Μάθημα : Φυσική Γ' Γυμνασίου

2.1. ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Ηλεκτρικό ρεύμα         

Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζουμε την προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων, ή γενικότερα φορτισμένων σωματιδίων.

Αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος

Οι αγωγοί, όπως είδαμε, επιτρέπουν την κίνηση του φορτίου στο εσωτερικό τους. Άρα άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. 

Μονωτές ηλεκτρικού ρεύματος

Οι μονωτές, όπως είδαμε, δεν επιτρέπουν την κίνηση του φορτίου στο εσωτερικό τους. Άρα δεν άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα.

Ημιαγωγοί ηλ. ρεύματος

Οι ημιαγωγοί είναι σώματα, όπως για παράδειγμα το πυρίτιο και το γερμάνιο, τα οποία κάτω από ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρονται ως αγωγοί και κάτω από άλλες ως μονωτές.

Ηλεκτρική ένταση και πηγή

Η αιτία της κίνησης στο εσωτερικό των αγωγών είναι η παρουσία ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο δημιουργείται ανάμεσα στους πόλους μίας πηγής.

Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος

Ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό είναι το πηλίκο του φορτίου q που διέρχεται από μία διατομή του αγωγού σε χρονικό διάστημα t προς το χρονικό, αυτό, διάστημα.

             𝐼 = 𝑞 / 𝑡

Μονάδα μέτρησης της Έντασης Ηλεκτρικού ρεύματος               

Η ένταση ηλεκτρικού ρεύματος είναι θεμελιώδες μέγεθος στο SI.

Η μονάδα μέτρησης της έντασης Ι στο SI είναι το Ampere. Συμβολίζεται με Α. 

Συχνά πολλαπλάσια και υποδιαιρέσεις:

             1kA=10³A

             1mA=10^-3A

             1mA=10^-6A

Σχέση C με A  

Από τη σχέση ορισμού της έντασης, προκύπτει για το Coulomb ότι

             1𝐶 = 1𝐴 ∙ 1𝑠

Αμπερόμετρο                

Το όργανο μέτρησης που μετρά την ένταση ηλεκτρικού ρεύματος είναι το αμπερόμετρο. Συχνά ενσωματώνεται σε πολύμετρα. Συνδέεται σε σειρά, δηλαδή παρεμβάλλεται στο κύκλωμα έτσι ώστε το προς μέτρηση ρεύμα να το διαπεράσει.

Συμβατική φορά ηλεκτρικού ρεύματος

Η συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η φορά της κίνησης των θετικών φορτίων.

Πραγματική φορά ηλεκτρικού ρεύματος

Στους μεταλλικούς αγωγούς, δεν κινούνται θετικά φορτία, αλλά  στους ηλεκτρόνια. Επομένως η πραγματική φορά του ρεύματος είναι η φορά αγωγούς της κίνησης των ηλεκτρονίων. Η πραγματική φορά, λοιπόν, είναι αντίθετη από τη συμβατική (η οποία έχει επικρατήσει για ιστορικούς λόγους).

Αποτελέσματα ηλεκτρικού ηλεκτρικού ρεύματος

Τα φαινόμενα που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίζονται στα

- Θερμικά   (πχ θερμοσίφωνας)

- Ηλεκτρομαγνητικά   (πχ ηλεκτροκινητήρας)

- Χημικά  (πχ κατασκευή μπαταρίας) 

- Φωτεινά   (πχ λαμπτήρας πυρακτώσεως)

2.2.  ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Ηλεκτρικό κύκλωμα  

Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από κλειστούς αγώγιμους «δρόμους», μέσω των οποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα.

Κλειστό κύκλωμα     

Όταν ένα κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα λέγεται κλειστό. 

Ανοιχτό κύκλωμα     

Όταν ένα κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα λέγεται ανοιχτό.

Διακόπτης     

Ο διακόπτης είναι ένα δίπολο που μας βοηθά να μετατρέπουμε εύκολα ένα κύκλωμα από ανοιχτό σε κλειστό και αντίστροφα.

Ηλεκτρική ενέργεια  

Όταν ένα κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα έχει ηλεκτρική ενέργεια. 

Ηλεκτρική πηγή        

Κάθε συσκευή στην οποία μία μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ονομάζεται πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Παραδείγματα:

Μπαταρία: Μετατρέπει χημική σε ηλεκτρική ενέργεια.

Φωτοστοιχείο: Μετατρέπει φωτεινή σε ηλεκτρική ενέργεια.

