ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 2.1 Το ηλεκτρικό ρεύμα 1. Με ποιες θεμελιώδεις έννοιες του ηλεκτρισμού συνδέεται το ηλεκτρικό ρεύμα; Με την εμπειρία μας διαπιστώνουμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κοινή αιτία λειτουργίας μιας πολύ μεγάλης κατηγορίας συσκευών. Οι Φυσικοί αναζητώντας την ερμηνεία όλων αυτών των φαινόμενων συνέδεσαν το ηλεκτρικό ρεύμα με τις θεμελιώδεις έννοιες του ηλεκτρισμού, που είναι το ηλεκτρικό φορτίο και το ηλεκτρικό πεδίο. 2. Τι ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα; Ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα την προσανατολισμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων μέσα σε αγωγούς. Στους μεταλλικούς αγωγούς ειδικά ηλεκτρικό ρεύμα λέμε την προσανατολισμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του αγωγού. 3. Τι ονομάζουμε αγωγιμότητα; Πως κατατάσσονται τα υλικά ανάλογα με την αγωγιμότητα τους; Αγωγιμότητα μπορούμε να χαρακτηρίσουμε την ικανότητα των υλικών να διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Ανάλογα με την αγωγιμότητα τους τα υλικά κατατάσσονται σε: Αγωγούς. Είναι τα σώματα στα οποία τα ηλεκτρικά φορτία μπορούν να κινηθούν μέσα στη μάζα τους και συνεπώς μπορούν να διαρρέονται από ρεύμα. Μονωτές. Είναι τα σώματα στα οποία τα ηλεκτρικά φορτία δε μπορούν να κινηθούν μέσα στη μάζα τους και συνεπώς δε διαρρέονται από ρεύμα. Ημιαγωγοί. Είναι σώματα τα οποία άλλοτε λειτουργούν ως μονωτές και κάτω από ορισμένες συνθήκες μπορούν να μετατραπούν σε αγωγούς. 4. Ποια είναι η αιτία της δημιουργίας του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα μεταλλικό αγωγό; Η αιτία της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο εσωτερικό των αγωγών είναι η παρουσία μιας ηλεκτρικής πηγής. Σε κάθε ηλεκτρική πηγή υπάρχουν δύο αντίθετα ηλεκτρισμένες περιοχές τις οποίες ονομάζουμε ηλεκτρικούς πόλους και χαρακτηρίζονται ως θετικός και αρνητικός πόλος. Όταν συνδέσουμε στους πόλους μιας πηγής ένα μεταλλικό αγωγό, τότε το ηλεκτρικό πεδίο της πηγής ασκεί δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού, αναγκάζοντας τα να κινηθούν από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο της πηγής (προσανατολισμένη κίνηση). Συνεπώς ο αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. 5. Τι εκφράζει το φυσικό μέγεθος ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος και πως ορίζεται; Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος εκφράζει το πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα αγωγό και έχει σχέση με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που διέρχονται από μια διατομή του αγωγού στη μονάδα του χρόνου. Ορίζουμε την ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει ένα αγωγό ως το πηλίκο του φορτίου (q) που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού σε χρόνο (t) προς το χρόνο αυτό. q I= t Τύπος της έντασης η- λεκτρικού ρεύματος Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 1

2 ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 6. Ποια είναι η μονάδα μέτρησης της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος στο S.I.; Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι θεμελιώδες μέγεθος και έχει ως μονάδα μέτρησής της είναι το 1 Ampere (1 A) (Αμπέρ). Για ρεύματα μικρής έντασης χρησιμοποιούμε το μιλιαμπέρ (1 ma = 10-3 A) και το μικροαμπέρ (1 μα = 10-6 Α). Για ρεύματα μεγάλης έντασης χρησιμοποιούμε το κιλοαμπέρ (1 kα = 10 3 Α). 