Βασική θεωρία. Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων ή γενικότερα φορτισμένων σωματιδίων.

Transcript

1 7 Το ηλεκτρικό ρεύµα Βασική θεωρία Ποιο είναι το κοινό χαρακτηριστικό που έχουν όλες οι «μαγικές» συσκευές, όπως ο ηλεκτρικός λαμπτήρας, το ηλεκτρικό ψυγείο, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, η τηλεόραση, ο θερμοσίφωνας και τόσες ακόμα που βρίσκονται παντού γύρω μας; Απλά, όλες αυτές, για να λειτουργήσουν, πρέπει να διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Το ηλεκτρικό ρεύµα Ορισμός: Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων ή γενικότερα φορτισμένων σωματιδίων. Αγωγοί, µονωτές και ηλεκτρικό ρεύµα Τα πειράματα δείχνουν ότι γενικά σ έναν αγωγό είναι δυνατόν να συμβεί προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων, ενώ κάτι τέτοιο δε συμβαίνει στους μονωτές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στους αγωγούς υπάρχει μεγάλο πλήθος ελεύθερων ηλεκτρονίων που, όταν δημιουργηθούν οι προϋποθέσεις, θα εκτελέσει την προσανατολισμένη κίνηση, που είναι ηλεκτρικό ρεύμα. Στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν και μέσα στους μονωτές, αλλά με πολύ μεγαλύτερη δυσκολία απ' ό,τι στους αγωγούς. Υπάρχουν υλικά, όπως το γερμάνιο και το πυρίτιο, που κάτω από ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρονται άλλοτε ως αγωγοί και άλλοτε ως μονωτές. Αυτά τα υλικά τα ονομάζουμε ημιαγωγούς. 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης 7.1. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 75

2 Ηλεκτρική πηγή και ηλεκτρικό ρεύµα Μπορούμε εύκολα να προκαλέσουμε ηλεκτρικό ρεύμα με τη βοήθεια μιας μπαταρίας. Σε κάθε μπαταρία υπάρχουν δύο αντίθετα ηλεκτρισμένες περιοχές τις οποίες ονομάζουμε πόλους. Στο προηγούμενο κεφάλαιο γνωρίσαμε ότι στο εσωτερικό ενός μεταλλικού αγωγού υπάρχουν θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία προς κάθε κατεύθυνση, ενώ τα ιόντα ταλαντώνονται (πάλλονται) γύρω από καθορισμένες θέσεις. Αν συνδέσουμε τους δύο πόλους μιας μπαταρίας με ένα μεταλλικό αγωγό (σύρμα), τότε στο εσωτερικό του σύρματος δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο, οπότε στα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του ασκείται ηλεκτρική δύναμη. Η κίνησή τους παύει να είναι τυχαία και προσανατολίζεται από την κατεύθυνση της δύναμης. Έτσι, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο. Στο μεταλλικό αγωγό λοιπόν εμφανίζεται προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων, δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα. 5 Δες και το σχήμα. Η μπαταρία λοιπόν είναι πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή μία ηλεκτρική πηγή. Ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύµατος 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης 7.2. Συνδέουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος με το πόσο ισχυρά ή ασθενικά αποτελέσματα προκαλεί. Αυτό βέβαια εξαρτάται από το πόσα πολλά ή λίγα ηλεκτρόνια κινούνται προσανατολισμένα και δημιουργούν το ρεύμα, δηλαδή τελικά εξαρτάται από το ολικό φορτίο που μεταφέρουν καθώς κινούνται κατά μήκος του αγωγού. Ορίζουμε την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό ως το φορτίο (q) που διέρχεται από μία διατομή του αγωγού σε χρονικό διάστημα (t) προς το χρονικό διάστημα. Δηλαδή: I = q _ t 76 ΕΝΟΤΗΤΑ 7

3 Μονάδα της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι θεμελιώδες μέγεθος. Η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 Α (αμπέρ). Η μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου (1 C) και το 1 Α συνδέονται με τη βοήθεια της σχέσης I = _ q. Προκύπτει έτσι ότι: t 1 C (κουλόμπ) = 1 Α (αμπέρ) 1 s (σεκόντ) ή 1 C = 1 Α 1 s Η σχέση αυτή ορίζει τη μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου. 1 C (κουλόμπ) είναι το φορτίο που διέρχεται κάθε δευτερόλεπτο από μία διατομή ενός αγωγού που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1 Α (αμπέρ). Υποπολλαπλάσια του 1 Α 1 ma = 10 3 A και 1 μα = 10 6 A. Πολλαπλάσια του 1 Α Είναι κυρίως το 1 kα = Α = 10 3 A. Στις εφαρμογές, το ηλεκτρικό ρεύμα το μετράμε με ένα όργανο που λέγεται αμπερόμετρο. Το αμπερόμετρο το παρεμβάλλουμε στον αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα, για να διέλθει μέσα από αυτό το ρεύμα. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης λέγεται σύνδεση σε σειρά. Η φορά του ηλεκτρικού ρεύµατος a) Πραγματική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος Τα μόνα φορτισμένα σωματίδια που μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και προς κάθε κατεύθυνση στο εσωτερικό των μεταλλικών αγωγών είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Επειδή είναι αρνητικά φορτισμένα, κινούνται από τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας προς το θετικό. Η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων σ ένα μεταλλικό αγωγό είναι η πραγματική φορά του ρεύματος. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 77

4 β) Συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος Αν στο εσωτερικό των αγωγών κινούνταν θετικά φορτισμένα σωματίδια, η κίνησή τους θα ήταν από το θετικό πόλο της πηγής προς τον αρνητικό. Στους μεταλλικούς αγωγούς όμως δε γίνεται να κινηθούν τα θετικά φορτισμένα σωματίδια (ιόντα). Ωστόσο, για ιστορικούς λόγους έχει επικρατήσει να θεωρούμε ότι η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος ταυτίζεται με τη φορά κίνησης φανταστικών (υποθετικών) θετικών φορτίων. Η φορά κίνησης των θετικών φορτίων σ έναν αγωγό ονομάζεται συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Αποτελέσµατα του ηλεκτρικού ρεύµατος Μπορούμε να κατατάξουμε τα φαινόμενα που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα στις εξής κατηγορίες: 1. Θερμικά φαινόμενα Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τη θέρμανση των σωμάτων τα οποία διαρρέει. 2. Ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα Οι αγωγοί που διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργούν γύρω τους μαγνητικά πεδία. Έτσι ασκούν μαγνητικές δυνάμεις, αλληλεπιδρώντας είτε μεταξύ τους, είτε με σιδερένια υλικά, είτε με μαγνήτες. 3. Χημικά φαινόμενα Όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από χημικές ουσίες, προκαλεί χημικές μεταβολές. 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης ΕΝΟΤΗΤΑ 7

