ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ. q t V R R = Φυσική Γ Γυµνασίου

Transcript

1 Φυσική Γ Γυµνασίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΤΥΠΟΛΟΓΙΟ Μέγεθος Νόµος Αρχή Ορισµός έντασης ηλεκτρικού ρεύµατος ιαφορά δυναµικού στους πόλους πηγής Τύπος q i = t πηγης = Ε ηλεκτρικη q Ενέργεια που προσφέρει Ε η πηγή στο κύκλωµα ηλεκτρικη = ( πηγης ). q Ηλεκτρική τάση στα άκρα καταναλωτή Ηλεκτρική αντίσταση ηλεκτρικού διπόλου Νόµος Ohm Ε = ηλεκτρικη q = = και =. Ονόµατα µεγεθών Μονάδες µεγεθών στο S.. i ένταση ηλεκτρικού ρεύµατος, σε Α (mpere) q ηλεκτρικό φορτίo, σε C (Coulomb) t χρόνος σε sec ηλεκτρική τάση, σε olt E ηλεκτρική ενέργεια, σε Joule ηλεκτρική αντίσταση σε Ohm 1

2 Σύνδεση αντιστατών σε σειρά Παράλληλη σύνδεση αντιστατών Αρχικό κύκλωµα Αρχικό κύκλωµα 1 Γ δ Ισοδύναµο κύκλωµα 2 δ Ισοδύναµο κύκλωµα ολ ολ Ρεύµα ίδιας έντασης διαρρέει όλο το κύκλωµα: = 1 = 2 (1) Η ολική τάση στα άκρα του συστήµατος ισούται µε το άθροισµα των τάσεων 1 και 2 στα άκρα κάθε αντίστασης: = 1 2 (2) Η ισοδύναµη αντίσταση ισούται µε το άθροισµα των αντιστάσεών του κυκλώµατος. = 1 2 (3) Για κάθε αντίσταση ισχύει ο νόµος του Ohm. Για τη 1 1 = 1 (4) Για τη 2 2 = 2 (5) Για τη = (6) Το ολικό ρεύµα Ι που διαρρέει το σύστηµα ισούται µε το άθροισµα των εντάσεων των ρευµάτων Ι 1 και Ι 2 που διαρρέουν τις αντιστάσεις: Ι = Ι 1 Ι 2 (1) Η ολική τάση στα άκρα του συστήµατος ισούται µε τη τάση στα άκρα κάθε αντίστασης: = 1 = 2 (2) Η ισοδύναµη αντίσταση ισούται µε: = = (3) ο δεύτερος τύπος ισχύει µόνο για δύο αντιστάσεις Για κάθε αντίσταση ισχύει ο νόµος του Ohm. Για τη 1 1 = 1 (4) Για τη 2 2 = 2 (5) Για τη = (6) Απόδειξη τύπου ολικής αντίστασης: Από τη σχέση (2) προκύπτει: (4),(5),(6) (1) =. =.. = Απόδειξη τύπου ολικής αντίστασης: Από τη σχέση (1) προκύπτει: (4),(5),(6) (2) = 1 2 = =