7. Ποια σχέση συνδέει το 1 A με τη μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου 1 C; q Λύνοντας τη σχέση I ως προς q, έχουμε: q I t. Από τη σχέση αυτή προκύπτει ότι: t 1 Coulomb = 1 Ampere 1 second ή 1 C = 1 A 1 s Επομένως, ένα Coulomb (1 C) είναι το φορτίο που διέρχεται κάθε δευτερόλεπτο από μια διατομή ενός αγωγού, αν αυτός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης ενός Ampere (1 Α). 8. Με ποια όργανα μετράμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος; Τα όργανα που χρησιμοποιούμε για τη μέτρηση της έντασης του η- λεκτρικού ρεύματος ονομάζονται αμπερόμετρα. Κάθε αμπερόμετρο έχει δύο ακροδέκτες με τους οποίους συνδέεται στο κύκλωμα. Για να μετρήσουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται από έναν αγωγό, συνδέουμε το αμπερόμετρο με τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα που θέλουμε να μετρήσουμε να διέλθει μέσα από αυτό. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης του οργάνου λέγεται σύνδεση σε σειρά. 9. Ποια είναι η φορά (συμβατική) του ηλεκτρικού ρεύματος; Η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων ταυτίζεται με τη φορά του ρεύματος σε ένα μεταλλικό αγωγό; Θεωρούμε ως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος τη φορά κίνησης θετικών φορτίων που κινούνται κατά μήκος των αγωγών. Συνεπώς η φορά του ρεύματος κατά μήκος ενός αγωγού συνδεδεμένου με τους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής, σχεδιάζεται από το θετικό προς τον αρνητικό πόλο της πηγής. Η φορά αυτή αποκαλείται και συμβατική φορά του ρεύματος. Ειδικά όμως στους μεταλλικούς αγωγούς το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται σε προσανατολισμένη κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων, τα οποία κινούνται από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο της πηγής. Συνεπώς η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων είναι αντίθετη της (συμβατικής) φοράς του ρεύματος και αποκαλείται πραγματική φορά. Στη συνέχεια όπου αναφέρεται ή ζητείται η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, εννοείται και σχεδιάζεται πάντα η συμβατική φορά. 10. Ποια είναι τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος; Τα φαινόμενα που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίζονται σε: θερμικά (π.χ. θερμοσίφωνας, τοστιέρα κ.λ.π.) ηλεκτρομαγνητικά (π.χ. ηλεκτροκινητήρας, αυτόματοι διακόπτες, κεφαλές εγγραφής ήχου και εικόνας κ.λ.π.) χημικά (π.χ. κατασκευή μπαταρίας, ηλεκτρόλυση κ.λ.π.) φωτεινά (π.χ. λαμπτήρας πυρακτώσεως, λαμπτήρας φθορισμού). Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 2

3 2.2 Ηλεκτρικό κύκλωμα ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 11. Τι ονομάζουμε ηλεκτρικό κύκλωμα; Πότε ένα κλειστό κύκλωμα χαρακτηρίζεται κλειστό και πότε ανοικτό; Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζουμε κάθε διάταξη η οποία περιλαμβάνει διάφορες συσκευές, συνδεδεμένες μεταξύ τους με αγωγούς, μέσω των ο- ποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό Ανοικτό κύκλωμα Κλειστό κύκλωμα ρεύμα. Όταν ένα κύκλωμα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα χαρακτηρίζεται ως κλειστό κύκλωμα, αλλιώς θεωρείται ως ανοικτό κύκλωμα. Ένας διακόπτης μετατρέπει εύκολα ένα κύκλωμα από κλειστό σε ανοικτό και αντίστροφα. 12. Τι ονομάζουμε ηλεκτρική πηγή; Να γράψετε με ποιο κριτήριο διακρίνονται οι ηλεκτρικές πηγές και να γράψετε 4 είδη ηλεκτρικών πηγών. Πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ή απλώς ηλεκτρική πηγή, ονομάζεται κάθε συσκευή στην οποία μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η μορφή της ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική καθορίζει και το είδος της ηλεκτρικής πηγής. Έτσι έχουμε: ηλεκτρικό στοιχείο (κοινή μπαταρία) ή συσσωρευτή (μπαταρία αυτοκινήτου), όπου χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. γεννήτρια, όπου κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. φωτοστοιχείο, όπου ενέργεια της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. θερμοστοιχείο, όπου θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. 