PHYSIC LESSONS: ΦΥΣΙΚΗ Β ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΥΝΕΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΦΥΣΙΚΗ Β ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΥΝΕΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ

Για τις ανάγκες της καθημερινής μας ζωής χρησιμοποιούμε ηλεκτρικά στοιχεία για τη λειτουργία φορητών ραδιοφώνων, ρολογιών και φακών.Επίσης χρησιμοποιούμε ηλεκτρικούς συσσωρευτές,δηλαδή μπαταρίες, για τη λειτουργία των ηλεκτρικών οργάνων του αυτοκινήτου και φωτοστοιχεία για τη λειτουργία των μικρών αριθμομηχανών.Τέλος χρησιμοποιούμε ηλεκτρικές γεννήτριες για το φωτισμό των εξοχικών σπιτιών.Όλες αυτές οι συσκευές είναι ηλεκτρικές πηγές.

Διάφορες μικρές μπαταρίες

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 πηγης 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,οπότε στα ελεύθερα ηλεκτρόνια ασκείται ηλεκτρική δύναμη και η κίνησή τους προσανατολίζεται από την κατεύθυνση της δύναμης.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 συνεχούς τάσης

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.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥΣ ΑΓΩΓΟΥΣ

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.

Στο προηγούμενο κεφάλαιο μελετήσαμε τις αλληλεπιδράσεις των στατικών (ακίνητων) ηλεκτρικών φορτίων ηλεκτρικών φορτίων.Σε αυτό το κεφάλαιο θα μελετήσουμε τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα .Επίσης θα μελετήσουμε την εφαρμογή του ηλεκτρικού ρεύματος για την κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

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

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

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.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.

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.

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.
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.

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 από πυρίτιο

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. 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.

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 κίνησης των ηλεκτρονίων λέγεται πραγματική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Ωστόσο, έχει επικρατήσει να θεωρούμε ως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος την αντίθετη από τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων,που λέγεται συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος.

Η σύμβαση αυτή υπάρχει, γιατί οι μεγάλοι πειραματικοί φυσικοί του προηγούμενου αιώνα, που μελετούσαν τα ηλεκτρικά φαινόμενα, δε γνώριζαν τη σημερινή δομή του ατόμου και χρησιμοποιούσαν ως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος τη φορά κίνησης του θετικού φορτίου, δηλαδή αυτή που εμείς σήμερα θεωρούμε ως συμβατική. Απλά εμείς διατηρήσαμε την παράδοση.Έτσι, τα περισσότερα ηλεκτρικά κυκλώματα χρησιμοποιούν τον αρνητικό πόλο ως γείωση (δηλαδή ως σημείο αναφοράς, όπου το δυναμικό ισούται με μηδέν, V = 0). Έτσι, ο θετικός πόλος έχει θετικό δυναμικό, δηλαδή «βρίσκεται πιο ψηλά» από τον αρνητικό.

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.

ΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ ΚΑΙ ΥΔΡΑΥΛΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΗΓΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

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.

Παρόμοιο είναι το φαινόμενο του υδραυλικού ανάλογου,όπου η αντλία δεν παράγει νερό, αλλά δημιουργεί διαφορά πίεσης, λόγω της οποίας γίνεται η ροή του ήδη υπάρχοντος νερού. Φυσικά, είναι απαραίτητη η συνεχής προσφορά ενέργειας από την αντλία.

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.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.

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

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.

Αντίστοιχο είναι το φαινόμενο του μηχανικού ανάλογου,όπου ο άνθρωπος δεν παράγει σφαιρίδια, αλλά δημιουργεί διαφορά δυναμικού λόγω της οποίας γίνεται η ροή των ήδη υπαρχόντων σφαιριδίων.Φυσικά, είναι απαραίτητη η συνεχής προσφορά ενέργειας από τον άνθρωπο.

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:

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

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.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:

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

Οι αγωγοί τους οποίους διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργούν γύρω τους μαγνητικά μαγνητικά πεδία.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 :

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

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.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:

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

Σε κάποιες περιπτώσεις το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί την εκπομπή φωτός είτε λόγω αύξησης της θερμοκρασίας (λαμπτήρας πυράκτωσης) είτε λόγω της διελευσής του από αέρια (λαμπτήρας φθορισμού).Αυτά βρίσκουν την εφαρμογή τους στις λάμπες, στο βολταϊκό τόξο, στους σωλήνες φθορισμού, στην ηλεκτρική κάμινο κ.ά.

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

Στους αγωγούς δε μας ενδιαφέρει μόνο η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που περνά από μια διατομή του αγωγού, αλλά και σε πόσο χρόνο περνά η δηλαδή ο ρυθμός διέλευσης του ηλεκτρικού φορτίου.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.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 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 τουηλεκτρομαγνητισμού 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 ή 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

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος εκφράζει το ρυθμό διέλευσης του ηλεκτρικού φορτίου από μια διατομή ενός αγωγού.

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 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.

ΚΑΝΟΝΕΣ ΤΟΥ KIRCHHOFF

ΑMΠΕΡΟΜΕΤΡΟ

Το αμπερόμετρο είναι όργανο που μετράει την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος.Το αμπερόμετρο λειτουργεί με βάση τα θερμικά ή τα μαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Έχει δύο ακροδέκτες Κ και Λ, που αντιστοιχούν στα σημεία εισόδου και εξόδου του ηλεκτρικού ρεύματος.

Το αμπερόμετρο είναι όργανο που μετράει την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος

Για να μετρήσουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος σ' ένα κύκλωμα, παρεμβάλλουμε το αμπερόμετρο στο σημείο ακριβώς που θέλουμε να τη μετρήσουμε. Δηλαδή, κόβουμε τον αγωγό του κυκλώματος στο σημείο Μ και στα δύο άκρα που δημιουργούνται, συνδέουμε τους δύο ακροδέκτες του αμπερομέτρου. Η σύνδεση αυτή του αμπερομέτρου λέγεται σύνδεση σε σειρά.

Το αμπερόμετρο έχει δύο ακροδέκτες Κ και Λ, που αντιστοιχούν στα σημεία εισόδου και εξόδου του ηλεκτρικού ρεύματος

Αν το αμπερόμετρο θεωρηθεί ιδανικό (μηδενική εσωτερική αντίσταση), η σύνδεση του δεν επηρεάζει το κύκλωμα, οπότε το αμπερόμετρο δείχνει την ένταση του ρεύματος, που διέρρεε το κύκλωμα, πριν τη σύνδεση του.

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

Αν στο κύκλωμα παρεμβάλλουμε το αμπερόμετρο στο σημείο Ν, τότε παίρνουμε το κύκλωμα και παρατηρούμε ότι η ένδειξη του αμπερομέτρου είναι ίδια με την προηγούμενη. Αυτό σημαίνει ότι η στιγμιαία ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ίδια σε όλα τα σημεία ενός αγωγού.Αυτό είναι συνέπεια της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Όσο φορτίο διέρχεται από κάποια διατομή του αγωγού ανά μονάδα χρόνου, τόσο φορτίο διέρχεται από οποιαδήποτε άλλη διατομή ενός αγωγού ανά μονάδα χρόνου.