5 Εμβαθύνοντας στη θεωρία ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΥΛΙΚΑ Χρυσός ΑΥΞΑΝΟΜΕΝΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Άργυρος Αγωγοί Χαλκός Αλουμίνιο Σίδηρος Γερμάνιο Ημιαγωγοί Πυρίτιο Ξύλο Μονωτές Γυαλί Λάστιχο 7.1 Είναι γνωστό ότι τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται με την ίδια ευκολία σε όλους τους αγωγούς. Δώσε έναν πίνακα στον οποίο να κατατάσσονται τα διάφορα υλικά, με κριτήριο την αυξανόμενη ευκολία κίνησης των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό τους (δηλαδή με κριτήριο την αυξανόμενη αγωγιμότητα). Απάντηση Η ευκολία κίνησης των ηλεκτρονίων αυξάνεται από τους μονωτές προς τους αγωγούς. Με βάση και αυτό προέκυψε ο διπλανός πίνακας. 7.2 Να περιγράψεις ένα πείραμα μέσω του οποίου διαπιστώνουμε ότι μεταξύ των πόλων μιας μπαταρίας δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. Απάντηση Συνδέσαμε κάθε πόλο μιας ισχυρής μπαταρίας με μία από τις δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες. Μεταξύ των πλακών τοποθετήσαμε το φορτισμένο σφαιρίδιο ενός ηλεκτρικού εκκρεμούς. Παρατηρήσαμε ότι το σφαιρίδιο αποκλίνει. Αυτό αποδεικνύει ότι μεταξύ των πόλων της μπαταρίας δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. 7.3 Να αναφέρεις μερικές συσκευές οι οποίες λειτουργούν με βάση τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Απάντηση 1. Θερμικά φαινόμενα: Με βάση τα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος λειτουργούν ο θερμοσίφωνας, το ηλεκτρικό σίδερο, η ηλεκτρική κουζίνα, οι θερμοσυσσωρευτές κ.ά. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 79

6 2. Ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα: Στα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα του ηλεκτρικού ρεύματος στηρίζεται η λειτουργία των ηλεκτρομαγνητικών γερανών, οι κεφαλές εγγραφής ήχου και εικόνας, οι αυτόματοι διακόπτες, οι ηλεκτροκινητήρες, με τους οποίους κινούνται τα η- λεκτρικά λεωφορεία και τρένα και λειτουργούν τα ηλεκτρικά ψυγεία, η μίζα του αυτοκινήτου κ.ά. 3. Χημικά φαινόμενα: Στα χημικά φαινόμενα του ηλεκτρικού ρεύματος στηρίζεται η κατασκευή των ηλεκτρικών μπαταριών, των συσσωρευτών ηλεκτρικής ε- νέργειας και η παρασκευή χημικών στοιχείων, όπως το αλουμίνιο, το νάτριο, το υδρογόνο κ.ά. Τα περισσότερα τμήματα του αεροσκάφους είναι κατασκευασμένα από αλουμίνιο. Αυτό εξασφαλίζει μικρότερο βάρος. Η αεροναυπηγική γνώρισε μεγάλη εξέλιξη τον 20ό αιώνα, ταυτόχρονα με την εξέλιξη της τεχνολογίας του αλουμινίου η οποία οφείλεται στην εξέλιξη του ηλεκτρισμού (20ός αιώνας: αιώνας του ηλεκτρισμού αιώνας του αλουμινίου). 80 ΕΝΟΤΗΤΑ 7

7 Μάθε συμπληρώνοντας κενά Να συμπληρώσεις τα κενά που εκφράζονται με τις τελείες (...) στις προτάσεις που ακολουθούν. 7.4 Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται η... κίνηση... ή γενικότερα... σωματιδίων. 7.5 Σ έναν... είναι δυνατόν να συμβεί προσανατολισμένη κίνηση..., ενώ κάτι τέτοιο δε συμβαίνει στους Υπάρχουν υλικά, όπως το γερμάνιο και το πυρίτιο, που κάτω από ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρονται άλλοτε ως... και άλλοτε ως.... Αυτά τα υλικά τα ονομάσαμε Αν συνδέσουμε τους δύο πόλους μιας μπαταρίας με ένα σύρμα, τότε στο εσωτερικό του σύρματος δημιουργείται ηλεκτρικό... που ασκεί... στα... ηλεκτρόνιά του θέτοντάς τα σε... κίνηση. Αυτή η... κίνηση των ηλεκτρονίων είναι Ορίζουμε την... (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό ως το... (...) που διέρχεται από μία... του αγωγού σε... διάστημα (...) προς το... διάστημα. Δηλαδή Ι =. 7.9 Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος στο S.I. είναι... μέγεθος. Η μονάδα μέτρησής της είναι το C (κουλόμπ) είναι το... που διέρχεται κάθε... από μία... ενός αγωγού που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα... 1 Α Στις εφαρμογές, το ηλεκτρικό ρεύμα το μετράμε με ένα όργανο που λέγεται Η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα μεταλλικό αγωγό είναι η... φορά του ρεύματος Η φορά κίνησης των θετικών φορτίων σ ένα μεταλλικό αγωγό ονομάζεται... φορά του ηλεκτρικού ρεύματος Τα φαινόμενα που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα τα κατατάσσουμε στις εξής κατηγορίες: φαινόμενα φαινόμενα φαινόμενα. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 81

