Differenza di potenziale: misura, riferimenti

La differenza di potenziale indicata con d.d.p. tra due punti A e B di un campo elettrostatico è il lavoro necessario per spostare una carica elettrica unitaria da A a B.

Detto VA il potenziale nel punto A e VB quello nel punto B la differenza di potenziale VA-VB è il rapporto tra il lavoro che le forze del campo compiono per spostare la carica q dal punto A al punto B e la carica stessa q:
VA-VB = LAB/q = EEA – EEB/q

Dove EEA e EEB sono rispettivamente l’energia potenziale elettrica ovvero la capacità che ha il campo elettrico di compiere lavoro su una carica in A e in B

Unità di misura della differenza di potenziale

L’equazione dimensionale per qualsiasi quantità è la rappresentazione che descrive le potenze a cui vengono elevate le unità fondamentali per ottenere un’unità di una quantità derivata.

La d.d.p. detta anche tensione è misurata in joule/coulomb in quanto data dal rapporto tra lavoro e carica elettrica. Questo rapporto è il Volt in onore dell’italiano Alessandro Volta che inventò la prima pila. Pertanto:
1 V = 1 J/1 C

Si può ricavare l’equazione dimensionale del volt ricordando che quella del lavoro L è [kg·m2·s-2] e quella della carica elettrica q è [A·s]. Si ha quindi:

V ≡[ kg·m2·s-2/ A·s] ≡ [kg·m2·s-3·A-1]

Riferimento

Un singolo punto non ha tensione che è definita come d.d.p. tra due punti e dipende sempre da un punto di riferimento definito 0 V. Per motivi pratici si assegna il valore zero al potenziale elettrostatico della superficie terrestre

ddp
ddp

La tensione genera il flusso di elettroni definita corrente elettrica attraverso un circuito e la relazione tra tensione e corrente è data dalla legge di Ohm  secondo la quale VA – VB = R· i

Per meglio comprendere la differenza di potenziale si può ricorrere all’analogia con l’energia potenziale gravitazionale. Quest’ultima  è l’energia posseduta da un corpo per effetto della sua posizione in un campo gravitazionale. Un esempio è costituito da un corpo di massa m che si trova ad un’altezza h rispetto a un riferimento. Essa è dovuta all’attrazione gravitazionale della terra sul corpo ed è espressa come U = m · g · h.

Applicazioni domestiche

Dalle reti di distribuzione la corrente elettrica arriva con una tensione di 230 V. Un carico elettrico, come un elettrodomestico, entra a far parte del circuito collegandolo a una spina elettrica preleva la tensione di rete a 230 V. In realtà gli elettrodomestici funzionano a bassissima tensione e contengono un trasformatore che abbassa la tensione di esercizio a poche decine di volt.

Tutti i dispositivi elettrici utilizzano il principio della differenza di potenziale nei loro circuiti elettrici. Questa differenza potenziale può essere utilizzata per capire quanta energia è disponibile per spingere le cariche attorno al circuito. 

I circuiti elettrici comportano il movimento di cariche tra diverse posizioni all’interno del campo elettrico. Poiché una carica con un potenziale maggiore ha più energia potenziale e una carica con un potenziale inferiore ne ha meno, è necessario lavorare per spostare la carica dal potenziale più alto a quello più basso. 

Gli apparecchi elettrici funzionano sia con corrente continua (CC) che con corrente alternata (CA). Nella corrente continua la carica scorre in una direzione, mentre nella corrente alternata la carica cambia direzione regolarmente. Gli strumenti elettrici come i cellulari e le celle solari funzionano con la corrente continua, mentre gli elettrodomestici, come i condizionatori, i generatori o i frigoriferi, funzionano con la corrente alternata.

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