1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σκοπός Στο τρίτο κεφάλαιο θα εισαχθεί η έννοια της ηλεκτρικής ενέργειας. 3ο κεφάλαιο ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1
2 3.1 Θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος Λέξεις κλειδιά: ηλεκτρική ενέργεια, καταναλωτής, φαινόμενο τζάουλ, θερμότητα, βραχυκύκλωμα, Τα σπουδαιότερα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα εξής: Ευκολία μεταφοράς της σε μεγάλες αποστάσεις Ευκολία μετατροπής της σε άλλες μορφές ενέργειας. Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται με το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα. Καταναλωτές Οι καταναλωτές είναι ηλεκτρικές συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλες μορφές ενέργειας ανάλογα με τις ανάγκες που δημιουργούνται. Στους καταναλωτές η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας, όπως : θερμική (π.χ. θερμοσίφωνας, ηλεκτρική θερμάστρα, ηλεκτρική κουζίνα κ.α.), χημική (π.χ. φόρτιση μπαταριών), μηχανική (π.χ. ηλεκτρικοί κινητήρες), ενέργεια μαγνητικού πεδίου (π.χ. ηλεκτρομαγνήτες). Ανάλογα με τη μορφή ενέργειας στην οποία μετατρέπεται η ηλεκτρική τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος διακρίνονται σε: θερμικά, χημικά, μηχανικά, φωτεινά, μαγνητικά κτλ. 2
3 Φαινόμενο Τζάουλ Όταν από έναν αντιστάτη διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, έχουμε αύξηση της θερμικής ενέργειας του αντιστάτη, οπότε η θερμοκρασία του αυξάνεται αυτό ονομάζεται φαινόμενο Τζάουλ. Q Ι R ννννννννννν Όταν η θερμοκρασία του αντιστάτη γίνει μεγαλύτερη της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, τότε ενέργεια, με τη μορφή της θερμότητας, μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον. ηλεκτρικό ρεύμα σε αντιστάτη αύξηση της θερμοκρασίας του αύξηση της θερμικής του ενέργειας μεταφορά θερμότητας στο περιβάλλον Η διαδικασία αυτή μπορεί να συνεχιστεί μέχρις ότου ολόκληρη η ηλεκτρική ενέργεια να μεταφερθεί στο περιβάλλον. Τότε η θερμοκρασία του αντιστάτη δε θα μεταβληθεί. H ενέργεια, όπως γνωρίζουμε, δεν παράγεται ούτε εξαφανίζεται. Απλώς μετατρέπεται από μια μορφή σε μια άλλη και στην περίπτωση αυτή από ηλεκτρική μετατρέπεται σε θερμική. Το ποσό θερμότητας Q που μεταφέρεται από έναν αντιστάτη στο περιβάλλον εξαρτάται από την αντίσταση R του αντιστάτη, από την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη, από τη χρονική διάρκεια t που διαρρέει το ηλεκτρικό ρεύμα τον αντιστάτη. 3
4 Υπολογισμός του ποσού της θερμότητας που μεταφέρεται στο νερό όταν σε μονωμένο δοχείο βυθίζεται αντιστάτης που διαρρέεται από ρεύμα. Το ποσό θερμότητας Q που μεταφέρεται στο νερό θα εξαρτάται από τη μάζα m του νερού, από τη μεταβολή της θερμοκρασίας Δθ του νερού και έναν ακόμη παράγοντα που είναι χαρακτηριστικός για κάθε υλικό. Η μαθηματική σχέση που περιγράφει την παραπάνω εξάρτηση είναι: Q νερού = mcδθ όπου c = 4200 J/Kg O C ειδική θερμότητα του νερού. Η σχέση αυτή ισχύει για όλα τα σώματα που ανταλλάσσουν ποσά θερμότητας με το περιβάλλον τους. Νόμος του Τζάουλ Ο νόμος του Τζάουλ διατυπώνεται ως εξής: Η μεταβολή της θερμικής ενέργειας Q (θερμότητας) ενός αντιστάτη αντίστασης R όταν από αυτόν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα σταθερής έντασης Ι σε χρονικό διάστημα t θα είναι: 1) ανάλογη του τετραγώνου της έντασης Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη, 2) ανάλογη της αντίστασης R του αντιστάτη, 3) ανάλογη του χρόνου t διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος από τον αντιστάτη. Η θερμική ενέργεια θα ισούται με τη θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον. 4