Θερμοστοιχείο: Μετατρέπει θερμική σε ηλεκτρική ενέργεια.

Καταναλωτής ή μετατροπέας          

Κάθε ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλη μορφή ενέργειας λέγεται καταναλωτής ή μετατροπέας. Πχ:

Λαμπτήρας: Μετατρέπει ηλεκτρική σε θερμική +φωτεινή ενέργεια.

Κινητήρας: Μετατρέπει ηλεκτρική σε κινητική ενέργεια.

Ηλεκτρική τάση ή διαφορά

Ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων ενός δυναμικού καταναλωτή ονομάζουμε το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρουν στον καταναλωτή ηλεκτρόνια φορτίου q προς το φορτίο αυτό.

𝑉 = Eηλ / q

Μονάδα μέτρησης τάσης πηγής στο SI

Μονάδα μέτρησης της διαφοράς δυναμικού στο SI είναι το  Volt.

Συμβολίζεται με 1V και ορίζεται από τη σχέση

1V = 1J / 1C

Βολτόμετρο

Το όργανο μέτρησης που μετρά την τάση στα άκρα μίας συσκευής ονομάζεται βολτόμετρο. Συνδέεται παράλληλα στο κύκλωμα, δηλαδή έτσι ώστε τα άκρα του να συνδέονται με τα άκρα της συσκευής.

Τάση και ηλεκτρικό ρεύμα

Όταν ένας καταναλωτής δε διαρρέεται από ρεύμα η τάση στα άκρα του είναι μηδέν, ενώ η τάση στα άκρα μίας πηγής δεν είναι μηδέν, είτε αυτή διαρρέεται από ρεύμα είτε όχι.

Αναπαράσταση ηλεκτρικού κυκλώματος.

2.3.  ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΠΟΛΑ

Ηλεκτρικά δίπολα    

Οι ηλεκτρικές συσκευές που έχουν δύο άκρα (πόλους) ονομάζονται δίπολα.

Ηλεκτρική αντίσταση           

Ηλεκτρική αντίσταση ενός διπόλου ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης V που εφαρμόζεται στους πόλους του διπόλου προς την ένταση I του ηλεκτρικού ρεύματος που το διαρρέει.

𝑅 = V / I

Μονάδα μέτρησης αντίστασης στο SI         

Μονάδα μέτρησης της αντίστασης στο SI είναι το 1 Ohm.

Συμβολίζεται με Ω και εκφράζεται από τη σχέση

1𝛺 =1𝑉 / 1𝐴

Αντιστάτες    

Αντιστάτες ονομάζουμε τα ηλεκτρικά δίπολα των οποίων η αντίσταση R είναι σταθερή, δηλαδή ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα τους και της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τους διαρρέει.

Οι μεταλλικοί αγωγοί είναι αντιστάτες.

Νόμος του Ohm       

Η ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού V που εφαρμόζεται στα άκρα του.

I = V / R          ή          V = I R

Ισχύς νόμου του Ohm          

Ο νόμος του Ohm ισχύει μόνο για τους μεταλλικούς αγωγούς, δηλαδή

όταν η R είναι σταθερή. Αντίθετα, η σχέση R = V / I ισχύει για όλα τα δίπολα, ανεξάρτητα με το αν η R είναι σταθερή.

2.4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΡΧΩΝ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΣΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

Συνδεσμολογία αντιστατών

Ονομάζουμε σύστημα ή συνδεσμολογία αντιστατών ένα σύνολο αντιστατών που τους έχουμε συνδέσει με οποιοδήποτε τρόπο.

Ισοδύναμη αντίσταση         

Αν στα άκρα συνδεσμολογίας εφαρμόσουμε τάση Vολ και τη διαρρέει ρεύμα έντασης Iολ, τότε ισοδύναμη αντίσταση Rολ ονομάζουμε την αντίσταση η οποία, αν εφαρμόσουμε στην άκρη της τάση Vολ θα διαρρέεται κι αυτή από ρεύμα έντασης Iολ.

𝑅𝜊𝜆 = 𝑉𝜊𝜆 / 𝐼𝜊𝜆

Σύνδεση αντιστατών σε σειρά        

Αντιστάτες που διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα λέμε ότι είναι συνδεδεμένοι σε σειρά.

𝛪𝜊𝜆 = 𝛪1 = 𝛪2

Για τους αντιστάτες σε σειρά, η τάση της συνδεσμολογίας είναι το άθροισμα των επιμέρους τάσεων.