13. Να γράψετε ποιος είναι ο ρόλος μιας ηλεκτρικής πηγής σε ένα κύκλωμα. Ο ρόλος μιας ηλεκτρικής πηγής σε ένα κύκλωμα είναι να: ασκεί, μέσω του πεδίου που δημιουργεί, ηλεκτρική δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού, αναγκάζοντάς τα να εκτελέσουν προσανατολισμένη κίνηση. μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε ηλεκτρική, την οποία μεταβιβάζει στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού. 14. Από πού προέρχεται η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος; Πως μεταφέρετε η ηλεκτρική ε- νέργεια από τις πηγές στα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος; Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται με την επίδραση της δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από την πηγή. Το έργο αυτής της δύναμης εκφράζει την ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα φορτία και την ονομάζουμε ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος που προέρχεται από την πηγή, μεταφέρεται μέσω της προσανατολισμένης κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων (δηλαδή μέσω του ηλεκτρικού ρεύματος), στις διάφορες ηλεκτρικές συσκευές που υπάρχουν στο κύκλωμα. 15. Πως ορίζεται η διαφορά δυναμικού (ή αλλιώς ηλεκτρική τάση) στους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής; Ποια η μονάδα μέτρησης της τάσης στο S.I.; Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού (Vπηγ) μεταξύ των δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής, το πηλίκο της ηλεκτρικής ενέργειας που προσφέρει η πηγή σε ηλεκτρόνια (Eηλ) συνολικού φορτίου (q) που διέρχονται από αυτήν, προς το φορτίο q. Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 3

4 ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ Ε ηλ Τύπος της τάσης στα ά- V πηγ = q κρα ηλεκτρικής πηγής Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης (διαφοράς δυναμικού) στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων 1Joule 1J (S.I.) ονομάζεται Volt (γράφεται 1 V) και ορίζεται από τη σχέση: 1 Volt = ή 1 V = 1Coulomb 1C 16. Τι σημαίνει ότι η διαφορά δυναμικού (τάση) στους πόλους μιας πηγής είναι ίση με 9 V; Η διαφορά δυναμικού (τάση) στους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής δείχνει πόση ηλεκτρική ενέργεια (σε J) προσφέρει η πηγή σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου 1 C, που διέρχονται απ αυτήν. Συνεπώς όταν διαβάζουμε ότι, η διαφορά δυναμικού (τάση) μιας πηγής είναι π. χ. ίση με 9 V, σημαίνει ότι αυτή η πηγή προσφέρει ενέργεια ίση με 9 J σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου 1 C. Προφανώς μια πηγή τάσης 12 V, προσφέρει ενέργεια 12 J σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου 1 C. 17. Από ποιον τύπο υπολογίζεται η ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρει μια ηλεκτρική πηγή; Η ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρει μια ηλεκτρική πηγή στα ηλεκτρόνια που διέρχονται απ αυτήν, υπολογίζεται από τον τύπο: E = V q όπου q το συνολικό φορτίο των ηλεκτρονίων που διέρχονται από την πηγή. ηλ 18. Τι ονομάζουμε ηλεκτρικό καταναλωτή; Κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια άλλης μορφής, ονομάζεται η- λεκτρικός καταναλωτής ή μετατροπέας. Π. χ. ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας, μια τοστιέρα, μια ηλεκτρική κουζίνα και οποιαδήποτε άλλη ηλεκτρική συσκευή που έχουμε στα σπίτια μας. 19. Από ποιον τύπο υπολογίζεται η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρεται σε ένα καταναλωτή; Η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρεται σε ένα καταναλωτή (μέσω των ελεύθερων ηλεκτρονίων), υπολογίζεται από τον τύπο: πηγ E ηλ(καταναλωτή) = V q όπου V, η τάση στα σημεία του κυκλώματος που έχουμε συνδέσει τα άκρα του καταναλωτή και q το συνολικό φορτίο των ηλεκτρονίων που διέρχονται από τον καταναλωτή. 20. Με ποια όργανα μετράμε τη διαφορά δυναμικού των στοιχείων ενός κυκλώματος; Τα όργανα που χρησιμοποιούμε για τη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού (τάσης) μεταξύ δύο σημείων ενός κυκλώματος, λέγονται βολτόμετρα. Τα άκρα του βολτόμετρου συνδέονται με τα σημεία στα οποία θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού, (π. χ. στα άκρα της ηλεκτρικής πηγής ή στα άκρα καταναλωτή). Αυτός ο τρόπος σύνδεσης του βολτομέτρου λέγεται παράλληλη σύνδεση. 21. Ποιες είναι οι διαφορές της ηλεκτρικής τάσης στα άκρα ηλεκτρικής πηγής από την τάση στα άκρα ενός καταναλωτή; Η διαφορά δυναμικού (τάση) στα άκρα μιας πηγής είναι μέγεθος που χαρακτηρίζει την πηγή και σχετίζεται με την ενέργεια που προσφέρει η πηγή στο κύκλωμα, ενώ η τάση στα άκρα καταναλωτή εξαρτάται από τα σημεία του κυκλώματος στα οποία έχει συνδεθεί και σχετίζεται με την ενέργεια που μεταφέρεται στον καταναλωτή. Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 4

5 ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ Η διαφορά δυναμικού (τάση) στα άκρα πηγής είναι διαφορετική από το μηδέν, είτε διέρχεται από την πηγή ηλεκτρικό ρεύμα είτε όχι. Η διαφορά δυναμικού (τάση) στα άκρα ενός καταναλωτή είναι μηδέν όταν ο καταναλωτής δε διαρρέεται από ρεύμα. 22. Πώς παριστάνουμε σχηματικά τα βασικά στοιχεία ενός κυκλώματος; Τα ηλεκτρικά κυκλώματα μπορούμε να τα περιγράψαμε με λέξεις, ή να τα δείξουμε με φωτογραφίες, καλλιτεχνικές αναπαραστάσεις κ.λ.π. Πολλές φορές όμως χρησιμοποιούμε σχηματικά διαγράμματα των κυκλωμάτων. Τα στοιχεία ενός κυκλώματος (όπως πηγές, αμπερόμετρα, βολτόμετρα, διακόπτες κ.λ.π.) απεικονίζονται με συγκεκριμένα σύμβολα, μερικά από τα οποία παριστάνονται παρακάτω. αγωγός ηλεκτρική πηγή διακόπτης λαμπτήρας σύνδεση αγωγών A αμπερόμετρο V βολτόμετρο αντιστάτης Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 5

6 2.3 Ηλεκτρικά δίπολα ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 23. Ποιες συσκευές ονομάζονται ηλεκτρικά δίπολα; Ηλεκτρικά δίπολα ονομάζονται όλες οι ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούμε (μπαταρίες, λαμπτήρες, οικιακές ηλεκτρικές συσκευές κ.λπ.), οι οποίες διαθέτουν δύο άκρα (πόλους) με τα οποία συνδέονται στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Παρατήρηση Όταν στα άκρα ενός ηλεκτρικού διπόλου συνδέσουμε μια ηλεκτρική πηγή, τότε το δίπολο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Η ένταση του ρεύματος εξαρτάται από την τάση της πηγής και μεταβάλλεται αν μεταβάλλουμε την τάση. Ο τρόπος που μεταβάλλεται η ένταση του ρεύματος, όταν μεταβάλλουμε την τάση στα άκρα του διπόλου, εξαρτάται από το είδος του διπόλου. Για να μπορούμε να εκτιμούμε το μέγεθος της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, ορίζουμε ένα φυσικό μέγεθος το οποίο ονομάζουμε ηλεκτρική αντίσταση και τη συμβολίζουμε με το γράμμα R. 24. Πως ορίζεται η αντίσταση ενός αγωγού; Ηλεκτρική αντίσταση (ή απλά αντίσταση) ενός αγωγού (R) ονομάζουμε το πηλίκο της τάσης (V) που εφαρμόζεται στα άκρα του αγωγού