3 Ερωτήσεις Θεωρίας 2.1 Το ηλεκτρικό ρεύµα Αγωγοί µονωτές και ηλεκτρικό ρεύµα 1. Τι ονοµάζουµε ηλεκτρικό ρεύµα ορισµός. (σελ.36) 2. Σε ποιες κατηγορίες χωρίζουµε τα υλικά ανάλογα µε την αγωγιµότητά τους; (σελ.36) 3. Τι είναι ηµιαγωγοί; ώστε παραδείγµατα ηµιαγωγών. 4. Γιατί στους µονωτές δεν εµφανίζεται ηλεκτρικό ρεύµα, ενώ αντίθετα στους αγωγούς εµφανίζεται; (σελ.36) Ηλεκτρική πηγή και ηλεκτρικό ρεύµα 1. Τι είναι ηλεκτρική πηγή; (σελ. 36). (Βλέπε και ερώτηση 22) 2. Ποια η αιτία του ηλεκτρικού ρεύµατος; (η διαφορά δυναµικού στα άκρα ενός αγωγού) 3. Με ποιο τρόπο εµφανίζεται η προσανατολισµένη κίνηση των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό, όταν αυτός συνδεθεί µε τους πόλους µιας πηγής; (σελ.36) (πόλοι πηγής, ηλεκτρικό πεδίο, δυνάµεις από το ηλεκτρικό πεδίο σε κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο, προσανατολισµένη κίνηση ηλεκτρονίων). Ένταση ηλεκτρικού ρεύµατος 1. Ένταση ηλεκτρικού ρεύµατος: (ορισµός, τύπος, αναγνώριση µεγεθών, µονάδες των µεγεθών στο S..) (σελ.37). 2. Ποια η µονάδα έντασης ηλεκτρικού ρεύµατος στο S..; (σελ. 37) 3. Ορισµός µονάδας ηλεκτρικού φορτίου (1 Coulomb) στο S.. (σελ.38). 4. Γιατί δεν µπορούµε να ορίσουµε τη µονάδα έντασης του ηλεκτρικού ρεύµατος από το sec και το Coulomb; 5. Υποπολλαπλάσια του mpere. (σελ.38). 6. Με ποια όργανα µετράµε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος; Με ποιόν τρόπο συνδέονται αυτά σε ένα κύκλωµα; (σελ.38). 7. Σχεδιάστε το διάγραµµα του κυκλώµατος λειτουργίας ενός ηλεκτρικού λαµπτήρα. Το διάγραµµα να περιλαµβάνει ηλεκτρική πηγή, διακόπτη, λαµπτήρα, αµπερόµετρο και αγωγούς σύνδεσης. (σελ.38 και σελ.43 εικόνα 2.22) 8. Τι είναι τα πολύµετρα; (σελ.38). Η φορά του ηλεκτρικού ρεύµατος 1. Τι ονοµάζουµε συµβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύµατος και τι πραγµατική; Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα ποια από τις δύο φορές σχεδιάζουµε; (σελ.38). Αποτελέσµατα του ηλεκτρικού ρεύµατος 1. Ποια τα αποτελέσµατα του ηλεκτρικού ρεύµατος; (αναπτύξτε αναλυτικά µε παραδείγµατα το καθένα απ αυτά) (σελ.39). 2. Για κάθε αποτέλεσµα δώστε παραδείγµατα ηλεκτρικών συσκευών ή µηχανών, που η λειτουργία τους να στηρίζεται σ αυτό. (σελ.39). 2.2 Ηλεκτρικό κύκλωµα Κλειστό και ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωµα 1. Τι είναι ηλεκτρικό κύκλωµα και από τι αποτελείται; (σελ. 39) 2. Τι είναι κλειστό ηλεκτρικό κύκλωµα και τι ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωµα; (σελ. 40) Ηλεκτρική πηγή και ενέργεια 1. Τι µεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύµα; 2. Από πού προέρχεται η ενέργεια που µεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύµα; (ηλεκτρική ενέργεια) (σελ. 40) 3. Ηλεκτρική πηγή Α) Τι είναι ηλεκτρική πηγή; (ορισµός σελ.40) Β) Ποιος ο ενεργειακός ρόλος της ηλεκτρικής πηγής σε ένα κύκλωµα; Γ) Ποιο το βασικό χαρακτηριστικό µιας πηγής; (η τάση στους πόλους της) ) Πως καταφέρνει και δηµιουργεί ηλεκτρικό ρεύµα σε ένα κλειστό κύκλωµα; Ε) Η πηγή προσφέρει ηλεκτρόνια σε ένα κύκλωµα ή όχι; Εξηγήστε. (σελ. 43) 4. Ποιες ενεργειακές µετατροπές συµβαίνουν σε ένα ηλεκτρικό στοιχείο, σε έναν συσσωρευτή, σε µία γεννήτρια, σε ένα φωτοστοιχείο και σε ένα θερµοστοιχείο; (σελ. 41). 3

