PHYSIC LESSONS: ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Όλες οι ηλεκτρικές συσκευές για να λειτουργήσουν,πρέπει να τις διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα.Παραδείγματα ηλεκτρικών συσκευών είναι ο ηλεκτρικός λαμπτήρας,το ηλεκτρικό ψυγείο,ο ηλεκτρικός ανεμιστήρας,το φωτοτυπικό μηχάνημα,ο ηλεκτρονικός υπολογιστής,η τηλεόραση,το ραδιόφωνο κ.τ.λ.

Όλες οι ηλεκτρικές συσκευές για να λειτουργήσουν,πρέπει να τις διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα

Οι επιστήμονες θέλοντας να ερμηνεύσουν τα φαινόμενα τα οποία προκαλούνται από το ηλεκτρικό ρεύμα ασχολήθηκαν με τον μικρόκοσμο και τη δομή της ύλης.Έτσι συνέδεσαν το ηλεκτρικό ρεύμα με το φορτίο και το ηλεκτρικό πεδίο.

Θα μελετήσουμε τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα

Έχουμε μελετήσει τις αλληλεπιδράσεις των στατικών (ακίνητων) ηλεκτρικών φορτίων ηλεκτρικών φορτίων.Τώρα θα μελετήσουμε τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα.Επίσης θα μελετήσουμε την εφαρμογή του ηλεκτρικού ρεύματος για την κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Πρέπει σε αυτό το σημείο να μελετήσουμε την κίνηση των ηλεκτρονίων και γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων σε ορισμένη κατεύθυνση μέσα στα υλικά σώματα.

Συνδέουμε το ένα άκρο πλαστικού νήματος με το στέλεχος ενός ηλεκτροσκοπίου και αγγίζουμε το άκρο του πλαστικού νήματος με μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα.Παρατηρούμε ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου μένουν κλειστά.

Συνδέουμε το ένα άκρο πλαστικού νήματος με το στέλεχος ενός ηλεκτροσκοπίου και αγγίζουμε το άκρο του πλαστικού νήματος με μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα

Αγγίζουμε το άκρο του μεταλλικού σύρματος με μια αφόρτιστη σφαίρα και παρατηρούμε τώρα ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου απωθούνται και ανοίγουν.Συνεπώς για να κινηθούν τα ηλεκτρικά φορτία υπάρχουν δύο προϋποθέσεις.Τα ηλεκτρόνια να είναι ελεύθερα να κινηθούν.Γι’ αυτό πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αγωγούς.Επίσης θα πρέπει να υπάρχει κάποια δύναμη για να τα κινήσει.Γι’ αυτό πρέπει να δημιουργήσουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον αγωγό ώστε να τους ασκήσει δύναμη.

Αγγίζουμε το άκρο του μεταλλικού σύρματος με μια αφόρτιστη σφαίρα και παρατηρούμε τώρα ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου απωθούνται και ανοίγουν

Όλα τα σώματα στο εσωτερικό τους διαθέτουν ηλεκτρικά φορτία.Σε μερικά υλικά τα φορτισμένα σωματίδια είναι ελεύθερα να κινηθούν.Τα σωματίδια αυτά κινούνται άτακτα και τυχαία προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.Όταν όμως το σώμα τοποθετηθεί μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο,τότε τα ελεύθερα αυτά σωματίδια κινούνται εξαναγκάζονται να κινηθούν προς την ίδια κατεύθυνση.Την προσανατολισμένη αυτή κίνηση των σωματιδίων την ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζουμε την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων.

Σ'έναν αγωγό είναι δυνατόν να δημιουργηθεί προσανατολισμένη κίνηση,δηλαδή κίνηση προς μια κατεύθυνση φορτισμένων σωματιδίων.Αντίθετα κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει στους μονωτές.Στους μεταλλικούς αγωγούς τα σωματίδια που εκτελούν την προσανατολισμένη κίνηση είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τότε λέμε ότι ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει τον αγωγό.

Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζουμε την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων.

Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί αγωγοί.Τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται με την ίδια ευκολία σε όλους τους αγωγούς.Για παράδειγμα σε ένα χάλκινο σύρμα κινούνται πιο εύκολα απ'ότι σ'ένα σιδερένιο σύρμα των ίδιων όμως διαστάσεων.Έτσι λέμε ότι ότι ο χαλκός είναι καλύτερος αγωγός από το σίδερο.Πάντως οι μονωτές διαθέτουν ελάχιστα ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Στους μεταλλικούς αγωγούς τα σωματίδια που εκτελούν την προσανατολισμένη κίνηση είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τότε λέμε ότι ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει τον αγωγό

Υπάρχουν διάφορα υλικά που συμπεριφέρονται άλλοτε ως αγωγοί και άλλοτε ως μονωτές.Τα υλικά αυτά που έχουν αυτή την ιδιότητα ονομάζονται ημιαγωγοί.Παραδείγματα ημιαγωγών είναι το πυρίτιο,το γερμάνιο κ.α.

ΗΜΙΑΓΩΓΟΣ

Ημιαγωγός ονομάζεται κάθε υλικό, όπως το γερμάνιο ή το πυρίτιο,που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις,όπως είναι αύξηση της θερμοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός.

Ημιαγωγός ονομάζεται κάθε υλικό, όπως το γερμάνιο ή το πυρίτιο, που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις, όπως είναι αύξηση της θερμοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός

Ένας ημιαγωγός, όπως το πυρίτιο,στην καθαρή κρυσταλλική του μορφή,είναι καλός μονωτής.Ωστόσο,όταν έστω και ένα άτομο μέσα σε εκατομμύρια αντικατασταθεί από μία πρόσμιξη (φωσφόρος ή αρσενικό) που προσθέτει ένα ηλεκτρόνιο από την κρυσταλλική δομή τότε η αγωγιμότητά τους αυξάνεται θεαματικά.

Ημιαγωγός από πυρίτιο

Το ίδιο συμβαίνει αν η πρόσμιξη γίνει με άτομο που αφαιρεί ηλεκτρόνιο (βόριο,αργίλιο ή γάλλιο).Στην πρώτη περίπτωση, προκύπτει ημιαγωγός τύπου n (n από negative καθώς έχουμε παραπάνω ηλεκτρόνια άρα και φορείς αρνητικού φορτίου) και στη δεύτερη τύπου p (p από positive καθώς έχουμε επιπλέον οπές που δηλώνουν απουσία ηλεκτρονίων άρα ύπαρξη θετικού φορτίου).Αυτός ο τρόπος πρόσμιξης ονομάζεται νόθευση.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΗΓΗ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Για τις ανάγκες της καθημερινής μας ζωής χρησιμοποιούμε ηλεκτρικά στοιχεία για τη λειτουργία φορητών ραδιοφώνων,ρολογιών και φακών.

