ΗΕΔ ηλεκτρικής Πηγής-Ισχύς. Πηγές (μπαταρίες) Ηλεκτρική ισχύς

Transcript

1 ΗΕΔ ηλεκτρικής Πηγής-Ισχύς Πηγές (μπαταρίες) Ηλεκτρική ισχύς

2 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ΠΗΓΗΣ Η ηλεκτρική πηγή είναι μια αντλία φορτίων

3 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ Ένα πλήρες ή κλειστό κύκλωμα είναι αγωγός σε σχήμα βρόχου, που παρέχει μόνιμη συνεχή διαδρομή για το ρεύμα. Κλειστό κύκλωμα, το οποίο διαρρέεται από ρεύμα, πρέπει να περιλαμβάνει μία πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης (ΗΕΔ), που συμβολίζεται με E. Σχηματικό διάγραμμα μιας πηγής με πλήρες, δηλαδή κλειστό κύκλωμα. Φαίνονται η δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου F e = qe και η μη ηλεκτροστατική δύναμη F n πάνω σε ένα φορτίο q. Το ρεύμα έχει φορά από το α προς το b στο εξωτερικό κύκλωμα και από το b προς το α μέσα στην πηγή. To παραγόμενο έργο από τη δύναμη F n πάνω σε ένα φορτίο q, που κινείται από το b προς το α είναι ίσο προς q E, όπου E είναι η ηλεκτρεγερτική δύναμη.

4 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ), που συμβολίζεται με E μιας πηγής είναι η ενέργεια που δίνει η πηγή στη μονάδα θετικού φορτίου για να το μεταφέρει σε ψηλό δυναμικό δηλαδή στο θετικό πόλο. Έτσι αν η πάνω πηγή έχει ηλεκτρεγερτική E=9V αυτό σημαίνει ότι σε κάθε 1C φορτίου που μεταφέρεται στον θετικό πόλο αποδίδεται ενέργεια 9Joule. Αν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος το παραπάνω φορτίο του 1C μεταφερθεί στον αρνητικό πόλο, για παράδειγμα μέσω ενός λαμπτήρα, θα αποδώσει ενέργεια 9Joule με τη μορφή θερμότητας και φωτός.

5 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ Ιδανική πηγή Καθώς φορτίο q κυκλοφορεί στο κύκλωμα η πηγή αρχικά αυξάνει το δυναμικό του κατά E καθώς αυτό διέρχεται μέσα από την πηγή και έπειτα το δυναμικό του μειώνεται κατά ίσο ποσό R καθώς διέρχεται από τον αντιστάτη στο εξωτερικό κύκλωμα

6 Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που μετασχηματίζεται στο εξωτερικό κύκλωμα σε άλλες μορφές όπως φωτεινή, θερμότητα, μηχανική. V ab dq mg dh

7 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ Η μονάδα της ηλεκτρεγερτικής δύναμης στο S είναι το volt (V). Μία ιδανική πηγή ΗΕΔ διατηρεί σταθερή διαφορά δυναμικού, ανεξάρτητη από το ρεύμα που διαρρέει την διάταξη. Κάθε πραγματική πηγή ΗΕΔ όμως έχει κάποια εσωτερική αντίσταση r. Η πολική διαφορά δυναμικού V ab εξαρτάται τότε από το ρεύμα : V ab = E-r Το ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα εξακολουθεί να προσδιορίζεται από τη σχέση V = R. Συνδυάζοντας αυτές τις δυο εξισώσεις, βρίσκουμε ότι E-r=R =E /(R+r)

8 Συμβολα για διαγραμματα κυκλωματων

9 Σύμβολα για διαγράμματα κυκλωμάτων

10 Ι=0Α V=12Volt Τι δείχνει το βολτόμετρο και τι το αμπερόμετρο; Ι=2Α V=8Volt

11 V ab = E-r

12 Ποια η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας; Μετρώ την ελεκτρεγερτική δύναμη: E=9,2Volt Μετρώ την πολική τάση: V ab =8Volt Μετρώ την ένταση ρεύματος: Ι=148mΑ E V Vab = E - r r = r = 8,1Ω ab

13 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Έστω ένα στοιχείο κυκλώματος έχει διαφορά δυναμικού V a - V b = V ab μεταξύ των ακροδεκτών του και ρεύμα Ι που το διαρρέει με φορά από το α προς το b. Το ολικό έργο που παράγεται επί ενός φορτίου dq, καθώς αυτό διέρχεται από το στοιχείο κυκλώματος, είναι dqv ab. dw=v ab dq=v ab dt dq=dt α b dw dt = P = V ab Μονάδα ισχύος:

