Ηλεκτρικό κύκλωμα

Ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται κάθε διάταξη που αποτελείται από αγώγιμους “δρόμους” μέσω των οποίων μπορεί να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Κλειστό και ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα

Εκτελούμε το πείραμα: Συνδέουμε με σύρμα τους πόλους μιας μπαταρίας, με τα άκρα ενός λαμπτήρα. Βλέπουμε οτι ο λαμπτήρας φωτοβολεί. Μπορούμε να πούμε εδώ οτι, 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 να 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, συμβαίνει ότι η ηλεκτρική πηγή να βρίσκεται μακριά από το σπίτι μας όπως π.χ. συμβαίνει με τη γεννήτρια πηγή στην Πτολεμαΐδα και με τον αγωγό στην Αθήνα. Σε αυτές τις περιπτώσεις θεωρούμε το ρευματοδότη (πρίζα) 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 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 το φορτίο q που 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 σε σειρά με ένα διακόπτη και ένα αμπερόμετρο είναι συνδεμένος 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 οτι 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 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.