Energia elettrica
La legge di Ohm afferma che la corrente che attraversa un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla tensione che attraversa i due punti. Introducendo la costante di proporzionalità, la resistenza,[1] si ottiene la consueta equazione matematica che descrive questa relazione:[2]
dove I è la corrente che attraversa il conduttore, V è la tensione misurata attraverso il conduttore e R è la resistenza del conduttore. Più specificamente, la legge di Ohm afferma che la R in questa relazione è costante, indipendente dalla corrente.[3] Se la resistenza non è costante, l’equazione precedente non può essere chiamata legge di Ohm, ma può comunque essere utilizzata come definizione di resistenza statica/DC.[4] La legge di Ohm è una relazione empirica che descrive accuratamente la conduttività della stragrande maggioranza dei materiali elettricamente conduttivi su molti ordini di grandezza di corrente. Tuttavia, alcuni materiali non obbediscono alla legge di Ohm; questi sono chiamati non-ohmici.
La legge prende il nome dal fisico tedesco Georg Ohm che, in un trattato pubblicato nel 1827, descrisse le misure di tensione e corrente applicate attraverso semplici circuiti elettrici contenenti varie lunghezze di filo. Ohm spiegò i suoi risultati sperimentali con un’equazione un po’ più complessa della forma moderna (vedi § Storia).
Collegamento in parallelo di resistenze
Corrente diretta e alternataCome l’acqua scorre da un’altezza elevata a una bassa, gli elettroni liberi di muoversi si spostano da un luogo a basso potenziale a un luogo ad alto potenziale. Una batteria ha due terminali che si trovano a potenziali diversi. Se i terminali sono collegati da un filo conduttore, scorrerà una corrente elettrica (cariche), come mostrato nella Figura 19.2. Gli elettroni si muoveranno quindi dalla zona a basso potenziale a quella ad alto potenziale. Gli elettroni si muovono dal terminale a basso potenziale della batteria (quello negativo) attraverso il filo ed entrano nel terminale ad alto potenziale della batteria (quello positivo).
La corrente elettrica è la velocità con cui si muove la carica elettrica. Una corrente elevata, come quella utilizzata per avviare il motore di un camion, sposta una grande quantità di carica molto rapidamente, mentre una corrente piccola, come quella utilizzata per far funzionare una calcolatrice portatile, sposta una piccola quantità di carica più lentamente. In forma di equazione, la corrente elettrica I è definita come
1A=1C/s. La corrente elettrica che si muove attraverso un filo è per molti versi simile alla corrente dell’acqua che si muove attraverso un tubo. Per definire il flusso dell’acqua attraverso un tubo, possiamo contare le molecole d’acqua che passano attraverso una determinata sezione del tubo. Come mostrato nella Figura 19.3, la corrente elettrica è molto simile. Contiamo il numero di cariche elettriche che passano attraverso una sezione di un conduttore, in questo caso un filo.
Legge di Ohm
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La legge di Ohm afferma che la tensione attraverso un resistore è direttamente proporzionale alla corrente che lo attraversa. Ciò è dato dalla formula v=iR. Ma la maggior parte dei libri di testo afferma che questa legge è violata quando il grafico v vs i è non lineare. Tuttavia, in ogni punto del grafico di un resistore non lineare, v=iR vale, solo che ora R cambia. Quindi, la mia comprensione della definizione di legge di Ohm di cui sopra è sbagliata? La legge di Ohm è definita esclusivamente per i resistori lineari?
Ohm osservò che per molti elementi (che noi chiamiamo “resistivi”) esisteva una relazione lineare tra la tensione che attraversa l’elemento e la corrente che lo attraversa. Dato che esiste una relazione lineare, si può calcolare una costante che descrive tale relazione: R.
La legge di Ohm è una relazione lineare. Quindi, per definizione, è violata da qualsiasi cosa non lineare. È semplice. Non c’è nemmeno bisogno di pensarci! In realtà, si tratta più di un’osservazione che di una legge.
Capacità
Tensione Corrente ResistenzaQuando si apre un rubinetto collegato a un tubo, l’acqua fuoriesce immediatamente. Considerate i fattori che influenzano la quantità d’acqua che scorre nel tubo. Se la pressione del rubinetto o della valvola a pressione aumenta, aumenta anche la quantità d’acqua che esce dal tubo. Tuttavia, quando nel tubo sono presenti delle strozzature, la quantità d’acqua diminuisce. È come il flusso dell’acqua in un fiume: finché c’è un dislivello dalla sorgente d’acqua al punto successivo, l’acqua continua a scorrere. Eventuali ostacoli, come sedimenti e ciottoli, rallentano o riducono la quantità d’acqua che raggiunge un’area.
Pressione, resistenza e flussoLo scorso fine settimana ero in giardino ad annaffiare i fiori quando all’improvviso il flusso dell’acqua si è quasi fermato. Ho guardato dietro di me e mi sono accorto che c’era una piega nel tubo che limitava il flusso dell’acqua. Dopo aver sistemato il nodo, il flusso d’acqua è tornato e ho ripreso ad annaffiare. Ma, qualche minuto dopo, il flusso d’acqua è rallentato di nuovo. Ho cercato un’altra piega nel tubo, ma questa volta non l’ho trovata. Sono entrato in casa e ho scoperto che il mio coinquilino stava facendo la doccia e contemporaneamente stava facendo funzionare la lavatrice e la lavastoviglie! La nostra pompa dell’acqua non era in grado di gestire una tale richiesta d’acqua e di conseguenza la pressione dell’acqua nel mio tubo da giardino era diminuita, riducendo il flusso d’acqua. Questo mi ha fatto pensare a quanto l’acqua che scorre in un tubo sia simile alla corrente elettrica in un circuito. Proprio come il flusso d’acqua era determinato dalla quantità di pressione e resistenza nel tubo, la corrente elettrica è determinata dalla quantità di tensione e resistenza in un circuito elettrico.