14 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Έστω V α >V b τότε V αb >0 και υπάρχει μεταφορά ενέργειας προς το στοιχείο του κυκλώματος. Το στοιχείο μπορεί να είναι ένας αντιστάτης που αν υπακούει στο νόμο του Ohm 2 2 Vα b dw = P = V ab = R = dt R

15 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ηλεκτρική ισχύς: P = V ηλ Έργο που παράγεται ανά φορτίο στο κύκλωμα Φορτία που έχω διαθέσιμα στο κύκλωμα ανά sec Ένας λαμπτήρας πυράκτωσης ισχύος 100W συνδέεται στο δίκτυο της ΔΕΗ, Πόσο ρεύμα τραβά; P = 100W V = 220V P 100W P = V = = = 0, 45A V 220V

16 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ένας λαμπτήρας πυράκτωσης ισχύος 100W συνδέεται στο δίκτυο της ΔΕΗ, Πόσο ρεύμα τραβά; P = 100W V = 220V P 100W P = V = = = 0, 45A V 220V Πόσο φορτίο περνά από μια διατομή του νήματος βολφραμίου σε 1λεπτό; Σε πόσα ηλεκτρόνια αντιστοιχεί; dq = dq = dt dq = 0,45A 60s dq = 27C dt dq 27C αρ. ηλεκ. = αρ. ηλεκ. = ηλεκ e 1,6 10 C 20 αρ.. = 1,

17 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ H ΔΕΗ τι χρεώνει; W P= W= Pt t 3 6 1kW h = 10 W 3600s = 3, 6 10 J Μια εστία P=2000W που ανάβει 2 ώρες για να ψήσουμε φαγητό καταναλώνει ενέργεια... W=4kWh Με τα ίδια χρήματα μπορείς να ανάβεις μια λάμπα ισχύος 100W πόση ώρα; 40h Mας χρεώνει την ενέργεια που καταναλώνουμε. Χρησιμοποιεί ως μονάδα μέτρησης την κιλοβατώρα (kw. h)

18 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ R= V α -V b =E =0 R V α -V b =E-r =E /(R+r) R =0 =E / r V α -V b =0 Μια Duracel E=9V r 2Ω Ι=4,5A Αλλά μια μπαταρία αυτοκινήτου E=12V με r 1/50Ω δίνει Ι=600A!!!!!!!!!!

19 ΙΣΧΥΣ ΕΞΟΔΟΥ ΜΙΑΣ ΠΗΓΗΣ Έστω μία πηγή με ΗΕΔ E και εσωτερική αντίσταση r, είναι συνδεδεμένη με ένα εξωτερικό κύκλωμα (π.χ., μία μπαταρία αυτοκινήτου συνδεδεμένη με τους φανούς του αυτοκινήτου). Ηλεκτρική ενέργεια προσφέρεται στο εξωτερικό κύκλωμα, και ο ρυθμός προσφοράς της δίνεται από: P=V ab V ab = E- r V ab = E- 2 r P = E- 2 r Η διαφορά E- 2 r είναι η ολική ηλεκτρική ισχύς εξόδου της πηγής, δηλαδή ο ρυθμός με τον οποίο η πηγή προσφέρει ηλεκτρική ενέργεια προς το υπόλοιπο κύκλωμα.

20 ΙΣΧΥΣ ΕΞΟΔΟΥ ΜΙΑΣ ΠΗΓΗΣ Σε βραχυκυκλωμένη μπαταρία: R =0 V α -V b =0 =E / r Μια Duracel E=9V r 2Ω Ι=4,5A Αλλά μια μπαταρία αυτοκινήτου E=12V με r 1/50Ω δίνει Ι=600A!!!!!!!!!! Ο ρυθμός μετατροπής χημικής σε ηλεκτρική ενέργεια: EΙ Για Duracel P=40,5W Για μπαταρία αυτοκινήτου P=7200W!!!! H κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται όλη μέσα στην μπαταρία και είναι Ι 2 r Βραχυκυκλωμένη μπαταρία πολύ επικίνδυνη!!!!!

21 Ρυθμός κατανάλωσης χημικής ενέργειας μπαταρίας E=9,2Volt V ab =8Volt r = 8, 1Ω Ι=148mΑ Ο ρυθμός μετατροπής χημικής σε ηλεκτρική ενέργεια: EΙ=1,36W Ο ρυθμός κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στο λαμπάκι: V ab Ι=1,18W

22 ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ΤΕΛΟΣ