Η ανάπτυξη του σύγχρονου πολιτισμού, οδήγησε, στην παραγωγή συσκευών που εξυπηρετούν την καθημερινή ζωή του ανθρώπου. Συσκευές σαν ο ηλεκτρικός ανεμιστήρας, ο ηλεκτρικός λαμπτήρας, το ηλεκτρικό ψυγείο, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, η τηλεόραση, έχουν κοινό χαρακτηριστικό το “ηλεκτρικό ρεύμα”. Ακριβέστερα, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η αιτία της λειτουργίας των συσκευών αυτών.
Οι φυσικοί για να ερμηνεύσουν τα φαινόμενα του ηλεκτρικού ρεύματος, ανατρέχουν στον μικρόκοσμο και στη δομή της ύλης. Για να τα καταφέρουν συνέδεσαν το ηλεκτρικό ρεύμα με τις θεμελιώδης έννοιες του ηλεκτρισμού: το φορτίο και το ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό ρεύμα καθώς και τα αποτελέσματα που προκαλεί, ερμηνεύονται με την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο.
Αγωγοί, μονωτές και ηλεκτρικό ρεύμα
Εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα: Παίρνουμε ένα ηλεκτροσκόπιο και συνδέουμε το μεταλλικό στέλεχος του με πλαστικό νήμα και το άλλο άκρο του το φέρνουμε σε επαφή με μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα. Παρατηρούμε ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου παραμένουν στην θέση τους και δεν αποκλίνουν.
Στη συνέχεια αντικαθιστούμε το πλαστικό νήμα με χάλκινο σύρμα και συνδέοντας την αρνητικά φορτισμένη σφαίρα, παρατηρούμε ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου αποκλίνουν. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια της φορτισμένης σφαίρας κινούνται μέσα στο χάλκινο σύρμα και φτάνουν στα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου.
Βλέπουμε ότι, μέχρι να έχουμε ισορροπία φορτίων, για μικρό χρονικό διάστημα έχουμε προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων προς το ηλεκτροσκόπιο που την ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα.
Ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων.
Την ιδιότητα ορισμένων υλικών να επιτρέπουν την προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικό τους και να διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα λέγεται αγωγιμότητα και τα υλικά στα οποία εμφανίζεται λέγονται αγωγοί. Οι μονωτές έχουν αμελητέα αγωγιμότητα.
Η αγωγιμότητα των μεταλλικών αγωγών οφείλεται στην ύπαρξη ελεύθερων ηλεκτρονίων στο εσωτερικό τους. Το ηλεκτρικό ρεύμα στους μεταλλικούς αγωγούς οφείλεται στην προσανατολισμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων τους.
Ένας αγωγός έχει μεγαλύτερη αγωγιμότητα όσο πιο εύκολα κινούνται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του. Για παράδειγμα, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται ευκολότερα μέσα σε χάλκινο σύρμα παρά σε σιδερένιο ίδιων διαστάσεων.
Επειδή στους μονωτές τα ηλεκτρόνια κινούνται με πολύ μεγάλη δυσκολία, δεν διαθέτουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και συνεπώς οι μονωτές δεν μπορούν να διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Υπάρχουν υλικά, όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο, που κάτω από ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρονται άλλοτε ως αγωγοί και άλλοτε ως μονωτές. Αυτά τα υλικά ονομάζονται ημιαγωγοί.
Ηλεκτρική πηγή και ηλεκτρικό ρεύμα
Ηλεκτρικό ρεύμα μπορούμε να δημιουργήσουμε με μια συσκευή που λέγεται ηλεκτρική πηγή. Η ηλεκτρική πηγή έχει δυο περιοχές που ονομάζονται ηλεκτρικοί πόλοι, ο ένας είναι θετικά ηλεκτρισμένος και ονομάζεται θετικός πόλος και συμβολίζεται με (+) και ο άλλος που είναι αρνητικά φορτισμένος που λέγεται αρνητικός πόλος και συμβολίζεται με (-). Ηλεκτρικές πηγές είναι οι μπαταρίες, οι ηλεκτρικές γεννήτριες, τα ηλιακά πάνελ κ.ά.
