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Tensione, corrente e resistenza sono le tre grandezze fondamentali dei circuiti elettrici. La tensione è la differenza di potenziale che spinge le cariche, la corrente è il flusso ordinato di cariche per unità di tempo e la resistenza misura l'opposizione al passaggio della corrente. La legge di Ohm lega le tre grandezze in relazione lineare per i conduttori ohmici. Comprenderle permette di analizzare circuiti in serie e in parallelo, calcolare potenza dissipata e interpretare il funzionamento di dispositivi elettrici quotidiani.
Distinguere le tre grandezze
Un errore frequente è confondere tensione e corrente. La tensione è una differenza di potenziale esistente tra due punti anche senza flusso di cariche: una pila da 1,5 volt possiede tensione anche quando il circuito è aperto. La corrente esiste solo quando il circuito è chiuso e le cariche si muovono in modo ordinato. La resistenza, invece, è una proprietà del componente o del materiale, non una grandezza che il generatore fornisce. Un'analogia idraulica aiuta: la tensione corrisponde alla differenza di altezza dell'acqua, la corrente alla portata e la resistenza al diametro del tubo. L'analogia ha limiti, ma rende intuitivo il ruolo di ciascuna grandezza.
La legge di Ohm e i suoi limiti
Georg Simon Ohm pubblicò nel 1826 la relazione che lega tensione, corrente e resistenza. La legge afferma che per molti conduttori metallici, a temperatura costante, il rapporto tra tensione e corrente rimane costante: questi materiali si dicono ohmici. Il limite è importante: il filamento di una lampadina incandescente si scalda notevolmente durante il funzionamento e la sua resistenza aumenta, quindi il rapporto V/I non è costante. Anche i diodi hanno comportamento fortemente non lineare. Quando si applica la legge di Ohm occorre quindi verificare che il componente si comporti in modo ohmico nelle condizioni considerate, altrimenti i calcoli danno risultati errati.
Serie e parallelo a confronto
In un collegamento in serie i componenti sono percorsi dalla stessa corrente e le tensioni si sommano; la resistenza equivalente cresce aggiungendo elementi. In parallelo ogni ramo subisce la stessa tensione e le correnti si sommano; la resistenza equivalente diminuisce, perché si offrono più percorsi alle cariche. Un esempio domestico: le prese di una casa sono in parallelo, così ogni apparecchio riceve la stessa tensione di rete, tipicamente 230 volt in Italia, indipendentemente dagli altri dispositivi accesi. Se fossero in serie, spegnere un'apparecchiatura interromperebbe tutto il circuito e la tensione si ripartirebbe in modo imprevedibile tra i vari utilizzatori.
Potenza ed effetto Joule
La potenza elettrica dissipata da un resistore si calcola come prodotto di tensione e corrente, P = V · I. Sostituendo la legge di Ohm si ottengono le forme alternative P = R · I² e P = V² / R. L'energia dissipata si converte in calore per effetto Joule, fenomeno scoperto da James Prescott Joule e studiato indipendentemente da Lenz. Questo effetto è sfruttato nelle resistenze di stufe e tostapane, ma è anche una perdita indesiderata nelle linee di trasmissione dell'energia elettrica: per questo la rete trasporta energia ad alta tensione, riducendo la corrente e quindi le perdite proporzionali a I².
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Domande per ripassare
Perché un ammetro si collega in serie e un voltmetro in parallelo?
L'ammetro deve essere attraversato dalla stessa corrente del circuito, quindi va inserito in serie; idealmente ha resistenza interna quasi nulla per non alterare la misura. Il voltmetro deve misurare la differenza di potenziale tra due punti, quindi si collega in parallelo al componente; idealmente ha resistenza interna molto elevata per non deviare corrente dal circuito. Invertire i collegamenti rischia di danneggiare gli strumenti o il circuito.
La legge di Ohm vale sempre per qualsiasi materiale?
No. La legge descrive i conduttori ohmici, cioè materiali e componenti in cui il rapporto tra tensione e corrente resta costante a temperatura fissata. I metalli a temperatura costante si comportano in modo quasi ohmico, mentre componenti come diodi e termistori hanno una relazione tensione-corrente non lineare. Inoltre la resistenza dei metalli aumenta con la temperatura, quindi un filo che si scalda durante il funzionamento non risponde più alla stessa resistenza misurata a freddo.
Perché in un collegamento in parallelo la resistenza equivalente diminuisce?
In parallelo le cariche dispongono di più percorsi alternativi tra gli stessi due nodi, quindi il flusso totale di corrente a parità di tensione aumenta. Poiché la resistenza misura l'opposizione al flusso, un flusso maggiore a parità di tensione corrisponde a una resistenza equivalente minore. Matematicamente, l'inverso della resistenza equivalente è la somma degli inversi delle singole resistenze, e il risultato è sempre inferiore alla più piccola delle resistenze collegate.