8 Μάθε να λύνεις ασκήσεις 7.15 Ο μεταλλικός αγωγός του σχήματος διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Δίνεται ότι σε χρονικό διάστημα t = 0,2 s από μία διατομή του αγωγού πέρασε ηλεκτρικό φορτίο q = 0,8 C. (α) Να υπολογίσεις την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. (β) Αλλάξαμε τις συνθήκες και τώρα ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι = 6 Α. Να υπολογίσεις το ηλεκτρικό φορτίο που θα περάσει από μία διατομή του στο χρονικό διάστημα t = 0,2 s. Λύση (α) Από τον ορισμό της έντασης (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος έχουμε ότι: Ι = _ q t (1) Αλλά στο χρονικό διάστημα t = 0,2 s από μία διατομή του αγωγού πέρασε ηλεκτρικό φορτίο q = 0,8 C. Αντικαθιστούμε στη σχέση (1), οπότε: I = q _ t ή I = _ 0,8 C 0,2 s ή I = 4 A (β) Θα λύσουμε τη σχέση Ι = _ q t ως προς το φορτίο q. (Δες και δίπλα.) Έχουμε: I = _ q t ή I_ 1 = _ q t ή I t = q 1 ή q = I t Αντικαθιστώντας στην τελευταία σχέση, προκύπτει ότι: q = 6 A 0,2 s ή q = 1,2 C 7.16 Ένας μεταλλικός αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης Ι = 0,8 A. Να υπολογίσεις τον αριθμό των ηλεκτρονίων που διέρχονται από μία διατομή του σε χρονικό διάστημα t = 2 s. (Δίνεται ότι το φορτίο του ηλεκτρονίου έχει τιμή e = 1, C.) Μάθε να χρησιμοποιείς τη σχέση Ι = _ q. t ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΒΟΗΘΕΙΑ Λύση της Ι = q _ t (α) Ως προς q I = _ q t ή 1 I_ = _ q t ή Ι t = q 1 ή q 1 = I t ή q = I t. (β) Ως προς t I = _ q t ή 1 I_ = _ q t ή Ι t = q 1 ή Ι t = q ή t = _ q I. Μάθε να βρίσκεις τον αριθμό (Ν) των ηλεκτρονίων που πέρασαν από διατομή από τα (Ι) και (t). 82 ΕΝΟΤΗΤΑ 7

9 ... ΘΥΜΗΣΟΥ! α ν = 1_ α ν και 1_ α ν = αν. Λύση Η ένταση Ι του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό δίνεται από τη σχέση: I = _ q (1) t Για να μην αναγκαστούμε να... μπούμε κι εμείς μέσα στον αγωγό για να μετράμε, θα σκεφτούμε τα εξής: Το φορτίο q που διέρχεται μέσα από τη διατομή του αγωγού στο χρόνο t «χτίζεται» ηλεκτρόνιο ηλεκτρόνιο. Αν λοιπόν (Ν) είναι το πλήθος των ηλεκτρονίων που πέρασαν από τη διατομή στο χρόνο t, τότε προφανώς ισχύει ότι: q = N e (2) Η σχέση (1) με τη βοήθεια της (2) γίνεται: I = q _ t ή I = _ N t e Θα λύσουμε την τελευταία σχέση ως προς Ν. Έχουμε: I = _ N t e ή I_ 1 = _ N t e ή I t = N e 1 ή N e = I t ή N = _ I e t Αντικαθιστούμε και έχουμε: 0,8 A 2 s N = _ 1, ή N = _ 1,6 C C 1, C ή N = 1_ ή N = 1019 ηλεκτρόνια 5 Δες και δίπλα. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 83

10 Απάντησε σε ερωτήσεις 7.17 Τι ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα; 7.18 Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι η σωστή; (α) Ηλεκτρικό ρεύμα είναι κάθε προσανατολισμένη κίνηση αντικειμένων. (β) Η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων είναι πιο εύκολα πραγματοποιήσιμη στους μονωτές απ' ό,τι στους αγωγούς. (γ) Η προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων στους αγωγούς διευκολύνεται από την ύπαρξη των ελεύθερων ηλεκτρονίων. (δ) Καμία από τις παραπάνω προτάσεις δεν είναι σωστή Ποια υλικά ονομάζουμε ημιαγωγούς; 7.20 Τι θα συμβεί αν συνδέσουμε και τους δύο πόλους μιας μπαταρίας με ένα μεταλλικό αγωγό (σύρμα); 7.21 Να χαρακτηρίσεις καθεμία από τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστή (Σ) ή ως λανθασμένη (Λ). (α) Η μπαταρία είναι πηγή ρεύματος. (β) Είναι αδύνατη η κίνηση ηλεκτρονίων μέσα στους μονωτές. (γ) Συνδέουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος με το πόσο ισχυρά ή ασθενικά αποτελέσματα προκαλεί. (δ) Αν συνδέσουμε ένα μεταλλικό αγωγό στους πόλους μιας μπαταρίας, στο μεταλλικό αγωγό θα εμφανιστεί προσανατολισμένη κίνηση ιόντων Να αντιστοιχίσεις κάθε υλικό της στήλης 1 με την κατάλληλη από τις ιδιότητες της στήλης 2. ΣΤΗΛΗ 1 ΣΤΗΛΗ 2 1. Χαλκός α. Μονωτής 2. Καουτσούκ β. Ημιαγωγός 3. Πυρίτιο γ. Αγωγός Γράψε στα κουτάκια τους σωστούς συνδυασμούς Ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος. (Ορισμός μονάδα στο S.I.) 7.24 Τι είναι το 1 C (κουλόμπ); 7.25 Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; (α) Μονάδα έντασης ηλεκτρικού ρεύματος στο S.I. είναι το 1 ma. (β) Στις εφαρμογές, το ηλεκτρικό ρεύμα το μετράμε με το αμπερόμετρο. (γ) Όσο ισχυρότερο είναι το ρεύμα, σε τόσο περισσότερο χρόνο συγκεκριμένο ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από μία διατομή. (δ) Καμία από τις παραπάνω προτάσεις δεν είναι σωστή. 84 ΕΝΟΤΗΤΑ 7

11 7.26 Να χαρακτηρίσεις καθεμία από τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστή (Σ) ή ως λανθασμένη (Λ). (α) Ο τρόπος με τον οποίο συνδέονται το αμπερόμετρο με το ρευματοφόρο αγωγό λέγεται σύνδεση σε σειρά. (β) Η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα μεταλλικό αγωγό είναι η πραγματική φορά του ρεύματος. (γ) Η φορά κίνησης των θετικών φορτίων σε έναν αγωγό ονομάζεται πραγματική φορά του ρεύματος. (δ) Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί μόνο θερμικά φαινόμενα Σε ποιες κατηγορίες μπορούμε να κατατάξουμε τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος; 7.28 Κάθε συσκευή από τη στήλη 1 να την αντιστοιχίσεις με το κατάλληλο από τα φαινόμενα της στήλης 2. ΣΤΗΛΗ 1 ΣΤΗΛΗ 2 Συσκευές Φαινόμενα 1. Ηλεκτροκινητήρας α. Θερμικά 2. Θερμοσίφωνας β. Χημικά 3. Μπαταρία γ. Ηλεκτρομαγνητικά Γράψε στα κουτάκια τους σωστούς συνδυασμούς. Λύσε ασκήσεις 7.29 Ένας μεταλλικός αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Δίνεται ότι σε χρονικό διάστημα t = 0,02 s από μία διατομή του αγωγού πέρασε ηλεκτρικό φορτίο q = 0,2 C. Να υπολογίσεις την ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό Ένας μεταλλικός αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης I = 5 A. Να υπολογίσεις το ηλεκτρικό φορτίο που θα περάσει από μία διατομή του στο χρονικό διάστημα t = 0,1 s Ένας μεταλλικός αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης I = 8 A. Να υπολογίσεις σε πόσο χρόνο t θα περάσει από μία διατομή του ηλεκτρικό φορτίο q = 0,8 C Ένας μεταλλικός αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έντασης I = 16 A. Να υπολογίσεις τον αριθμό των ηλεκτρονίων που διέρχονται από μία διατομή του σε χρονικό διάστημα t = = 0,2 s. (Δίνεται ότι το φορτίο του ηλεκτρονίου έχει τιμή e = 1, C.) ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 85