Σύνδεση αμπερομέτρου σε κύκλωμα

Επομένως, κατά μήκος ενός ρευματοφόρου αγωγού δεν υπάρχουν ούτε «πηγές», ούτε«καταβόθρες» ηλεκτρικών φορτίων.

1ΟΣ ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΟΥ KIRCHHOFF (ΚΙΡΧΟΦ)

Ας αναφερθούμε στο κύκλωμα που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:
Κόμβος λέγεται το σημείο ενός κυκλώματος, στο οποίο συναντιούνται τουλάχιστον τρεις ρευματοφόροι αγωγοί. Τα σημεία Β και Γ είναι κόμβοι του κυκλώματος.

Πειραματική επαλήθευση 1ου κανόνα Kirchhoff

Κλάδος λέγεται το τμήμα του κυκλώματος που βρίσκεται μεταξύ δύο κόμβων. Οι αγωγοί ΒΖΓ, ΒΗΓ και ΓΔΒ είναι κλάδοι του κυκλώματος. Όλα τα στοιχεία ενός κλάδου διαρρέονται από την ίδια ένταση ηλεκτρικού ρεύματος.

Το αμπερόμετρο Α δείχνει την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον κλάδο ΓΔΒ. Είναι I = 20 mA. Το αμπερόμετρο Α1 δείχνει την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον κλάδο ΒΖΓ. Είναι Ι1 = 8 mA. Το αμπερόμετρο Α2 δείχνει την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον κλάδο ΒΗΓ.

Είναι Ι2 = 12 mA. Παρατηρούμε ότι:

I = I1+I2

Δηλαδή, το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων, που «εισέρχονται» σ' ένα κόμβο, ισούται με το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων, που «εξέρχονται» απ' αυτόν.

Σ(Iεισ) = Σ(Iεξ)

Η προηγούμενη πρόταση είναι η διατύπωση του 1ου κανόνα του Kirchhoff, οποίος είναι συνέπεια της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Κόμβος ηλεκτρικού κυκλώματος με επισήμανση των εντάσεων του ηλεκτρικού ρεύματος. Με βάση τον πρώτο κανόνα του Κίρχοφ μπορούμε να υπολογίσουμε τη φορά και το μέγεθος της έντασης Ι3, αν γνωρίζουμε τις άλλες δύο εντάσεις

Όσο φορτίο «φτάνει» στον κόμβο ανά μονάδα χρόνου, τόσο φορτίο «φεύγει» απ' αυτόν ανά μονάδα χρόνου. Οι κόμβοι δεν είναι ούτε «πηγές», ούτε «καταβόθρες» φορτίων.

Ο Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ (Gustav Robert Kirchhoff, 12 Μαρτίου 1824 – 17 Οκτωβρίου 1887) ήταν Γερμανός φυσικός, ο οποίος έχει συνεισφέρει σε διάφορα πεδία της φυσικής και της χημείας όπως η μηχανική, ο ηλεκτρισμός, η φασματογραφία, η θερμική ακτινοβολία και η αστροφυσική. Γύρω στο 1845 μελέτησε τους νόμους που διέπουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα, και στη συνέχεια έδειξε ότι η ταχύτητα αποστολής ενός ηλεκτρικού σήματος είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός.

Αν αυθαίρετα θεωρήσουμε τις εντάσεις των ρευμάτων, που φτάνουν στον κόμβο ως θετικές και τις εντάσεις των ρευμάτων, που φεύγουν από τον κόμβο ως αρνητικές, η σχέση I = I1+I2 γράφεται:

I-I1-I2 = 0

οπότε ο 1ος κανόνας του Kirchhoff διατυπώνεται και ως εξής:

Σ' ένα κόμβο το αλγεβρικό άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων ισούται με μηδέν, δηλαδή:

ΣI = 0

ΒOΛΤΟΜΕΤΡΟ

Βολτόμετρο είναι το όργανο που χρησιμοποιούμε για να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού (τάση) μεταξύ δύο σημείων ενός κυκλώματος. Το βολτόμετρο λειτουργεί με βάση τα θερμικά ή τα μαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Το βολτόμετρο έχει δύο ακροδέκτες Κ και Λ, που συνδέονται με τα σημεία του κυκλώματος, μεταξύ των οποίων θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού (τάση).

Βολτόμετρο είναι το όργανο που χρησιμοποιούμε για να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού (τάση) μεταξύ δύο σημείων ενός κυκλώματος

Για να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού (τάση) μεταξύ δύο σημείων Α και Β ενός κυκλώματος,συνδέουμε αγώγιμα τους ακροδέκτες του βολτομέτρου με τα σημεία αυτά.

Το βολτόμετρο έχει δύο ακροδέκτες Κ και Λ, που συνδέονται με τα σημεία του κυκλώματος, μεταξύ των οποίων θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού (τάση)

Το βολτόμετρο συνδέεται χωρίς να διακοπεί το κύκλωμα. Η σύνδεση αυτή του βολτομέτρου λέγεται σύνδεση σε διακλάδωση ή παράλληλη σύνδεση.

Σύνδεση βολτομέτρου σε κύκλωμα

Αν το βολτόμετρο θεωρηθεί ιδανικό (άπειρη εσωτερική αντίσταση), η σύνδεσή του δεν επηρεάζει το κύκλωμα, οπότε το βολτόμετρο δείχνει την τάση μεταξύ των σημείων Α και Β, πριν τη σύνδεσή του.

2ΟΣ ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΟΥ KIRCHHOFF (ΚΙΡΧΟΦ)

Ας αναφερθούμε στο κύκλωμα που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.Το βολτόμετρο V δείχνει την τάση VAΓ, που είναι και η τάση στους πόλους της πηγής. Είναι VAΓ = 12 V. Το βολτόμετρο V1 δείχνει την τάση VAB. Είναι VAB = 9 V. Το βολτόμετρο V2 δείχνει την τάση VBΓ.Είναι VBΓ = 3 V.

Πειραματική επαλήθευση 2ου κανόνα Kirchhoff

Παρατηρούμε ότι:

VAΓ=VΑΒ+VΒΓ

VΑΒ+VΒΓ-VAΓ=0

VΑΒ+VΒΓ+VΓΑ=0

Δηλαδή, κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής σ' ένα κύκλωμα το αλγεβρικό άθροισμα των διαφορών δυναμικού ισούται με μηδέν.

Σ(ΔV) = 0

Η προηγούμενη πρόταση είναι η διατύπωση του 2ου κανόνα του Kirchhoff, ο οποίος είναι συνέπεια της αρχής διατήρησης της ενέργειας.

Απλό κύκλωμα με επισήμανση των κόμβων. Με βάση το δεύτερο κανόνα του Κίρχοφ ισχύει ότι VΑΕ+VΕΔ+VΔΒ+VΒΑ=0

Κάθε κλειστή διαδρομή σ' ένα κύκλωμα λέγεται βρόχος.