Αν συνδέσουμε τους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής (μπαταρία) με ένα μεταλλικό αγωγό, όπως για παράδειγμα ένα χάλκινο σύρμα, μέσα στον αγωγό θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα. Πράγματι, αν συνδέσουμε ένα αγωγό (χάλκινο σύρμα) στους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής, τότε μέσα στον αγωγό θα αναπτυχθεί ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού αγωγού ηλεκτρική δύναμη με αποτέλεσμα η κίνηση τους να προσανατολίζεται από την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης. Έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο, μέσα στον αγωγό, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων, δηλαδή ο αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος
Αν συνδέσουμε διαδοχικά ένα λαμπτήρα με μια καινούργια μπαταρία και έπειτα με μια ακριβώς την ίδια αλλά πολυκαιρισμένη, παρατηρούμε ότι ο λαμπτήρας φωτοβολεί εντονότερα με την καινούργια μπαταρία από ότι με την πολυκαιρισμένη. Λέμε ότι στην πρώτη σύνδεση, ισχυρότερο ρεύμα διαρρέει τον λαμπτήρα, ενώ στην δεύτερη σύνδεση λέμε ότι ασθενέστερο ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει τον λαμπτήρα.
Μια δέσμη από αρνητικά φορτία διέρχονται από την κάθετη διατομή Α του αγωγού. Σε χρονικό διάστημα t από την διατομή αυτή διέρχεται συνολικό φορτίο q
Προσδιορίζουμε το πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το ρεύμα που διαρρέει ένα αγωγό σε σχέση με κάποιον άλλο, από το ολικό φορτίο των ηλεκτρονίων που περνά από τον αγωγό σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέεται ένας αγωγός είναι ισχυρότερο, όσο περισσότερο φορτίο (περισσότερα ηλεκτρόνια) περνά από μια διατομή του αγωγού, σε ορισμένο χρόνο.
Για να περιγράψουμε πόσο ισχυρό ή πόσο ασθενές είναι το ηλεκτρικό ρεύμα, χρησιμοποιούμε το φυσικό μέγεθος της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος.
Ορίζουμε την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει ένα αγωγό ως το φορτίο (q) που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού σε χρονικό διάστημα (t) προς αυτό το χρονικό διάστημα.
Μονάδα της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος
Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, το φυσικό μέγεθος της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι θεμελιώδες μέγεθος, δηλαδή η μονάδα του ορίζεται με αυθαίρετο τρόπο. Μονάδα της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το 1 Ampere (1A) (Αμπέρ).
Το ηλεκτρικό φορτίο είναι παράγωγο μέγεθος και η μονάδα του στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το 1 Coulomb, που ορίζεται από τις θεμελιώδες μονάδες 1Α και 1second, ως εξής:
1 Coulomb = 1 Ampere · 1 second ή 1C = 1A · 1s
Ηλεκτρικό φορτίο 1 Coulomb, είναι το φορτίο που διέρχεται από μια διατομή ενός αγωγού, σε ένα δευτερόλεπτο αν ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης 1 Ampere.
Για να εκφράσουμε το ρεύμα στις ηλεκτρονικές διατάξεις, που τα κυκλώματα τους διαρρέονται από ρεύματα μικρής τιμής, χρησιμοποιούμε υποπολλαπλάσια του Ampere, όπως το μιλιαμπέρ 1mA=10-3A και το μικροαμπέρ 1μΑ=10-6Α. Για μεγάλα ρεύματα π.χ σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούμε το πολλαπλάσιο του Ampere και συγκεκριμένα το κιλοαμπερ 1ΚΑ=103Α
Για την μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος, που διαρρέεται ένας αγωγός, χρησιμοποιούμε ένα όργανο που λέγεται αμπερόμετρο. Το αμπερόμετρο έχει δυο ακροδέκτες και για να μετρήσουμε το ρεύμα που διαρρέεται ένας αγωγός παρεμβάλουμε το αμπερόμετρο έτσι ώστε το προς μέτρηση ρεύμα να διέρχεται από το όργανο. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης του Αμπερόμετρου λέγεται σύνδεση σε σειρά.
Σήμερα μπορούμε να βρούμε αμπερόμετρα ενσωματωμένα σε όργανα, τα πολύμετρα, με τα οποία μπορούμε να μετράμε και άλλα φυσικά μεγέθη, όπως η ηλεκτρική τάση και η αντίσταση.