𝑉𝜊𝜆 = 𝑉1 + 𝑉2

Ισοδύναμη αντίσταση σε σύνδεση σε σειρά          

Η συνδεσμολογία δύο αντιστατών σε σειρά μπορεί να αντικατασταθεί με έναν ισοδύναμο αντιστάτη, που

α) διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ιολ

β) έχει στα άκρα του τάση Vολ

γ) έχει αντίσταση Rol = R1 + R2

𝑉𝜊𝜆 = 𝑉1 + 𝑉2

και από το νόμο του Ohm αυτή η σχέση γίνεται 

𝐼𝜊𝜆𝑅𝜊𝜆 = 𝐼1𝑅1 + 𝐼2𝑅2

και αφού 𝛪𝜊𝜆 = 𝛪1 = 𝛪2

Rol = R1 + R2

Σύνδεση αντιστατών παράλληλα    

Αντιστάτες που στα άκρα τους εφαρμόζεται η ίδια τάση λέμε ότι είναι συνδεδεμένοι παράλληλα.

𝑉𝜊𝜆 = 𝑉1 = 𝑉2

Για τους αντιστάτες συνδεδεμένους παράλληλα, η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τη συνδεσμολογία είναι ίση με το άθροισμα των επιμέρους εντάσεων των ρευμάτων που διαρρέουν τους αντιστάτες:

𝛪𝜊𝜆 = 𝛪1 + 𝛪2

Ισοδύναμη αντίσταση σε παράλληλη σύνδεση        

Η συνδεσμολογία δύο αντιστατών παράλληλα μπορεί να αντικατασταθεί με έναν ισοδύναμο αντιστάτη, που

α) διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ιολ 

β) έχει στα άκρα τάση Vολ 

γ) έχει αντίσταση  Rol που δίνεται από τη σχέση

1/𝑅𝜊𝜆 = 1/𝑅1 + 1 / 𝑅2

𝛪𝜊𝜆 = 𝛪1 + 𝛪2

και από το νόμο του Ohm αυτή η σχέση γίνεται 

           𝑉𝜊𝜆 / 𝑅𝜊𝜆 = 𝑉1/𝑅1 + 𝑉2/R2  

και αφού  𝑉𝜊𝜆 = 𝑉1 = 𝑉2

1 / 𝑅𝜊𝜆 = 1/𝑅1 + 1/𝑅2

           ή ισοδύναμα

𝑅𝜊𝜆 = 𝑅1𝑅2 / (𝑅1 + 𝑅2)

Οικιακό κύκλωμα       

Στο σπίτι μας οι λάμπες και γενικά οι συσκευές συνδέονται παράλληλα, ώστε αν καεί η μία να συνεχίσουν να λειτουργούν οι υπόλοιπες. Στην Ελλάδα η κοινή τάση στα άκρα της παράλληλης αυτής σύνδεσης είναι τα 220V.

Φύλλο εργασίας: Σύνδεση αντιστατών σε σειρά

Εικονικό εργαστήριο κυκλωμάτων - 1

Φύλλο εργασίας: Σϋνδεση αντιστατών παράλληλα

Εικονικό εργαστήριο κυκλωμάτων - 2

Ερωτήσεις:

1. Συμπλήρωσε τις λέξεις που λείπουν από το παρακάτω κείμενο έτσι ώστε οι προτάσεις που προκύπτουν να είναι επιστημονικά ορθές:
α. Την ........................ κίνηση των ........................ ή γενικότερα των ................. σωματιδίων την ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα.
β. Ορίζουμε την ............... (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό ως το πηλίκο του ............... (q) που διέρχεται από μια .................. του αγωγού σε ............... ............... (t) προς το .............. ................

Στη γλώσσα των μαθηματικών Ι H ένταση του ηλεκτρκιού ρεύματος είναι ............... μέγεθος και μονάδα μέτρησής της στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το ...... ............. Τα όργανα που χρησιμοποιούμε για να μετράμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζονται ......................
γ. Κάθε διάταξη που αποτελείται από ............... αγώγιμους «δρόμους», μέσω των οποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται ............... ...................... .
δ. Κάθε συσκευή στην οποία μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ονομάζεται ............... ............... ενέργειας. Το ηλεκτρικό στοιχείο (μπαταρία) ή ο συσσωρευτής (μπαταρία αυτοκινήτου) μετατρέπει την .............. ενέργεια σε ηλεκτρική. Η γεννήτρια μετατρέπει τη ............... ενέργεια σε ηλεκτρική. Το φωτοστοιχείο μετατρέπει την ενέργεια της ..................... σε ηλεκτρική, ενώ το θερμοστοιχείο τη ................... ενέργεια σε ηλεκτρική