ΔΙΠΟΛΟ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΔΙΠΟΛΟΥ

Ένα κύκλωμα μπορεί να περιέχει λαμπτήρες, αντιστάτες, πυκνωτές, πηνία, ηλεκτρικές πηγές και άλλα στοιχεία. Το κοινό τους χαρακτηριστικό είναι ότι καθένα έχει δύο άκρα, που λέγονται πόλοι.Γι' αυτό τα στοιχεία αυτά λέγονται δίπολα.

Η λειτουργία ενός διπόλου εξαρτάται από τις τιμές της τάσης που υπάρχει στα άκρατου. Αυτή καθορίζει τις τιμές της έντασης του ρεύματος που το διαρρέει. Γενικά, για κάθε δίπολο υπάρχει μια συνάρτηση I = f(V).
Η γραφική της παράσταση λέγεται χαρακτηριστική καμπύλη του διπόλου. Η γνώση της μας βοηθάει στη διάκριση των δίπολων μεταξύ τους και στην πρόβλεψη της λειτουργίας τους, όταν τα συνδέσουμε σε κάποιο κύκλωμα.

ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ - ΑΝΤΙΣΤΑΤΗΣ

ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΑΓΩΓΟΥ

Θεωρούμε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος.Με το βολτόμετρο μετράμε την τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του μεταλλικού αγωγού ΑΒ και με το αμπερόμετρο μετράμε την ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει. Τα όργανα θεωρούνται ιδανικά.

Ηλεκτρικό κύκλωμα με πηγή διακόπτη και μεταλλικό αγωγό

Μεταβάλλοντας την τιμή της τάσης V, παρατηρούμε ότι μεταβάλλεται η τιμή της έντασης I. Φροντίζουμε οι τιμές να είναι τέτοιες, ώστε να μη μεταβάλλεται η θερμοκρασία του αγωγού. Έτσι, έχουμε τον παρακάτω πίνακα τιμών και την αντίστοιχη χαρακτηριστική καμπύλη του αγωγού.

V(V)	I(A)	V/I
0	0	-
5	0,2	25
10	0,4	25
15	0,6	25
20	0,8	25

Παρατηρούμε ότι το πηλίκο V/I έχει σταθερή τιμή για τον αγωγό και ίση με 25. Επαναλαμβάνουμε το πείραμα και με άλλους μεταλλικούς αγωγούς και καταλήγουμε πάντα στο ίδιο συμπέρασμα, ότι το πηλίκο V/I έχει σταθερή τιμή, χαρακτηριστική για τον κάθε αγωγό. Το πηλίκο αυτό το ονομάζουμε αντίσταση του αγωγού.

Χαρακτηριστική καμπύλη μεταλλικού αγωγού

Αντίσταση R ενός αγωγού ονομάζουμε το μονόμετρο μέγεθος, που ισούται με το πηλίκο της τάσης V, που εφαρμόζεται στα άκρα του, προς την ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει.Δηλαδή:

R = VI

Στο διεθνές σύστημα μονάδων (S.I.) μονάδα μέτρησης της αντίστασης είναι το 1 Ω (Ohm).

Είναι:

1Ω = 1V1A ή

1Ohm = 1Volt 1Ampère

1Ω (Ohm) είναι η αντίσταση ενός αγωγού, ο οποίος διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1 Α, όταν στα άκρατου εφαρμόζεται τάση 1V.

Τι εκφράζει η αντίσταση ενός αγωγού;

Η αντίσταση ενός αγωγού εκφράζει τη δυσκολία που συναντά το ηλεκτρικό ρεύμα, όταν διέρχεται μέσα απ' αυτόν.

Πού οφείλεται η αντίσταση των μεταλλικών αγωγών;

Η αντίσταση των μεταλλικών αγωγών οφείλεται στις «συγκρούσεις» των ελευθέρων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα.

Εδώ, πρέπει να τονίσουμε ότι με τον όρο αντίσταση ή ωμική αντίσταση εκφράζουμε τη δυσκολία που συναντά το ηλεκτρικό ρεύμα, όταν διέρχεται μέσα από τον μεταλλικό αγωγό.

Αντιστάτης

Ο ίδιος ο μεταλλικός αγωγός λέγεται αντιστάτης. Όμως, πολλές φορές, για χάρη συντομίας, χρησιμοποιούμε τον όρο αντίσταση ή ωμική αντίσταση και εννοούμε τον ίδιο το μεταλλικό αγωγό. Παραδείγματος χάρη, λέμε «στα άκρα μιας αντίστασης 5Ω» και εννοούμε «στα άκρα ενός αντιστάτη, που έχει αντίσταση 5Ω».

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ OHM ΓΙΑ ΑΝΤΙΣΤΑΤΗ

Για τον αντιστάτη διαπιστώσαμε πειραματικά ότι ισχύει:

R = VI = σταθερό

Η σχέση αυτή γράφεται ως εξής:

I = VR με R = σταθερό

Η παραπάνω σχέση αποτελεί τη μαθηματική έκφραση του νόμου του Ohm για αντιστάτη (μεταλλικό αγωγό) ο οποίος διατυπώνεται ως εξής:

Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει έναν αντιστάτη (μεταλλικό αγωγό) σταθερής θερμοκρασίας είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του.

Η χαρακτηριστική καμπύλη του αντιστάτη, δηλαδή η γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος ως συνάρτηση της τάσης, φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Χαρακτηριστική καμπύλη αντιστάτη

Πρέπει να τονίσουμε ότι ο νόμος του Ohm δεν είναι γενικός νόμος για όλους τους αγωγούς. Στις λυχνίες αερίου, στις λυχνίες κενού, στα τρανζίστορ, στους ηλεκτρικούς κινητήρες και σε άλλα ηλεκτρονικά στοιχεία δεν ισχύει ο νόμος του Ohm.

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΟΠΟΙΟΥΣ ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ Η ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΕΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΤΗ

α) Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος στη θέση του μεταλλικού αγωγού ΑΒ συνδέουμε διαδοχικά δύο χάλκινους αγωγούς, ίδιου εμβαδού διατομής S, με μήκη και αντίστοιχα.

Ηλεκτρικό κύκλωμα με πηγή διακόπτη και μεταλλικό αγωγό

Μετράμε τις αντιστάσεις τους και διαπιστώνουμε ότι ο δεύτερος έχει διπλάσια αντίσταση από τον πρώτο.

H αντίσταση είναι ανάλογη του μήκους του αγωγού

Άρα, η αντίσταση είναι ανάλογη του μήκους του αγωγού. Η διαπίστωση αυτή είναι αναμενόμενη, γιατί όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του αγωγού, τόσο περισσότερες είναι οι συγκρούσεις των ελευθέρων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα, άρα τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του αγωγού.

β) Στο κύκλωμα που αναφέραμε πριν στη θέση του μεταλλικού αγωγού ΑΒ συνδέουμε διαδοχικά δύο χάλκινους αγωγούς, ίδιου μήκους, με εμβαδά διατομής S και 2S αντίστοιχα. Μετράμε τις αντιστάσεις τους και διαπιστώνουμε ότι ο δεύτερος έχει τη μισή αντίσταση από τον πρώτο.

H αντίσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη του εμβαδού διατομής του αγωγού

Άρα, η αντίσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη του εμβαδού S της διατομής του αγωγού. Η διαπίστωση αυτή είναι αναμενόμενη, γιατί όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν διατομής του αγωγού, τόσο λιγότερες είναι οι συγκρούσεις των ελευθέρων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα, άρα τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση του αγωγού.

γ) Στο κύκλωμα που αναφέραμε πριν στη θέση του μεταλλικού αγωγού ΑΒ συνδέουμε διαδοχικά δύο αγωγούς ίδιου μήκους και ίδιου εμβαδού διατομής S, ένα χάλκινο και ένα σιδερένιο.Μετράμε τις αντιστάσεις τους και διαπιστώνουμε ότι ο σιδερένιος έχει μεγαλύτερη αντίσταση από τον χάλκινο.

H αντίσταση εξαρτάται από το υλικό του αγωγού

Άρα, η αντίσταση εξαρτάται από το υλικό του αγωγού. Αυτό συμβαίνει γιατί το μεταλλικό πλέγμα του χάλκινου αγωγού είναι διαφορετικό από το μεταλλικό πλέγμα του σιδερένιου αγωγού, άρα και ο αριθμός των συγκρούσεων των ελευθέρων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα είναι διαφορετικός, άρα και η αντίσταση του αγωγού είναι διαφορετική.

δ) Στο κύκλωμα θερμαίνουμε το μεταλλικό αγωγό ΑΒ, μετράμε την αντίσταση του και διαπιστώνουμε ότι αυτή αυξάνεται.

H αντίσταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αγωγού

Άρα, η αντίσταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αγωγού. Είναι λογικό, γιατί, όπως έχουμε πει, τα θετικά ιόντα δεν είναι ακίνητα, αλλά ταλαντώνονται γύρω από καθορισμένες θέσεις προς όλες τις κατευθύνσεις, με πλάτος που αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Η αύξηση του πλάτους με τη θερμοκρασία αυξάνει τον αριθμό των συγκρούσεων των ελευθέρων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα, άρα και την αντίσταση του μεταλλικού αγωγού.

Το μέγεθος που εκφράζει ποσοτικά την εξάρτηση της αντίστασης ενός αγωγού από το υλικό του αγωγού και τη θερμοκρασία συμβολίζεται με ρ και ονομάζεται ειδική αντίσταση του υλικού.
Η μονάδα μέτρησής της στο S.I. είναι το 1 Ω·m.

Συνεπώς, η αντίσταση R ενός αγωγού, που έχει τη μορφή κυλινδρικού σύρματος,

α) είναι ανάλογη του μήκους του αγωγού

β) είναι αντιστρόφως ανάλογη του εμβαδού S της διατομής του αγωγού

γ) εξαρτάται από το υλικό του αγωγού και τη θερμοκρασία του.

Η σχέση που συνδέει όλες τις παραπάνω πειραματικές διαπιστώσεις είναι:

Στον παρακάτω πίνακα αναγράφονται οι τιμές των ειδικών αντιστάσεων διαφόρων υλικών σε Ω·m.

Ειδική αντίσταση (ρ) μερικών υλικών
Υλικό		Ειδική αντίσταση (ρ) σε Ωm στους 20 ^oC
Μέταλλα
Άργυρος		1,6·10^-8
Χαλκός		1,7·10^-8
Σίδηρος		9,5·10^-8
Υδράργυρος		96·10^-8
Κράματα
Κονσταντάνη (Cu, Ni)		50·10^-8

Χρωμονικελίνη (Ni, Fe, Cr, Mn)		100·10^-8
Μαγγανίνη (Cu, Mn, Ni)		42·10^-8
Ημιαγωγοί
Πυρίτιο		περίπου 1000
Γερμάνιο		περίπου 0,5
Διηλεκτρικά
Γυαλί		10¹² ως 10¹⁵
Ξύλο		10⁸ ως 10¹²
Ανθρώπινο σώμα
Πνεύμονας		20
Λίπος		25
Σκελετός		5

Με κριτήριο την τιμή της ειδικής αντίστασης τα υλικά κατατάσσονται σε αγωγούς, ημιαγωγούς και μονωτές
Από τον πίνακα φαίνεται ότι τη μικρότερη ειδική αντίσταση την έχει ο άργυρος και ο χαλκός. Γι' αυτό, τα σύρματα που χρησιμοποιούμε συνήθως είναι χάλκινα, αφού ο άργυρος είναι ακριβός.

Η ειδική αντίσταση ως συνάρτηση της θερμοκρασίας δίνεται από τη σχέση:

ρθ = ρo·(1+α·θ)

όπου:
ρo η ειδική αντίσταση σε θερμοκρασία 0° C,
ρθ η ειδική αντίσταση σε θ ° C και
α μια σταθερά που λέγεται θερμικός συντελεστής ειδικής αντίστασης.
Η σταθερά αυτή εξαρτάται από το υλικό του αγωγού και μετριέται σε grad^-1.

Για τα καθαρά μέταλλα (π.χ. Fe, , Cu, Ag) είναι α > 0, συνεπώς η ειδική αντίσταση μειώνεται, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.

Για το γραφίτη (C), τους ημιαγωγούς (Ge, Si) και τους ηλεκτρολύτες είναι α < 0,συνεπώς η ειδική αντίσταση αυξάνεται, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.

Για ορισμένα κράματα, όπως η κονσταντάνη (Cu, Ni), η μαγγανίνη (Cu, Μn, Νi) και η χρωμονικελίνη, (Ni, Fe, Cr, Μn) είναι α ≈ 0, συνεπώς η ειδική αντίσταση είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας.
Στον παρακάτω πίνακα αναγράφονται οι τιμές του θερμικού συντελεστή ειδικής αντίστασης διαφόρων υλικών.

Υλικό	Θερμικός συντελεστής α (grad^-1)
άργυρος χαλκός σίδηρος κράματα γραφίτης	3,8·10^-3 3,9·10^-3 5·10^-3 0 -0,5·10^-3

Αν θεωρήσουμε αμελητέα τη μεταβολή των γεωμετρικών διαστάσεων ενός αγωγού λόγω της θερμικής διαστολής, τότε η μεταβολή της αντίστασης του αγωγού με τη θερμοκρασία οφείλεται αποκλειστικά στη μεταβολή της ειδικής του αντίστασης.

Εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία

Άρα, ισχύει:

στους 0° C: R0=ρ0 l/S

στους θ° Co: Rθ=ρθ l/S

και επειδή ρθ = ρo(1+αθ) έχουμε:

Rθ = Ro(1+α·θ)

Έτσι, ανάλογα με την τιμή του θερμικού συντελεστή η αντίσταση αυξάνεται, μειώνεται ή παραμένει σταθερή με την αύξηση της θερμοκρασίας.

ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ(ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΝ)

Στο εμπόριο κυκλοφορούν διάφοροι τύποι αντιστατών (αντιστάσεων).