προς την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. V R= I Τύπος ορισμού της α- ντίστασης αγωγού 25. Ποια η μονάδα μέτρησης της αντίστασης στο διεθνές σύστημα μονάδων (S.I.); Πώς λέγονται τα όργανα μέτρησης της αντίστασης; Τι είναι τα πολύμετρα; Η μονάδα μέτρησης της αντίστασης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S. I.), είναι το Ωμ (1 Ω). Ισχύει ότι: 1V 1Ω = 1Α Πολλές φορές χρησιμοποιούνται και τα πολλαπλάσια του Ωμ, όπως: το κιλο-ωμ (1 kω = 10 3 Ω) και το μεγα-ωμ (1 ΜΩ = 10 6 Ω). Η μέτρηση της αντίστασης μπορεί να πραγματοποιηθεί με όργανα τα οποία ονομάζονται ωμόμετρα, όπως και με πολύμετρα. Τα πολύμετρα είναι όργανα τα οποία μπορούν χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της έντασης του ρεύματος, της τάσης, όπως και της αντίστασης ενός αγωγού. Δηλαδή μπορούν να λειτουργήσουν ως αμπερόμετρα, ως βολτόμετρα και ως ωμόμετρα. 26. Τι εκφράζει η αντίσταση ενός αγωγού; Που οφείλεται η αντίσταση στους μεταλλικούς αγωγούς; Η αντίσταση ενός αγωγού εκφράζει τη δυσκολία που συναντά το ηλεκτρικό ρεύμα, όταν διέρχεται μέσα από τον αγωγό. Στους μεταλλικούς αγωγούς η αντίσταση οφείλεται στις συγκρούσεις των ελευθέρων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα του μετάλλου. Παρατήρηση Η αντίσταση ενός αγωγού γενικά μεταβάλλεται αν μεταβληθεί η τάση στα άκρα του. Υπάρχει όμως, όπως θα δούμε στη συνέχεια, μια κατηγορία αγωγών που ονομάζονται αντιστάτες, η αντίσταση των Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 6

7 ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ οποίων είναι σταθερή και ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα τους και της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τους διαρρέει. 27. Να διατυπώσετε το νόμο του Ohm. Ο νόμος του Ohm διατυπώνεται ως εξής: Η ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν μεταλλικό αγωγό σταθερής θερμοκρασίας είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού (V) που εφαρμόζεται στα άκρα του αγωγού. 28. Να γράψετε τη μαθηματική σχέση του νόμου του Ohm. Όπως γνωρίζουμε ανάλογα λέγονται τα ποσά τα οποία έχουν σταθερό πηλίκο. Συνεπώς σύμφωνα με το νόμο του Ohm, το πηλίκο I V είναι σταθερό. V R V Από τον ορισμό της αντίστασης R, έχουμε και αντιστρέφοντας τα κλάσματα προκύπτει: I 1 I I 1 1 ή I V V R R Η τελευταία σχέση αποτελεί τη μαθηματική έκφραση του νόμου του Ohm. Συνεπώς: 1 V Ι = V ή Ι = R R Μαθηματική έκφραση του νόμου του Ohm 29. Για ποιους αγωγούς ισχύει ο νόμος του Ohm; Ο νόμος του Ohm δεν ισχύει πάντα και για όλους τους αγωγούς. Ισχύει μόνο για μεταλλικούς αγωγούς σε σταθερή θερμοκρασία, δηλαδή για αγωγούς των οποίων η αντίσταση δε μεταβάλλεται αν μεταβληθεί η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα τους. 30. Ποιοι αγωγοί ονομάζουμε αντιστάτες; Ποια επιπλέον ιδιότητα έχουν οι αντιστάτες, όσον α- φορά την ηλεκτρική τους συμπεριφορά; Αντιστάτες ονομάζονται οι αγωγοί των οποίων η αντίσταση είναι σταθερή και ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα τους και της έντασης του ρεύματος που τους διαρρέει. Δηλαδή αντιστάτης είναι κάθε αγωγός που ικανοποιεί το νόμο του Ohm. Οι μεταλλικοί αγωγοί σταθερής θερμοκρασίας είναι αντιστάτες. Οι αντιστάτες έχουν μια επιπλέον ιδιότητα, μετατρέπουν εξ ολοκλήρου την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική. 31. Να σχεδιάσετε τη γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος που διαρρέει ένα αντιστάτη σε συνάρτηση με την τάση στα άκρα του. Η γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος που διαρρέει ένα αντιστάτη, σε συνάρτηση με την τάση στα άκρα του είναι ευθεία γραμμή που Ι διέρχεται από την αρχή των αξόνων, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Από τα μαθηματικά γνωρίζουμε ότι η εφθ, λέγεται κλίση της ευθείας. Ι- σχύει ότι: 1 εφθ R θ V Συνεπώς όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του αντιστάτη, τόσο μικρότερη προκύπτει η γωνία θ. Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 7

