2 ο Γυμνάσιο Κορίνθου ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Το παρόν φυλλάιο θα αυτοκαταστραφεί αν προσπαθήσεις να το ιαβάσεις χωρίς να έχεις ιαβάσει ούτε μια φορά το βιβλίο, σε Ένα καλώιο έχει από μέσα σύρμα, ηλαή αγωγό και από έξω πλαστικό, ηλαή μονωτή. Σε ένα μεταλλικό αγωγό (σύρμα) υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια που έχουν ξεφύγει από την έλξη του πυρήνα του ατόμου) τα οποία κινούνται άτακτα μέσα του. Τα άτομα του μεταλλικού αγωγού, αφού τους έχει φύγει κάποιο ηλεκτρόνιο, έχουν μετατραπεί σε θετικά ιόντα, τα οποία ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους. μεγέθυνση τμήματος μεταλλικού αγωγού (σύρματος) συνεεμένου σε μπαταρία θετικό ιόν ελεύθερο ηλεκτρόνιο που κινείται προσανατολισμένα Συνέουμε τον μεταλλικό αγωγό με τους πόλους μιας πηγής - μπαταρίας ( σχεόν με την ταχύτητα του φωτός ιαίεται ηλεκτρικό πείο μέσα στον αγωγό ασκούνται ηλεκτρικές υνάμεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του) τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται προσανατολισμένα μέσα στον μεταλλικό αγωγό. πραγματική φορά του ρεύματος - + συμβατική φορά του ρεύματος Το υλικό του μονωτή αποτελείται από άτομα των οποίων τα ηλεκτρόνια είναι εσμευμένα από τον πυρήνα ( συγκρατούνται καλά στο άτομο με υνάμεις Coulomb αν θυμάστε...), εν έχει λοιπόν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στον αγωγό εν μπορούν να κινηθούν μέσα από τον μονωτή και να περάσουν στο χέρι μας όταν κρατάμε ένα καλώιο που βρίσκεται στην πρίζα, για αυτό εν έχουμε πεθάνει όλοι από ηλεκτροπληξία... μεγέθυνση τμήματος μονωτή άτομο Ηλεκτρικό ρεύμα μέσα σε ένα μεταλλικό αγωγό, ονομάζουμε την προσανατολισμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του. Πραγματική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα στον αγωγό, θα είναι η φορά των αρνητικών ηλεκτρονίων προς τον θετικό πόλο της πηγής ( - + ). Συμβατική φορά θα είναι η ανάποη ( + - ). Ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που ιαρρέει ένα αγωγό ορίζουμε, το φορτίο των ελεύθερων ηλεκτρονίων που περνάει από μια κάθετη ιατομή του αγωγού σε χρόνο προς τον χρόνο αυτό. Μαθηματικός τύπος: Μονάα μέτρησης της έντασης είναι το A (ένα Ampere). Τον ορισμό του Ampere θα τον είτε στο Λύκειο. Ως προς το παρόν, αν λύσετε τον ορισμό της έντασης ως προς, παρατηρείτε ότι C A s. Όργανο μέτρησης της έντασης είναι το αμπερόμετρο, το οποίο συνέεται σε σειρά στον αγωγό. Καλό αμπερόμετρο, το σχεόν μηενικής αντίστασης, για να περνάει το ρεύμα όσο γίνεται πιο «ανεμπόιστο». Η πηγή ( π.χ. μπαταρία) εν παράγει φορτία, αλλά ημιουργεί ιαφορά υναμικού (τάση) στα άκρα του αγωγού. Έτσι ημιουργείται ηλεκτρικό πείο μέσα στον αγωγό, προκαλώντας ηλεκτρικές υνάμεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του τα οποία αναγκάζονται να κινηθούν προσανατολισμένα και όχι άτακτα όπως πριν συνέσουμε την πηγή. (ες το πάνω σχήμα με την πηγή και από τα προηγούμενα φυλλάια το ίιο σχήμα χωρίς πηγή) Η πηγή λοιπόν αυτό που κάνει είναι να ίνει την ενέργεια στα ελεύθερα ηλεκτρόνια που ήη βρίσκονται μέσα στον αγωγό, για να μπορέσουν αυτά να κινηθούν προσανατολισμένα, προκαλώντας το ηλεκτρικό ρεύμα. Η πηγή έχει τάση είτε συνεθεί σε κάποιο κύκλωμα είτε όχι.

