1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Σκοπός Στο δεύτερο κεφάλαιο θα εισαχθεί η έννοια του ηλεκτρικού ρεύματος και της ηλεκτρικής τάσης,θα μελετηθεί ένα ηλεκτρικό κύκλωμα και θα εισαχθεί η έννοια της αντίστασης. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Προσδοκώμενα αποτελέσματα Όταν θα έχετε ολοκληρώσει την μελέτη του κεφαλαίου θα μπορείτε να: Να ορίζετε το ηλεκτρικό ρεύμα και να προσδιορίζετε το ηλεκτρικό πεδίο ως την αιτία της διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος από μια ηλεκτρική συσκευή. Να συσχετίζετε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος με το αποτέλεσμα που προκαλεί όταν διαρρέει ένα λαμπτήρα. Να συνδέετε την ένταση και τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος με το πλήθος των φορτισμένων σωματιδίων που διέρχονται από μια διατομή του αγωγού ανά μονάδα χρόνου και να μετράτε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος με ένα αμπερόμετρο. Να ορίζετε την ηλεκτρική τάση και να την μετράτε με τη βοήθεια ενός αμπερόμετρου καθώς και να περιγράφετε τα χαρακτηριστικά ενός ηλεκτρικού διπόλου. Να περιγράφετε το νόμο του Ohm και να σχεδιάζετε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. 1
2.1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Λέξεις κλειδιά: ηλεκτρική πηγή, ένταση ηλεκτρικού ρεύματος, φορά ηλεκτρικού ρεύματος 2.1 Ηλεκτρικό ρεύμα 2 Τα σώματα φέρουν στο εσωτερικό τους ηλεκτρικά φορτία. Σε ορισμένα υλικά τα φορτισμένα σωματίδια είναι ελεύθερα να κινηθούν (όπως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στους μεταλλικούς αγωγούς). Τα σωματίδια αυτά κινούνται άτακτα και τυχαία προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Όταν όμως το σώμα τοποθετηθεί μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο, τότε τα ελεύθερα αυτά σωματίδια κινούνται εξαναγκάζονται να κινηθούν προς την ίδια κατεύθυνση. Ηλεκτρικό ρεύμα λοιπόν, ονομάζεται η προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων. Στη γενική περίπτωση, τα κινούμενα φορτία που παράγουν το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να είναι θετικά ή αρνητικά. στους μεταλλικούς αγωγούς είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στα ιοντικά διαλύματα είναι τα θετικά και αρνητικά ιόντα. Σε αγωγούς μπορεί να δημιουργηθεί κίνηση προς συγκεκριμένη κατεύθυνση των φορτισμένων σωματιδίων. Αυτό δεν μπορεί να συμβεί στους μονωτές, στους οποίους τα ηλεκτρικά φορτία κινούνται με πολύ μεγαλύτερη δυσκολία. Υπάρχουν υλικά (πχ. 2
3 Πυρίτιο, Γερμάνιο) που συμπεριφέρονται άλλοτε σαν αγωγοί και άλλοτε σαν μονωτές και ονομάζονται ημιαγωγοί. Ταχύτητα των ηλεκτρονίων στο ηλεκτρικό κύκλωμα Η μέση ταχύτητα των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσω ενός καλωδίου είναι συνήθως πολύ μικρή 10 4 m/s. Αυτό οφείλεται στη σύγκρουσή τους με τα θετικά ακίνητα φορτία του αγωγού. Υπολόγισε, αν θες, σε πόσο χρόνο διανύουν μια απόσταση 1m; Έχεις αναρωτηθεί ποτέ γιατί το φως ανάβει αμέσως όταν πατάμε το διακόπτη; Γιατί το σήμα για να ξεκινήσουν να κινούνται όλα τα ηλεκτρόνια μεταδίδεται αστραπιαία (με την ταχύτητα του φωτός: 300.000 km/s) Π.χ. Αν είχαμε ένα καλώδιο που συνδέει ένα διακόπτη στην Αθήνα με μία λάμπα στη Ρόδο και πατούσαμε τον διακόπτη για να ξεκινήσει η κίνηση των ηλεκτρονίων: α) Τα ηλεκτρόνια από την Αθήνα θα έφταναν στη Ρόδο σε 16 χρόνια. β) Το σήμα για να ανάψει η λάμπα θα έφτανε στη Ρόδο σε 0,002 sec. Δές την προσομοίωση: http://phet.colorado.edu/el/simulation/signal-circuit Συγκεκριμένα συμμετέχουν τρείς ταχύτητες : Η ταχύτητα της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων η οποία διατηρείται, ως συνιστώσα, και μετά την εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου. Το μέγεθός της είναι της τάξης των 1000 m/s. Η πολύ μικρή ταχύτητα με μέγεθος της τάξης των mm/s με την οποία μετακινείται το ηλεκτρονικό αέριο και Η τρομακτική για τις εμπειρίες μας ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον αγωγό. 3