12 Έλεγξε τις γνώσεις σου ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 1. (α) Τι ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. (β) Ορισμός της έντασης (I) του ηλεκτρικού ρεύματος. 2. (α) Ποια είναι η μονάδα έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος στο S.I.; (β) Από μία διατομή ενός μεταλλικού αγωγού Α διέρχονται διπλάσια ηλεκτρόνια απ' ό,τι από μία διατομή ενός άλλου μεταλλικού αγωγού Β. Αυτό σημαίνει ότι απαραίτητα ο αγωγός Α διαρρέεται από διπλάσια ένταση η- λεκτρικού ρεύματος απ' ό,τι ο Β; 3. Να χαρακτηρίσεις καθεμία από τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστή (Σ) ή ως λανθασμένη (Λ). (α) Κάθε μπαταρία είναι πηγή ελεύθερων ηλεκτρονίων. (β) Η μπαταρία δεν είναι πηγή ελεύθερων ηλεκτρονίων. Απλώς θέτει σε προσανατολισμένη κίνηση τα ήδη υπάρχοντα στο μεταλλικό αγωγό που συνδέσαμε στους πόλους της ελεύθερα ηλεκτρόνια. (γ) Το 1 ma είναι πολλαπλάσιο του 1 A. (δ) Στα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος εντάσσονται και τα χημικά φαινόμενα. 4. Στην οθόνη μιας τηλεόρασης φτάνουν N = ηλεκτρόνια κάθε 1,6 δευτερόλεπτα. Να υπολογίσεις την ένταση I του ηλεκτρικού ρεύματος που δημιουργεί αυτή η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων. (Δίνεται ότι το φορτίο του ηλεκτρονίου έχει τιμή e = 1, C.) Kαλή επιτυχία! 86 ΕΝΟΤΗΤΑ 7

13 8 Ηλεκτρικό κύκλωµα Ηλεκτρικό κύκλωµα Βασική θεωρία Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από κλειστούς αγώγιμους «δρόμους», μέσω των οποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα. Κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα Συνδέσαμε με σύρμα τα άκρα (τους πόλους) μιας μπαταρίας με τα άκρα ενός λαμπτήρα (σχήμα 1). Παρατηρήσαμε ότι ο λαμπτήρας φωτοβολεί. Εξήγηση του φαινομένου Μέσα στο σύρμα και στο λαμπτήρα κινούνται ηλεκτρόνια με κατεύθυνση από τον αρνητικό ΣΧΗΜΑ 1 προς το θετικό πόλο της μπαταρίας. Τα ηλεκτρόνια κινούνται και μέσα στην μπαταρία αλλά με κατεύθυνση από το θετικό προς τον αρνητικό πόλο της. Τα ηλεκτρόνια δηλαδή ακολουθούν μία κλειστή διαδρομή. Όταν η διαδρομή των ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι κλειστή, δηλαδή δε διακόπτεται πουθενά, θα λέμε ότι έχουμε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα. Ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα ΣΧΗΜΑ 2 ΣΧΗΜΑ 3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 87

14 Στο σχήμα 2 αποσυνδέσαμε το σύρμα από το ένα άκρο του λαμπτήρα, ενώ στο σχήμα 3 αποσυνδέσαμε το σύρμα από τον ένα πόλο της μπαταρίας. Και στις δύο περιπτώσεις παρατηρήσαμε ότι ο λαμπτήρας έσβησε. Εξήγηση του φαινομένου Και στις δύο περιπτώσεις, μεταξύ του ελεύθερου άκρου του σύρματος και του άκρου του λαμπτήρα ή του πόλου της μπαταρίας παρεμβάλλεται αέρας, ο οποίος είναι μονωτής. Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν μέσα σε αυτόν, με συνέπεια η κίνησή τους μέσα στο λαμπτήρα και στην μπαταρία να σταματά. Το κύκλωμα ονομάζεται ανοιχτό. Ώστε: Όταν σ' ένα ηλεκτρικό κύκλωμα η διαδρομή των ηλεκτρονίων κάπου διακόπτεται, σταματάει η κίνηση των ηλεκτρονίων και το κύκλωμα ονομάζεται ανοιχτό κύκλωμα. Όπως βέβαια ήδη θα κατάλαβες: Από ένα ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα δε διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Στα περισσότερα ηλεκτρικά κυκλώματα πρέπει να έχουμε τη δυνατότητα να τα θέτουμε σε λειτουργία ή να τα θέτουμε εκτός λειτουργίας, δηλαδή να τα κλείνουμε (εντός λειτουργίας) ή να τα ανοίγουμε (εκτός λειτουργίας). Αυτό το επιτυγχάνουμε εύκολα με τη βοήθεια ενός διακόπτη. (Δες τα σχήματα 4 και 5.) ΣΧΗΜΑ 4 ΣΧΗΜΑ 5 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης ΕΝΟΤΗΤΑ 8

15 Ηλεκτρική πηγή και ενέργεια Η πηγή δημιουργεί στο κύκλωμα ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του κυκλώματος θέτοντάς τα σε προσανατολισμένη κίνηση. Η δύναμη αυτή μετατοπίζει τα ηλεκτρόνια, επομένως παράγει έργο. Το έργο της δύναμης που ασκεί στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του κυκλώματος το ηλεκτρικό πεδίο της πηγής εκφράζει την ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα φορτία. Την ενέργεια αυτή την αποκαλούμε ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος λοιπόν προέρχεται από την πηγή που θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των μεταλλικών αγωγών του κυκλώματος. Κάθε συσκευή στην οποία μία μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ονομάζεται πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ή απλώς ηλεκτρική πηγή. 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης 8.2. Η διαφορά δυναµικού στο ηλεκτρικό κύκλωµα Το βασικό χαρακτηριστικό μιας μπαταρίας, αλλά και κάθε ηλεκτρικής πηγής, είναι η τάση ή η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους πόλους της (π.χ. μπαταρία τάσης 1, 5 V ή 4,5 V κτλ.). Διαφορά δυναμικού στους πόλους πηγής Ορισμός Διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση (V πηγής ) μεταξύ των δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής ονομάζουμε το πηλίκο της ενέργειας (Ε ηλεκτρική ) που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου (q) όταν διέρχονται από αυτήν προς το φορτίο q. Δηλαδή: V πηγής = _ Ε ηλεκτρική q (1) ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 89

