Georg Ohm trovò che, a temperatura costante, la corrente elettrica che scorre attraverso una resistenza lineare fissa è direttamente proporzionale alla tensione applicata attraverso di essa, e anche inversamente proporzionale alla resistenza. Questa relazione tra Tensione, Corrente e Resistenza forma la base della Legge di Ohm ed è mostrata qui sotto.
Relazione della Legge di Ohm
Conoscendo due valori qualsiasi delle quantità Tensione, Corrente o Resistenza possiamo usare la Legge di Ohm per trovare il terzo valore mancante. La legge di Ohms è molto usata nelle formule e nei calcoli elettronici, quindi è “molto importante capire e ricordare accuratamente queste formule”.
Per trovare la tensione, ( V )
V (volt) = I (ampere) x R (Ω)
Per trovare la corrente, ( I )
I (ampere) = V (volt) ÷ R (Ω)
Per trovare la resistenza, ( R )
R (Ω) = V (volt) ÷ I (ampere)
A volte è più facile ricordare questa relazione della legge di Ohm usando delle immagini. Qui le tre quantità di V, I e R sono state sovrapposte in un triangolo (affettuosamente chiamato Triangolo della legge di Ohms) dando tensione in alto con corrente e resistenza sotto. Questa disposizione rappresenta la posizione reale di ogni quantità all’interno delle formule della legge di Ohms.
Triangolo della legge di Ohms
Trasponendo l’equazione standard della legge di Ohms di cui sopra si ottengono le seguenti combinazioni della stessa equazione:
Quindi, usando la legge di Ohm, possiamo vedere che una tensione di 1V applicata ad una resistenza di 1Ω causerà il flusso di una corrente di 1A e maggiore è il valore della resistenza, minore sarà la corrente che fluirà per una data tensione applicata. Qualsiasi dispositivo o componente elettrico che obbedisce alla “legge di Ohm”, cioè la corrente che lo attraversa è proporzionale alla tensione che lo attraversa ( I α V ), come le resistenze o i cavi, si dice che sia di natura “ohmica”, e i dispositivi che non lo fanno, come i transistor o i diodi, si dice che siano dispositivi “non ohmici”.
Potenza elettrica nei circuiti
La potenza elettrica, ( P ) in un circuito è il tasso al quale l’energia viene assorbita o prodotta all’interno di un circuito. Una fonte di energia come una tensione produrrà o fornirà energia mentre il carico collegato la assorbe. Lampadine e riscaldatori, per esempio, assorbono energia elettrica e la convertono in calore, o luce, o entrambi. Più alto è il loro valore o la loro valutazione in watt, più potenza elettrica è probabile che consumino.
Il simbolo di quantità per la potenza è P ed è il prodotto della tensione moltiplicato per la corrente con l’unità di misura che è il Watt ( W ). I prefissi sono usati per indicare i vari multipli o sottomultipli di un watt, come: milliwatt (mW = 10-3W) o kilowatt (kW = 103W).
Poi usando la legge di Ohm e sostituendo i valori di V, I e R la formula per la potenza elettrica può essere trovata come:
Per trovare la Potenza (P)
P (watt) = V (volt) x I (ampere)
Anche:
P (watt) = V2 (volt) ÷ R (Ω)
Anche:
P (watt) = I2 (ampere) x R (Ω)
Di nuovo, le tre quantità sono state sovrapposte in un triangolo questa volta chiamato Triangolo della potenza con la potenza in alto e la corrente e la tensione in basso. Di nuovo, questa disposizione rappresenta la posizione reale di ogni quantità all’interno delle formule di potenza della legge di Ohm.
Il triangolo della potenza
e ancora, trasponendo l’equazione di base della legge di Ohms sopra per la potenza ci dà le seguenti combinazioni della stessa equazione per trovare le varie quantità individuali:
Così possiamo vedere che ci sono tre possibili formule per calcolare la potenza elettrica in un circuito. Se la potenza calcolata è positiva, (+P) in valore per qualsiasi formula, il componente assorbe la potenza, cioè sta consumando o utilizzando potenza. Ma se la potenza calcolata è negativa, (-P) in valore, il componente produce o genera potenza, in altre parole è una fonte di energia elettrica come batterie e generatori.
Potenza elettrica
I componenti elettrici hanno una “potenza nominale” in watt che indica il tasso massimo al quale il componente converte la potenza elettrica in altre forme di energia come calore, luce o movimento. Per esempio, una resistenza da 1/4W, una lampadina da 100W ecc.
I dispositivi elettrici convertono una forma di energia in un’altra. Così, per esempio, un motore elettrico convertirà l’energia elettrica in una forza meccanica, mentre un generatore elettrico converte la forza meccanica in energia elettrica. Una lampadina converte l’energia elettrica sia in luce che in calore.
Inoltre, ora sappiamo che l’unità di potenza è il WATT, ma alcuni dispositivi elettrici come i motori elettrici hanno una potenza nella vecchia misura di “Horsepower” o hp. La relazione tra cavalli e watt è data come: 1hp = 746W. Così, per esempio, un motore a due cavalli ha una potenza di 1492W, (2 x 746) o 1.5kW.
Partito a torta della legge di Ohm
Per aiutarci a capire meglio la relazione tra i vari valori, possiamo prendere tutte le equazioni della legge di Ohm di cui sopra per trovare tensione, corrente, resistenza e naturalmente potenza e condensarle in un semplice grafico a torta della legge di Ohm da usare nei circuiti AC e DC e nei calcoli come mostrato.