Διάφορες μικρές μπαταρίες

Επίσης χρησιμοποιούμε ηλεκτρικούς συσσωρευτές,δηλαδή μπαταρίες, για τη λειτουργία των ηλεκτρικών οργάνων του αυτοκινήτου και φωτοστοιχεία για τη λειτουργία των μικρών αριθμομηχανών.

Φωτοστοιχείο

Τέλος χρησιμοποιούμε ηλεκτρικές γεννήτριες για το φωτισμό των εξοχικών σπιτιών.Όλες αυτές οι συσκευές είναι ηλεκτρικές πηγές.
Για τη συνεχή παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό ή ηλεκτρικό κύκλωμα χρησιμοποιούνται οι ηλεκτρικές πηγές.Υπάρχουν διάφορα είδη ηλεκτρικών πηγών.Όπως είπαμε οι γνωστότερες από αυτές είναι:
α) τα ηλεκτρικά στοιχεία,
β) οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική,
γ) οι ηλεκτρικές γεννήτριες που μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και
δ) τα φωτοστοιχεία που μετατρέπουν τη φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική.Όταν δύο ή περισσότερα στοιχεία συνδέονται μεταξύ τους,τότε σχηματίζεται μία ηλεκτρική στήλη.

Μία γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική

Σε κάθε ηλεκτρική πηγή υπάρχουν δύο αντίθετα ηλεκτρισμένες περιοχές τις οποίες ονομάζουμε ηλεκτρικούς πόλους.Μεταξύ του θετικού και του αρνητικού πόλου κάθε ηλεκτρικής πηγής δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο.

Στο εσωτερικό ενός μεταλλικού αγωγού υπάρχουν θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια.Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία προς κάθε κατεύθυνση,ενώ τα ιόντα ταλαντώνονται γύρω από καθορισμένες θέσεις.Η ηλεκτρική πηγή δημιουργεί στα άκρα της διαφορά δυναμικού (τάση) και προσφέρει στο κύκλωμα την ενέργειά της.

Ο πόλος που βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό λέγεται θετικός πόλος (+) και ο πόλος που βρίσκεται σε χαμηλότερο δυναμικό λέγεται αρνητικός πόλος (-)

Τα άκρα της πηγής ονομάζονται πόλοι της πηγής.Ο πόλος που βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό λέγεται θετικός πόλος (+) και ο πόλος που βρίσκεται σε χαμηλότερο δυναμικό λέγεται αρνητικός πόλος (-).

Όταν συνδέσουμε τους δύο πόλους μιας μπαταρίας με σύρμα τότε στο εσωτερικό του σύρματος δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο

Όταν συνδέσουμε τους δύο πόλους μιας μπαταρίας με σύρμα τότε στο εσωτερικό του σύρματος δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο,οπότε στα ελεύθερα ηλεκτρόνια ασκείται ηλεκτρική δύναμη και η κίνησή τους προσανατολίζεται από την κατεύθυνση της δύναμης.

Σύμβολο πηγής συνεχούς τάσης

Έτσι αυτά κινούνται από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο και στο μεταλλικό αγωγό εμφανίζεται προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων,δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα.Η μπαταρία είναι μια απλή ηλεκτρική πηγή.

Σύμβολο πηγής εναλλασσόμενης τάσης

Έχουμε δύο είδη ηλεκτρικών πηγών:

α) πηγές συνεχούς τάσης, στις οποίες ο θετικός και ο αρνητικός πόλος είναι καθορισμένοι.

β) πηγές εναλλασσόμενης τάσης, στις οποίες ο θετικός και ο αρνητικός πόλος εναλλάσσονται.

ΕΝΤΑΣΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κάτι ανάλογο προς το ρεύμα ενός ποταμού ή τη ροή νερού μέσα σε σωλήνα.Στην περίπτωση της ροής νερού σε σωλήνα δε μας ενδιαφέρει η ολική ποσότητα του νερού,που υπάρχει στο σωλήνα,άλλα η ποσότητα του νερού που περνάει από κάποια διατομή του σωλήνα στη μονάδα του χρόνου.

Η ροή υγρού μέσα σε σωλήνα μοιάζει με τη ροή του ηλεκτρικού φορτίου σε αγωγό

Το ανάλογο μας ενδιαφέρει και στην περίπτωση του ηλεκτρικού ρεύματος,δηλαδή μας ενδιαφέρει να γνωρίζουμε την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου q που περνάει από κάποια διατομή του αγωγού στη μονάδα του χρόνου.Μπορούμε να μετρήσουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που διέρχονται από μια διατομή του σύρματος του στη μονάδα του χρόνου.Αντί όμως να μετρήσουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων,αρκεί να μετρήσουμε το ολικό φορτίο που μεταφέρουν καθώς κινούνται κατά μήκος ενός αγωγού.

Ένταση I του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με πηλίκο του φορτίου Q που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού σε χρονικό διάστημα t προς το χρονικό διάστημα

Το μέγεθος αυτό που μετράει την ηλεκτρική παροχή ενός αγωγού ονομάζεται ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος και ορίζεται ως εξής:
Ένταση I του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με πηλίκο του φορτίου Q που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού σε χρονικό διάστημα t προς το χρονικό διάστημα.

$I = {Q \over t} \, ,$

Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων ως μονάδα μέτρησης της έντασης χρησιμοποιείται το 1 Ampere:

1A=1 C/s

Το 1 Ampere μαζί με το 1m(μέτρο),το 1 kgr(χιλιόγραμμο),το 1sec και μερικές άλλες μονάδες αποτελούν τις θεμελιώδεις μονάδες του Διεθνούς Συστήματος (S.I).

Ο Αντρέ Μαρί Αμπέρ (20 Ιανουαρίου 1775 - 10 Ιουνίου 1836) ήταν Γάλλος φυσικός και κύριος θεμελιωτής του ηλεκτρομαγνητισμού και της ηλεκτροδυναμικής. Ασχολήθηκε με πλήθος επιστημονικών θεμάτων, αλλά το ενδιαφέρον του στράφηκε κυρίως στον ηλεκτρομαγνητισμό

Στη πράξη χρησιμοποιούνται συχνά πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια της μονάδας Α,ανάλογα με την τιμή της έντασης.