16 Η έννοια της τάσης Η διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση μεταξύ των δύο πόλων μιας πηγής μάς δίνει την ενέργεια που προσφέρεται από την πηγή σε κάθε «πακέτο» ηλεκτρονίων με συνολικό φορτίο 1 C όταν διέρχονται από αυτήν. Η τάση της πηγής δηλαδή δίνει την ενέργεια ανά μονάδα φορτίου που προσφέρει η πηγή. Από τη σχέση (1) μπορούμε να υπολογίσουμε την ενέργεια που προσφέρει η πηγή στα ηλεκτρόνια. Πράγματι, είναι: Ε ηλεκτρική = (V πηγής ) q Μονάδα διαφοράς δυναμικού (τάσης) στο S.I. Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης (διαφοράς δυναμικού) στο S.I. είναι το 1 V (βολτ). Μπορούμε να πούμε ότι: Ηλεκτρική πηγή τάσης 1 V προσφέρει ενέργεια ίση με 1 J (τζάουλ) σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου 1 C όταν διέρχονται από αυτήν. Διαφορά δυναμικού στα άκρα καταναλωτή Τι λέμε καταναλωτή; Ένας λαμπτήρας, όπως και κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια άλλης μορφής, ονομάζεται καταναλωτής ή μετατροπέας. Για να μπορέσουμε να μετρήσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρεται από το ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν καταναλωτή, ορίσαμε την ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού και μεταξύ των άκρων ενός καταναλωτή. Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων ενός καταναλωτή το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρουν στον καταναλωτή ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q όταν διέρχονται από αυτόν προς το φορτίο q. Δηλαδή: V = _ E ηλεκτρική q 90 ΕΝΟΤΗΤΑ 8

17 Τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων ενός στοιχείου του κυκλώματος, π.χ. μπαταρίας, λαμπτήρα, κινητήρα κτλ., τη μετράμε με τη βοήθεια ενός οργάνου που λέγεται βολτόμετρο. Τα άκρα του βολτόμετρου συνδέονται με τα άκρα του στοιχείου στα οποία θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού. Λέμε ότι το βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα με το στοιχείο. 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης 8.3. Ταχύτητα των ηλεκτρονίων στο ηλεκτρικό κύκλωμα Η ταχύτητα της προσανατολισμένης κίνησης των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό τον οποίο διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα είναι πάρα πολύ μικρή! Είναι μερικά εκατοστά του χιλιοστού το δευτερόλεπτο, δηλαδή είναι μικρότερη και από την ταχύτητα ενός σαλιγκαριού! Ένα ηλεκτρόνιο χρειάζεται χρόνο περίπου τρεις ώρες για να διατρέξει ένα καλώδιο μήκους ενός μέτρου. Γιατί όμως μόλις πατήσεις το διακόπτη ανάβει ακαριαία το φως; Η εξήγηση είναι απλή. Δεν είναι το ότι τα ηλεκτρόνια φεύγουν από την πηγή (πρίζα) με τεράστια ταχύτητα και φτάνουν σχεδόν ακαριαία στο λαμπτήρα! Άλλο συμβαίνει. Μόλις πατήσεις το διακόπτη, η πηγή (η πρίζα) εξαπολύει ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο απλώνεται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός κατά μήκος όλων των αγωγών της κλειστής διαδρομής πρίζα λαμπτήρας πρίζα, που δημιουργήσαμε πατώντας (κλείνοντας) το διακόπτη. Το ηλεκτρικό αυτό πεδίο προκαλεί την ταυτόχρονη σχεδόν κίνηση όλων των ελεύθερων ηλεκτρονίων του κλειστού αυτού κυκλώματος, όπου και να βρίσκονται! Έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του σύρματος του λαμπτήρα παίρνουν ακαριαία την «εντολή» από το ηλεκτρικό πεδίο που εξαπέλυσε η πηγή, αρχίζουν να κινούνται αμέσως προσανατολισμένα και... γίνεται το θαύμα (το φως)! 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης 8.4. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 91

18 Προέλευση των ηλεκτρονίων σ ένα κύκλωμα Χρειάζεται προσοχή στο εξής: Τα ηλεκτρόνια που κινούνται προσανατολισμένα σε ένα κύκλωμα που διαρρέεται από ρεύμα δεν τα προσφέρει η πηγή στο κύκλωμα. Τα ηλεκτρόνια προϋπήρχαν μέσα στους αγωγούς του κυκλώματος. Ήταν ελεύθερα ηλεκτρόνια που πριν εκτελούσαν άτακτες και τυχαίες κινήσεις. Απλά, μόλις πατήσαμε το διακόπτη και κλείσαμε το κύκλωμα, η πηγή εξαπέλυσε σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός ένα ηλεκτρικό πεδίο που έκανε την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων των αγωγών από άτακτη προσανατολισμένη, δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα. Ώστε: Τα ηλεκτρόνια δεν είναι της πηγής (ούτε και της ΔΕΗ)! Η πηγή (άρα και η ΔΕΗ) δεν παρέχει ηλεκτρόνια στο κύκλωμα. Ενέργεια παρέχει για να κινήσει προσανατολισμένα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των αγωγών του κυκλώματος. 5 Δες την ερώτηση εμβάθυνσης ΕΝΟΤΗΤΑ 8