2 Τάση (V πηγής ) ή ιαφορά υναμικού μιας ηλεκτρικής πηγής, ονομάζουμε το πηλίκο της ενέργειας που ίνει η πηγή σε ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία έχουν συνολικό φορτίο, προς το φορτίο αυτό. προσφ. Μαθηματικός τύπος: Vπηγής Τάση (V καταν. ) ή ιαφορά υναμικού στα άκρα ενός «καταναλωτή», ονομάζουμε το πηλίκο της ενέργειας που ίνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου στον «καταναλωτή» όταν ιέρχονται από αυτόν, προς το καταν. φορτίο. Μαθηματικός τύπος: Vκαταν. J Μονάα μέτρησης της τάσης είναι το ένα Vol ( V ). Όπως φαίνεται από τον ορισμό, V C Όργανο μέτρησης της τάσης είναι το βολτόμετρο, το οποίο συνέεται παράλληλα στην πηγή ή τον «καταναλωτή». Καλό βολτόμετρο, το σχεόν άπειρης αντίστασης, για να περνάει το ελάχιστο υνατό ρεύμα από μέσα του. Αντίσταση μεταλλικού αγωγού είναι η «υσκολία» που συναντούν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια όταν κινούνται προσανατολισμένα μέσα του. Η αντίσταση αυτή προέρχεται από τις συγκρούσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων, με τα θετικά ιόντα του μετάλλου. Γενικά, για οποιοήποτε ίπολο, ισχύει ο ορισμός της αντίστασης: Ηλεκτρική αντίσταση R, ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζεται στους πόλους του V, προς την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος V Ι που το ιαρρέει. Μαθηματικός τύπος: R V Μονάα μέτρησης της αντίστασης είναι το ένα Ohm ( Ω ). Όπως φαίνεται από τον ορισμό, Ω A Ειικά, μόνο για αντιστάτες (για μεταλλικούς αγωγούς σταθερής θερμοκρασίας) ισχύει ο νόμος του Ohm: Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που ιαρρέει έναν αντιστάτη, είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του. Μαθηματικός τύπος: V ή V R R Δηλαή ο τύπος του νόμου του Ohm είναι η επίλυση του ορισμού της αντίστασης τη μια ως προς Ι και την άλλη ως προς V. Το σημαντικό είναι να καταλάβετε ότι ειικά για τους αντιστάτες, ο Ohm ανακάλυψε ότι η ένταση και η τάση είναι μεταξύ τους ανάλογα μεγέθη, οπότε η αντίσταση ενός συγκεκριμένου αντιστάτη είναι σταθερή. (ιπλασιάζεις την τάση, ιπλασιάζεται ταυτόχρονα και η ένταση, οπότε το πηλίκο μένει σταθερό όπως στο εργαστήριο) Η γραφική παράσταση της τάσης με την ένταση, είναι όπως όλες οι γραφικές παραστάσεις των ανάλογων μεγεθών (Βιβλίο σελ. 45, Εικόνα 2.28). Σε αντίθεση με τον ορισμό της αντίστασης, ο νόμος του Ohm εν ισχύει γενικά για οποιοήποτε ίπολο, ισχύει μόνο για αντιστάτες. Δεν ισχύει για λαμπτήρες νέου, ηλεκτρικούς κινητήρες, λαμπτήρες πυρακτώσεως κ.λ.π. Σύνεση ύο αντιστατών σε σειρά ισούναμη αντίσταση Έχω ύο αντιστάτες με αντιστάσεις R και R 2 οι οποίοι είναι συνεεμένοι σε σειρά. Αν θελήσω να τους R αντικαταστήσω με = 2Ω R 2 = 4Ω R,2 = 6Ω ένα αντιστάτη χωρίς να αλλάξει 3Α τίποτα στη 3Α λειτουργία του κυκλώματος, τότε αυτός θα πρέπει να έχει αντίσταση R,2 ίση με το άθροισμά τους. R,2 = R + R 2 2

