettroni in un conduttore metallico, ma potrebbe trattarsi di generici ioni che scorrono attraverso una generica superficie
La corrente è quella grandezza che scorre all'interno di un conduttore e si misura con un amperometro.

La misura diretta della corrente è in genere poca gradita al tecnico elettronico in quanto l'interruzione di un circuito è sempre problematica. In genere si preferisce una misura indiretta, per esempio attraverso la tensione ai capi di un resistore oppure il campo magnetico intorno al conduttore.

Graficamente la corrente si rappresenta come frecce disegnate direttamente sopra i conduttori (verdi nella figura seguente). Ovviamente la corrente si muove nel verso della freccia (nota 8). Nella figura sono disegnate tre correnti: la corrente I1 entra nel nodo ed in parte esce orizzontalmente, I3, ed in parte verticalmente, I2 (nota 7).

Rappresentazione della corrente in un circuito

Occorre osservare che, in una rete DC, la corrente è possibile solo se esiste un percorso chiuso: le cariche non possono infatti "accumularsi", ma devono potersi muovere continuamente, tornando da dove sono arrivate.

La corrente si misura in ampere (minuscolo), con simbolo A (maiuscolo e senza punto finale). In genere si usano i sottomultipli, spesso mA (10^-3 A) e µA (10^-6 A).

Tra i sinonimi, il termine intensità di corrente, amato dai fisici, non è in genere apprezzato in ambito tecnico, soprattutto se si elimina la seconda parte, lasciando solo intensità. Il termine amperaggio è semplicemente sbagliato e particolarmente irritante alle orecchie di un tecnico (nota 9).

Tensione

Della tensione (elettrica) possiamo dare tre "definizioni":

La tensione è la differenza tra il potenziale elettrico di un punto e quello di un altro punto
(definizione per nulla rigorosa, ma legata all'intuizione) La tensione è quella forza che spinge le cariche elettriche all'interno di un circuito, generando una corrente
La tensione è quella grandezza che si misura tra due punti di un circuito elettrico con un voltmetro.

La tensione si indica con una freccia (blu in figura) posta a fianco dei componente ai cui capi vene misurata, con la punta rivolta verso il potenziale maggiore. In figura è indicata la tensione Va. A volte la freccia è disegnata incurvata (nota 7).

Indicazione di due tensioni

Alcune osservazioni:

la tensione è sempre misurata tra due punti (nota 5)
una tensione è presente indipendentemente dal passaggio di corrente. Per esempio nel circuito precedente non vi può essere corrente (infatti è un circuito aperto), ma è presente la tensione indicata con Va
la tensione tra due punti di un conduttore (ideale) è nulla. Detto in altro modo: tutti i punti di un conduttore ideale sono equipotenziali.

La tensione si misura in volt (minuscolo e senza s finale), con simbolo V (maiuscolo e senza punto finale)

Tra i sinonimi, il termine differenza di potenziale (ddp), amato dai fisici, è meno usato in ambito tecnico. I termini forza elettromotrice (fem) e caduta di tensione sono a volte usati per indicare, rispettivamente, la tensione a vuoto di un generatore o la tensione ai capi di un utilizzatore. Il temine voltaggio è semplicemente sbagliato e particolarmente irritante alle orecchie di un tecnico (nota 9). Da notare che in francese ed in inglese voltage è corretto).

Spazio all'immaginazione...

Prima di proseguire è utile, con la fantasia, visualizzare con estrema naturalezza l'immagine di una tensione che spinge elettroni all'interno di un circuito. Tensione e corrente sono infatti grandezza diverse, ma in qualche modo legate; il "vedere gli elettroni che si muovono sospinti dalla tensione" è cosa utile prima di applicare formule e metodi rigorosi.

Qualche immagine o analogia utile:

Tanto maggiore è la tensione ("forza che spinge le cariche"), tanto maggiore potrà essere la corrente (quantità di cariche in movimento)
A parità di tensione, la corrente dipende da quanto il circuito si oppone al passaggio di corrente
Se il circuito è aperto (cioè non esiste un percorso chiuso di "andata e ritorno" per la corrente), non vi può essere corrente, anche in presenza di tensione
Utile pensare ad un circuito idraulico in cui le pompe spingono con più o meno forza l'acqua all'interno di tubature le quali, a seconda del diametro e delle diramazioni, offrono un'opposizione più o meno grande al passaggio del liquido
Parlando di tensione è utile, perlomeno all'inizio, mettere bene in evidenza i due punti tra cui è misurata. Per questo è utile disegnare la freccia che indica la tensione tra i due morsetti del componente
Parlando di corrente è utile, perlomeno all'inizio, mettere bene in evidenza il conduttore entro cui scorre ed il percorso che compie. Per questo è utile disegnare la freccia che indica la corrente sul filo.

Generatori ed utilizzatori

Un generatore è un bipolo (nota 4) che genera una tensione e/o una corrente, trasformano una generica forma di energia in un'energia elettrica.

Nella quasi totalità dei casi si fa riferimento ad un generatore di tensione (nota 1), rappresentato nell'immagine seguente con tre differenti simboli, per i nostri scopi equivalenti. I generatori in figura generano una tensione Va (potenziale positivo in alto nei disegni seguenti) e come conseguenza, solo nel caso di circuito chiuso, una corrente Ia (in senso orario).

Simboli di generatori di tensione

I generatori sono caratterizzati dal fatto che le frecce che indicano la tensione e la corrente hanno lo stesso verso (per esempio verso l'alto in figura). Questa affermazione è indicato come convenzione dei generatori.

Un'osservazione importante: i generatori di tensione indicati sono ideali, cioè ai loro capi è presente una tensione rigorosamente costante ed indipendente dalla corrente. Tali generatori non solo non esistono nella realtà, ma possono portare a scrivere anche equazioni teoriche impossibili da risolvere.