19 Εμβαθύνοντας στη θεωρία 8.1 Η πρίζα είναι ηλεκτρική πηγή; Απάντηση Πολλές φορές ανάμεσα στην ηλεκτρική πηγή και στο ρευματοφόρο αγωγό που μελετάμε μπορεί να υπάρχει μεγάλη απόσταση, για παράδειγμα η γεννήτρια-πηγή να είναι το θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο της Πτολεμαΐδας και ο αγωγός να είναι μέρος μιας συσκευής που λειτουργεί στην Αθήνα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, χάριν απλούστευσης, μπορούμε να θεωρούμε ότι μια πρίζα που υπάρχει στην ηλεκτρική εγκατάσταση του σπιτιού όπου βρίσκεται η συσκευή παίζει το ρόλο ηλεκτρικής πηγής. 8.2 Τι μορφή ενέργειας μετασχηματίζει σε ηλεκτρική ενέργεια: (α) Το ηλεκτρικό στοιχείο (κοινή μπαταρία); (β) Ο συσσωρευτής (μπαταρία αυτοκινήτου); (γ) Το φωτοστοιχείο; (δ) Το θερμοστοιχείο; Τα φωτοστοιχεία αυτά τροφοδοτούν με ηλεκτρικό ρεύμα (ενέργεια) το μοναστήρι της Ευαγγελίστριας, που βρίσκεται σε αρκετά μεγάλο υψόμετρο στο βουνό Κέρ κης στο Μαραθόκαμπο της Σάμου. Απάντηση (α) Στο ηλεκτρικό στοιχείο η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. (β) Στο συσσωρευτή η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. (γ) Στο φωτοστοιχείο η ενέργεια της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. (δ) Στο θερμοστοιχείο η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. 8.3 Υπάρχει κάποια διαφορά ανάμεσα στην ηλεκτρική τάση στα άκρα ενός καταναλωτή και στην ηλεκτρική τάση στα άκρα μιας μπαταρίας; ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 93

20 Απάντηση Στο κύκλωμα της διπλανής εικόνας, μόλις ανοίξουμε το διακόπτη, ο λαμπτήρας παύει να φωτοβολεί. Ταυτόχρονα, η ένδειξη του βολτόμετρου που συνδέεται με τα άκρα του λαμπτήρα μηδενίζεται. Επομένως η ηλεκτρική τάση στα άκρα του λαμπτήρα υπήρχε όσο αυτός διαρρεόταν από ρεύμα. Ώστε: Η ηλεκτρική τάση στα άκρα του λαμπτήρα οφείλεται στην ύπαρξη του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο σύρμα του λαμπτήρα. Αν συνδέσουμε ένα βολτόμετρο στους πόλους μιας μπαταρίας, θα έχουμε ένδειξη ηλεκτρικής τάσης (διάφορη του μηδενός) είτε το κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία είναι κλειστό και λειτουργεί είτε είναι ανοιχτό και δε λειτουργεί. Επομένως υπάρχει τάση στα άκρα της μπαταρίας είτε διέρχεται από αυτή ηλεκτρικό ρεύμα είτε όχι. Γενικά λοιπόν έχουμε: (α) Η τάση στα άκρα ενός καταναλωτή δημιουργείται από το ηλεκτρικό ρεύμα που τον διαρρέει και είναι μηδέν όταν δε διέρχεται ρεύμα από αυτόν. (β) Η τάση στα άκρα μιας μπαταρίας είναι διαφορετική από το μηδέν είτε διέρχεται από αυτή ηλεκτρικό ρεύμα είτε όχι και είναι αυτή που δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα. 8.4 Να δώσεις κάποια σχηματική αναπαράσταση των βασικών στοιχείων του κυκλώματος. Απάντηση Η σχηματική αναπαράσταση των βασικών στοιχείων που μπορούμε να συναντήσουμε σε κάποιο κύκλωμα δίνεται στον πίνακα που ακολουθεί: 94 ΕΝΟΤΗΤΑ 8

21 ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Αγωγός Διακόπτης Πηγή Λαμπτήρας Βολτόμετρο Αμπερόμετρο 8.5 Με βάση τη σχηματική αναπαράσταση των στοιχείων ενός κυκλώματος να κάνεις τη σχηματική αναπαράσταση του διπλανού κυκλώματος (που είναι η καλλιτεχνική αναπαράσταση ενός πραγματικού κυκλώματος). Απάντηση Αναγνώριση στοιχείων κυκλώματος Τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται το κύκλωμα είναι τα εξής: (α) ηλεκτρικό στοιχείο (μπαταρία) (β) διακόπτης (γ) λαμπτήρας (δ) αμπερόμετρο (ε) βολτόμετρο. Όλα αυτά τα στοιχεία συνδέονται μεταξύ τους με αγωγούς. 5 Δες το σχήμα δίπλα στην εκφώνηση. Σχηματική αναπαράσταση Η σχηματική αναπαράσταση του κυκλώματος έγινε με βάση την καλλιτεχνική και είναι αυτή που φαίνεται δίπλα. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 95

22 Μάθε συμπληρώνοντας κενά Να συμπληρώσεις τα κενά που εκφράζονται με τις τελείες (...) στις προτάσεις που ακολουθούν. 8.6 Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από... αγώγιμους «...», μέσω των οποίων μπορεί να... ηλεκτρικό ρεύμα. 8.7 Όταν η... των ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι κλειστή, δηλαδή δε... πουθενά, θα λέμε ότι έχουμε ένα... ηλεκτρικό κύκλωμα. 8.8 Όταν σ ένα ηλεκτρικό κύκλωμα η... των ηλεκτρονίων κάπου διακόπτεται,... η κίνηση των ηλεκτρονίων και το κύκλωμα ονομάζεται... κύκλωμα. 8.9 Από ένα ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα δε... ηλεκτρικό Το έργο της... που ασκεί στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του κυκλώματος το ηλεκτρικό πεδίο της πηγής εκφράζει την... που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα φορτία. Την ενέργεια αυτή την αποκαλούμε... του ρεύματος Κάθε συσκευή στην οποία μία... ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ονομάζεται... ηλεκτρικής... ή απλώς... πηγή Διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση (V πηγής ) μεταξύ των δύο... μιας ηλεκτρικής πηγής ονομάζουμε το... της... (...) που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρόνια συνολικού... (...) όταν διέρχονται από αυτήν προς το... (...). Δηλαδή: V πηγής = Η διαφορά δυναμικού ή μεταξύ των δύο πόλων μιας πηγής μάς δίνει την... που προσφέρεται από την πηγή σε κάθε «πακέτο»... με συνολικό φορτίο... όταν διέρχονται από αυτήν Ηλεκτρική πηγή τάσης 1 V προσφέρει ενέργεια ίση με... (...) σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου... όταν διέρχονται από αυτήν Ένας λαμπτήρας, όπως και κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια άλλης..., ονομάζεται... ή Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά... μεταξύ των δύο άκρων ενός 96 ΕΝΟΤΗΤΑ 8

23 καταναλωτή το πηλίκο της... που μεταφέρουν στον καταναλωτή... συνολικού φορτίου... όταν διέρχονται από αυτόν προς το φορτίο q Η πηγή (άρα και η ΔΕΗ)... παρέχει ηλεκτρόνια στο κύκλωμα.... παρέχει για να κινήσει... τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των... του κυκλώματος. Αλεσάντρο Βόλτα (Alessandro Volta, ) Ιταλός φυσικός. Ανακάλυψε την ηλεκτρική μπαταρία το Εισήγαγε τις έννοιες του δυναμικού και της διαφοράς δυναμικού. Στη μονάδα μέτρησης αυτών των δύο μεγεθών δόθηκε προς τιμήν του το όνομά του (1 V, βολτ]. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 97