Αντιστάτης

Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι οι αντιστάσεις άνθρακα, οι αντιστάσεις μεταλλικής επίστρωσης, οι αντιστάσεις επίστρωσης άνθρακα, οι αντιστάσεις μετάλλου-γυαλιού και οι αντιστάσεις σύρματος.

ΧΡΩΜΑΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ

Οι τιμές των αντιστάσεων συνήθως προσδιορίζονται από κάποιο χρωματικό κώδικα. Πολλοί αντιστάτες έχουν έγχρωμες λωρίδες για τον προσδιορισμό της τιμής της αντίστασης και της ανοχής. (Η ανοχή εκφράζει τα όρια της απόκλισης της αντίστασης από την ονομαστική της τιμή). Οι έγχρωμες λωρίδες αντιστοιχούν σε αριθμούς.
Στο παρακάτω πίνακα αναγράφονται οι αριθμητικές τιμές κάθε χρώματος. Οι περισσότεροι αντιστάτες φέρουν τέσσερις λωρίδες. Οι δύο πρώτες αντιπροσωπεύουν αριθμητικές τιμές.

Χρώμα	Αριθμός
Μαύρο Καφέ Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Μωβ Γκρι Άσπρο	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Η τρίτη λέγεται πολλαπλασιαστής και τοποθετεί μετά το διψήφιο αριθμό, που προκύπτει από τις δύο πρώτες λωρίδες, τόσα μηδενικά, όσα αντιπροσωπεύει η τιμή της. Η τέταρτη εκφράζει την ανοχή. Ασημί χρώμα σημαίνει ανοχή ±10%, χρυσαφί ±5%, καφέ ±1%.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ

Έστω ότι έχουμε μία αντίσταση με τα χρώματα καφέ, πράσινο, κόκκινο και ασημί.Το μπλε αντιστοιχεί στο 6, το γκρι στο 8 και το κόκκινο στο 2.

Μία αντίσταση με τα χρώματα καφέ, πράσινο, κόκκινο και ασημί

Άρα, η τιμή της αντίστασης είναι:

Το χρυσαφί σημαίνει ότι έχουμε ανοχή ±5%. Το 5% του 6800 είναι 340. Άρα, η τιμή της αντίστασης αυτής μπορεί να κυμαίνεται από 6800-340 = 6460 Ω έως 6800+340 = 7140 Ω.

ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ(ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΝ)

Πολλές φορές στα ηλεκτρονικά κυκλώματα πρέπει μεταξύ δύο σημείων Α και Β να παρεμβάλλουμε αντίσταση συγκεκριμένης τιμής,που δεν υπάρχει στο εμπόριο. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να χρησιμοποιήσουμε κάποιες από αυτές που υπάρχουν στο εμπόριο και να τις συνδέσουμε κατάλληλα.Επίσης, πολλές φορές στα ηλεκτρονικά κυκλώματα πρέπει να αντικαταστήσουμε πολλές αντιστάσεις με μία, η οποία να προκαλεί το ίδιο αποτέλεσμα με τις άλλες.

Είναι λοιπόν αναγκαία η μελέτη της συνδεσμολογίας των αντιστατών (αντιστάσεων).

Οι αντιστάσεις μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με διάφορους τρόπους. Έτσι δημιουργούνται τα λεγόμενα συστήματα αντιστάσεων.

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, που μπαίνει και βγαίνει από τα άκρα ενός τέτοιου συστήματος ονομάζεται ολική ένταση Ιολ.
Η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του ονομάζεται ολική τάση Vολ.
Επίσης, ονομάζουμε ισοδύναμη ή ολική αντίσταση Roλ ενός τέτοιου συστήματος, την αντίσταση, στα άκρα της οποίας, αν εφαρμόσουμε τάση Vολ θα διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ιολ. Δηλαδή:

R_ολ = V_ολI_ολ

Είναι φανερό ότι, αν αντικαταστήσουμε ένα σύστημα αντιστάσεων με την ολική αντίστασή του, προκύπτει συνδεσμολογία ηλεκτρικά ισοδύναμη με την αρχική.

Στη συνέχεια θα εξετάσουμε τους δύο πιο απλούς, αλλά πιο βασικούς τρόπους σύνδεσης αντιστάσεων:

α) σε σειρά και

β) παράλληλα.

Με το συνδυασμό τους προκύπτουν «μικτοί» τρόποι σύνδεσης.

ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΕ ΣΕΙΡΑ

Θεωρούμε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος.Τα όργανα θεωρούνται ιδανικά.Οι αντιστάσεις R1, R2 και R3 είναι γνωστές (R1 = 10 Ω,R2 = 20 Ω,R3 = 30 Ω).Με το βολτόμετρο V μετράμε την τάση στα άκρα του συστήματος Vολ και με το αμπερόμετρο την ένταση του ρεύματος Ιολ. Είναι: Vολ = 12 V και Ιολ = 0,2 Α.

Σύνδεση αντιστάσεων σε σειρά

Άρα:

R_ολ = V_ολI_ολ = 12V0,2A = 60Ω

Η σχέση που συνδέει τις R1, R2 και R3 με το Roλ είναι:

Rολ = R1+R2+R3

Ακόμη, με τα βολτόμετρα V1,V2 και V3 μετράμε τις τάσεις στα άκρα των R1,R2 και R3 αντίστοιχα. Είναι V1 = 2 V,V2 = 4 V και V3 = 6 V

Παρατηρούμε ότι:

Vολ = V1+V2+V3

Χαρακτηριστικό της συνδεσμολογίας αυτής είναι ότι όλες οι αντιστάσεις διαρρέονται από την ίδια ένταση ρεύματος I, που είναι ίση με την ολική ένταση Ιολ. Δηλαδή:

I1 = I2 = I3 = I = Iολ

Τα παραπάνω συμπεράσματα αποδεικνύονται και θεωρητικά.

Σύνδεση αντιστάσεων σε σειρά

Στο κύκλωμα του παραπάνω σχήματος η τάση της R1 είναι: V1 = VΑ-VΓ της R2: V2 = VΓ-VΔ και της R3: V3 = VΔ-VΒ. Προσθέτουμε κατά μέλη και έχουμε:

V1+V2+V3 = VΑ-VΒ

Όμως, VΑ-VΒ = Vολ είναι η τάση στα άκρα της συνδεσμολογίας.

Άρα:

Vολ = V1+V2+V3

Ισχύουν οι σχέσεις:

Vολ = I·Rολ, V1 = I·R1, V2 = I·R2, V3 = I·R3

Έτσι έχουμε:

Vολ = V1+V2+V3 ⇒ I·Rολ = I·R1+I·R2+I·R3 ⇒ Rολ = R1+R2+R3

Η σύνδεση δυο αντιστάσεων σε σειρά ισοδυναμεί με αύξηση του μήκους ενός αγωγού, άρα η ολική αντίσταση είναι μεγαλύτερη και από τη μεγαλύτερη αντίσταση του συστήματος.

Το πρακτικό αποτέλεσμα είναι ότι με τη συνδεσμολογία αντιστάσεων σε σειρά επιτυγχάνουμε αντιστάσεις μεγαλύτερες από τις αντιστάσεις που διαθέτουμε.