Un utilizzatore è un bipolo (nota 4) che trasforma una energia di tipo elettrico (tensione e/o corrente) in un'altra forma di energia (movimento, luce, calore...).

Nello schema, il generico utilizzatore è disegnato come un rettangolo:

Tensione e corrente in un utilizzatore

Gli utilizzatori sono caratterizzati dal fatto che le frecce che indicano la tensione e la corrente hanno verso opposto. Questa affermazione è nota come convenzione degli utilizzatori.

Confrontando quest'ultimo circuito con quelli sopra riportati:

La tensione Va ai capi dell'utilizzatore è la stessa Va ai capi generatore, in modulo e verso: i due conduttori in alto ed in basso sono infatti equipotenziali
La corrente Ia è la stessa nel generatore e nell'utilizzatore.

Il legame tra i valori numerici di corrente e tensione di un utilizzatore dipende ovviamente dal tipo di bipolo (nota 4); di seguito tre esempi qualitativi (in giallo, rosso ed azzurro) in cui i valori di tensione e corrente sono riportati in forma grafica:

Legame qualitativo tra tensione e corrente in un utilizzatore

I segni riportati nel grafico sono positivi se concordi con le frecce riportate sul simbolo: per questo sono utilizzati solo il primo ed il terzo quadrante del piano cartesiano.

Spesso la linea che indica il legame tra corrente e tensione è indicata con i termini curva caratteristica oppure curva volt-amperometrica.

Un aspetto comune alle tre curve caratteristiche degli utilizzatori è il passaggio per l'origine degli assi: se la tensione è nulla, anche la corrente è nulla.

Altri aspetti invece non sono una regola, ma solo casi particolari, più o meno frequenti:

In genere la caratteristica non è una retta. Nell'esempio solo la linea blu è una retta
In genere la caratteristica non è simmetrica. Nell'esempio la linea rossa ha forma diversa nei due quadranti
La curva non è necessariamente monotona crescente (anche se la stragrande maggioranza dei bipoli ha caratteristica monotona)

Due ulteriori esempi:

La caratteristica di un circuito aperto è una retta coincidente con l'asse orizzontane: la corrente è sempre zero, indipendentemente dalla tensione
La caratteristica di un cortocircuito è una retta coincidente con l'asse verticale: la tensione è sempre zero e non dipende dalla corrente

Una osservazione finale: alcuni componenti possono, in momenti diversi, comportarsi da utilizzatore oppure da generatore:

Un motore in corrente continua ruota se alimentato (utilizzatore) e si comporta da generatore se fatto ruotare da una forza (dinamo)
Un accumulatore è un utilizzatore durante la carica ed un generatore durante la scarica
Un LED si illumina se alimentato e genera una tensione se illuminato (cella solare)

In caso particolare

Alcuni utilizzatori hanno una curva caratteristica molto simile ad una retta passante per l'origine, come la linea azzurra sopra rappresentata. Si tratta di un caso particolare, ma caratteristico di un bipolo (nota 4) molto utilizzato nei circuiti elettronici: il resistore.

Per questo componente (e solo per questo componente) il legame tra tensione e corrente ha una forma particolarmente semplice, nota come legge di Ohm.

Formula di Ohm

Dove:

V è la tensione ai capi del resistore, misurata in volt
I è la corrente che attraversa il resistore, misurata in ampere (nota 3)
R è una costante, tipica del resistore, misurata in ohm, con simbolo Ω (nota 3)

Per esempio possiamo applicare la formula di Ohm al seguente circuito, ottenendo V2 = R2 · I2.

Legge di Ohm

Pur nell'estrema semplicità, un sacco di studenti sbagliano ad applicare questa formula. Due tipici errori:

Nella formula vengono usati i valori di una qualunque tensione, una qualunque corrente ed una qualunque resistenza (per esempio V1 = R2 · I2). Le tre grandezze devono essere infatti relative allo stesso componente! Applicazioni corrette sono V2 = R2 · I2 e V1 = R1 · I1 (nota 2)
La formula è applicata ad un bipolo (nota 4) che non è un resistore. Per esempio Va = R · Ia. La classica domanda correlata, priva di significato: "Prof, che valore di R utilizzo?"

R1, R2 e Va sono componenti in serie, cioè attraversati dalla stessa corrente, argomento affrontato in questa pagina.

Note

Qui è descritto un generatore di tensione ideale indipendente: in esso la tensione generata non dipende né dalla corrente generata né da altre grandezze. Ovviamente è un'astrazione, ma sufficiente per i nostri scopi
Nel circuito dell'esempio I1 = I2, quindi è corretto anche V1 = R1 · I2
Spesso la formula è usata, senza cambiamenti, esprimendo le grandezze in mA, kΩ e volt
Un bipolo è un componente collegato al resto del circuito esclusivamente attraverso una coppia di morsetti
A volte uno dei due punti non è esplicitamente indicato. In questo caso si intende che la tensione è misurata rispetto ad un punto comune a tutto il circuito indicato come massa o riferimento di tensione (reference ground)
Andrebbe considerata anche la potenza che effettivamente il LED è in grado di convertire in luce visibile
Si tratta di una delle tante convenzioni usate... Molti documenti indicano tensioni e correnti in tanti altri modi!
Spesso viene detto che gli elettroni si muovono nel verso opposto alla corrente, essendo carichi negativamente. Vero, ma questa affermazione aiuta solo a confondere le idee
Più o meno per la stessa ragione per cui il peso non è indicato come "chilaggio" o la temperatura con "gradaggio"

Data di creazione di questa pagina: gennaio 2020
Ultima modifica: 19 settembre 2023