Κεφάλαιο 6: Δυναμικός Ηλεκτρισμός Ηλεκτρική Αγωγιμότητα ονομάζουμε την ευκολία με την οποία το ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από τα διάφορα σώματα. Τα στερεά σώματα παρουσιάζουν διαφορετική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα μέταλλα και τα κράματα τους παρουσιάζουν μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα (αγωγοί) ενώ άλλα όπως το ξύλο, η πολυστερίνη δεν παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα (μονωτές). Τι είναι όμως αυτό που κάνει ένα σώμα αγωγό του ηλεκτρικού ρεύματος; Στους αγωγούς υπάρχει μεγάλος αριθμός ηλεκτρικών φορτίων που κινούνται ελεύθερα προς όλες τις κατευθύνσεις μέσα στο πλέγμα του στερεού. Στους μονωτές δεν παρατηρούνται τέτοια ελεύθερα ηλεκτρόνια. Ηλεκτρικό Ρεύμα είναι η προσανατολισμένη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου κατά μήκος ενός αγωγού. Απαραίτητη προϋπόθεση για να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα ένας αγωγός είναι η ύπαρξη διαφοράς δυναμικού στα άκρα του. Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος είναι ο ρυθμός με τον οποίο το ηλεκτρικό φορτίο (Δq) περνά μέσα από τη διατομή του αγωγού. Ι= Μονάδα Μέτρησης της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι το Ampere Όργανο μέτρησης είναι το αμπερόμετρο. 1
Διαφορά Δυναμικού Διαφορά Δυναμικού ή Τάση (V) στα άκρα ενός στοιχείου του κυκλώματος, ονομάζουμε το πηλίκο της ηλεκτρικής ενέργειας (W) που μετατρέπεται σε ενέργεια άλλων μορφών στο στοιχείο αυτό, δια το φορτίο που το διαπερνά. V= Μονάδα Μέτρησης της διαφοράς δυναμικού είναι το Volt. Όργανο μέτρησης είναι το βολτόμετρο. Αντίσταση Αγωγού Αντίσταση (R) ενός αγωγού ονομάζουμε το πηλίκο της διαφοράς δυναμικού V που επικρατεί στα άκρα του, δια την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που την διαπερνά. Μονάδα Μέτρησης της αντίστασης είναι το Ohm (Ω) Η αντίσταση εξαρτάται από: (α) Μήκος Αγωγού (β) Εμβαδόν διατομής του αγωγού (γ) Φύση Υλικού R=ρ. R=αντίσταση (Ω) l=μήκος αγωγού (m) ρ= είδος υλικού S=εμβαδόν διατομής (m 2 ) 2
Νόμος του Ohm Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος I που διαρρέει ένα μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού V που επικρατεί στα άκρα του όταν η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή. I= I= Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος (Α) V= Διαφορά Δυναμικού (V) R= Αντίσταση (Ω) Γραφική Παράσταση Νόμου του Ohm Ι Από την κλίση της γραφικής παράστασης βρίσκουμε το U Αυτή η γραφική παράσταση δεν υπακούει το νόμο του Ohm και ονομάζεται μη ωμικός αντιστάτης 3
Συνδεσμολογία Αντιστάσεων Σε ένα κύκλωμα είναι δυνατόν να υπάρχουν δύο ή και περισσότερες αντιστάσεις που διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Οι αντιστάσεις αυτές αποτελούν μια συνδεσμολογία αντιστάσεων. Ισοδύναμη αντίσταση ονομάζουμε την αντίσταση που αντικαθιστά δύο ή περισσότερες αντιστάσεις και κάνει την ίδια δουλεία με αυτές που αντικαθιστά. Σύνδεση σε Σειρά Δύο ή περισσότερες αντιστάσεις συνδέονται σε σειρά όταν διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. R ολ =R 1 +R 2 +R 3 Ι ολ =Ι 1 =Ι 2 =Ι 3 V ολ =V 1 +V 2 +V 3 Στη συνδεσμολογία αυτή αν ένας αντιστάτης αποσυνδεθεί ή καταστραφεί τότε ούτε οι υπόλοιπες διαρρέονται από ρεύμα. 4