Φορά του ηλεκτρικού ρεύματος
Εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα: Πάνω σε ένα τραπέζι βάζουμε την μαγνητική βελόνα. Η μαγνητική βελόνα περιστρέφεται ελεύθερα και όταν ισορροπήσει δείχνει πάντοτε το βορρά. Στην βελόνα πλησιάζουμε ένα σύρμα παράλληλο με την μαγνητική βελόνα, ενώ είναι ασύνδετο με την μπαταρία. Έπειτα συνδέουμε το σύρμα με μια μπαταρία, δια μέσου ενός αμπερομέτρου που έχει το 0 στο μέσο της κλίμακας. Με το αμπερόμετρο διαπιστώνουμε ότι το σύρμα διαρρέεται από ρεύμα και παρατηρούμε ότι η μαγνητική βελόνα εκτρέπεται και δείχνει την ανατολή. Στην συνέχεια αντιστρέφουμε τους πόλους της μπαταρίας και βλέπουμε ότι η βελόνα του αμπερομέτρου αποκλίνει προς την αντίθετη κατεύθυνση και η μαγνητική βελόνα αλλάζει διεύθυνση, εκτρέπεται και δείχνει τη δύση.
Από αυτό το πείραμα διαπιστώνουμε δυο πράγματα: ότι το ηλεκτρικό ρεύμα παράγει μαγνητικό πεδίο και επηρεάζει τους μαγνήτες και ότι το ηλεκτρικό ρεύμα έχει ορισμένη φορά η οποία δείχνει κάθε φορά η απόκλιση της βελόνας του αμπερομέτρου.
Σε ένα μεταλλικό αγωγό, τα μόνα φορτία που μπορούν να κινηθούν προς μια κατεύθυνση είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα, γι’ αυτό κινούνται μέσα στο σύρμα από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο της μπαταρίας. Η φορά κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσα σ’ ένα αγωγό είναι η πραγματική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος.
Αν φανταστούμε μέσα στον αγωγό να κινούνται υποθετικά θετικά φορτία, η κίνηση τους θα ήταν η αντίθετη της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων, από το θετικό προς τον αρνητικό πόλο. Για ιστορικούς λόγους έχει επικρατήσει να θεωρούμε ως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος την φορά κίνησης των υποθετικών θετικών φορτίων, κατά μήκος του αγωγού. Η φορά κίνησης των φανταστικών θετικών φορτίων ονομάζονται συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος.
Αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος
Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί αποτελέσματα, που εκμεταλλευόμαστε για την δημιουργία συσκευών που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή μας. Τα φαινόμενα του ηλεκτρικού ρεύματος χωρίζονται στις παρακάτω κατηγορίες:
α] Θερμικά φαινόμενα Καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα περνά από τους αγωγούς, προκαλεί την θέρμανση τους. Στα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος στηρίζονται εφαρμογές όπως η ηλεκτρική κουζίνα, ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας, οι θερμοσυσσωρευτές κ.ά.
β] Ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα Καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα περνά από ένα αγωγό, γύρω του δημιουργείται μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά ασκώντας μαγνητικές δυνάμεις σε σιδηρομαγνητικά υλικά (σίδηρος, κοβάλτιο νικέλιο). Σε αυτή την ιδιότητα του ρεύματος βασίζονται οι αυτόματοι διακόπτες, οι ηλεκτρομαγνητικοί γερανοί, κεφαλές ήχου και εικόνας, οι ηλεκτρικοί κινητήρες, το ηλεκτρικό ψυγείο, η μίζα του αυτοκινήτου, τα τρένα μαγνητικής ανύψωσης κ.ά.
γ] Χημικά φαινόμενα Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσα από χημικές ουσίες, προκαλεί χημικές μεταβολές. Στα χημικά φαινόμενα που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα, βασίζονται οι ηλεκτρικές μπαταρίες, οι συσσωρευτές ηλεκτρικής ενέργειας, η παρασκευή χημικών στοιχείων όπως του νατρίου, του υδρογόνου, του αλουμινίου κ.ά.