1mΑ=10^-3Α

1μΑ=10^-6Α

Από τον τελευταίο τύπο μπορούμε να βρούμε τη σχέση που συνδέει τη μονάδα φορτίου (1 Cb) με την μονάδα εντάσεως (1Α).Η σχέση αυτή είναι:

1Α=1Cb/sec

1Cb=1Α×sec

Η σχέση 1Cb=1Α× sec μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τον ορισμό της μονάδας φορτίου,η οποία στο Διεθνές Σύστημα είναι παράγωγος μονάδα (παράγεται από 1Α και το 1 sec).

Το αμπερόμετρο είναι όργανο που μετράει την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος

Τα όργανα που χρησιμοποιούμε για να μετράμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζονται αμπερόμετρα.Κάθε αμπερόμετρο έχει δύο ακροδέκτες με τους οποίους συνδέεται με την μπαταρία.

Το αμπερόμετρο συνδέεται σε σειρά με τον αγωγό για να μετρήσουμε την ένταση του ρεύματος

Για να μετρήσουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται από έναν αγωγό,παρεμβάλλουμε το αμπερόμετρο,έτσι ώστε το ρεύμα να διέλθει μέσα από αυτό.
Αυτός ο τρόπος σύνδεσης ονομάζεται σύνδεση σε σειρά.

Τα πολύμετρα εκτός από την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μετράνε και άλλα μεγέθη,όπως την ηλεκτρική τάση και την αντίσταση

Τα τελευταία χρόνια υπάρχουν σύγχρονα όργανα τα οποία ονομάζονται πολύμετρα,τα οποία εκτός από την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μετράνε και άλλα μεγέθη,όπως την ηλεκτρική τάση και την αντίσταση.

Η ΦΟΡΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Για τη μέτρησή του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα σημείο θεωρούμε μία θετική φορά,επειδή η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος έχει φορά.Έτσι, αν το μέγεθος είναι θετικό σημαίνει ότι το δυναμικό μειώνεται κατά τη φορά που επιλέξαμε, ενώ αν το μέγεθος είναι αρνητικό σημαίνει ότι το δυναμικό αυξάνεται κατά την κατεύθυνση που επιλέξαμε.Όταν σημειώνουμε γραφικά τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος με βέλος,τότε δείχνει κατά τη φορά μείωσης του δυναμικού.

Η πραγματική και η συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος

Στους μεταλλικούς αγωγούς το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται στην κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων,τα οποία κινούνται από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο της ηλεκτρικής πηγής.Η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων λέγεται πραγματική φορά.Ωστόσο,έχει επικρατήσει,για ιστορικούς λόγους,να θεωρούμε φορά του ρεύματος την αντίθετη από την φορά κίνησης των ηλεκτρονίων,που λέγεται συμβατική φορά.

Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων,η οποία δεν ταυτίζεται απαραίτητα με τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος

Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων, η οποία δεν ταυτίζεται απαραίτητα με τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος.Η φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ταυτόσημη με τη φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων, όταν το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται αποκλειστικά στην κίνηση θετικών φορτίων στον αγωγό.Παλιότερα πίστευαν ότι τα ελεύθερα κινούμενα φορτία στα μέταλλα ήταν θετικά,δηλαδή ότι οι δύο φορές,της έντασης και της κίνησης των φορτίων στους αγωγούς αυτούς,ταυτίζονταν.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Στο ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται η λειτουργία πολλών ηλεκτρικών συσκευών στην καθημερινότητα μας.Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από την ύλη,φέρνει αποτελέσματα,τα σπουδαιότερα τα οποία είναι τα θερμικά,τα ηλεκτρομαγνητικά,τα χημικά και τα φωτεινά αποτελέσματα.

α) Θερμικά αποτελέσματα:
Τα θερμικά αποτελέσματα του ρεύματος είναι ίσως από τα πιο φανερά και γνωστά φαινόμενα του ρεύματος.Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τη θέρμανση των σωμάτων τα οποία διαρρέει.

Η ηλεκτρική κουζίνα είναι ένα παράδειγμα συσκευής που λειτουργεί με βάση τα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Παραδείγματα συσκευών που λειτουργούν με βάση τα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ο φωτισμός,η ηλεκτρική θερμάστρα,το σίδερο,το βολταϊκό τόξο,ο θερμοσίφωνας,οι θερμοσυσσωρευτές,η ηλεκτρική κουζίνα,το ηλεκτρικό καμίνι,οι σωλήνες φωτεινών διαφημίσεων,λαμπτήρες φθορισμού κλπ.Στις περιπτώσεις αυτές η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική.

β) Ηλεκτρομαγνητικά αποτελέσματα:
Οι αγωγοί τους οποίους διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργούν γύρω τους μαγνητικά μαγνητικά πεδία.

Η τηλεόραση είναι ένα παράδειγμα συσκευής που λειτουργεί με βάση τα ηλεκτρομαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Στα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα στηρίζεται η λειτουργία των ηλεκτρομαγνητικών γερανών,οι ηλεκτρομαγνήτες που χρησιμοποιούνται στο τηλέφωνο, στο ραδιόφωνο, στη τηλεόραση και στον ασύρματο.Επίσης η κίνηση των ηλεκτρικών τρένων,οι αυτόματοι διακόπτες,η λειτουργία των ηλεκτρικών ψυγείων,η μίζα του αυτοκινήτου κ.α.

γ) Χημικά αποτελέσματα:
Μέσα σε ποτήρι που περιέχει διάλυμα χλωριούχου νατρίου,βυθίζουμε δύο χάλκινα καλώδια(ηλεκτρόδια) που έχουμε συνδέσει με τους πόλους μιας πηγής συνεχούς ρεύματος και παρατηρούμε ότι πάνω στο αρνητικό ηλεκτρόδιο ελευθερώνονται φυσαλίδες αερίου.

Ένα ποτήρι που περιέχει διάλυμα χλωριούχου νατρίου,βυθίζουμε δύο χάλκινα καλώδια(ηλεκτρόδια)

Από αυτό συμπεραίνουμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα,όταν διέρχεται από διαλύματα ηλεκτρολυτών,προξενεί χημικές μεταβολές,δηλαδή χημικά φαινόμενα.