3 Σύνεση ύο αντιστατών παράλληλα ισούναμη αντίσταση Έχω ύο αντιστάτες με αντιστάσεις R και R 2 οι οποίοι είναι συνεεμένοι παράλληλα. Αν θελήσω να τους R = 40Ω R,2 = 24Ω αντικαταστήσω με ένα αντιστάτη χωρίς να αλλάξει τίποτα στη λειτουργία του κυκλώματος, τότε 2 αυτός θα πρέπει να 2Α R 2 = 60Ω 2Α έχει αντίσταση R,2 τέτοια ώστε: = + R,2 R R 2 48V 48V και επειή στις ασκήσεις εν τα βλέπω καλά τα ομώνυμα κλάσματα, ας λύσουμε αυτή τη σχέση ως προς R,2 : R = + 2 R R R 2 = R,2 R,2 R R 2 R,2 R R 2 R R 2 (προσοχή...ισχύει μόνο για ύο αντιστάσεις) (Σας συνιστώ ανεπιφύλακτα, να ξαναλύσετε τα παραείγματα 2. και 2.2 στις σελίες 56, 57 και 58 του βιβλίου.) Ασκήσεις Με λισσάρη Πρώτη άσκηση Η ένταση του ρεύματος που ιαρρέει ένα αγωγό είναι Ι = 2,4 mα. ) Να βρεθεί το φορτίο που ιέρχεται από μια κάθετη ιατομή του αγωγού σε χρόνο = 2 s. 2) Να βρεθεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων x που αντιστοιχεί σε αυτό το φορτίο, εομένου ότι το ένα 9 ηλεκτρόνιο έχει φορτίο κατ απόλυτη τιμή,6 0 C Δεομένα e Ζητούμενα Ι = 2,4 mα = 2, Α ) = ; = 2 s 2) x = ; 9,6 0 C e ) Λύνω (χιαστί) τον τύπο της έντασης ως προς αυτό που ζητάει, ηλαή το 3 3 2,4 0 A 2s 4,8 0 C 2) Σκέφτομαι απλά, για αυτό γράφω την απλή μέθοο των τριών, προσέχοντας να βάλω το φορτίο κάτω από το φορτίο και τον αριθμό ηλεκτρονίων κάτω από τον αριθμό ηλεκτρονίων. Μετά λύνω χιαστί., x 4, x., = 4, και ιαιρώ με το συντελεστή του αγνώστου -3 4,80 x = -9,6 0 x x 3 0 ηλεκτρόνια Τι καταλάβαμε από την άσκηση; Ότι από ένα σύρμα στο οποίο περνάει ρεύμα 0,0024 Α, σε ύο ευτερόλεπτα περνάει φορτίο 0,0048 C, ηλαή περνάνε 30 τετράκις εκατομμύρια ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αν ξανακάνετε την άσκηση για Ι =,6 Α και χρόνο = s, θα καταλάβετε καλύτερα τον ορισμό της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. 3

4 Δεύτερη άσκηση Το κύκλωμα του σχήματος αποτελείται από μια μπαταρία τάσης V π, ύο αντιστάτες R = 30 Ω και R 2 = 60 Ω συνεεμένους παράλληλα, ένα αντιστάτη = 40 Ω συνεεμένο σε σειρά με τους άλλους ύο, V,2 βολτόμετρα, αμπερόμετρα και ένα ιακόπτη. Κλείνοντας το ιακόπτη, από το κύκλωμα περνάει R V 3 A ρεύμα έντασης Ι = 300 ma. Ζητούνται: ) η R,2 που είναι η ισούναμη αντίσταση των R και R 2 και το ισούναμο κύκλωμα. 2) η R που είναι η ισούναμη αντίσταση των R, R 2 2 A 2 και και το ισούναμο κύκλωμα. A R 2 3) η V π που είναι η τάση που προκαλεί η πηγή στο κύκλωμα. 4) οι τάσεις στα άκρα κάθε αντιστάτη του κυκλώματος 5) οι εντάσεις των ρευμάτων που ιαρρέουν κάθε V π αντιστάτη του κυκλώματος. Δεομένα Ζητούμενα R = 30 Ω ) R,2 = ; 2) R = ; R 2 = 60 Ω 3) V π = ; = 40 Ω 4) V 3 = ; V = V 2 = V,2 = ; Ι = 300 ma = 0,3 Α 5) Ι = ; Ι 2 = ; ) R και R 2 παράλληλη σύνεση R,2 R R 2 30Ω 60Ω 800 R,2 R, 2 Ω R R 2 30Ω 60Ω 90 R, 2 20Ω 2) R,2 και σύνεση σε σειρά R = R,2 + R = 20 Ω + 40 Ω R 60Ω 3) λύνοντας τον τύπο από το νόμο του Ohm ως προς τάση, έχω για την πηγή Vπ R V π 0,3 A 60Ω V π 4) λύνοντας τον τύπο από το νόμο του Ohm ως προς τάση, έχω στα άκρα της V 0,3 A 40Ω V 3 2 V 3 V 3 και στα άκρα της R,2 : V,2 R, 2 V, 2 0,3 A 20Ω V, 2 6 V 5) λύνοντας τον τύπο από το νόμο του Ohm ως προς ένταση ρεύματος, έχω στα άκρα της R, V,2 6 V V,2 0,2 Α και στα άκρα της R 2, , Α 0Ω R 60Ω 2 0,2A R 2V R,2 2V R 2 0,A 0,3 A R 2 0,3 Α 0,3 Α Δεν παρατηρώ ότι ισχύει η Α.Δ.Φ. Ι = Ι + Ι 2 (επαλήθευση 0,3 Α = 0,2 Α + 0, Α ) και η Α.Δ.Ε V π = V,2 + V 3 (επαλήθευση: 8 V = 6 V + 2 V ) γιατί είναι εκτός ύλης!?! 4

