Unità di misura: schemi e formule utili

La fisica, come disciplina scientifica, si basa sull’osservazione, la sperimentazione e la misurazione dei fenomeni naturali. Per descrivere quantitativamente i fenomeni fisici, è fondamentale utilizzare unità di misura standardizzate. Le unità di misura aiutano anche a capire le formule della fisica e a controllare di avere scritte correttamente.

In questo articolo esplorerò le principali unità di misura utilizzate in fisica, con particolare attenzione al Sistema Internazionale di Unità di Misura (SI), e i rapporti che intercorrono tra di esse.

Il Sistema Internazionale di Unità di Misura (SI)

Il Sistema Internazionale, comunemente noto come SI, è il sistema di unità di misura più diffuso a livello mondiale. È stato adottato ufficialmente nel 1960 e si basa su sette unità fondamentali, da cui derivano tutte le altre unità utilizzate per misurare grandezze fisiche.

Le sette unità fondamentali del SI

Le unità fondamentali sono quelle che non possono essere derivate da altre unità e rappresentano le basi per misurare tutte le altre grandezze fisiche. Queste sono:

1. Metro (m): è l’unità di misura della lunghezza nel SI. È definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299.792.458 secondi.
2. Chilogrammo (kg): è l’unità di misura della massa e oggi viene definito utilizzando la costante di Planck.
3. Secondo (s): è l’unità di misura del tempo. È definito in base alla transizione tra due livelli energetici dell’atomo di cesio.
4. Ampere (A): misura l’intensità della corrente elettrica. Si basa sulla quantità di carica elettrica che scorre attraverso un conduttore in un secondo.
5. Kelvin (K): è l’unità di misura della temperatura termodinamica e si basa sulla scala assoluta di temperatura.
6. Mole (mol): rappresenta la quantità di sostanza contenente un numero definito (per la precisione il numero di Avogadro) di particelle, che siano atomi, molecole, ecc.
7. Candela (cd): misura l’intensità luminosa emessa in una direzione specifica da una sorgente di luce.

Unità di misura per l’energia

L’energia è una delle grandezze fondamentali della fisica, presente in molte forme, come energia meccanica, termica, chimica ed elettrica. L’energia si misura in diverse unità, ma l’unità standard nel Sistema Internazionale è il joule (J).

1. Joule (J) – Energia, lavoro e calore Il joule è l’unità di misura dell’energia, del lavoro e del calore. Un joule è definito come il lavoro compiuto da una forza di un newton che sposta un oggetto di un metro nella direzione della forza, quindi può essere visto come una forza per una lunghezza

1J=1N⋅m

Poiché la forza può essere definita però anche come una massa per un’accelerazione (secondo la legge di Newton F=m⋅a) e l’accelerazione si misura in metri diviso secondi al quadrato, il Joule può presentarsi anche sotto questa forma:

1J=1kg⋅m²/s²

2. Caloria (cal) – Energia termica La caloria è un’unità di misura dell’energia termica, non facente parte del SI, ma comunque ampiamente utilizzata. Una caloria è la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di un grammo di acqua di un grado Celsius:

1 cal≈4,184 J1

3. Electronvolt (eV) – Energia a livello atomico L’electronvolt è un’unità di misura dell’energia comunemente utilizzata in fisica atomica e delle particelle. Un electronvolt rappresenta l’energia acquisita da un elettrone quando attraversa una differenza di potenziale di un volt:

1 eV≈1,602×10⁻¹⁹ J

4. Wattora (Wh) – Energia elettrica Il wattora misura l’energia elettrica. È l’energia consumata da un dispositivo che utilizza un watt di potenza per un’ora:

1 Wh=3600 J

Per consumi di energia più grandi, si utilizza la chilowattora (kWh), molto comune per misurare il consumo domestico di elettricità:

1 kWh=1000 Wh=3,6×10⁶ J

Unità di misura per l’elettromagnetismo

1. Coulomb (C) – Carica elettrica Il coulomb è l’unità di misura della carica elettrica. Un coulomb corrisponde alla quantità di carica trasportata da una corrente di un ampere in un secondo.

1 C=1 A⋅s

2. Volt (V) – Potenziale elettrico Il volt è l’unità di misura del potenziale elettrico o differenza di potenziale. Un volt rappresenta la differenza di potenziale che trasferisce un joule di energia per coulomb di carica:

1 V=1 J/C

3. Ohm (Ω) – Resistenza elettrica L’ohm misura la resistenza elettrica in un circuito. Un ohm è definito come la resistenza che produce una differenza di potenziale di un volt quando una corrente di un ampere scorre attraverso un conduttore:

1 Ω=1 V/A

4. Farad (F) – Capacità elettrica Il farad misura la capacità elettrica di un condensatore. Un farad è la capacità di un condensatore che accumula una carica di un coulomb con una differenza di potenziale di un volt:

1 F=1 C/V

5. Henry (H) – Induttanza L’henry è l’unità di misura dell’induttanza, una proprietà dei circuiti elettrici che descrive la loro capacità di immagazzinare energia magnetica. Un henry è l’induttanza di un circuito in cui una variazione della corrente di un ampere per secondo genera una forza elettromotrice di un volt:

1 H=1 V⋅s/A

6. Weber (Wb) – Flusso magnetico Il weber misura il flusso magnetico. Un weber è il flusso magnetico che, variando uniformemente in un secondo, induce una forza elettromotrice di un volt in un circuito chiuso:

1 Wb=1 V⋅s

7. Tesla (T) – Densità del flusso magnetico Il tesla è l’unità di misura della densità del flusso magnetico o intensità del campo magnetico. Un tesla rappresenta un weber per metro quadrato:

1 T=1 Wb/m²

8. Siemens (S) – Conduttanza elettrica Il siemens è l’unità di misura della conduttanza elettrica, l’inverso della resistenza. Un siemens corrisponde alla conduttanza di un conduttore che ha una resistenza di un ohm:

1 S=1/Ω

La seguente immagine mostra delle relazioni esistenti tra alcune delle principali grandezze dell’elettromagnetismo:

Il seguente schema invece può aiutare per i prefissi e le conversioni.