2. Συμπλήρωσε τις λέξεις που λείπουν από το παρακάτω κείμενο έτσι ώστε οι προτάσεις που προκύπτουν να είναι επιστημονικά ορθές:
α. Ηλεκτρική ............... (R) ενός ηλεκτρικού διπόλου ονομάζεται το πηλίκο της ............... ...............
(V) που εφαρμόζεται στους πόλους του διπόλου προς την ............ (Ι) του ............... ............... που το διαρρέει: R . Η μονάδα αντίστασης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το ......... (1 .....).
γ. Η ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν μεταλλικό αγωγό είναι ............... της διαφοράς δυναμικού (V) που εφαρμόζεται στα άκρα του με σταθερά αναλογίας το .
δ. Κάθε δίπολο που ικανοποιεί τον νόμο του Ωμ ονομάζεται ............... και έχει την ιδιότητα να μετατρέπει εξ ολοκλήρου την ............... ενέργεια σε ................

Εφαρμογή

5. Διαθέτεις μια μπαταρία, έναν λαμπτήρα, ένα αμπερόμετρο, ένα βολτόμετρο, έναν διακόπτη και καλώδια. Πραγματοποίησε ένα
κύκλωμα τέτοιο ώστε όταν κλείνεις τον διακόπτη, ο λαμπτήρας να φωτοβολεί, ενώ το αμπερόμετρο να δείχνει την ένταση του
ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον λαμπτήρα και το βολτόμετρο την ηλεκτρική τάση στα άκρα του. Να σχεδιάσεις τη σχηματική αναπαράσταση του παραπάνω κυκλώματος καθώς και τη συμβατική φορά του ρεύματος.

Ασκήσεις:

1. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος στην οθόνη ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή είναι 320 μΑ. Πόσα ηλεκτρόνια «χτυπούν» την επιφάνεια της οθόνης του υπολογιστή κάθε δευτερόλεπτο;
Το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο είναι e=1,6x10^-19 C.

2. Ένας λαμπτήρας συνδέεται, με τη βοήθεια καλωδίων, σε σειρά με ένα αμπερόμετρο και μια μπαταρία και φωτοβολεί. Η ηλεκτρική τάση στους πόλους της μπαταρίας είναι 9 V.
Η ένδειξη του αμπερόμετρου είναι Ι=1,5 Α.
α. Πόσο ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από μια διατομή του σύρματος του λαμπτήρα ανά δευτερόλεπτο;
β. Πόσο ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από την μπαταρία ανά δευτερόλεπτο;
γ. Πόση είναι η χημική ενέργεια της μπαταρίας που μετατρέπεται σε ισοδύναμη ηλεκτρική ανά δευτερόλεπτο;

9. Διαθέτουμε μια μπαταρία, ένα αμπερόμετρο, τρία βολτόμετρα, δύο αντιστάτες αντιστάσεων R1=40 Ω και R2=60 Ω, καθώς και καλώδια. Πραγματοποιούμε το κύκλωμα η σχηματική αναπαράσταση του οποίου παρουσιάζεται στη διπλανή εικόνα. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη δ η ένδειξη του βολτόμετρου είναι V= 6 V. Να υπολογίσεις:
α. την ισοδύναμη αντίσταση του κυκλώματος καθώς και την ένδειξη του αμπερομέτρου
β. την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη R1
γ. την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη R2
δ. τις ένδειξεις των βολτομέτρων V1 και V2.

10. Διαθέτουμε μια μπαταρία, ένα αμπερόμετρο, δύο αντιστάτες αντιστάσεων R1=60 Ω και R2=30 Ω και καλώδια. Πραγματοποιού με το κύκλωμα της διπλανής εικόνας. Μετά το κλείσιμο του διακόπτη η ένδειξη του αμπερομέτρου είναι Ι=0,3 Α.
α. Πόση είναι η ισοδύναμη αντίσταση του συστήματος των δύο αντιστατών;
β. Υπολόγισε την τάση στα άκρα του συστήματος των δύο αντιστατών και στους πόλους της πηγής.
γ. Πόση είναι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει κάθε αντιστάτη;