2.2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Λέξεις κλειδιά: κλειστό και ανοικτό κύκλωμα, ενέργεια ηλεκτρικού ρεύματος,διαφορά δυναμικού 2.2 Ηλεκτρικό κύκλωμα Το ηλεκτρικό ρεύμα ξέρουμε ότι είναι η προσανατολισμένη κίνηση φορτίων, άρα όπως σε κάθε κίνηση είναι απαραίτητος ένας «δρόμος». Οποιοσδήποτε δρόμος μέσα από τον οποίο μπορεί να υπάρξει κίνηση ηλεκτρονίων ονομάζεται κύκλωμα. Στο επάνω μέρος του διπλανού σχήματος παρατηρούμε το πιο απλό κύκλωμα, που περιλαμβάνει ένα λαμπάκι, μια μπαταρία και σύρματα (αγωγούς). Συνδέοντας τα, παρατηρούμε τα λαμπάκι να φωτοβολεί, άρα μέσα από αυτό διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλεί τέτοια φαινόμενα! Παρατηρώντας τα δυο επόμενα τμήματα του σχήματος βλέπουμε ότι το λαμπάκι δεν φωτοβολεί. Η μόνη διαφορά μεταξύ των 3 κυκλωμάτων είναι ελάχιστη, μα καθοριστική: στα 2 κυκλώματα που δε φωτοβολούν υπάρχει χάσμα, δηλαδή ασυνέχεια, σε αυτά δεν σχηματίζεται συνεχής βρόχος, δεν υπάρχει «δρόμος» για την κίνηση των ηλεκτρονίων, άρα δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα! Το 1 ο κύκλωμα είναι κλειστό, τα δυο άλλα κυκλώματα είναι ανοιχτά. Ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει μόνο τα κλειστά κυκλώματα, ενώ δεν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα τα ανοιχτά κυκλώματα. Για να ανοιγοκλείνουμε τα κυκλώματα χρησιμοποιούμε τους διακόπτες, έτσι καθορίζουμε εμείς το χρόνο που ένα κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα. [Πρέπει να ξέρουμε ότι στη καθημερινή ζωή μας όταν λέμε «άνοιξε το φως» εν νοούμε να κλείσουμε το κύκλωμα, ώστε να φωτοβολήσει ο λαμπτήρας!].
ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΗΓΗ : Είναι κάθε συσκευή που μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε ηλεκτρική. Η πηγή δεν παράγει φορτία. Ανάλογα με το είδος της πηγής διαφέρουν και οι μετατροπές ενέργειας που συμβαίνουν: Τι είναι αυτό που προκαλεί την κίνηση των ηλεκτρονίων; Η ενέργεια που μεταβιβάζεται από την ηλεκτρική πηγή στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού είναι αυτή που προκαλεί την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων. Στην β γυμνασίου μάθαμε ότι αν σπρώξουμε ένα αντικείμενο και το μετατοπίσουμε α. ασκούμε δύναμη β. μεταβιβάζουμε ενέργεια Όπως κάποιος που ασκεί δύναμη σε ένα αντικείμενο και το μετατοπίζει, μεταβιβάζει ενέργεια από το σώμα του στο αντικείμενο εάν συνδέσουμε τους πόλους μιας μπαταρίας με μεταλλικό αγωγό η μπαταρία μεταβιβάζει ενέργεια στα ελεύθερα
3 ηλεκτρόνια του αγωγού. Άρα η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος προέρχεται από το έργο της δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου της πηγής. Έτσι τη μετράμε σε Joule. Όταν μια μπαταρία είναι 6 βολτ μεταβιβάζει 6 J σε σωματίδια (ηλεκτρόνια) του μεταλλικού αγωγού με συνολικό φορτίο ενός coulomb, ή 12 J σε σωματίδια με συνολικό φορτίο 2 coulomb ή 48 J σε σωματίδια με φορτίο 8 coulomb. Δηλαδή κάθε φορά που διαιρείς την ενέργεια (σε J) την οποία μεταβιβάζει η συγκεκριμένη μπαταρία με το ηλεκτρικό φορτίο (σε coulomb) των σωματιδίων στα οποία μεταβιβάζεται θα βγαίνει το 6 βολτ. Αυτό το «6 βολτ», οι φυσικοί το λένε διαφορά δυναμικού. Για παράδειγμα, αν μια μπαταρία είναι έτσι ώστε να μεταβιβάζει 9 τζάουλ σε 6 coulomb ηλεκτρικού φορτίου ή 15 τζάουλ και σε 10 coulomb φορτίου των σωματιδίων σημαίνει ότι έχει διαφορά δυναμικού 1,5 βολτ. Διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση (ν πηγής ) μεταξύ δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής (ΑΒ) ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής ενέργειας (Ε ηλεκτρική ) που προσφέρεται από την πηγή, όταν διέρχονται από αυτήν ηλεκτρόνια με συνολικό φορτίο q προς το φορτίο αυτό. Δηλαδή: V AB = W/q Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης είναι το Volt(V) = 1 Joule/ C Αν λοιπόν, συνδέσουμε τους πόλους Α και Β μιας μπαταρίας με αγωγό στους πόλους της μπαταρίας, η διαφορά δυναμικού είναι το «πόσα τζάουλ μεταβιβάζει σε κάθε κουλόμπ ηλεκτρικού φορτίου».ωστόσο λέμε «διαφορά δυναμικού» αφού Σε κάθε μπαταρία ο πόλος με το συν ( + ) θεωρείται ότι έχει μεγαλύτερο δυναμικό από τον πόλο με το πλην ( - ). Διαφορά δυναμικού μπορεί να υπάρχει και στα άκρα Γ και Δ ενός αγωγού ακόμα κι αν τα δύο αυτά άκρα δεν συνδέονται άμεσα με τους πόλους μιας μπαταρίας αλλά συνδέονται μέσω άλλων αγωγών. Διαφορά δυναμικού βέβαια προσφέρεται και από τη ΔΕΗ στις διάφορες πρίζες μέσα στο σπίτι. Τη διαφορά δυναμικού σε περίπτωση που σχετίζεται με ηλεκτρικό ρεύμα τη λέμε και «τάση» και θεωρείται αιτία ηλεκτρικού ρεύματος εφόσον βέβαια εμφανιστεί στα άκρα αγωγού. 3
4 Καταναλωτής ή μετατροπέας ονομάζεται κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια άλλης μορφής. Για παράδειγμα ο λαμπτήρας ο οποίος διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή. Ηλεκτρική τάση (ή διαφορά δυναμικού) μεταξύ δύο άκρων ενός καταναλωτή ονομάζουμε το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρεται στον καταναλωτή από τα ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q προς το φορτίο αυτό. Έτσι: Ε Η 1Volt Για να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού συνδέουμε παράλληλα ένα βολτόμετρο. Η τάση στα άκρα μιας πηγής είναι πάντοτε διάφορη του μηδενός, ανεξάρτητα αν η πηγή τροφοδοτεί ένα κλειστό κύκλωμα ή όχι (δηλαδή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα), ενώ η τάση στα άκρα ενός καταναλωτή θα είναι μηδέν όταν από αυτόν δε διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. 4
5 Κόμβος λέγεται ένα σημείο του κυκλώματος, στο οποίο συναντιούνται τουλάχιστον τρεις αγωγοί. Κλάδος λέγεται ένα τμήμα του κυκλώματος που βρίσκεται μεταξύ δύο κόμβων (όλα τα στοιχεία ενός κλάδου διαρέονται από την ίδια ένταση Ι 5
6 6