8 ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 2.5 Εφαρμογές αρχών διατήρησης στη μελέτη απλών ηλεκτρικών κυκλωμάτων 32. Τι ονομάζουμε σύστημα (ή συνδεσμολογία) αντιστατών; Σύστημα (ή συνδεσμολογία) αντιστατών ονομάζουμε ένα σύνολο αντιστατών τους οποίους έχουμε συνδέσει μεταξύ τους με οποιονδήποτε τρόπο. Ένα απλό σύστημα αντιστατών, όπως αυτό που φαίνεται στο διπλανό σχήμα, εμφανίζει πάντοτε δύο άκρα (Α και ) στα οποία μπορούμε να εφαρμόσουμε μια διαφορά δυναμικού ή να συνδέσουμε μια ηλεκτρική πηγή. Α R 1 R 2 R4 R3 33. Τι ονομάζουμε ισοδύναμη αντίσταση ενός συστήματος αντιστατών; Ισοδύναμη αντίσταση μιας συνδεσμολογίας αντιστατών λέμε την αντίσταση ενός αντιστάτη ο ο- ποίος θα διαρρέεται από το ίδιο ρεύμα που διαρρέει το σύστημα των αντιστατών, αν στα άκρα του εφαρμόσουμε τάση ίση με την τάση στα άκρα του συστήματος των αντιστατών. Η ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος αντιστατών με άκρα τα σημεία Α και, ικανοποιεί τη σχέση: VΑ Rισοδ I 34. Τι ονομάζουμε κόμβο ενός κυκλώματος; Κόμβο ενός κυκλώματος λέμε το σημείο στο οποίο καταλήγουν δύο και περισσότεροι αγωγοί με αποτέλεσμα στο σημείο αυτό να έχουμε διακλάδωση του ρεύματος. Στο διπλανό κύκλωμα, π. χ. κόμβοι είναι τα σημεία Γ και Δ, όχι ό- μως τα σημεία Θ και Ζ. Α Θ Γ Δ Ζ 35. Πότε λέμε ότι δύο (ή περισσότεροι) αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε σειρά; I I I Δύο (ή περισσότεροι) αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε Α σειρά, όταν μεταξύ τους δεν μεσολαβεί κόμβος κυκλώματος, δηλαδή δεν υπάρχει σημείο στο οποίο να έχουμε διακλάδωση του ρεύματος. Συνεπώς το ρεύμα που διαρρέει τον ένα αντιστάτη θα περνάει και από τους υπόλοιπους και όλοι οι αντιστάτες θα διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Παρατήρηση Είναι λάθος να λέμε πως δύο αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε σειρά, όταν διαρρέονται από ίσα ρεύματα. Αυτό γιατί μπορεί σε ένα κύκλωμα να έχουμε δύο ή και περισσότερους αντιστάτες που να διαρρέονται από ίσα ρεύματα, χωρίς όμως να είναι συνδεδεμένοι σε σειρά. Όμως αν έχουμε αντιστάτες συνδεδεμένους σε σειρά, τότε πάντα διαρρέονται από ίδιο ρεύμα. 36. Να σχεδιάσετε ένα σύστημα δύο αντιστατών με αντιστάσεις R1 και R2 συνδεδεμένων σε σειρά και να απαντήσετε στα παρακάτω ερωτήματα: α) Ποια σχέση ισχύει για την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τους αντιστάτες; Από ποια αρχή διατήρησης προκύπτει η σχέση αυτή; β) Ποια σχέση ισχύει για την τάση (διαφορά δυναμικού) στα άκρα κάθε αντιστάτη και την τάση στα άκρα του συστήματος των αντιστατών; Από ποια αρχή διατήρησης προκύπτει η σχέση αυτή; Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 8