Οι μπαταρίες είναι ένα παράδειγμα συσκευής που λειτουργεί με βάση τα χημικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Όταν ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται διαμέσου χημικών ουσιών, προκαλεί χημικές μεταβολές.Παραδείγματα συσκευών που λειτουργούν με βάση τα χημικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι οι ηλεκτρικές μπαταρίες,των συσσωρευτών ηλεκτρικής ενέργειας,η επιμετάλλωση, η επαργύρωση,η γαλβανοπλαστική,χημικά στοιχεία από νάτριο,υδρογόνο,αλουμίνιο κ.τ.λ.

δ) Φωτεινά αποτελέσματα:
Σε κάποιες περιπτώσεις το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί την εκπομπή φωτός είτε λόγω αύξησης της θερμοκρασίας (λαμπτήρας πυράκτωσης) είτε λόγω της διέλευσης του από αέρια (λαμπτήρας φθορισμού).

Ένα παράδειγμα συσκευής που λειτουργεί με βάση τα φωτεινά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η λάμπα

Αυτά βρίσκουν την εφαρμογή τους στις λάμπες,στο βολταϊκό τόξο,στους σωλήνες φθορισμού,στην ηλεκτρική κάμινο κ.ά.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από κλειστούς αγώγιμους «δρόμους»,μέσω των οποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα .

Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από κλειστούς αγώγιμους «δρόμους»,μέσω των οποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα

Στα ηλεκτρικά κυκλώματα διακρίνουμε επιπλέον τα εξής μέρη:
α) Κόμβος:Σημείο στο οποίο συντρέχουν περισσότεροι από δύο αγωγοί.Συνήθως επισημαίνονται με γράμματα ως σημεία αναφοράς για τη μελέτη του κυκλώματος.
β) Κλάδος:Μέρος ενός κυκλώματος μεταξύ δύο διαδοχικών κόμβων.
γ) Βρόχος:Μέρος ενός κυκλώματος που απαρτίζεται από διαδοχικούς κλάδους σχηματίζοντας μία ακριβώς κλειστή διαδρομή.

Τα σύμβολα των απλών ηλεκτρικών στοιχείων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα

Τα στοιχεία τα οποία συμμετέχουν στο κύκλωμα ονομάζονται ηλεκτρικά στοιχεία.

ΚΛΕΙΣΤΟ ΚΑΙ ΑΝΟΙΧΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Αν παρατηρήσουμε μια μπαταρία,τα ηλεκτρονικά παιχνίδια,ένα λαμπτήρα ή οποιαδήποτε άλλη ηλεκτρική συσκευή θα διαπιστώσουμε ότι έχουν δύο άκρα (πόλους).Αν συνδέσουμε με σύρμα τα άκρα μιας μπαταρίας με τα άκρα ενός λαμπτήρα,θα παρατηρήσουμε ότι ο λαμπτήρας φωτοβολεί.

Μέσα στο σύρμα και στο λαμπτήρα κινούνται ηλεκτρόνια με κατεύθυνση από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο της μπαταρίας

Μέσα στο σύρμα και στο λαμπτήρα κινούνται ηλεκτρόνια με κατεύθυνση από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο της μπαταρίας.Επίσης κινούνται μέσα στην μπαταρία με κατεύθυνση από το θετικό προς τον αρνητικό πόλο της.Δηλαδή τα ηλεκτρόνια ακολουθούν μια κλειστή διαδρομή.Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι διαθέτουμε ένα κλειστό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος.

Κλειστό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται το κύκλωμα του ηλεκτρικού ρεύματος στο οποίο τα ηλεκτρόνια ακολουθούν μια κλειστή διαδρομή.

Κλειστό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται το κύκλωμα του ηλεκτρικού ρεύματος στο οποίο τα ηλεκτρόνια ακολουθούν μια κλειστή διαδρομή

Αν αποσυνδέσουμε το σύρμα από τον ένα πόλο της μπαταρίας ή από το ένα άκρο του λαμπτήρα, θα παρατηρήσουμε ότι ο λαμπτήρας σβήνει.Σε αυτή την περίπτωση μεταξύ του ελεύθερου άκρου του σύρματος και του πόλου της μπαταρίας ή του άκρου του λαμπτήρα παρεμβάλλεται ο αέρας ο οποίος είναι μονωτής.Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν μέσα σ’ αυτόν,με συνέπεια και η κίνησή τους μέσα στο λαμπτήρα και την μπαταρία να σταματά.Το κύκλωμα ονομάζεται ανοιχτό.

Ανοικτό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται το κύκλωμα του ηλεκτρικού ρεύματος στο οποίο τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν μέσα σ'αυτόν

Ανοικτό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται το κύκλωμα του ηλεκτρικού ρεύματος στο οποίο τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν μέσα σ'αυτόν.

Από ένα ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα δεν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.Ένα ανοιχτό κύκλωμα μετατρέπεται εύκολα σε κλειστό και αντίστροφα με τη βοήθεια ενός διακόπτη.

Ένα ανοιχτό κύκλωμα μετατρέπεται εύκολα σε κλειστό και αντίστροφα με τη βοήθεια ενός διακόπτη

Για να φωτοβολεί ο λαμπτήρας, πρέπει το κύκλωμα να μη διακόπτεται σε κανένα σημείο του.Όταν τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ακολουθήσουν μια κλειστή διαδρομή έχουμε ένα ανοικτό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος.Ο αέρας που παρεμβάλλεται είναι μονωτής.Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν μέσα σ' αυτόν,με συνέπεια και η κίνησή τους μέσα στο λαμπτήρα και την μπαταρία να σταματά.

Ένα πολύμπριζο με ένα διακόπτη

Ο διακόπτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για να απομονώσει μέρος ενός κυκλώματος.Το κύκλωμα ονομάζεται κλειστό, όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, γιατί το σχέδιό του είναι μια κλειστή καμπύλη.Το κύκλωμα ονομάζεται ανοιχτό, όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, γιατί το σχέδιό του είναι μια ανοιχτή καμπύλη. Αυτή η ορολογία αντιτίθεται στην καθημερινή ορολογία η οποία περιγράφει το ίδιο φαινόμενο, για παράδειγμα λέμε άνοιξε το φως και εννοούμε στην ηλεκτρολογική ορολογία κλείσε το κύκλωμα που παράγει φως.
Έτσι,οι διακόπτες επιτελούν τις εξής τρεις λειτουργίες:
α) Ανοίγουν σε εξαιρετικές περιπτώσεις ένα κύκλωμα,όπως για παράδειγμα ο γενικός διακόπτης ενός νοικοκυριού.
β) Κλείνουν σε εξαιρετικές περιπτώσεις ένα κύκλωμα,όπως για παράδειγμα ο συναγερμός ενός νοικοκυριού.
γ) Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάστασης ενός κυκλώματος,όπως για παράδειγμα ένα φωτιστικό σε κομοδίνο.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΗΓΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Το ηλεκτρικό ρεύμα όπως είπαμε είναι η προσανατολισμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων.Λόγω της δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από την πηγή τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται.