5 Σχέση που συνδέει τη θερμότητα Q που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον, την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη, την αντίσταση R και το χρόνο t. Είναι γνωστό, ότι η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρεται από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον αντιστάτη είναι: Ε ηλ = V q Αυτή η ενέργεια όμως ισούται με το ζητούμενο ποσό θερμότητας. Q = Ε ηλ => Q = V q => Q = (Ι R) (I t) = > Q =I 2 R t Η μονάδα μέτρησης της θερμικής ενέργειας είναι το Τζάουλ (Joule). Εφαρμογές του φαινομένου Joule Κάθε ηλεκτρική συσκευή όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνεται λόγω φαινομένου Joule αφού περιέχει μεταλλικούς αγωγούς. Υπάρχουν όμως αρκετές συσκευές που η λειτουργία τους βασίζεται στο φαινόμενο Joule. Αυτές τις συσκευές τις ονομάζουμε και θερμικές συσκευές και είναι ουσιαστικά όλες οι συσκευές που απορροφούν ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπουν σε θερμική όπως π.χ. η ηλεκτρική κουζίνα, ο θερμοσίφωνας, η ηλεκτρική θερμάστρα, λαμπτήρας πυρακτώσεως κ.α. Στον λαμπτήρα πυρακτώσεως η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική (στο σύρμα του λαμπτήρα) και ένα μικρό μέρος της θερμικής ενέργειας μετατρέπεται σε φωτεινή (όταν η θερμοκρασία του σύρματος αυξάνεται αρκετά, αυτό φωτοβολεί). Το σύρμα στους λαμπτήρες πυρακτώσεως κατασκευάζεται από δύστηκτα μέταλλα (μέταλλα που λιώνουν πολύ δύσκολα), όπως είναι το βολφράμιο, διότι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται σε αυτό όταν διαρρέεται από ρεύμα είναι πολύ μεγάλη (περίπου 2000 5
6 0 C). Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του μεταλλικού νήματος στο λαμπτήρα το νήμα οξειδώνεται πολύ γρήγορα από τον αέρα και κόβεται, για το λόγο αυτό στο εσωτερικό των λαμπτήρων υπάρχει κενό ή αδρανές αέριο, ώστε να αποφεύγεται η οξείδωση του σύρματος με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας. Η ηλεκτρική κουζίνα ή ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας αποτελούνται από έναν ή περισσότερους αντιστάτες. Όταν από αυτούς διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, θερμότητα μεταφέρεται προς το μαγειρικό σκεύος ή το νερό αντίστοιχα. Βραχυκύκλωμα Βραχυκύκλωμα είναι το είδος της σύνδεσης στο οποίο είναι δυνατό δύο πόλοι μιας ηλεκτρικής πηγής να συνδεθούν μεταξύ τους με αγωγό πολύ μικρής αντίστασης. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που θα περάσει από την αντίσταση του αγωγού αυτού θα είναι πολύ μεγάλη λόγω της αμελητέας αντίστασης του αγωγού. Τηκόμενη ασφάλεια Η λειτουργία της τηκόμενης ασφάλειας βασίζεται στο φαινόμενο Τζάουλ. Οι ασφάλειες τέτοιου τύπου συνδέονται πάντα σε σειρά με το υπόλοιπο κύκλωμα. Αν για κάποιο λόγο η ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα σύρμα ή μια συσκευή (αγωγό γενικά) υπερβεί μια ορισμένη τιμή, οι αγωγοί υπερθερμαίνονται, με αποτέλεσμα να προκληθεί, εκτός της καταστροφής αυτών, και πυρκαγιά. Οι ασφάλειες προστατεύουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα. Κάθε ασφάλεια χαρακτηρίζεται από την τιμή της έντασης του ρεύματος πάνω από την οποία προκαλείται διακοπή της λειτουργίας του κυκλώματος. υπάρχουν πολλών ειδών ασφάλειες, ανάλογα με την αρχή λειτουργίας τους. 6
7 Οι ασφάλειες αποτελούνται από ένα σύρμα, μικρού μήκους, το οποίο τήκεται όταν περάσει από αυτό ρεύμα μεγαλύτερο από την αναγραφόμενη τιμή (τηκόμενες ασφάλειες), οπότε το κύκλωμα διακόπτεται. Σημαντικό ρόλο παίζει το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένη μια τηκόμενη ασφάλεια. Για το λόγο αυτό συνήθως είναι ένα εύτηκτο μέταλλο. Η παρουσία της ασφάλειας δεν προλαμβάνει ένα βραχυκύκλωμα, προστατεύει όμως το κύκλωμα από τις συνέπειες του βραχυκυκλώματος (καταστροφή αγωγών, συσκευών κ.λπ.) 7
8 8
10 10