δ] Φωτεινά αποτελέσματα Το ηλεκτρικό ρεύμα έχει το αποτέλεσμα της εκπομπής φωτός καθώς διέρχεται από λεπτά σύρματα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την υπερβολική θέρμανση κάτι που προκαλεί την εκπομπή φωτός. Εκπομπή φωτός έχουμε επίσης και όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσα από αέρια όπως στον λαμπτήρα φθορισμού.
Κλειστό και ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα
Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από αγώγιμους “δρόμους” μέσω των οποίων μπορεί να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Εκτελούμε το πείραμα: Συνδέουμε με σύρμα τους πόλους μιας μπαταρίας, με τα άκρα ενός λαμπτήρα. Βλέπουμε ότι ο λαμπτήρας φωτοβολεί. Μπορούμε να πούμε εδώ ότι, ο λαμπτήρας διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Πράγματι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του σύρματος και του νήματος του λαμπτήρα (μεταλλικοί αγωγοί), κινούνται με φορά από τον αρνητικό πόλο προς το θετικό πόλο της μπαταρίας, ενώ μέσα στην μπαταρία κινούνται από το θετικό πόλο προς τον αρνητικό πόλο. Συνεπώς, σε αυτή την πειραματική διάταξη, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ακολουθούν κλειστή διαδρομή. Κάθε ηλεκτρικό κύκλωμα στο οποίο η διαδρομή των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι κλειστή και δεν διακόπτεται, με αποτέλεσμα να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, λέγεται κλειστό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος.
Τώρα κάνουμε το εξής: αποσυνδέουμε το ένα άκρο του σύρματος από τον λαμπτήρα ή από τον πόλο της μπαταρίας. Βλέπουμε ότι ο λαμπτήρας σταματά να ανάβει. Αυτό εξηγείται ως εξής: Επειδή μεταξύ του ελεύθερου άκρου του σύρματος και του λαμπτήρα ή του πόλου της μπαταρίας παρεμβάλλεται αέρας που όπως γνωρίζουμε είναι μονωτής, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν μέσα σ’ αυτόν, με αποτέλεσμα να σταματά η κίνηση τους μέσα στον λαμπτήρα και στην μπαταρία. Λέμε ότι έχουμε ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα. Κάθε ηλεκτρικό κύκλωμα στο οποίο η διαδρομή των ελεύθερων ηλεκτρονίων διακόπτεται, με αποτέλεσμα να μην διαρρέεται από ρεύμα λέγεται ανοικτό ηλεκτρικό κύκλωμα.
Μπορούμε να μετατρέψουμε ένα κλειστό κύκλωμα σε ανοιχτό και αντίστροφα αν παρεμβάλουμε ένα διακόπτη. Κάθε φορά που θέτουμε τον διακόπτη σε κατάσταση “ΟΝ”, το ανοικτό κύκλωμα μετατρέπεται σε κλειστό και το κύκλωμα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και όταν θέτουμε τον διακόπτη σε κατάσταση “OFF” το κλειστό κύκλωμα μετατρέπεται σε ανοικτό και σταματά το κύκλωμα να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Στο ηλεκτρικό κύκλωμα του σπιτιού μας, έχουμε την ηλεκτρική πηγή να βρίσκεται μακριά από το σπίτι μας όπως π.χ. συμβαίνει με τη γεννήτρια (ηλεκτρική πηγή) στην Πτολεμαΐδα και με τον αγωγό στην Αθήνα. Σε τέτοιες περιπτώσεις θεωρούμε το ρευματοδότη (πρίζα) του σπιτιού μας ως ηλεκτρική πηγή.
Ηλεκτρική πηγή και ενέργεια
Είπαμε ότι για να έχουμε ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα κλειστό κύκλωμα, είναι αναγκαίο να υπάρχει ηλεκτρική πηγή. Η ηλεκτρική πηγή δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό των αγωγών, με αποτέλεσμα να ασκείται ηλεκτρική δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια θέτοντας τα σε προσανατολισμένη κίνηση. Η δύναμη αυτή που ασκείται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα μετατοπίζει και επομένως παράγει έργο. Το έργο αυτό εκφράζει την ενέργεια που μεταφέρεται από την ηλεκτρική πηγή στα κινούμενα φορτία. Την ενέργεια αυτή την λέμε ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος προέρχεται από την ηλεκτρική πηγή που θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των αγωγών του ηλεκτρικού κυκλώματος.