Το έργο της δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου εκφράζει την ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα φορτία

Έτσι η δύναμη αυτή παράγει έργο.Το έργο αυτής της δύναμης εκφράζει την ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα φορτία.Την ενέργεια αυτή την ονομάζουμε ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος.

Ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται η ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα,που αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό ρεύμα),λόγω της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού.

Ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζεται η ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα, που αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό ρεύμα), λόγω της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού

Όταν γίνεται χρήση του ηλεκτρισμού η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλη μορφή ενέργειας π.χ. σε κινητική ενέργεια όταν λειτουργεί ένας κινητήρας ή σε φως όταν ανάβει ένας λαμπτήρας.

Πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζεται κάθε συσκευή στην οποία μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική

Πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζεται κάθε συσκευή στην οποία μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική.Σε μια ηλεκτρική πηγή δεν παράγεται ενέργεια από το μηδέν.Απλώς μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική.Η μορφή της ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική εξαρτάται από το είδος της ηλεκτρικής πηγής.

Η μορφή της ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική εξαρτάται από το είδος της ηλεκτρικής πηγής

Έτσι σε μία κοινή μπαταρία ή σ'ένα συσσωρευτή(μπαταρία αυτοκινήτου) χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική,ενώ σε μια γεννήτρια κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική.Σ'ένα φωτοστοιχείο ενέργεια της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική.Σ΄ένα θερμοστοιχείο θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική.

Ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια

Ο σύγχρονος κόσμος εξαρτά την επιβίωση και την ευημερία του του από αυτό το είδος ενέργειας. Η πλειονότητα των συσκευών λειτουργεί με ηλεκτρικό ρεύμα.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.Οι κυριότεροι είναι η καύση διαφόρων ουσιών (λιγνίτης, πετρέλαιο, κάρβουνο),τα πυρηνικά εργοστάσια,τα ηλιακά πάρκα,τα υδροηλεκτρικά φράγματα και τα αιολικά πάρκα.Τα τελευταία 20 χρόνια γίνονται έντονες προσπάθειες αύξησης του ποσοστού ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται με τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.).

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.)

Το μεγάλο μειονέκτημα της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η δύσκολη, σχεδόν αδύνατη μακροχρόνια αποθήκευσή της.Για το λόγο αυτό θα πρέπει να καταναλώνεται ταυτόχρονα με την παραγωγή της ή να αποθηκεύεται αφού πρώτα μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας (π.χ. χημική, δυναμική κ.λ.π.).Η ανάγκη άμεσης κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας έχει οδηγήσει στην κατασκευή ενός παγκόσμιου πλέγματος ηλεκτρικών δικτύων,έτσι ώστε να μπορεί να μεταφέρεται εύκολα,από το σημείο παραγωγής της,στο σημείο κατανάλωσης.

Η ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΣΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Για να καταλάβουμε την αιτία που προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό,θα αναφέρουμε ένα υδραυλικό παράδειγμα.Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο δοχεία Α και Β συνδεδεμένα με ένα σωλήνα οριζόντιο και τοποθετημένο κοντά στη βάση τους.Βάζουμε νερό και στα δύο δοχεία,αλλά φροντίζουμε η στάθμη του νερού στο ένα δοχείο να είναι ψηλότερα από το άλλο.

Δύο δοχεία Α και Β συνδεδεμένα με ένα σωλήνα οριζόντιο και τοποθετημένο κοντά στη βάση τους

Επίσης,για να κινείται το νερό μόνο όταν θέλουμε εμείς,τοποθετούμε ένα διακόπτη Σ (στρόφιγγα) στο σωλήνα.Όταν ανοίγουμε τη στρόφιγγα,παρατηρούμε ότι το νερό ρέει από το δοχείο Α προς το Β,κι αυτό γιατί στα άκρα Γ και Δ του σωλήνα υπάρχει διαφορά πιέσεως.Η υδροστατική πίεση στο Γ είναι μεγαλύτερη από την πίεση στο Δ.Το αίτιο ροής του νερού μέσα στο σωλήνα,είναι η διαφορά πιέσεως στα άκρα του.
Κατά ανάλογο τρόπο το αίτιο της κυκλοφορίας ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό η σε ένα κύκλωμα είναι η διαφορά δυναμικού στα άκρα του Α και Β,που συμβολίζεται με V.

Η διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση στα άκρα ενός αγωγού είναι το αίτιο του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό

Η διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση στα άκρα ενός αγωγού είναι το αίτιο του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό.

Στον υπολογισμό της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας δεν χρησιμοποιούμε το απόλυτο ύψος αλλά τη διαφορά ύψους.Έτσι και στην ηλεκτρική δυναμική ενέργεια δεν μας ενδιαφέρει το απόλυτο δυναμικό αλλά η διαφορά δυναμικού.

ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΣΤΑ ΑΚΡΑ ΕΝΟΣ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ

Ένα από τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος,όταν περνάει μέσα από αγωγούς,είναι η παραγωγή θερμότητας.Αυτό φανερώνει ότι κατά την κίνηση ηλεκτρικού φορτίου,από ένα σημείο ενός αγωγού σε άλλο,παράγεται έργο,που μετατρέπεται σε θερμότητα.

Ας υποθέσουμε ότι κάποιο φορτίο q μετακινείται από το άκρο Α στο άκρο Β ενός αγωγού και το έργο που παράγεται κατά τη μετακίνηση αυτή είναι W.Το πηλίκο W/q ορίζεται ως διαφορά δυναμικού μεταξύ των σημείων Α και Β.

Διαφορά δυναμικού μεταξύ δυο σημείων αγωγού ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο του έργου W ,που παράγεται κατά την κίνηση φορτίου από το ένα σημείο στο άλλο,δια του φορτίου q

Άρα:
Διαφορά V δυναμικού μεταξύ δυο σημείων αγωγού ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο του έργου W,που παράγεται κατά την κίνηση φορτίου από το ένα σημείο στο άλλο,δια του φορτίου q.