4 Η διαφορά δυναµικού στο ηλεκτρικό κύκλωµα 1. Ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναµικού στους πόλους µιας πηγής. (σελ. 41) (διατύπωση ορισµού, τύπος, αναγνώριση µεγεθών, µονάδες µεγεθών στο S.) 2. Ενέργεια που προσφέρει η πηγή στο ηλεκτρικό κύκλωµα (τύπος) (σελ. 41) 3. Τι ονοµάζουµε καταναλωτή σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα; 4. Ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναµικού στα άκρα καταναλωτή. (Ορισµός, τύπος, αναγνώριση µεγεθών, µονάδες µεγεθών) (σελ. 42) 5. Ενέργεια που καταναλώνει ένας καταναλωτής, τύπος (σελ. 42) 6. Με ποια όργανα µετράµε την τάση στα άκρα ενός στοιχείου του κυκλώµατος; 7. Πως συνδέονται τα βολτόµετρα σε ένα κύκλωµα; (σελ. 42) 8. Σχεδιάστε ένα κύκλωµα µε πηγή, διακόπτη, λαµπτήρα, καλώδια και συνδέστε ένα αµπερόµετρο που να µετρά την ένταση του ρεύµατος που περνά µέσα από τον λαµπτήρα και ένα βολτόµετρο που να µετρά τη τάση στα άκρα του λαµπτήρα. 9. Ποιος δηµιουργεί την τάση (τη διαφορά δυναµικού); 10. Προέλευση ηλεκτρονίων σ ένα κύκλωµα. Από πού προέρχονται τα κινούµενα ηλεκτρόνια σε ένα κύκλωµα; 11. Ποια είναι η τάση σε έναν ρευµατοδότη σπιτιού (πρίζα) και ποια σε µία µικρή κυλινδρική µπαταρία; 12. Τι αγοράζουµε από τη ΕΗ ηλεκτρόνια; ηλεκτρικό ρεύµα, ή ηλεκτρική ενέργεια; 13. Το ηλεκτρικό κύκλωµα και οι αναπαραστάσεις του. Σύµβολα στοιχείων ενός κυκλώµατος (σελ. 43 Εικόνα 2.22) Σειρά φαινοµένων σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωµα. Η ηλεκτρική πηγή δηµιουργεί ηλεκτρικό πεδίο και διαφορά δυναµικού στους πόλους της - το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί δυνάµεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προϋπάρχουν στους αγωγούς, τα οποία εξ αιτίας των δυνάµεων κινούνται προσανατολισµένα και δηµιουργείται ηλεκτρικό ρεύµα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα πραγµατοποιείται µεταφορά ενέργειας από τη πηγή στον καταναλωτή. 2.3 Ηλεκτρικά δίπολα 1. Τι ονοµάζουµε ηλεκτρικά δίπολα; ( ώστε παραδείγµατα ηλεκτρικών διπόλων). Αντίσταση ηλεκτρικού διπόλου 2. Ηλεκτρική αντίσταση ενός ηλεκτρικού διπόλου. (Ορισµός, τύπος, αναγνώριση µεγεθών µονάδες στο S..) (σελ44) 3. Τι είναι τα ωµόµετρα; (σελ44) 4. Τι είναι οι αντιστάτες; (σελ44) Νόµος του Ohm (Ωµ) (σελ. 45, 46) 5. Ποιο είναι το απλούστερο ηλεκτρικό δίπολο; 6. Σχεδιάστε ηλεκτρικό κύκλωµα µε πηγή, αντιστάτη, αµπερόµετρο και βολτόµετρο ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισµός της τιµής του αντιστάτη. 7. Τι είδους ποσά είναι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος (Ι) και η τάση στα άκρα ενός αντιστάτη (); 8. Τι τιµές παίρνει η τιµή του πηλίκου της τάσης () στα άκρα του αντιστάτη προς την ένταση του ρεύµατος (Ι) που τον διαρρέει; 9. ιαγράµµατα (Ι, ), (,) και (,) για έναν αντιστάτη. 10. Νόµος του Οhm (Ορισµός, τύπος, αναγνώριση µεγεθών, µονάδες στο S Επίλυση τύπου Ohm ως προς και ως προς. 11. Γραφική παράσταση νόµου του Ohm; (Ι,) (σελ.45) 2.5 Σύνδεση Αντιστατών 1. Τι ονοµάζουµε ισοδύναµη αντίσταση συστήµατος αντιστατών; (σελ.54) Σύνδεση αντιστατών σε σειρά 2. Σχεδιάστε ηλεκτρικό κύκλωµα µε πηγή, διακόπτη, δύο βολτόµετρα, ένα αµπερόµετρο και δύο αντιστάτες συνδεµένους σε σειρά, έτσι ώστε να µπορείτε να µετρήστε την τάση στα 4

5 άκρα του κάθε αντιστάτη και την ένταση του ρεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα. (σελ. 55) (εικόνα 2.49 α) 3. Σχέσεις τάσεων (ολ, 1, 2 ) και εντάσεων ρευµάτων σε ένα κύκλωµα αντιστατών σε σειρά. (σελ. 55) 4. Υπολογίστε τη σχέση που υπολογίζει την ολική αντίσταση σε ένα κύκλωµα σύνδεσης αντιστατών σε σειρά. (απόδειξη τύπου) (σελ. 55) Παράλληλη σύνδεση αντιστατών 5. Σχεδιάστε ηλεκτρικό κύκλωµα µε πηγή, διακόπτη, δύο αµπερόµετρα, ένα βολτόµετρο και δύο αντιστάτες συνδεµένους παράλληλα, έτσι ώστε να µπορείτε να µετρήστε σε κάθε αντιστάτη τη τάση στα άκρα του και την ένταση του ρεύµατος που τον διαρρέει. (εικόνα 2.50 α) (σελ. 55) 6. Σχέσεις τάσεων (ολ, 1, 2 ) και εντάσεων ρευµάτων σε ένα κύκλωµα αντιστατών σε παράλληλη σύνδεση. (σελ. 55) 7. Υπολογίστε τη σχέση που υπολογίζει την ολική αντίσταση σε ένα κύκλωµα σύνδεσης αντιστατών σε παράλληλη σύνδεση. (απόδειξη τύπου) ΠΡΟΣΟΧΗ στα λυµένα παραδείγµατα 2.1 και 2.2 (σελ. 56,57, 58) Ερωτήσεις σχολικού 1, 2 α,β,γ,δ, 5, 6, (σελ. 58, 59, 60) Ασκήσεις σχολικού 2, 4, 9, 10 (σελ. 61, 62) 5

