Che cos’è una caduta di tensione in un circuito elettrico?

In questa domanda frequente di ingegneria, daremo una breve spiegazione concettuale delle cadute di tensione e discuteremo la polarità delle tensioni cadute attraverso resistenze, condensatori e induttori.

Tensione, lavoro e flusso di corrente

Una batteria converte l’energia chimica in energia elettrica, producendo una tensione – cioè, una differenza di potenziale elettrico – attraverso i suoi due terminali. Un resistore è un componente che crea una determinata quantità di resistenza alla corrente elettrica. Quando colleghiamo i due terminali di un resistore ai due terminali di una batteria, i portatori di carica si muovono attraverso il circuito, e questo viene chiamato corrente elettrica.

La tensione trasmette la capacità di compiere il lavoro di spostare la carica da un punto all’altro. Una batteria da 5 V, per esempio, può fare 5 joule di lavoro per coulomb di carica. Quando la corrente scorre attraverso un resistore, possiamo misurare la quantità di lavoro (per unità di carica) richiesta per mantenere la corrente che scorre attraverso il resistore.

Questa è l’essenza della caduta di tensione: una batteria (o fonte di tensione) fornisce energia per fare il lavoro di spostare la carica. Quando la corrente scorre, i componenti come le resistenze consumano energia, e la quantità di lavoro per unità di carica associata alla corrente che scorre attraverso un dato componente è la caduta di tensione del componente.

La tensione caduta da un componente rappresenta una parte della tensione generata dalla batteria. In altre parole, il lavoro svolto dalla batteria è diviso tra i componenti del circuito.

Possiamo intuitivamente riconoscere che guidare una data quantità di corrente attraverso più resistenza richiederà più lavoro. Così, se due resistenze sono in serie (cioè hanno lo stesso flusso di corrente), la resistenza con più resistenza ha una caduta di tensione maggiore. Questa è la base per il funzionamento del circuito del divisore di tensione.

Polarità delle cadute di tensione

Un resistore funziona sempre come un carico, cioè come un componente che consuma energia. Se adottiamo il modello convenzionale di flusso di corrente, in cui la corrente scorre da una tensione più alta a una più bassa, la caduta di tensione attraverso un resistore è positiva dove la corrente entra nel resistore e negativa dove la corrente esce dal resistore:

Un modello di flusso di corrente che illustra come una caduta di tensione sia positiva dove la corrente entra nel resistore e negativa dove esce.

Questa polarità “si oppone” alla tensione sorgente: se collegassimo una batteria con questo stesso orientamento di polarità, guiderebbe la corrente nella direzione opposta (o contrasterebbe la tensione sorgente, a seconda di come la si pensa).

Condensatori e induttori immagazzinano energia, e di conseguenza, possono funzionare sia come carico che come sorgente. Quando agiscono come carichi, hanno la stessa polarità di un resistore.

Quando agiscono come carichi, i condensatori e gli induttori hanno la stessa polarità di un resistore.

La polarità di un condensatore non cambia quando inizia a scaricarsi. Anche se agisce come una sorgente, produce una corrente la cui direzione è opposta a quella della corrente di carica.

Invece, quando un induttore si scarica, cerca di mantenere il flusso di corrente. Così, la polarità della caduta di tensione dell’induttore cambia, perché sta generando una corrente la cui direzione è uguale a quella della corrente di carica prodotta dalla sorgente.