V=W/q

Μονάδα μέτρησης στο Διεθνές Σύστημα είναι το 1 Volt (1 V) και βρίσκεται από τον παραπάνω τύπο:

1 Volt=1 Joule/1 Coulomb

1V=1J/Cb

Θα λέμε ότι μεταξύ δύο σημείων Α και Β αγωγού υπάρχει διαφορά δυναμικού 1 Volt,όταν παράγεται έργο 1 Joule κατά την μετακίνηση φορτίου 1Cb μεταξύ των σημείων αυτών.

Ο Ιταλός Φυσικός Αλεσάντρο Βόλτα(1745 - 1827) εισήγαγε τις έννοιες του δυναμικού (τάσης) και της ηλεκτρικής χωρητικότητας. Εφηύρε τη βολταïκή στήλη (ηλεκτρική μπαταρία), το ηλεκτρόμετρο και το ευδιόμετρο

Εκτός από το 1V χρησιμοποιούνται επίσης πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια της μονάδας π.χ.

1mV=10^-3V,

10

κ.τ.λ.

Βολτόμετρο ονομάζεται το όργανο που μετράει τη διαφορά δυναμικού στα άκρα ενός στοιχείου του κυκλώματος.

Βολτόμετρο ονομάζεται το όργανο που μετράει τη διαφορά δυναμικού στα άκρα ενός στοιχείου του κυκλώματος

Τα βολτόμετρα συνδέονται πάντα παράλληλα (σε διακλάδωση) σε ένα κύκλωμα,για τον λόγο αυτό έχουν μεγάλη εσωτερική αντίσταση σε σχέση με τα άλλα στοιχεία του κυκλώματος ώστε να μην επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του.

Το σύμβολο ενός Βολτομέτρου σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα

Υπάρχουν αναλογικά (ηλεκτρομηχανικά) βολτόμετρα κινητού πηνίου και ψηφιακά βολτόμετρα.Ειδικός τύπος είναι τα ηλεκτροστατικά βολτόμετρα για υψηλές τάσεις.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΠΟΛΑ

Όλες οι ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούμε ( μπαταρίες,, λαμπτήρες , οικιακές ηλεκτρικές συσκευές κ.λ.π.) διαθέτουν δύο άκρα (πόλους) και ονομάζονται ηλεκτρικά δίπολα.
Ηλεκτρικά δίπολα ονομάζονται οι συσκευές οι οποίες διαθέτουν δύο άκρα(πόλους).

Όταν στα άκρα ενός ηλεκτρικού διπόλου εφαρμόσουμε μια ηλεκτρική τάση,V, τότε από το δίπολο θα διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα έντασης Ι.Αν αλλάξουμε την τιμή της τάσης V, θα μεταβληθεί και η ένταση Ι.Ο τρόπος που μεταβάλλεται η ένταση του ρεύματος του διπόλου όταν μεταβάλλουμε την τάση στους πόλους του εξαρτάται από το διπόλο.

ANTIΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΠΟΛΟΥ

Για να μετρήσουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι που διέρχεται από ένα δίπολο όταν εφαρμόζεται στους διέρχεται από ένα δίπολο όταν εφαρμόζεται στους πόλους του ηλεκτρική τάση V, ορίζουμε ένα φυσικό μέγεθος που το ονομάζουμε ηλεκτρική αντίσταση του διπόλου και τη συμβολίζουμε με το γράμμα R (= Resistance).

Ηλεκτρικές αντιστάσεις

Η ηλεκτρική αντίσταση μας μας δείχνει τη δυσκολία του ρεύματος για να περάσει μέσα από ένα δίπολο για μια δεδομένη δεδομένη τάση τάση.Π.χ. Το ρεύμα περνάει με μεγαλύτερη δυσκολία από το λαμπτήρα λαμπτήρα σε σχέση με τον ηλεκτρικό κινητήρα.

Ηλεκτρική αντίσταση ενός ηλεκτρικού διπόλου ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης (V) που εφαρμόζεται στους πόλους του διπόλου προς την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που το διαρρέει

Ηλεκτρική αντίσταση (R) ενός ηλεκτρικού διπόλου ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης (V) που εφαρμόζεται στους πόλους του διπόλου προς την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που το διαρρέει.

$R=\frac{V}{I}$

Η μονάδα αντίστασης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι ο Ωμ (1 Ohm).Όμως η αντίσταση είναι παράγωγο μέγεθος και η μονάδα μέτρησης της εκφράζεται με τη βοήθεια της τελευταίας σχέσης:

$\Omega = \dfrac{\mbox{V}}{\mbox{A}} = \dfrac{\mbox{m}^2 \cdot \mbox{kg}}{\mbox{s} \cdot \mbox{C}^2} = \dfrac{\mbox{J}}{\mbox{s} \cdot \mbox{A}^2}=\dfrac{\mbox{kg}\cdot\mbox{m}^2}{\mbox{s}^3 \cdot \mbox{A}^2}= \dfrac{\mbox{J} \cdot \mbox{s}}{\mbox{C}^2}$

Συνήθως χρησιμοποιούμε τα πολλαπλάσια: το κιλοωμ (1ΚΩ=10³ Ω) και το μεγαωμ(1 ΜΩ=10³ ΚΩ=10⁶Ω).

Το σύμβολο της Ηλεκτρικής αντίστασης

Τα όργανα για τη μέτρηση της αντίστασης ονομάζονται ωμόμετρα.

Το ωμόμετρο είναι ένα ηλεκτρονικό όργανο το οποίο μετράει την αντίσταση ενός διπόλου.Το ίδιο όργανο ονομάζεται και πολύμετρο γιατί μπορεί να μετρήσει εκτός από την αντίσταση και την ένταση,την τάση κ.λ.π.

Γενικά η αντίσταση ενός ηλεκτρικού διπόλου μεταβάλλεται με την εφαρμοζόμενη τάση την εφαρμοζόμενη τάση.Υπάρχει ωστόσο μια κατηγορία διπόλων που ονομάζονται αντιστάτες, για για τους οποίους η αντίσταση R είναι σταθερή.

Αντιστάτης ονομάζεται το δίπολο στο οποίο η αντίσταση R είναι σταθερή,δηλαδή είναι ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα τους και της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τους διαρρέει

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ ΩΜ

Το πιο απλό δίπολο που μπορούμε να μελετήσουμε είναι ένας μεταλλικός αγωγός,ένα μεταλλικό σύρμα.Παρατηρούμε ότι όταν άκρα(πόλους) του σύρματος εφαρμόζουμε ηλεκτρική τάση,τότε από το σύρμα διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Θέλουμε να βρούμε την σχέση που συνδέει την ηλεκτρική τάση με την ένταση του ρεύματος που προκαλεί σε έναν αγωγό.Πρέπει να μελετήσουμε πως μεταβάλλεται η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό όταν μεταβάλλουμε τη διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται στα άκρα του.