24 Μάθε να λύνεις ασκήσεις 8.18 Η ηλεκτρική τάση ανάμεσα στους δύο πόλους μιας μπαταρίας ενός αυτοκινήτου είναι V πηγής = 12 V. Αν υποθέσουμε ότι η μπαταρία του αυτοκινήτου μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο q = 40 kc, να υπολογίσεις το μέγιστο ποσό ενέργειας που μπορεί να προσφέρει η μπαταρία. Λύση Η ηλεκτρική τάση V πηγής μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας δίνεται από το πηλίκο της ενέργειας Ε ηλεκτρική που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρικό φορτίο q όταν διέρχεται από αυτήν προς το φορτίο q. Δηλαδή: V πηγής = _ Ε ηλεκτρική q (1) Το φορτίο των q = 40 kc = C που μπορεί να μεταφέρει η μπαταρία είναι το μέγιστο που μπορεί να μεταφέρει, οπότε και η ενέργεια που θα προκύψει από τη σχέση (1) ότι του προσφέρει θα είναι η μέγιστη. Επομένως η σχέση (1) μετασχηματίζεται στην: V πηγής = _ Ε ηλεκτρική max ή q max Μάθε να υπολογίζεις το μέγιστο ποσό ενέργειας που μπορεί να προσφέρει μία μπαταρία. Ε = V ηλεκτρικήmax πηγής q max Με αντικατάσταση προκύπτει ότι: Ε = 12 V 40 ηλεκτρικήmax 103 C ή Ε = 480 ηλεκτρικήmax 103 J = 480 kj 8.19 Ο λαμπτήρας του παρακάτω κυκλώματος φωτοβολεί. Η ένδειξη του βολτόμετρου είναι 10 V και του αμπερόμετρου 3,2 Α. (α) Τι σημαίνουν οι ενδείξεις του αμπερόμετρου και του βολτόμετρου; (β) Πόσο ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από μία διατομή του σύρματος του λαμπτήρα ανά δευτερόλεπτο; (γ) Πόσα ηλεκτρόνια διέρχονται από μία διατομή ενός καλωδίου του κυκλώματος ανά δευτερόλεπτο; (Δίνεται η τιμή του φορτίου του ηλεκτρόνιου e = 1, C.) (δ) Πόση είναι η χημική ενέργεια της μπαταρίας που μετατρέπεται σε ισοδύναμη ηλεκτρική ανά δευτερόλεπτο; (Θεώρησε ότι κατά τη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική στην μπαταρία δεν υπάρχουν απώλειες.) Μάθε να ερμηνεύεις τις ενδείξεις του αμπερόμετρου και του βολτόμετρου και να κάνεις υπολογισμούς με βάση αυτές. 98 ΕΝΟΤΗΤΑ 8

25 Λύση (α) Το αμπερόμετρο είναι συνδεδεμένο σε σειρά στο κύκλωμα. Επομένως η ένδειξή του μας δείχνει την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το λαμπτήρα αλλά και κάθε άλλο στοιχείο του κυκλώματος. Δόθηκε ότι είναι I = 3,2 A. Το βολτόμετρο είναι συνδεδεμένο (παράλληλα) με τους πόλους της πηγής. Επομένως η ένδειξή του αφορά την τάση μόνο μεταξύ των δύο πόλων της πηγής και είναι V = 10 V. (β) Από τη σχέση Ι = _ q t, αφού I = 3,2 A και t = 1 s, έχουμε ότι: Ι = _ q t ή q = Ι t και με αντικατάσταση προκύπτει ότι q = 3,2 A 1 s, δηλαδή q = 3,2 C. Από μία διατομή του σύρματος του λαμπτήρα λοιπόν (αλλά και από μία διατομή οποιουδήποτε αγωγού του κυκλώματος) διέρχεται ανά δευτερόλεπτο ηλεκτρικό φορτίο q = 3,2 C. (γ) Το φορτίο q = 3,2 C που διέρχεται ανά δευτερόλεπτο από μία διατομή ενός αγωγού του κυκλώματος «δημιουργείται» ηλεκτρόνιο ηλεκτρόνιο. Αν συμβολίσουμε με Ν το ζητούμενο πλήθος των ηλεκτρονίων, ισχύει ότι: q = Ν e, όπου e το γνωστό φορτίο του ενός ηλεκτρονίου. Αντικαθιστώντας έχουμε: 3,2 C = Ν 1, C ή 3,2 C Ν = _ 1, ή Ν = 2 10 C 19 ηλεκτρόνια (δ) Η τάση μεταξύ των πόλων της πηγής δίνεται από την ένδειξη του βολτόμετρου και είναι V πηγής = 10 V. Την ηλεκτρική ενέργεια Ε ηλεκτρική που προσφέρει ανά δευτερόλεπτο η πηγή στο φορτίο των q = 3,2 C που μετακινεί θα την υπολογίσουμε από τη γνωστή σχέση: V πηγής = _ Ε ηλεκτρική q ή Ε ηλεκτρική = V πηγής q και με αντικατάσταση: Ε ηλεκτρική = 10 V 3,2 C ή Ε ηλεκτρική = 32 J Η ηλεκτρική αυτή ενέργεια όμως προήλθε από το μετασχηματισμό ποσού χημικής ενέργειας μέσα στην μπαταρία. Αφού κατά το μετασχηματισμό αυτό, όπως δίνεται, δεν υπήρξαν απώλειες, θα είναι: Ε χημική = Ε ηλεκτρική = 32 J ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 99

26 Απάντησε σε ερωτήσεις 8.20 Τι ονομάζεται ηλεκτρικό κύκλωμα; 8.21 Το κύκλωμα του σχήματος είναι ανοιχτό ή κλειστό; 8.22 Το κύκλωμα του σχήματος είναι ανοιχτό ή κλειστό; 8.23 Το κύκλωμα του σχήματος είναι ανοιχτό ή κλειστό; (β) Από ένα ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα δε διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. (γ) Η ηλεκτρική πηγή θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, επειδή δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. (δ) Καμία από τις παραπάνω προτάσεις δεν είναι σωστή Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι η σωστή; (α) Όταν σε ένα κύκλωμα ο διακόπτης είναι ανοιχτός, το κύκλωμα είναι ανοιχτό, οπότε διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. (β) Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος οφείλεται στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. (γ) Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος προέρχεται από την πηγή που θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των μεταλλικών αγωγών του κυκλώματος. (δ) Καμία από τις παραπάνω προτάσεις δεν είναι σωστή Τι ονομάζεται ηλεκτρική πηγή; 8.27 Να ορίσεις τη διαφορά δυναμικού στους πόλους πηγής Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι η σωστή; (α) Για να είναι μία διάταξη ηλεκτρικό κύκλωμα, πρέπει απαραίτητα να έχει σχήμα κύκλου Ποια είναι η έννοια της τάσης μεταξύ των δύο πόλων μιας πηγής; 8.29 Μονάδα τάσης στο S.I Μία ηλεκτρική πηγή έχει τάση 2 V. Πόση ενέργεια προσφέρει σε ηλεκτρόνια 100 ΕΝΟΤΗΤΑ 8