Κάθε συσκευή που παίρνει μια μορφή ενέργειας και την μετατρέπει σε ηλεκτρική, ονομάζεται πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ή απλώς ηλεκτρική πηγή. Σε μια ηλεκτρική πηγή δεν παράγεται ενέργεια από το μηδέν. Η ηλεκτρική πηγή παίρνει μιας μορφής ενέργειας και την μετατρέπει σε ηλεκτρική. Η μορφή της ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική εξαρτάται από το είδος της ηλεκτρικής πηγής.
Τα είδη των ηλεκτρικών πηγών είναι τα εξής: α) Ηλεκτρικά στοιχεία και συσσωρευτές: Εδώ ανήκουν οι κοινές μπαταρίες και οι μπαταρίες μολύβδου των αυτοκινήτων. Οι ηλεκτρικές πηγές αυτές μετατρέπουν την χημική ενέργεια που υπάρχει στις μπαταρίες σε ηλεκτρική. β) Γεννήτριες: Οι γεννήτριες είναι οι συσκευές στις οποίες η κινητική (μηχανική) ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Παραδείγματα είναι: το δυναμό του ποδηλάτου, ηλεκτρογεννήτριες των πλοίων, οι γεννήτριες εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (ΔΕΗ) γ)Φωτοστοιχεία: Είναι οι συσκευές που μετατρέπουν την ενέργεια ακτινοβολίας και την μετατρέπουν σε ηλεκτρική. δ) Θερμοστοιχεία: είναι οι συσκευές οι οποίες μετατρέπουν την θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική.
Η διαφορά δυναμικού στο ηλεκτρικό κύκλωμα
Όπως γνωρίζουμε για να λειτουργήσει μια ηλεκτρική συσκευή, είναι αναγκαίο να συνδεθεί με μια ηλεκτρική πηγή. Π.χ. για να ανάψει ένας λαμπτήρας είναι απαραίτητο να συνδεθεί με μια μπαταρία. Το βασικό χαρακτηριστικό κάθε ηλεκτρικής πηγής είναι η τάση της. Π.χ. στο εμπόριο βρίσκουμε μπαταρίες με τάση 1,5V ή 4,5V ή 9V και ανάλογα με την συσκευή χρησιμοποιούμε την κατάλληλη ηλεκτρική πηγή.
Η μπαταρία στο κύκλωμα με τον λαμπτήρα, δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο μέσα στους αγωγούς, που απαρτίζουν το κλειστό κύκλωμα. Αποτέλεσμα η δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα αυτό, με άμεση συνέπεια ο λαμπτήρας να φωτοβολεί. Η φωτεινή ενέργεια του λαμπτήρα προέρχεται από την ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα ελεύθερα ηλεκτρόνια των αγωγών, δηλαδή την ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ενέργεια αυτή του ηλεκτρικού ρεύματος προέρχεται από την μπαταρία που βάζει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού (Vπηγής) μεταξύ των δυο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής, το πηλίκο της ενέργειας που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρόνια (Εηλεκτρική) συνολικού φορτίου (q), όταν διέρχονται από αυτήν, προς αυτό το φορτίο q.
Vπηγής = Εηλεκτρική / q
Βάσει αυτού του ορισμού, προκύπτει ότι η ηλεκτρική ενέργεια που δίνει η πηγή στα ηλεκτρόνια είναι:
Εηλεκτρική = Vπηγής · q
Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης ή διαφοράς δυναμικού στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) ονομάζεται Volt (1V), το οποίο ορίζεται ως εξής:
1Volt = 1Joule / 1Coulomb ή 1V= 1J/1C
Η ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού μιας ηλεκτρικής πηγής, δηλώνει την ηλεκτρική ενέργεια που δίνει η ηλεκτρική πηγή σε κάθε ηλεκτρικό φορτίο ποσότητας μιας μονάδας φορτίου (1 Κουλόμπ), που διέρχεται μέσα από αυτήν. Έτσι για παράδειγμα μια μπαταρία με τάση 9V δίνει ηλεκτρική ενέργεια 9J σε κάθε φορτίο ποσότητας 1C που διέρχεται μέσα από αυτήν.