Πρέπει να μελετήσουμε πως μεταβάλλεται η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό όταν μεταβάλλουμε τη διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται στα άκρα του

Θα καταφύγουμε σε ένα πείραμα.Συνδέουμε έναν αγωγό σε σειρά με ένα αμπερόμετρο Α και στα άκρα του συστήματος εφαρμόζουμε διάφορες τάσεις.Με το αμπερόμετρο Α μετράμε την ένταση του ρεύματος που περνάει μέσα από τον αγωγό και με ένα βολτόμετρο V μετράμε την τάση που επικρατεί στα άκρα του αγωγού.

Συνδέουμε έναν αγωγό σε σειρά με ένα αμπερόμετρο Α και στα άκρα του συστήματος εφαρμόζουμε διάφορες τάσεις.Με το αμπερόμετρο Α μετράμε την ένταση του ρεύματος που περνάει μέσα από τον αγωγό και με ένα βολτόμετρο V μετράμε την τάση που επικρατεί στα άκρα του αγωγού.

Στη συνέχεια μεταβάλλουμε την τάση και παρατηρούμε ότι μεταβάλλεται και το ρεύμα του κυκλώματος.Αν υποθέσουμε ότι όταν η τάση στα άκρα του αγωγού είναι 2 V,η ένταση του ρεύματος είναι 0,1 Α.Τότε,αν η τάση γίνει 4V,παρατηρούμε ότι η ένταση γίνεται 0,2 Α κ.ο.κ.Με ένα τέτοιο πείραμα συμπληρώνουμε ένα πίνακα τιμών.

Παριστάνουμε γραφικά τα ζεύγη τιμών (V,I) σε ένα ορθογώνιο σύστημα αξόνων και παρατηρούμε ότι τα διάφορα σημεία βρίσκονται σε ευθεία γραμμή .Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό και η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του είναι μεγέθη ανάλογα

Στη συνέχεια παριστάνουμε γραφικά τα ζεύγη τιμών (V,I) σε ένα ορθογώνιο σύστημα αξόνων και παρατηρούμε ότι τα διάφορα σημεία βρίσκονται σε ευθεία γραμμή.Από το διάγραμμα διατυπώνουμε το νόμο του Ωμ.

Η ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει ένα μεταλλικό μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού(V) που εφαρμόζεται στα άκρα του

Η ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει ένα μεταλλικό μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού(V) που εφαρμόζεται στα άκρα του.
Σύμφωνα με το νόμο του Ωμ,η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού δεν εξαρτάται από την ηλεκτρική τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του και της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τον διαρρέει.
Αν λύσουμε την σχέση R=V/I ως προς I έχουμε:

I=1/R ×V ή V= I×R

Άρα βλέπουμε ότι η ένταση του ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του αγωγού με σταθερά αναλογίας το 1/R.

Ο Γερμανός φυσικός Γκέοργκ Σίμον Ωμ (1987 -1854) που διατύπωσε τον Νόμο του Ωμ που συνδέει την τάση και την ένταση του ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό

Η αντίσταση κάποιων διπόλων μεταβάλλεται με την αντίσταση κάποιων διπόλων μεταβάλλεται με την ηλεκτρική τάση που εφαρμόζουμε στα άκρα τους.Μεγάλη τάση σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια αποκτούν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια και θα κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα.Άρα τόσο περισσότερα θα περνάνε από μια διατομή του αγωγού σε ορισμένο χρόνο συνεπώς τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ένταση του ρεύματος.

Μεγάλη τάση σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια αποκτούν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια και θα κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα

Κατά την κίνησή τους τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα ιόντα του μετάλλου.Σε κάθε τέτοια σύγκρουση το ιόν ταλαντώνεται εντονότερα και η ταχύτητα του ηλεκτρονίου μειώνεται.Αμέσως μετά τη σύγκρουση, η δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί εκ νέου αύξηση της ταχύτητας του ηλεκτρονίου μέχρι την επόμενη σύγκρουση, οπότε επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία.

ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ

Στα περισσότερα κυκλώματα υπάρχουν περισσότεροι από ένας αντιστάτες συνδεδεμένοι με πολλούς τρόπους.Στο απλό παράδειγμα από δύο αντιστάτες R1 και R2 μπορούμε να τους συνδέσουμε με δύο διαφορετικούς τρόπους,σε σειρά και παράλληλα.

Δύο αντιστάτες R1 και R2 σε σειρά.Στο κύκλωμα αυτό διαρρέει το ίδιο ρεύμα

Δύο αντιστάτες R1 και R2 σε παράλληλη σύνδεση.Στο κύκλωμα αυτό οι αντιστάτες έχουν την ίδια τάση

Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των αντιστατών που διαθέτουμε τόσο περισσότεροι είναι οι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να τους συνδέσουμε.

Σύστημα αντιστατών ονομάζεται ένα σύνολο αντιστατών που είναι συνδεδεμένοι με οποιονδήποτε τρόπο

Σύστημα αντιστατών ονομάζεται ένα σύνολο αντιστατών που είναι συνδεδεμένοι με οποιονδήποτε τρόπο.Πάντα σε ένα απλό σύστημα αντιστατών εμφανίζονται δύο άκρα Α και Β στα οποία μπορούμε να εμφανίσουμε την ηλεκτρική τάση.

Αν στα άκρα ενός συστήματος αντιστατών εφαρμόσουμε μια διαφορά δυναμικού V,τότε από το κύκλωμα θα διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα έντασης Ι.Αν βρούμε έναν αντιστάτη με αντίσταση R,τέτοιο ώστε,αν στα άκρα του εφαρμόσουμε την ίδια τάση V ,να διέλθει από αυτόν ηλεκτρικό ρεύμα ίδιας έντασης Ι.

Αν βρούμε έναν αντιστάτη με αντίσταση R,τέτοιο ώστε,αν στα άκρα του εφαρμόσουμε την ίδια τάση V ,να διέλθει από αυτόν ηλεκτρικό ρεύμα ίδιας έντασης Ι.Τότε η αντίσταση R ονομάζεται ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος

Τότε η αντίσταση R ονομάζεται ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος.Η ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος ικανοποιεί το νόμο του Ωμ:

όπου:

$R=\frac{V}{I}$

R: Η ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος

V: Η διαφορά δυναμικού/τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του συστήματος των αντιστατών

I: Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το σύστημα

Θα υπολογίσουμε τώρα την ισοδύναμη αντίσταση στις δύο απλούστερες συνδέσεις αντιστατών,στην κατα σειρά σύνδεση και στην παράλληλη σύνδεση.