ΣΥΝΔΕΣΗ ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ

Θεωρούμε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος.Οι αντιστάσεις R1,R2 και R3 είναι γνωστές (R1 = 10 Ω,R2 = 20 Ω,R3 = 30 Ω). Με το βολτόμετρο μετράμε την τάση στα άκρα του συστήματος Vολ και με το αμπερόμετρο την ένταση του ρεύματος Ιολ. Είναι: Vολ = 6 V και Ιολ = 1,1 Α

Σύνδεση αντιστάσεων παράλληλα

Άρα:

R_ολ = V_ολI_ολ = 6V 1,1A = 6011Ω = 5,45Ω

H σχέση που συνδέει τις R₁, R₂ και R₃ με το R_ολ είναι:

1 R_ολ = 1 R₁ + 1 R₂ + 1 R₃

Ακόμη, με τα αμπερόμετρα Α1, Α2 και Α3 μετράμε τις εντάσεις που διαρρέουν τις R1,R2 και R3 αντίστοιχα.Είναι I1 = 0,6 A,Ι2 = 0,3 A και I3 = 0,2 A

Παρατηρούμε ότι:

Iολ = I1+I2+I3

Χαρακτηριστικό της συνδεσμολογίας αυτής είναι ότι όλες οι αντιστάσεις έχουν την ίδια τάση V, που είναι ίση με την ολική τάση Vολ. Δηλαδή:

V1 = V2 = V3 = V = Vολ

Τα παραπάνω συμπεράσματα αποδεικνύονται και θεωρητικά.

Στο κύκλωμα είναι Ι1,Ι2 και Ι3 οι εντάσεις των ρευμάτων τις αντιστάσεις R1, R2 και R3 αντίστοιχα.Στον κόμβο Α (και στον κόμβο Β) ισχύει:

Ιολ = Ι1+Ι2+Ι3 (1ος Κανόνας Kirchhoff)

Ισχύουν οι σχέσεις:

I_ολ = V R_ολ, I₁ = V R₁, I₂ = V R₂, I₃ = V R₃

Έτσι έχουμε:

I_ολ = I₁ + I₂ + I₃ ⇒ V R_ολ = V R₁ + V R₂ + V R₃ ⇒

1 R_ολ = 1 R₁ + 1 R₂ + 1 R₃

Η σύνδεση αντιστάσεων παράλληλα ισοδυναμεί με αύξηση της διατομής ενός αγωγού, άρα η ολική αντίσταση είναι μικρότερη και από τη μικρότερη αντίσταση του συστήματος.

Το πρακτικό αποτέλεσμα είναι ότι με τη συνδεσμολογία αντιστάσεων παράλληλα επιτυγχάνουμε αντιστάσεις μικρότερες από τις αντιστάσεις που διαθέτουμε.

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Το ηλεκτρικό ρεύμα όταν διαρρέει οποιαδήποτε συσκευή ή μηχανή μεταφέρει σ’ αυτή ενέργεια η οποία μετατρέπεται σε ενέργεια κάποιας άλλης μορφής.

Το ηλεκτρικό ρεύμα όταν διαρρέει οποιαδήποτε συσκευή ή μηχανή μεταφέρει σ’ αυτή ενέργεια η οποία μετατρέπεται σε ενέργεια κάποιας άλλης μορφής

Όταν ο κινητήρας περιστρέφεται και ανυψώνει ένα βαρίδι, μετατρέπει σε μηχανική ένα μέρος της ενέργειας που μεταφέρεται σ’ αυτόν από το ηλεκτρικό ρεύμα. Το υπόλοιπο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική λόγω του φαινομένου Τζάουλ και της τριβής.

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΟΥ ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΙ ΜΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΣΚΕΥΗ

Είδαμε ότι η ενέργεια που προσφέρεται από το ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν ηλεκτρικό καταναλωτή δίνεται από τη σχέση Εηλ=q · V. Αν λάβουμε υπόψη τον ορισμό της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, προκύπτει:

Εηλεκτρική=V · (I · t) ή

Eηλεκτρική=V · I · t

όπου:
Εηλεκτρική η ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα σε μια συσκευή.
V η διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται στα άκρα (πόλους) της συσκευής.
I η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τη συσκευή.
t ο χρόνος λειτουργίας της συσκευής.

Ηλεκτρική ενέργεια 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.

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

Πρέπει να σημειώσουμε ότι η σχέση ισχύει για κάθε είδος ηλεκτρικής συσκευής που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια κάποιας άλλης μορφής. Έτσι μπορούμε να την εφαρμόσουμε σε κινητήρα, αντιστάτη, μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία, λαμπτήρα κ.λπ.

Η μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας, όπως και κάθε μορφής ενέργειας, στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) είναι το ένα Τζάουλ (1 J).

Αν στη σχέση Eηλεκτρική=V · I · t αντικαταστήσουμε V=1 V, I=1 A και t=1 s μπορούμε να υπολογίσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που «καταναλώνει»/μετασχηματίζει σε ένα δευτερόλεπτο μια συσκευή από την οποία διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1 Α και μεταξύ των άκρων της εφαρμόζεται τάση 1 V:

Εηλ=(1 V) · (1 A) · (1 s)=1 J

Ώστε ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1 Α μεταφέρει σε μια ηλεκτρική συσκευή ενέργεια ίση με 1 J όταν τη διαρρέει επί 1 s και η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα της είναι 1 V.

Η ΙΣΧΥΣ ΠΟΥ «ΚΑΤΑΝΑΛΩΝΕΙ» ΜΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΣΚΕΥΗ

Στην καθημερινότητα στις πρακτικές εφαρμογές δεν μας ενδιαφέρει μόνον πόση ενέργεια μετατρέπει μια συσκευή ή μηχανή, αλλά και ο χρόνος μέσα στον οποίο συμβαίνει αυτό, δηλαδή μας ενδιαφέρει η ισχύς της συσκευής.

Στις πρακτικές εφαρμογές δεν μας ενδιαφέρει μόνον πόση ενέργεια μετατρέπει μια συσκευή ή μηχανή, αλλά και ο χρόνος μέσα στον οποίο συμβαίνει αυτό

Ισχύς (P) ονομάζεται η ποσότητα της ενέργειας (Ε) που μετατρέπει ή μεταφέρει μια μηχανή προς το αντίστοιχο (απαιτούμενο) χρονικό διάστημα (t). Άρα έχουμε:

P=E/t

Επομένως, σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό η ηλεκτρική ισχύς που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα σε μια ηλεκτρική συσκευή είναι:

Pηλ=Εηλ/t

Ισχύς (P) ονομάζεται η ποσότητα της ενέργειας (Ε) που μετατρέπει ή μεταφέρει μια μηχανή προς το αντίστοιχο (απαιτούμενο) χρονικό διάστημα (t)

Αν αντικαταστήσουμε την ηλεκτρική ενέργεια από τη σχέση Eηλεκτρική=V · I · t

Pηλ=V I t/t

δηλαδή:

Pηλ= V · Ι

Ώστε η ηλεκτρική ισχύς που «καταναλώνει»/μετασχηματίζει μια οποιαδήποτε ηλεκτρική συσκευή είναι ίση με το γινόμενο της διαφοράς δυναμικού που εφαρμόζεται στους πόλους της επί την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που τη διαρρέει.