Εκτελούμε το πείραμα: Συνδέουμε ένα λαμπτήρα με μια μπαταρία η οποία έχει τάση 1,5V και ένα τον ίδιο λαμπτήρα με μια μπαταρία η οποία έχει τάση 4,5V. Παρατηρούμε ότι στην δεύτερη περίπτωση ο λαμπτήρας φωτοβολεί πιο έντονα. Αυτό συμβαίνει διότι στη δεύτερη περίπτωση η μπαταρία των 4,5V προσφέρει περισσότερη ενέργεια στα ηλεκτρόνια, δηλαδή η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος είναι μεγαλύτερη, με αποτέλεσμα ο λαμπτήρας να φωτοβολεί πιο έντονα.
Διαφορά δυναμικού στα άκρα καταναλωτή
Δίνουμε τον ορισμό: Μετατροπέας ή καταναλωτής ονομάζουμε κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλη μορφή ενέργειας. Ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας παίρνει ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπει σε φωτεινή και θερμική. Ένας θερμοσίφωνας παίρνει την ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπει σε θερμική. Ο ηλεκτρικός κινητήρας παίρνει την ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπει σε μηχανική.
Καθώς ένας καταναλωτής διαρρέεται από ρεύμα τα ηλεκτρόνια χάνουν ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που μετατρέπεται σε άλλη μορφή ενέργειας.
Για να μετρήσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που παίρνει ένας καταναλωτής (ο οποίος την μετατρέπει σε άλλη μορφή) ορίζουμε το φυσικό μέγεθος ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού: Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού (V), μεταξύ των δυο άκρων του καταναλωτή, το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρουν στον καταναλωτή ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q, όταν διέρχονται από αυτόν, προς αυτό το φορτίο q, δηλαδή η ηλεκτρική τάση V δίνεται από τη σχέση:
V= Eηλεκτρική /q
Σε ένα καταναλωτή, το ηλεκτρικό ρεύμα (συμβατική φορά) εισέρχεται πάντα από το άκρο με το μεγαλύτερο δυναμικό και εξέρχεται από το άκρο με το μικρότερο δυναμικό (ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται στον καταναλωτή). Το ηλεκτρικό ρεύμα μέσα σε μια ηλεκτρική πηγή (συμβατική φορά) εισάγεται από τον αρνητικό πόλο με το χαμηλότερο δυναμικό και μέσα στην ηλεκτρική πηγή φτάνει στον θετικό πόλο με το υψηλότερο δυναμικό (η ηλεκτρική πηγή δίνει ενέργεια στο ηλεκτρικό ρεύμα).
Υπάρχουν όργανα που ονομάζονται βολτόμετρα, με τα οποία μετράμε την διαφορά δυναμικού στα άκρα ενός στοιχείου κυκλώματος (ηλεκτρική πηγή ή καταναλωτή). Τα άκρα του βολτομέτρου συνδέονται με τα άκρα του στοιχείου στα οποία θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού. Το βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα με το στοιχείο κυκλώματος. Στο εμπόριο μπορούμε να βρούμε βολτόμετρα ενσωματωμένα σε πολύμετρα.
Συναρμολογούμε το κύκλωμα του σχήματος. Ο λαμπτήρας συνδέεται σε σειρά με ένα διακόπτη και με ένα αμπερόμετρο τα οποία με τη σειρά τους είναι συνδεμένα με μια μπαταρία. Επίσης ένα βολτόμετρο είναι συνδεμένο στα άκρα του λαμπτήρα. Κλείνουμε το διακόπτη και παρατηρούμε ότι ο λαμπτήρας φωτοβολεί. Το αμπερόμετρο δείχνει το ρεύμα που περνά από τον λαμπτήρα και το βολτόμετρο δείχνει την τάση στα άκρα του. Ανοίγουμε το διακόπτη και παρατηρούμε ότι ο λαμπτήρας σβήνει, το αμπερόμετρο μηδενίζεται, που σημαίνει ότι ο λαμπτήρας δεν διαρρέεται από ρεύμα, όπως επίσης μηδενίζεται και η ένδειξη του βολτομέτρου.