ΣΥΝΔΕΣΗ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ ΣΕ ΣΕΙΡΑ

Σύνδεση σε σειρά δύο ή περισσότερων αντιστάσεων ονομάζεται μία σύνδεση στην οποία περνάει το ίδιο ρεύμα από τις αντιστάσεις.Το σύστημα όλων των αντιστάσεων μαζί παρεμβάλει κάποια αντίσταση στο ρεύμα που τη λέμε ολική αντίσταση Rολ.

Σύνδεση σε σειρά δύο αντιστάσεων

Παίρνουμε δύο γνωστές αντιστάσεις R1 και R2 και τις συνδέουμε σε σειρά.Ύστερα συνδέουμε το σύστημα των δύο αντιστάσεων με μία ηλεκτρική πηγή,παρεμβάλλοντας και ένα αμπερόμετρο στο κύκλωμα για να μετράει την ένταση του ρεύματος.Με ένα βολτόμετρο μετράμε την τάση του συστήματος των αντιστάσεων και από το νόμο του Ωμ,υπολογίζουμε την ολική αντίσταση.

Από την μέτρηση αυτή βρίσκουμε ότι η ολική αντίσταση είναι Rολ και παρατηρούμε ότι είναι ίση με το άθροισμα των δύο αντιστάσεων R1 και R2.Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε και με δύο άλλες άλλες οποιεσδήποτε αντιστάσεις.

Η ολική αντίσταση Rολ δύο αντιστάσεων R1 και R2 που συνδέονται σε σειρά,είναι ίση με το άθροισμα των δύο αντιστάσεων

Άρα:
Η ολική αντίσταση Rολ δύο αντιστάσεων  R1 και R2 που συνδέονται σε σειρά,είναι ίση με το άθροισμα των δύο αντιστάσεων.

  Rολ=R1+R2

Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε και αν χρησιμοποιήσουμε τρεις,τέσσερις κ.τ.λ αντιστάσεις.Πάντοτε η ολική αντίσταση ισούται με το άθροισμα των αντιστάσεων.

Άρα ισχύει ότι κατά τη σύνδεση αντιστατών σε σειρά η ολική αντίσταση που προκύπτει είναι ίση µε το άθροισµα των επιµέρους αντιστάσεων:

Rολ = R1 + R2 + R3 +…..

Κάθε φορά που συνδέουµε µια αντίσταση σε σειρά µε τις υπόλοιπες η ολική αντίσταση του κυκλώµατος αυξάνει. Η ένταση του ρεύµατος που διαρρέει κάθε αντίσταση έχει την ίδια τιµή και είναι ίση µε την τιµή της ολικής έντασης του ρεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα:

Iολ = I1 = I2 = I3 = …

Η ολική τάση του κυκλώµατος είναι ίση µε το επιµέρους άθροισµα των τάσεων στα άκρα κάθε αντίστασης. Η τιµή της τάσης στα άκρα κάθε αντίστασης διαφέρει από την άλλη(όταν οι τιµές των αντιστάσεων είναι διαφορετικές) :

Vολ = V1 + V2 + V3 + ….

ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ

Παράλληλη σύνδεση δύο ή περισσότερων αντιστάσεων ονομάζεται μία σύνδεση στην οποία υπάρχει η ίδια τάση στα άκρα των αντιστάσεων.

Παράλληλη σύνδεση δύο αντιστάσεων

Συνδέουμε παράλληλα δύο αντιστάσεις R1 και R2.Ύστερα συνδέουμε το σύστημα των δύο αντιστάσεων με μία ηλεκτρική πηγή,παρεμβάλλοντας και ένα αμπερόμετρο στο στο κύκλωμα για να μετράει την ένταση του ρεύματος όπως και προηγουμένως.Επίσης με ένα βολτόμετρο μετράμε την τάση του συστήματος των αντιστάσεων και από το νόμο του Ωμ,υπολογίζουμε την ολική αντίσταση Rολ.Από το πείραμα αυτό συμπεραίνουμε ότι η ολική αντίσταση είναι μικρότερη από τις συνδεμένες αντιστάσεις.

Από το πείραμα αυτό συμπεραίνουμε ότι η ολική αντίσταση είναι μικρότερη από τις συνδεμένες αντιστάσεις

Στην παράλληλη σύνδεση αποδεικνύεται ότι ισχύει η σχέση:

1/Roλ=1/R1+1/R2

Τις τιµές των δύο αντιστάσεων τις υπολογίζουµε διαιρώντας κάθε φορά την τάση στα άκρα τους µε την ένταση του ρεύµατος που τις διαρρέει. Το ίδιο κάνουµε και για την ολική αντίσταση: διαιρούµε την ολική τάση µε την ολική ένταση του ρεύµατος. R1 = V1/I1, R2 = V2/I2, Rολ = Vολ / Ιολ

∆ιατηρώντας την ολική τάση του κυκλώµατος σταθερή προκύπτει ότι η ολική ένταση του κυκλώµατος θα αυξηθεί

Εφαρµόζουµε τις τιµές των αντιστάσεων στον τύπο :

1/Rολ = 1/R1 + 1/R2 και διαπιστώνουµε την ορθότητά του για την παράλληλη σύνδεση των αντιστάσεων.Στη συνέχεια συγκρίνουµε τις τιµές των εντάσεων που

διαρρέουν τις δύο αντιστάσεις µε την ολική ένταση του ρεύµατος και παρατηρούµε ότι ισχύει:

Iολ = I1 + I2 .

Τέλος συγκρίνουµε τις τιµές των τάσεων των δύο αντιστάσεων µε τη τιµή της ολικής τάσης του κυκλώµατος και παρατηρούµε ότι ισχύει:

Vολ = V1 = V2.

Αν τοποθετήσουµε άλλη µια αντίσταση παράλληλα τότε µπορούµε ακολουθώντας την ίδια διαδικασία µε πριν ή απευθείας από τον τύπο 1/Rολ = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 να διαπιστώσουµε ότι η ολική αντίσταση του κυκλώµατος µειώνεται. ∆ιατηρώντας την ολική τάση του κυκλώµατος σταθερή προκύπτει ότι η ολική ένταση του κυκλώµατος θα αυξηθεί, καθώς :

Ιολ = Vολ / Rολ

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