Ένα ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1 Α που διαρρέει μια συσκευή στα άκρα της οποίας εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού 1 V μεταφέρει σ’ αυτήν ηλεκτρική ισχύ 1 W

Έτσι, για παράδειγμα, αν στα άκρα μιας ηλεκτρικής συσκευής εφαρμόσουμε διαφορά δυναμικού V=1 Volt και μετρήσουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι=1 Α, τότε έχουμε ότι η ηλεκτρική ισχύς που μετατρέπει είναι:

Pηλ=(1 V) · (1 Α)=1 W

Με άλλα λόγια ένα ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1 Α που διαρρέει μια συσκευή στα άκρα της οποίας εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού 1 V μεταφέρει σ’ αυτήν ηλεκτρική ισχύ 1 W. Αν η συσκευή αυτή είναι ένας κινητήρας που μετατρέπει σχεδόν ολόκληρη την ηλεκτρική ισχύ σε μηχανική μπορεί να ανυψώσει ένα μήλο 100 g σε ύψος 1 m σε χρόνο ενός δευτερόλεπτου.

ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Η ενέργεια παρέχεται από εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας όπως η ΔΕΗ. Η ενέργεια όμως στοιχίζει. Κάπου στο εξωτερικό μέρος του σπιτιού μας υπάρχει ένας ηλεκτρικός μετρητής. Ο ηλεκτρικός μετρητής μετράει τη συνολική ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρεται από τη ΔΕΗ στις ηλεκτρικές συσκευές του σπιτιού μας.

Η παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας

Ο λογαριασμός της ΔΕΗ αντιστοιχεί στο κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε για τη λειτουργία των συσκευών και όχι στην ισχύ τους.

Ο ηλεκτρικός μετρητής μετράει τη συνολική ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρεται από τη ΔΕΗ στις ηλεκτρικές συσκευές του σπιτιού μας.Ο λογαριασμός της ΔΕΗ αντιστοιχεί στο κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε για τη λειτουργία των συσκευών και όχι στην ισχύ τους

Γνωρίζουμε ότι η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει μια συσκευή ισούται με το γινόμενο της ισχύος της συσκευής επί το χρόνο λειτουργίας της, δηλαδή:

Eηλ=Ρηλ · t

Αν η ισχύς μετράται σε W και ο χρόνος σε s, τότε η ενέργεια υπολογίζεται σε J. Όμως το Τζάουλ είναι μια μικρή ποσότητα ενέργειας. Γι’ αυτό το λόγο οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας μετρούν την ενέργεια που παρέχουν σε μια άλλη μονάδα που λέγεται κιλοβατώρα και συμβολίζεται 1 kW · h.

Μια κιλοβατώρα (1 kWh) ονομάζεται η ενέργεια που καταναλώνεται από μια συσκευή ισχύος 1 kW (1000 W) όταν λειτουργεί για μια ώρα

Μια κιλοβατώρα (1 kWh) ονομάζεται η ενέργεια που καταναλώνεται από μια συσκευή ισχύος 1 kW (1000 W) όταν λειτουργεί για μια ώρα. Ένας λαμπτήρας ισχύος 100 W όταν λειτουργεί για 10 ώρες καταναλώνει ενέργεια 1 kWh. Παραδείγματα ισχύος κάποιων ηλεκτρικών συσκευών παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα.

Η ισχύς περιγράφει το μέγεθος της στιγμιαίας δυνατότητας ενός συστήματος να παράγει (ή να καταναλώνει) μια μορφή ενέργειας όπως ηλεκτρική

Πολλές φορές δημιουργείται σύγχυση σχετικά με τους όρους κιλοβάτ (kW) και κιλοβατώρα(kWh).To κιλοβάτ (kW) είναι μονάδα μέτρησης ηλεκτρικής ισχύος και η κιλοβατώρα (kWh) είναι μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής ενέργειας. Ένας ορισμός που συσχετίζει την ισχύ με την ενέργεια είναι ότι:
Η ισχύς περιγράφει το μέγεθος της στιγμιαίας δυνατότητας ενός συστήματος να παράγει (ή να καταναλώνει) μια μορφή ενέργειας όπως ηλεκτρική.

Μία κιλοβατώρα θεωρητικά αντιστοιχεί στην ενέργεια που καταναλώθηκε από μια συσκευή ισχύος 1kilowatt (κιλοβάτ) που λειτούργησε για την διάρκεια της μιας ώρας (1hour)

Μία κιλοβατώρα θεωρητικά αντιστοιχεί στην ενέργεια που καταναλώθηκε από μια συσκευή ισχύος 1kilowatt (κιλοβάτ) που λειτούργησε για την διάρκεια της μιας ώρας (1hour).

1 kWh = 1 kW x 1h = 1 kilowatt-hour = 1 κιλοβατώρα

ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ(ΗΕΔ) ΠΗΓΗΣ

Το ηλεκτρικό κύκλωμα του παρακάτω σχήματος αποτελείται από μία πηγή, ένα διακόπτη, έναν αντιστάτη, ένα λαμπτήρα, ένα βολτόμετρο και ένα ανεμιστήρα. Όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός το κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα, ενώ όταν ο διακόπτης είναι κλειστός το κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα και η πηγή προσφέρει ενέργεια στο κύκλωμα.

Όταν θετικό φορτίο q φτάνει στον αρνητικό πόλο, όπου έχει την ελάχιστη ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, «αναγκάζεται» από την πηγή να μετακινηθεί μέσω αυτής προς το θετικό πόλο της, όπου έχει τη μέγιστη ηλεκτρική δυναμική ενέργεια.

Το ηλεκτρικό κύκλωμα του παρακάτω σχήματος αποτελείται από μία πηγή, ένα διακόπτη, έναν αντιστάτη, ένα λαμπτήρα, ένα βολτόμετρο και ένα ανεμιστήρα

Το φορτίο παίρνει την ενέργεια W από την πηγή, την αποδίδει στο κύκλωμα και επιστρέφει στον αρνητικό πόλο για να επαναληφθεί η διαδικασία.

Όπως γνωρίζουμε η ενέργεια W είναι ανάλογο του φορτίου q. Το πηλίκο της ενέργειας W προς το φορτίο q είναι ένα μέγεθος, που χαρακτηρίζει την πηγή και ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής (ΗΕΔ).

ε=W/q

Η μονάδα της ΗΕΔ στο S.I. είναι το:

1 J/C = 1 V ή

1 Joule / Coulomb = 1 Volt

Ηλεκτρεγερτική δύναμη μιας πηγής εκφράζει την ενέργεια ανά μονάδα ηλεκτρικού φορτίου που προσφέρει η πηγή στο κύκλωμα.