Παράλληλη Σύνδεση Στη συνδεσμολογία αυτή το ηλεκτρικό ρεύμα διακλαδίζεται στις αντιστάσεις. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα τους είναι η ίδια παντού V ολ. = + + Ι ολ =Ι 1 +Ι 2 +Ι 3 V ολ =V 1 =V 2 =V 3 Στη συνδεσμολογία αυτή αξίζει να σημειωθεί ότι: (α) Η ισοδύναμη αντίσταση είναι μικρότερη από την πιο μικρή αντίσταση της συνδεσμολογίας. (β) Η ισοδύναμη αντίσταση της συνδεσμολογίας ελαττώνεται, όταν προστίθεται παράλληλα μια νέα αντίσταση. (γ) Αν μια από τις αντιστάσεις αποσυνδεθεί, οι υπόλοιπες διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. 5
Νόμος του Joule Το ποσό της θερμότητας Q που ελευθερώνεται από ένα αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, είναι ανάλογο του τετραγώνου της έντασης I του ρεύματος, ανάλογο της αντίστασης R του αγωγού και ανάλογο του χρόνου t διέλευσης του ρεύματος. Q=I 2.R.t Q= Θερμότητα (Joule) I= Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (Α) R= Αντίσταση (Ω) t = Χρόνος (s) Ηλεκτρική Ισχύς Ηλεκτρική Ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλες μορφές σε μία συσκευή. P=V.I ή P=I 2.R ή P=V 2 /R P=Ηλεκτρική Ισχύς (Watt) V= Διαφορά Δυναμικού (V) I= Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος (Α) R= Αντίσταση (Ω) 6
Ασκήσεις 1. Στο κύκλωμα του διπλανού σχήματος δίνονται R 1 =20Ω, R 2 =5Ω, R 3 =6Ω και V=30V. Να υπολογίσετε: α) Την ισοδύναμη (ολική) αντίσταση του κυκλώματος. β) Το ρεύμα Ι που διαρρέει την αντίσταση R 3. γ) Να βρείτε την ισχύ της αντίστασης R 3. 2. (α) Σε ένα αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα για την κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων, ποιο μέγεθος αντιστοιχεί (i)στην αιτία της κίνησης αυτής... (ii)στην ποσότητα του φορτίου που κινείται ανά μονάδα χρόνου από μια διατομή του αγωγού... (iii)στη δυσκολία που συναντούν στην κίνησή τους τα φορτία... (β)ποια όργανα Χ και Ψ αναγνωρίζετε στο κύκλωμα του διπλανού σχήματος ; Χ:... Ψ:... 7
3. Για το κύκλωμα που φαίνεται στο διπλανό σχήμα δίνονται οι αντιστάσεις R 1 =3Ω, R 2 =6Ω και R 3 =4Ω καθώς και η τάση της πηγής U=60V.Να υπολογίσετε: α) Τη συνολική αντίσταση του κυκλώματος. β) Το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση R 3. R 1 =3Ω R 2 =6Ω U=60V R 3 =4Ω 4. Μια αντίσταση R=2Ω διαρρέεται από ρεύμα έντασης I=4A για 10s. Να βρείτε: (α) τη τάση (β) την ισχύ (γ)τη θερμότητα που παράγεται. I 5. Στο διπλανό σχήμα δίνεται η γραφική παράσταση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος I που διαρρέει δύο αντιστάσεις σε συνάρτηση με τη διαφορά δυναμικού V που A B επικρατεί στα άκρα της καθεμιάς. Να εξηγήσετε ποια από 0 V τις δύο αντιστάσεις υπακούει στο Νόμο του Ohm. 8