Cartogramma a torta della legge di Ohm
Oltre a usare il grafico a torta della legge di Ohm mostrato sopra, possiamo anche mettere le singole equazioni della legge di Ohm in una semplice tabella a matrice come mostrato per un facile riferimento quando si calcola un valore sconosciuto.
Tabella della matrice della legge di Ohm
Esempio n. 1 della legge di Ohm
Per il circuito mostrato sotto trovare la Tensione (V), la corrente (I), la resistenza (R) e la potenza (P).
Tensione = 2 x 12Ω = 24V
Corrente = 24 ÷ 12Ω = 2A
Resistenza = 24 ÷ 2 = 12 Ω
Potenza = 24 x 2 = 48W
La potenza in un circuito elettrico è presente solo quando sono presenti sia tensione che corrente. Per esempio, in una condizione di circuito aperto, la tensione è presente ma non c’è flusso di corrente I = 0 (zero), quindi V*0 è 0 quindi la potenza dissipata all’interno del circuito deve essere anche 0. Allo stesso modo, se abbiamo una condizione di cortocircuito, il flusso di corrente è presente ma non c’è tensione V = 0, quindi 0*I = 0 quindi di nuovo la potenza dissipata all’interno del circuito è 0.
Poiché la potenza elettrica è il prodotto di V*I, la potenza dissipata in un circuito è la stessa sia che il circuito contenga alta tensione e bassa corrente o bassa tensione e alto flusso di corrente. Generalmente, la potenza elettrica viene dissipata sotto forma di calore (riscaldatori), lavoro meccanico come i motori, energia sotto forma di radiazione (lampade) o come energia immagazzinata (batterie).
Energia elettrica nei circuiti
L’energia elettrica è la capacità di fare lavoro, e l’unità di lavoro o energia è il joule ( J ). L’energia elettrica è il prodotto della potenza moltiplicato per il tempo in cui è stata consumata. Quindi, se sappiamo quanta potenza, in watt, viene consumata e il tempo, in secondi, per il quale viene utilizzata, possiamo trovare l’energia totale utilizzata in watt-secondi. In altre parole, Energia = potenza x tempo e Potenza = tensione x corrente. Quindi la potenza elettrica è legata all’energia e l’unità data per l’energia elettrica è il watt-secondo o il joule.
La potenza elettrica può anche essere definita come il tasso di con cui viene trasferita l’energia. Se un joule di lavoro viene assorbito o consegnato a un ritmo costante di un secondo, allora la potenza corrispondente sarà equivalente a un watt, quindi la potenza può essere definita come “1Joule/sec = 1Watt”. Quindi possiamo dire che un watt è uguale a un joule al secondo e la potenza elettrica può essere definita come il tasso di fare lavoro o il trasferimento di energia.
Triangolo di potenza ed energia elettrica
o per trovare le varie quantità individuali:
Abbiamo detto prima che l’energia elettrica è definita come watt al secondo o joule. Anche se l’energia elettrica è misurata in Joule, può diventare un valore molto grande quando viene usato per calcolare l’energia consumata da un componente.
Per esempio, se una lampadina da 100 watt viene lasciata “accesa” per 24 ore, l’energia consumata sarà di 8.640.000 Joule (100W x 86.400 secondi), quindi si usano prefissi come kilojoule (kJ = 103J) o megajoule (MJ = 106J) e in questo semplice esempio, l’energia consumata sarà 8.64MJ (mega-joule).
Ma trattando con joule, kilojoule o megajoule per esprimere l’energia elettrica, la matematica coinvolta può finire con alcuni grandi numeri e molti zeri, quindi è molto più facile esprimere l’energia elettrica consumata in Kilowatt-ora.
Se la potenza elettrica consumata (o generata) è misurata in watt o kilowatt (migliaia di watt) e il tempo è misurato in ore e non in secondi, allora l’unità di energia elettrica sarà il kilowattora (kWhr). Quindi la nostra lampadina da 100 watt di cui sopra consumerà 2.400 wattora o 2,4kWhr, che è molto più facile da capire degli 8.640.000 joule.
1 kWhr è la quantità di elettricità usata da un dispositivo da 1000 watt in un’ora ed è comunemente chiamata “Unità di elettricità”. Questo è ciò che viene misurato dal contatore ed è ciò che noi come consumatori acquistiamo dai nostri fornitori di elettricità quando riceviamo le nostre bollette.
I chilowattora sono le unità standard di energia usate dal contatore di elettricità nelle nostre case per calcolare la quantità di energia elettrica che usiamo e quindi quanto paghiamo. Quindi, se accendi un fuoco elettrico con un elemento riscaldante di 1000 watt e lo lasci acceso per 1 ora, avrai consumato 1 kWhr di elettricità. Se si accendono due fuochi elettrici con elementi da 1000 watt ciascuno per mezz’ora, il consumo totale sarà esattamente la stessa quantità di elettricità – 1kWhr.
Quindi, consumare 1000 watt per un’ora usa la stessa quantità di energia di 2000 watt (il doppio) per mezz’ora (la metà del tempo). Quindi, perché una lampadina da 100 watt usi 1 kWhr o un’unità di energia elettrica, dovrebbe essere accesa per un totale di 10 ore (10 x 100 = 1000 = 1kWhr).
Ora che sappiamo qual è la relazione tra tensione, corrente e resistenza in un circuito, nel prossimo tutorial relativo ai circuiti DC, vedremo le unità elettriche standard usate nell’ingegneria elettrica ed elettronica per permetterci di calcolare questi valori e vedere che ogni valore può essere rappresentato da multipli o sottomultipli dell’unità standard.
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