Ο όρος ηλεκτρεγερτική δύναμη δεν είναι ικανοποιητικός, γιατί η ΗΕΔ δεν είναι δύναμη, αλλά, όπως φαίνεται από τη προηγούμενη σχέση, έχει μονάδα μέτρησης ίδια με τη διαφορά δυναμικού.

Αν διαιρέσουμε αριθμητή και παρονομαστή με το χρόνο t, έχουμε:

ε=W/q

ε=W/t/q/t

ε=Ρ/Ι

Έτσι, η ηλεκτρεγερτική δύναμη μιας πηγής δίνεται και από το πηλίκο της ισχύος Ρ, που παρέχει η πηγή στο κύκλωμα, προς την ένταση του ρεύματος I που διαρρέει το κύκλωμα. Δηλαδή:

ε=Ρ/Ι

Η ηλεκτρική πηγή είναι ουσιαστικά ένας ενεργειακός μετατροπέας, δηλαδή μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια, μιας άλλης μορφής ενέργεια, που μπορεί να είναι χημική, μηχανική, θερμική, ακτινοβολίας.Στην παρακάτω εικόνα κάθε βαγονάκι παριστάνει φορτίο 1 C.

H ηλεκτρεγερτική δύναμη εκφράζει την ενέργεια ανά μονάδα ηλεκτρικού φορτίου που προσφέρει πηγή στο κύκλωμα

Η ηλεκτρική πηγή δεν παράγει ηλεκτρικό φορτίο, αλλά αποδίδει σε κάθε 1 C ορισμένη ποσότητα ενέργειας, που καθορίζεται από την ΗΕΔ της.

Μπαταρία

Αν π.χ. η πηγή έχει ΗΕΔ 3 V, τότε σε κάθε 1 C αποδίδει ενέργεια 3 J.Η ηλεκτρεγερτική δύναμη μιας πηγής αναγράφεται στο περίβλημά της.

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΠΗΓΗΣ

Όταν μια ηλεκτρική πηγή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, διαπιστώνουμε ότι θερμαίνεται. Η θερμότητα που αναπτύσσεται μέσα στην πηγή, οφείλεται στην αντίσταση, που αυτή παρεμβάλλει. Η αντίσταση αυτή αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος της πηγής και ονομάζεται εσωτερική αντίσταση της πηγής και συμβολίζεται με r. Η εσωτερική αντίσταση της πηγής εκφράζει τη δυσκολία, που συναντά το ηλεκτρικό ρεύμα, όταν διέρχεται μέσα από την πηγή.

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ ΟΗΜ ΓΙΑ ΚΛΕΙΣΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ ΟΗΜ ΓΙΑ ΚΛΕΙΣΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Σε ένα κλειστό κύκλωμα υπάρχει γεννήτρια, που έχει ηλεκτρεγερτική δύναμη και εσωτερική αντίσταση r. Το εξωτερικό κύκλωμα αποτελείται από μια αντίσταση R. Οι αγωγοί που χρησιμοποιούνται για τη συνδεσμολογία έχουν ασήμαντη αντίσταση. Το κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα έντασης I.

Κλειστό κύκλωμα με πηγή και αντιστάτη

Σε χρονικό διάστημα t, η πηγή δίνει ενέργεια:

W=P t

W=ε·I·t

η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα

στην αντίσταση R: QR = Ι²·R·t και

στην αντίσταση r: Qr =Ι²·r·t

Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας έχουμε:

W=QR+Qr

ε·I·t=Ι²·R·t +Ι²·r·t

ε=Ι·R +Ι·r

ε=Ι·(R +r)

ε=Ι·Rολ

Ι=ε/Rολ

Η τελευταία σχέση αποτελεί τη μαθηματική έκφραση του νόμου του Ohm για κλειστό κύκλωμα, και διατυπώνεται ως εξής:

Σε κλειστό κύκλωμα, που αποτελείται από ηλεκτρική πηγή και ωμικές αντιστάσεις, η ένταση του ρεύματος I που διαρρέει το κύκλωμα είναι ίση με το πηλίκο της ΗΕΔ της πηγής προς την ολική αντίσταση Rολ του κυκλώματος.

ΤΑΣΗ ΣΤΟΥΣ ΠΟΛΟΥΣ ΠΗΓΗΣ(ΠΟΛΙΚΗ ΤΑΣΗ)

Θεωρούμε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος.Επειδή οι αγωγοί της συνδεσμολογίας ΑΓ και ΒΔ έχουν ασήμαντη αντίσταση, τα άκρα Γ και Δ της αντίστασης R έχουν το ίδιο δυναμικό με τους πόλους Α και Β της πηγής αντίστοιχα, δηλαδή VA = VΓ και VB = VΔ.

Κλειστό κύκλωμα με πηγή και αντιστάτη

Άρα:

VA-VΒ = VΓ-VΔ.

Η τάση στα άκρα της πηγής VA-VB λέγεται πολική τάση της πηγής και συμβολίζεται με Vπ.

Επομένως:

Vπ = VR

δηλαδή η τάση στους πόλους της πηγής είναι ίση με την τάση στα άκρα της αντίστασης R.

Είναι όμως:

VR = I·R (από το νόμο το Ohm για τμήμα αγωγού).

Άρα:

Vπ = I·R

Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας έχουμε:

W=QR+Qr

ε·I·t=Ι²·R·t +Ι²·r·t

ε=Ι·R +Ι·r

ε=Vπ +Ι·r

Vπ= ε-Ι·r

Παρατηρούμε ότι σ' αυτό το κλειστό κύκλωμα η τάση Vπ στους πόλους της πηγής είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής ελαττωμένη κατά τον παράγοντα lr, που λέγεται πτώση τάσης μέσα στην πηγή.

Αν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, τότε η πηγή δε διαρρέεται από ρεύμα, δηλαδή είναι l = 0.

Vπ= ε-Ι·r

Vπ= ε

Η ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής είναι ίση με την τάση Vπ στους πόλους της πηγής, όταν η πηγή δε διαρρέεται από ρεύμα (I = 0).

Αν η πηγή είναι ιδανική, τότε έχει αμελητέα εσωτερική αντίσταση, δηλαδή είναι r = 0.

Vπ= ε-Ι·r

Vπ= ε

Η ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής είναι ίση με την τάση Vπ στους πόλους της πηγής, όταν η πηγή είναι ιδανική (r = 0).

Αν συνδέσουμε τους πόλους της πηγής με αγωγό αμελητέας αντίστασης, δηλαδή R = 0, τότε λέμε ότι η πηγή είναι βραχυκυκλωμένη.

Χαρακτηριστική καμπύλη πηγής

Από το νόμο του Ohm για κλειστό κύκλωμα έχουμε:

Ι=Ε/Rολ

Ι=Ε/R + r

Ιβ=Ε/r

Το ρεύμα αυτό είναι το μέγιστο που μπορεί να διαρρέει την πηγή και λέγεται ρεύμα βραχυκύκλωσης.

Από τη σχέση Vπ = Ε-lr κατασκευάζουμε τη χαρακτηριστική καμπύλη της πηγής.

ΦΥΣΙΚΗ Β ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΥΝΕΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