27 συνολικού φορτίου 1 C, όταν διέρχονται από αυτήν; 8.31 Μία ηλεκτρική πηγή προσφέρει ενέργεια ίση με 4,5 J σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου 1 C, όταν διέρχονται από αυτήν. Πόση είναι η τάση αυτής της πηγής; 8.32 Τι ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων ενός καταναλωτή; 8.33 Να χαρακτηρίσεις καθεμία από τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστή (Σ) ή ως λανθασμένη (Λ). (α) Κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια άλλης μορφής ονομάζεται καταναλωτής. (β) Μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης στο S.I. είναι το 1 Α. (γ) Τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων ενός στοιχείου κυκλώματος τη μετράμε με το βολτόμετρο. (δ) Λέμε ότι το βολτόμετρο συνδέεται σε σειρά με το στοιχείο Να χαρακτηρίσεις καθεμία από τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστή (Σ) ή ως λανθασμένη (Λ). (α) Η προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων σε ένα ρευματοφό- ρο αγωγό διεξάγεται με την ταχύτητα του φωτός. (β) Τα άκρα του βολτόμετρου συνδέονται με τα άκρα του στοιχείου του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού. (γ) Τα ηλεκτρόνια που κινούνται προσανατολισμένα σε ένα κύκλωμα δεν τα παρέχει η πηγή. (δ) Το βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα με το στοιχείο στα άκρα του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού Γιατί μόλις πατήσεις το διακόπτη ανάβει ακαριαία το φως; 8.36 Να αντιστοιχίσεις καθένα από τα φυσικά μεγέθη της στήλης 1 με την κατάλληλη από τις μονάδες της στήλης 2. ΣΤΗΛΗ 1 ΣΤΗΛΗ 2 1. Ηλεκτρικό φορτίο α. 1 A 2. Ένταση του β. 1 V ηλεκτρικού ρεύματος 3. Διαφορά γ. 1 W δυναμικού δ. 1 C Γράψε στα κουτάκια τους σωστούς συνδυασμούς. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 101

28 Λύσε ασκήσεις 8.37 Η ηλεκτρική τάση ανάμεσα στους δύο πόλους της μπαταρίας μιας μοτοσικλέτας είναι V πηγής = 12 V. Αν υποθέσουμε ότι η μπαταρία της μοτοσικλέτας μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο q = 8 kc, να υπολογίσεις το μέγιστο ποσό ενέργειας που μπορεί να προσφέρει η μπαταρία Το μέγιστο ποσό ενέργειας που μπορεί να προσφέρει η μπαταρία ενός αυτοκινήτου είναι 360 kj, ενώ μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο q = 30 kc. Να υπολογίσεις την ηλεκτρική τάση ανάμεσα στους δύο πόλους της μπαταρίας Όταν διέρχονται από έναν καταναλωτή ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q = 2 C, του μεταφέρουν ενέργεια Ε ηλεκτρική = 18 J. Να υπολογίσεις την ηλεκτρική τάση μεταξύ των δύο άκρων του καταναλωτή Όταν διέρχονται από έναν καταναλωτή ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q = 0,5 C, δημιουργούν ανάμεσα στα δύο άκρα του ηλεκτρική τάση V = 8 V. Να υπολογίσεις την ηλεκτρική ενέργεια που μετέφεραν στον καταναλωτή αυτά τα ηλεκτρόνια Ο λαμπτήρας του κυκλώματος φωτοβολεί. Η ένδειξη του βολτόμετρου είναι 20 V και του αμπερόμετρου 4,8 Α. (α) Τι σημαίνουν οι ενδείξεις του αμπερόμετρου και του βολτόμετρου; (β) Πόσο ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από μία διατομή του σύρματος του λαμπτήρα ανά δευτερόλεπτο; (γ) Πόσα ηλεκτρόνια διέρχονται από μία διατομή ενός καλωδίου του κυκλώματος ανά δευτερόλεπτο; (Δίνεται η τιμή του φορτίου του ηλεκτρόνιου e = 1, C.) (δ) Πόση είναι η χημική ενέργεια της μπαταρίας που μετατρέπεται σε ισοδύναμη ηλεκτρική ανά δευτερόλεπτο; (Θεώρησε ότι κατά τη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική στην μπαταρία δεν υπάρχουν απώλειες.) 102 ΕΝΟΤΗΤΑ 8

29 Έλεγξε τις γνώσεις σου ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 1. Τι εκφράζει την ενέργεια που αποκαλούμε ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος; 2. Να χαρακτηρίσεις καθεμία από τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστή (Σ) ή ως λανθασμένη (Λ). (α) Σε ένα κλειστό κύκλωμα, μέσα στην μπαταρία, τα ηλεκτρόνια κινούνται με κατεύθυνση από το θετικό προς τον αρνητικό πόλο της. (β) Από ένα ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα δε διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. (γ) (δ) Κάθε συσκευή στην οποία η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια άλλης μορφής ονομάζεται ηλεκτρική πηγή. Η τάση στα άκρα ενός καταναλωτή δημιουργείται από το ηλεκτρικό ρεύμα που τον διαρρέει. 3. Με βάση τη σχηματική αναπαράσταση των στοιχείων ενός κυκλώματος να κάνεις τη σχηματική αναπαράσταση του διπλανού κυκλώματος (που είναι η καλλιτεχνική αναπαράσταση ενός πραγματικού κυκλώματος). 4. Ο λαμπτήρας ενός κυκλώματος φωτοβολεί. Η ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει είναι Ι = 1,6 Α και η ηλεκτρική τάση στα άκρα του είναι V = 16 V. (α) Πόσο ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από μία διατομή του σύρματος του λαμπτήρα ανά δευτερόλεπτο; (β) Πόση είναι η ηλεκτρική ενέργεια που μετέφερε η πηγή στον καταναλωτή μέσω αυτού του φορτίου; Καλή επιτυχία! ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 103