9 Στο διπλανό σχήμα φαίνεται ένα σύστημα δύο αντιστατών με αντιστάσεις R1 και R2, συνδεδεμένων σε σειρά. α) Όταν δύο (ή περισσότεροι) αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε σειρά, τότε διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα έντασης Ι. Αυτό είναι συνέπεια της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Συνεπώς: Ι1 = Ι2 = Ι Α R1 Ι1 ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ R2 Ι2 Σύστημα δύο αντιστατών συνδεδεμένων σε σειρά Γ β) Η διαφορά δυναμικού (τάση) στα άκρα του συστήματος των αντιστατών VAΓ ισούται με το άθροισμα των επιμέρους τάσεων που μετράμε στα άκρα κάθε αντιστάτη. Συνεπώς μπορούμε να γράψουμε: VΑΓ = VΑ + VΓ ή V ολ = V R +V 1 R2 Αυτό αποτελεί συνέπεια της αρχής διατήρησης της ενέργειας. 37. Από ποιον τύπο υπολογίζεται η ισοδύναμη αντίσταση ενός συστήματος αντιστατών συνδεδεμένων σε σειρά; Η ισοδύναμη αντίσταση δύο (ή περισσότερων) αντιστατών που συνδέονται σε σειρά είναι ίση με το άθροισμα των αντιστάσεών τους. Συνεπώς: R R R ισοδ Παρατήρηση Όταν συνδέουμε αντιστάτες σε σειρά αυξάνουμε την ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος και γι αυτό η ισοδύναμη αντίσταση προκύπτει μεγαλύτερη και από τη μεγαλύτερη αντίσταση του συστήματος. 38. Πότε λέμε ότι δύο (ή περισσότεροι) αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε διακλάδωση (ή παράλληλα); Δύο (ή περισσότεροι) αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε διακλάδωση, όταν έχουν κοινά και τα δύο τους άκρα. Στα σημεία αυτά έχουμε διακλάδωση του ρεύματος, άρα αποτελούν κόμβους του κυκλώματος. Όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα, η σύνδεση κατά διακλάδωση προκύπτει όταν ενώσουμε σε δύο σημεία (π. χ. στα Α και ) τα άκρα όλων των αντιστατών του συστήματος. Τα σημεία αυτά είναι και άκρα του συστήματος των αντιστατών. Α 39. Να σχεδιάσετε ένα σύστημα δύο αντιστατών με αντιστάσεις R1 και R2 συνδεδεμένων σε διακλάδωση και να απαντήσετε στα παρακάτω ερωτήματα: α) Ποια σχέση ισχύει για την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τους αντιστάτες και την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το σύστημα των αντιστατών; Από ποια αρχή διατήρησης προκύπτει η σχέση αυτή; β) Ποια σχέση ισχύει για την τάση (διαφορά δυναμικού) στα άκρα κάθε αντιστάτη και την τάση στα άκρα του συστήματος των αντιστατών. Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 9

10 Στο διπλανό σχήμα φαίνεται ένα σύστημα δύο αντιστατών με α- ντιστάσεις R1 και R2, συνδεδεμένων σε διακλάδωση. Τα σημεία Α, είναι κοινά άκρα των αντιστατών και άκρα του συστήματος. Α α) Όταν δύο (ή περισσότεροι) αντιστάτες είναι συνδεδεμένοι σε I διακλάδωση, τότε η ένταση I του ρεύματος που διαρρέει το σύστημα των αντιστατών ισούται με το άθροισμα των εντάσεων I1, Ι2 των ρευμάτων που διαρρέουν κάθε αντιστάτη ξεχωριστά. Συνεπώς ισχύει: Ι = Ι1 + Ι2 Αυτό αποτελεί συνέπεια της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ β) Επειδή οι αντιστάτες έχουν κοινά άκρα, τα οποία αποτελούν και άκρα του συστήματος, θα έχουν και ίδια τάση. (Γι αυτό μια τέτοια σύνδεση λέγεται και ισοτασική). Επομένως: V V V AB R1 R2 40. Από ποιον τύπο υπολογίζεται η ισοδύναμη αντίσταση ενός συστήματος αντιστατών συνδεδεμένων σε διακλάδωση; Η ισοδύναμη αντίσταση δύο (ή περισσότερων) αντιστατών, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι σε διακλάδωση υπολογίζεται από τον τύπο: Rισοδ R1 R2 Παρατηρήσεις α) Όταν συνδέουμε αντιστάτες σε διακλάδωση η ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος προκύπτει πάντα μικρότερη και από τη μικρότερη αντίσταση του συστήματος. β) Όταν έχουμε δύο αντιστάτες σε διακλάδωση μπορούμε από τον τύπο ως προς Rισοδ να πάρουμε τον ισοδύναμο τύπο R1 R2 R ισοδ = R + R τον οποίο μπορούμε επίσης να χρησιμοποιούμε = + R R R λύνοντας ισοδ 1 2 γ) Αν έχουμε σε διακλάδωση 2 ίδιους αντιστάτες, αντίστασης R ο καθένας, τότε: R ισοδ = R δ) Γενικά αν έχουμε Ν ίδιους αντιστάτες σε διακλάδωση τότε: R ισοδ = Ν I1 I2 R1 R2 R 2 Σύστημα δύο αντιστατών συνδεδεμένων σε διακλάδωση (παράλληλη σύνδεση) Επιμέλεια: Μαθιουδάκης Γεώργιος Φυσικός 10 Copy protected with Online-PDF-No-Copy.com