6 Ασκήσεις 1. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος που διαρρέει έναν αγωγό ενός µικροκυκλώµατος είναι 16m. Α) Πόσο ηλεκτρικό φορτίο περνά ανά δευτερόλεπτο µέσα από τον αγωγό του µικροκυκλώµατος; Β) Πόσα ηλεκτρόνια περνούν από µία διατοµή του αγωγού ανά δευτερόλεπτο; ίνεται φορτίο ηλεκτρονίου q = -1, C. 2. Συνδέουµε δύο αντιστάσεις 1 = 5Ω και 2 = 10Ω σε σειρά και τα άκρα του συστήµατος τα συνδέουµε µε πηγή τάσης 30olt. Α) Να σχεδιαστεί το κύκλωµα (σχηµατική αναπαράσταση). Γ) Να υπολογιστεί η ένταση του ρεύµατος που διαρρέει τις αντιστάσεις και την πηγή; ) Να υπολογιστούν οι τάσεις στα άκρα της κάθε αντίστασης. 3. Συνδέουµε δύο αντιστάσεις 1 = 4Ω και 2 = 6Ω παράλληλα και τα άκρα του συστήµατος τα συνδέουµε µε πηγή τάσης 12olt. Α) Να σχεδιαστεί το κύκλωµα (σχηµατική αναπαράσταση). Γ) Να υπολογιστεί η ένταση του ρεύµατος που διαρρέει την κάθε αντίσταση. Να υπολογιστεί η τάση στα άκρα της κάθε αντίστασης; 4. Στο διπλανό κύκλωµα 1 = 4 Ω, 2 = 8 Ω, και η τάση στα άκρα της πηγής είναι = 24olt. ) Να σχεδιαστούν τα ρεύµατα στο κύκλωµα. Γ) Να υπολογιστούν οι ενδείξεις των βολτοµέτρων ) Να υπολογιστεί η ένδειξη του αµπεροµέτρου. 1 1 Γ Στο διπλανό κύκλωµα 1 = 3 Ω, 2 = 6 Ω, και η τάση στα άκρα της πηγής είναι = 12olt. ) Να σχεδιαστούν τα ρεύµατα στο κύκλωµα. Γ) Να υπολογιστούν οι ενδείξεις των αµπεροµέτρων. ) Να υπολογιστούν οι τάσεις στα άκρα κάθε αντίστασης Αν = 6Ω να υπολογιστεί η ισοδύναµη αντίσταση των παρακάτω κυκλωµάτων. Α) Β) Γ) 6

7 7. Αν = 6Ω Να υπολογιστεί η ισοδύναµη αντίσταση των παρακάτω κυκλωµάτων. Α) Β) Γ) 8. Ένας αντιστάτης ωµικής αντίστασης = 10Ω συνδέεται στα άκρα πηγής και διαρρέετε από ρεύµα έντασης Ι = 2 Α. Α) Σχεδιάστε το κύκλωµα και Β) Υπολογίστε την τάση στα άκρα της πηγής. 9. Ένας αντιστάτης συνδέεται στα άκρα ηλεκτρικής πηγής τάσης = 20olt και διαρρέετε από ρεύµα έντασης Ι = 2 Α. Α) Σχεδιάστε το κύκλωµα και Β) Υπολογίστε την αντίσταση του αντιστάτη. 10. Ένας λαµπτήρας αντίστασης = 10Ω συνδέεται στα άκρα πηγής τάσης = 20olt. Α) Σχεδιάστε το κύκλωµα. Β) Υπολογίστε την ένταση του ρεύµατος που διαρρέει τον λαµπτήρα. Γ) Πόσο φορτίο περνά ανά δευτερόλεπτο µέσα από τον λαµπτήρα; ) Πόση ενέργεια παρέχει η πηγή στο κύκλωµα ανά δευτερόλεπτο; Ε) Πόση ενέργεια καταναλώνει ο λαµπτήρας ανά δευτερόλεπτο; 7