Ηλεκτρικά δίπολα

Όλοι γνωρίζουμε ότι μια ηλεκτρική συσκευή, η οποία είναι συνδεμένη σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Κάθε συσκευή η οποία έχει δυο άκρα ή πόλους, με τους οποίους συνδέεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, ονομάζεται ηλεκτρικό δίπολο. Ηλεκτρικά δίπολα είναι ο λαμπτήρας, ο ηλεκτρικός κινητήρας κ.ά. Ένα ηλεκτρικό δίπολο, μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλη μορφή ενέργειας.

Όταν εφαρμόσουμε τάση V στα άκρα ενός διπόλου, θα διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι. Αν αλλάξουμε την τιμή της τάσης που εφαρμόζουμε στα άκρα ενός ηλεκτρικού διπόλου, θα αλλάξει και η τιμή του ρεύματος που το διαρρέει. Ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλεται η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος καθώς μεταβάλλουμε την τάση στα άκρα του, εξαρτάται από τη φύση του ηλεκτρικού διπόλου.

Στην πειραματική διάταξη του σχήματος, παρατηρείται μεταβολή της έντασης του ρεύματος σε σχέση με τη μεταβολή της τάσης που εφαρμόζεται σε ένα λαμπτήρα και σε ένα ηλεκτρικό κινητήρα. Αν τριπλασιάσουμε την τάση στα άκρα του λαμπτήρα, το ρεύμα που τον διαρρέει σχεδόν τριπλασιάζεται και αν τριπλασιάσουμε την τάση στα άκρα ενός ηλεκτρικού κινητήρα το ρεύμα διπλασιάζεται.

Αντίσταση του διπόλου

Για να συσχετίσουμε την τάση που εφαρμόζεται στους πόλους ενός ηλεκτρικού διπόλου, με το ρεύμα που προκαλείται, ορίζουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος που το ονομάζουμε ηλεκτρική αντίσταση του διπόλου και το συμβολίζουμε με το γράμμα R.

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

R= V / I

Η αντίσταση είναι παράγωγο μέγεθος. Η μονάδα αντίστασης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το 1Ωμ (1Ohm) που εκφράζεται ως

1οhm = 1Volt / 1Ampere ή 1Ω = 1V / 1A

1 Ωμ είναι η αντίσταση ενός ηλεκτρικού διπόλου, που όταν εφαρμόσουμε τάση 1 V στα άκρα του, διαρρέεται από ρεύμα τιμής 1Α

Στην ηλεκτρολογία και στην ηλεκτρονική χρησιμοποιούνται πολλαπλάσια του Ωμ, τα οποία είναι τα εξής:

1ΚΩ (κίλο-ωμ) =103Ω και 1ΜΩ (μέγα-ωμ) = 106Ω

Για τη μέτρηση της αντίστασης ενός ηλεκτρικού διπόλου, χρησιμοποιούνται όργανα που ονομάζονται ωμόμετρα. Τα πολύμετρα ενσωματώνουν πολλά όργανα σε μια μονάδα, που εκτός από ωμόμετρα (μέτρηση αντίστασης) είναι βολτόμετρα (μέτρηση τάσης) και αμπερόμετρα (μετράνε ρεύμα).

Για ένα γενικό ηλεκτρικό δίπολο, η αντίσταση του μεταβάλλεται με την τάση που εφαρμόζουμε στα άκρα του. Υπάρχει μια κατηγορία ηλεκτρικών διπόλων, που ονομάζονται αντιστάτες, για τα οποία η αντίσταση τους είναι σταθερή ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζουμε στα άκρα τους και της έντασης που τα διαρρέει. Σε αυτή την κατηγορία ηλεκτρικών διπόλων με σταθερή αντίσταση ανήκουν οι απλοί μεταλλικοί αγωγοί.

Νόμος του Ωμ

Το πιο απλό ηλεκτρικό δίπολο είναι ένας μεταλλικός αγωγός, δηλ. ένα μεταλλικό σύρμα. Για να μελετήσουμε τη σχέση τάσης – έντασης ρεύματος ενός μεταλλικού αγωγού εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα:

Με ένα τροφοδοτικό μεταβλητής τάσης εφαρμόζουμε ηλεκτρική τάση στα άκρα ενός μεταλλικού αγωγού, ενώ με ένα βολτόμετρο συνδεμένο παράλληλα στα άκρα του αγωγού, μετράμε την ηλεκτρική τάση στα άκρα του και με ένα αμπερόμετρο συνδεμένο σε σειρά με τον αγωγό, μετράμε την ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει.

Για διάφορες ηλεκτρικές τάσεις στα άκρα του αγωγού, μετράμε την ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει και καταγράφουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεων στον παραπάτω πίνακα. Στην τρίτη στήλη υπολογίζουμε το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης προς την αντίστοιχη ένταση του ρεύματος και καταγράφουμε την αντίσταση του αγωγού.

Από τα δεδομένα του πίνακα ηλεκτρικής τάσης – έντασης ρεύματος, κατάσκευάζουμε το διάγραμμα της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, στον κατακόρυφο άξονα σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση στον αγωγό στον οριζόντιο άξονα. Παρατηρούμε ότι το διάγραμμα- γραφική παράσταση είναι ευθεία γραμμή, που διέρχεται από την αρχή των αξόνων. Συμπεραίνουμε ότι τα δυο μεγέθη η ηλεκτρική τάση στα άκρα του αγωγού και η ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει είναι ανάλογα δηλαδή ο λόγος τους είναι σταθερός. Το ίδιο προκύπτει και από την τρίτη στήλη του πίνακα, που υπολογίσαμε το λόγο της ηλεκτρικής τάσης προς την ένταση του ρεύματος V/I και έχουν την ίδια τιμή. Συμπέρασμα: η αντίσταση R του μεταλλικού αγωγού είναι σταθερή ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του.

