PHYSIC LESSONS: ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

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:

1 A=1 C/s

Το 1 Ampere μαζί με το 1 m(μέτρο),το 1 kgr(χιλιόγραμμο),το 1 sec 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.

1 mΑ=10^-3Α

1 μΑ=10^-6Α

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

1 Α=1 Cb/sec

1 Cb=1 Α×sec

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