Η ηλεκτρική τάση στα άκρα του λαμπτήρα οφείλεται στην ύπαρξη του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο σύρμα του λαμπτήρα. Όσο πιο ισχυρό είναι το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο σύρμα του λαμπτήρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στα άκρα του. Όταν σταματήσει να υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του σύρματος, από τον λαμπτήρα δεν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα και η τάση στα άκρα του μηδενίζεται.
Αν επαναλάβουμε το ίδιο πείραμα, αλλά τώρα να συνδέσουμε το βολτόμετρο στα άκρα της μπαταρίας, το βολτόμετρο δείχνει συνέχεια την τάση της μπαταρίας είτε είναι ο διακόπτης ανοικτός (ανοικτό κύκλωμα) είτε κλειστός (κλειστό κύκλωμα).
Συμπέρασμα: Η τάση στα άκρα ενός καταναλωτή είναι μηδέν όταν από αυτόν δεν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα και η τάση στα άκρα μιας μπαταρίας είναι διαφορετική από μηδέν είτε διέρχεται από αυτή ηλεκτρικό ρεύμα είτε όχι.
Ταχύτητα ηλεκτρονίων στο ηλεκτρικό κύκλωμα
Υλοποιούμε το κύκλωμα: Παίρνουμε ένα λαμπτήρα και αφού συνδέσουμε σε σειρά ένα διακόπτη, το συνδέουμε στους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής. Μόλις κλείσουμε το διακόπτη ο λαμπτήρας φωτοβολεί. Αυτό συμβαίνει διότι η ηλεκτρική πηγή δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο στους αγωγούς και στα στοιχεία κυκλώματος με αποτέλεσμα να ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνια κι έτσι εκτελούν προσανατολισμένη κίνηση.
Έχει βρεθεί ότι, η ταχύτητα της προσανατολισμένης κίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα αγωγό είναι πολύ μικρή και ίση με μερικά εκατοστά του χιλιοστού ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο για να διατρέξει ένα μέτρο του αγωγού χρειάζεται τρεις ώρες.
Όμως όταν κλείσουμε το διακόπτη, ο λαμπτήρας ανάβει αμέσως. Αυτό εξηγείται με το γεγονός ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν ξεκινούν από την ηλεκτρική πηγή αλλά υπάρχουν στους αγωγούς του κυκλώματος. Μόλις κλείσουμε το διακόπτη, το ηλεκτρικό πεδίο διαδίδεται μέσα στους αγωγούς με την ταχύτητα του φωτός και έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προϋπάρχουν στους αγωγούς, ξεκινούν να κινούνται όλα ταυτόχρονα μόλις κλείσουμε τον διακόπτη και έτσι ο λαμπτήρας ανάβει ταυτόχρονα με το κλείσιμο του διακόπτη.
Προέλευση ηλεκτρονίων σε ένα κύκλωμα
Η προέλευση των ηλεκτρονίων σε ένα κύκλωμα είναι από το υλικό που είναι κατασκευασμένοι οι αγωγοί. Σε ένα κύκλωμα που έχει μια ηλεκτρική πηγή, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν τα προμηθεύει η πηγή, αλλά υπάρχουν μέσα σε όλους τους αγωγούς, απλά η ηλεκτρική πηγή με το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί στους αγωγούς θέτει σε προσανατολισμένη κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των αγωγών.
Οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας όπως η ΔΕΗ πωλούν ηλεκτρική ενέργεια και όχι ηλεκτρόνια ή ηλεκτρικό ρεύμα, απλά τα ηλεκτρόνια προέρχονται από τις συσκευές που χρησιμοποιούμε.
Το ηλεκτρικό κύκλωμα και οι αναπαραστάσεις του
Για να διευκολυνθούμε στη σχεδίαση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, χρησιμοποιούμε σχηματικά διαγράμματα των κυκλωμάτων. Ένα παράδειγμα σχηματικού διαγράμματος φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα:
(α) Φωτογραφία κυκλώματος (β) Καλλιτεχνική αναπαράσταση (γ) Σχηματική αναπαράσταση
Σε ένα σχηματικό διάγραμμα, τα στοιχεία του κυκλώματος απεικονίζονται με συγκεκριμένα σύμβολα. Μερικά από αυτά φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα.