Ο γερμανός φυσικός Ωμ (Ohm), γενίκευσε τα αποτελέσματα παρόμοιων πειραμάτων και διατύπωσε ένα νόμο για να εκφράσει την σχέση μεταξύ της ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζεται σε ένα μεταλλικό αγωγό, με την ένταση του ρεύματος που προκαλεί.

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

Σύμφωνα με το νόμο του Ωμ, η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού είναι ανεξάρτητη της ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του και της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τον διαρρέει. Δηλαδή:

R = V / I σταθερό για ένα μεταλλικό αγωγό

Από αυτή τη σχέση προκύπτει ότι: I = (1/R)·V ή V = I·R

Δηλαδή η ένταση Ι του ρεύματος που διαρρέει ένα αγωγό, είναι ανάλογη της ηλεκτρικής τάσης V που εφαρμόζεται στα άκρα του αγωγού με σταθερά αναλογίας το 1/R

Η γραφική παράσταση της σχέσης I = (1/R)·V ή V = I·R είναι ευθεία γραμμή που διέρχεται από το μηδέν.

Ο νόμος του Ωμ εφαρμόζεται σε μια κατηγορία ηλεκτρικών διπόλων, ενώ υπάρχουν ηλεκτρικά δίπολα όπως η κρυσταλλοδίοδος, το τρανζίστορ, η ηλεκτρονική λυχνία που συναντάμε στις ηλεκτρονικές συσκευές, όπως επίσης ο λαμπτήρας νέον, ο ηλεκτρικός κινητήρας κ.ά. τα οποία αν και διαρρέονται από ρεύμα δεν ακολουθούν το νόμο του Ωμ, δηλαδή η εφαρμοζόμενη τάση προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα του οποίου η ένταση δεν είναι ανάλογη της ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα τους και συνεπώς η αντίσταση τους μεταβάλλεται με την ηλεκτρική τάση.

Αντίθετα, οι μεταλλικοί αγωγοί με την προϋπόθεση ότι διατηρούμε τη θερμοκρασία σταθερή, συμπεριφέρονται σύμφωνα με το νόμο του Ωμ και η αντίσταση τους είναι σταθερή ανεξάρτητα της εφαρμοζόμενης τάσης στα άκρα τους.

Κάθε ηλεκτρικό δίπολο το οποίο ικανοποιεί το νόμο του Ωμ, χαρακτηρίζεται ως αντιστάτης. Οι αντιστάτες έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν εξ ολοκλήρου την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική.

Νόμος του Ωμ και μικρόκοσμος

Σύμφωνα με το νόμο του Ωμ, η ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα μεταλλικό αγωγό, είναι ανάλογη της ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του. Αυξάνοντας την ηλεκτρική τάση στα άκρα του αγωγού, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αποκτούν μεγαλύτερη ενέργεια και άρα μεγαλύτερη ταχύτητα. Όσο αυξάνεται η ταχύτητα των ηλεκτρονίων τόσο μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων περνά από μια διατομή του αγωγού, σε ορισμένο χρόνο και άρα τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό.

Μικροσκοπική ερμηνεία της αντίστασης ενός μεταλλικού αγωγού

Παίρνουμε δυο αντιστάτες με διαφορετική αντίσταση και στα άκρα τους εφαρμόζουμε την ίδια ηλεκτρική τάση (αίτιο). Σύμφωνα με το νόμο του Ωμ, από τον αντιστάτη με τη μεγαλύτερη αντίσταση θα διαρρέεται από μικρότερης έντασης ηλεκτρικού ρεύματος (αποτέλεσμα) από ότι από τον αντιστάτη με την μικρότερη αντίσταση. Έτσι από τον αντιστάτη με τη μεγαλύτερη αντίσταση, θα διέρχεται μικρότερος αριθμός ηλεκτρονίων στο ίδιο χρονικό διάστημα. Τα ηλεκτρόνια δυσκολεύονται να κινούνται στον αντιστάτη με την μεγαλύτερη αντίσταση.

Επομένως, η αντίσταση ενός αγωγού (αντιστάτη) εκφράζει το μέτρο της δυσκολίας που προβάλλει ο αγωγός στη διέλευση του ρεύματος μέσα από αυτόν.

Για να ερμηνεύσουμε τη δυσκολία διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος από ένα μεταλλικό αγωγό (αντιστάτη),θα ανατρέξουμε στη μικροσκοπική περιγραφή του μεταλλικού αγωγού και του ηλεκτρικού ρεύματος.

Καθώς εφαρμόζουμε ηλεκτρική τάση στα άκρα του μεταλλικού αγωγού, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του, με αποτέλεσμα να ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού αγωγού και έτσι εκτελούν προσανατολισμένη κίνηση με αυξανόμενη ταχύτητα.

Όμως κατά την κίνηση τους τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα ιόντα του μετάλλου και σε κάθε σύγκρουση χάνουν μέρος της κινητικής ενέργειας, η οποία μεταφέρεται στα ιόντα και έτσι η ταχύτητα τους μειώνεται. Αμέσως μετά τη σύγκρουση, η δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί εκ νέου αύξηση της ταχύτητας των κινούμενων ηλεκτρονίων μέχρι την επόμενη σύγκρουση, οπότε επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία.

Η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτόν οφείλεται στις συγκρούσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων με τα ιόντα του μετάλλου.