4 Το Ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται με τη βοήθεια μιας ηλεκτρικής πηγής(μπαταρία). Μια ηλεκτρική πηγή έχει δύο αντίθετα ηλεκτρισμένες περιοχές που ονομάζονται ηλεκτρικοί πόλοι. Μεταξύ των δύο πόλων δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. Μόλις συνδέσουμε τους πόλους μιας πηγής με μεταλλικό σύρμα, στο εσωτερικό του σύρματος δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που ασκεί δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του σύρματος και τα αναγκάζει να κινηθούν με κατεύθυνση από τον αρνητικό πόλο (χαμηλότερο δυναμικό) της πηγής προς το θετικό πόλο ( υψηλότερο δυναμικό). Τα θετικά ιόντα του μεταλλικού αγωγού συγκρατούνται και δεν κινούνται ελεύθερα όπως τα ηλεκτρόνια. Άρα η δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου δεν τα επηρεάζει. Σημείωση: Έχει επικρατήσει να αναφέρεται η φορά από το υψηλότερο δυναμικό, στο χαμηλότερο δηλαδή η φορά που είναι όμοια με τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Δείτε μια μπαταρία από νεράτζια!! http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ikzvswomnng&list= UUs3ZjNcy1dKO5dMrDAm7cTg Ηλεκτρική θωράκιση Στο εσωτερικό των μεταλλικών αγωγών η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι μηδενικό. Με άλλα λόγια, οι αγωγοί θωρακίζουν το εσωτερικό τους από ηλεκτρικά πεδία. Για το λόγο αυτό αυτό είμαστε ασφαλείς από τους κεραυνούς, όταν βρισκόμαστε στο εσωτερικό ενός αυτοκινήτου. Παρακολουθήστε το βίντεο, όπου το φαινόμενο αυτό παρατηρείται πειραματικά με τη βοήθεια του κλωβού «Faraday». http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=zi4kxgdbfhw 4
5 Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος εξηγεί ότι όσο περισσότερα ηλεκτρόνια διέρχονται από μια κάθετη διατομή σε ορισμένο χρόνο τόσο περισσότερο φορτίο θα περνά από αυτή, άρα θα υπάρχει και ισχυρότερο ηλεκτρικό ρεύμα. Οφείλεται στην διαφορά δυναμικού που υπάρχει στα άκρα του αγωγού. Ορίζουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (I) που διαρρέει έναν αγωγό, ως το φορτίο (q) που διέρχεται από μία διατομή του αγωγού σε κάποιο χρονικό διάστημα προς το χρονικό διάστημα (t). Μονάδα έντασης ηλεκτρικού ρεύματος : 1 Ampere (A) (θεμελιώδες μέγεθος) 1mA = 10-3 A, 1μΑ = 10-6 Α Η σχέση που συνδέει το Αμπέρ με το Κουλόμπ είναι: 1 Coulomb = 1 Α s Σε ένα σύρμα που η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι 1 A μεταφέρονται περίπου 6.241.000.000.000.000.000 ηλεκτρόνια από μια διατομή του ανά δευτερόλεπτο. Όργανα μέτρησης ηλεκτρικού ρεύματος : Αμπερόμετρα (συνδέονται σε σειρά σε ένα κύκλωμα). 5
6 Αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει: Θερμικά αποτελέσματα: Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τη θέρμανση των σωμάτων τα οποία διαρρέει, π.χ. θερμοσίφωνας, ηλεκτρική κουζίνα. Ηλεκτρομαγνητικά αποτελέσματα: λόγω του μαγνητικού πεδίου που δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα στους αγωγούς που διαρρέει, π.χ. η μίζα του αυτοκινήτου, ηλεκτρομαγνητικοί γερανοί. Χημικά αποτελέσματα: Όταν ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται διαμέσου χημικών ουσιών, προκαλεί χημικές μεταβολές. π.χ. η παρασκευή χημικών στοιχείων όπως νατρίου-υδρογόνου. Φωτεινά αποτελέσματα: το ρεύμα προκαλεί εκπομπή φωτός, είτε λόγω αύξησης της θερμοκρασίας όπως συμβαίνει π.χ. στους λαμπτήρες πυρακτώσεως είτε λόγω της διέλευσής του από αέρια (λαμπτήρας φθορισμού). Σημείωση: Αξίζει να δώσουμε έμφαση στο ότι η αλληλεπίδραση με μαγνήτες είναι «αυτό που θα συμβαίνει οπωσδήποτε». Ενώ δηλαδή η θερμοκρασιακή αύξηση προϋποθέτει το σώμα να είναι μεταλλικός αγωγός και οι χημικές διαδικασίες προϋποθέτουν το σώμα να είναι ηλεκτρολύτης, η εκδήλωση της μαγνητικότητα θα συμβαίνει πάντοτε. Βέβαια η αρτιότερη διατύπωση γι αυτό που «συμβαίνει πάντα» πραγματοποιείται με τη βοήθεια της έννοιας ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ. Το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί οπωσδήποτε κάποιο μαγνητικό και συγχρόνως αποτελεί υπόθεμα για να επιδράσει πάνω του κάποιο προϋπάρχον μαγνητικό πεδίο. 6
7 7