5 Ηλεκτρική ενέργεια Η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από τη μετατροπή άλλων μορφών ενέργειας σε ηλεκτρική π.χ. η μπαταρία μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, το φωτοστοιχείο μετατρέπει την ενέργεια της ακτινοβολίας σε ηλεκτρική, η γεννήτρια μετατρέπει τη κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική... Η ηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα σε μια συσκευή και μετατρέπεται με τη σειρά της σε άλλες μορφές ενέργειας π.χ. στην ηλεκτρική κουζίνα και στον ηλεκτρικό θερμοσίφωνα η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική, στον λαμπτήρα πυρακτώσεως η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και φωτεινή... Πόση είναι η ηλεκτρική ενέργεια που μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας ανάλογα με τη συσκευή που θα χρησιμοποιήσουμε; (Απόειξη του τύπου) Από τον ορισμό της τάσης ξέρουμε ότι V. Αν λύσουμε αυτό τον τύπο ως προς ενέργεια, E ηλ. V Από τον ορισμό της έντασης ξέρουμε ότι. Αν λύσουμε αυτό τον τύπο ως προς φορτίο, Αν αντικαταστήσουμε το φορτίο στην ενέργεια, V E ηλ. Μονάα ενέργειας (και έργου) είναι το J (Joule). Αν λοιπόν μια ηλεκτρική συσκευή έχει στα άκρα της τάση V και τη ιαρρέει ρεύμα έντασης Α, τότε σε χρόνο s το ρεύμα της μεταφέρει ενέργεια J. Ηλεκτρική ισχύς P ηλ. (είναι ο ρυθμός μετατροπής της ενέργειας, το πόσο γρήγορα ηλαή μετατρέπει μια συσκευή την ενέργεια της πηγής σε ενέργεια άλλης μορφής) Η ισχύς ορίζεται σαν το πηλίκο της ενέργειας που μετατρέπει μια συσκευή προς το χρόνο που χρειάζεται. E Μαθηματικός τύπος, P Eηλ. για την ηλεκτρική ισχύ Pηλ., μπορούμε να αντικαταστήσουμε σε αυτό τον τύπο την ηλεκτρική ενέργεια, E ηλ. V και με απαλοιφή του χρόνου να έχουμε τον τύπο της ηλεκτρικής ισχύος, P ηλ. V Μονάα ισχύος είναι το W (Wa). Πως μας χρεώνει την ενέργεια η ΔΕΗ. Eηλ. Αν λύσουμε τον τύπο της ισχύος Pηλ. ως προς ενέργεια, μπορούμε να εκφράσουμε την μονάα ενέργειας αντί για Joule, σε kw (κιλοβάτ = 000 W) επί h (ώρες). Η ΔΕΗ λοιπόν μας χρεώνει την ενέργεια, απλώς αντί για J χρησιμοποιεί την μονάα kwh. Ο λόγος γίνεται προφανής αν μετατρέψουμε την kwh σε J. kwh = 000 W s = J Για παράειγμα αν ουλεύει μόνο το μεγάλο μάτι της ηλεκτρικής κουζίνας το οποίο έχει ισχύ 2000 W για μια ώρα, «καταναλώνει» 2 kwh. Αν το μετρούσαμε σε J, θα ήταν J. Στο τετράμηνο, εν θα χωρούσανε τα μηενικά στο λογαριασμό. Παρεμπιπτόντως, για αυτή την ωρίτσα λειτουργίας μιας μόνο ηλεκτρικής εστίας, ηλαή για τις 2 kwh μας, θα πληρώναμε 20 λεπτά... 5