Το ηλεκτρικό ρεύμα

Η ανάπτυξη του σύγχρονου πολιτισμού, έχει το αποτέλεσμα, 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 από 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 που 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 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.

Ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει τον αγωγό. Μια δέσμη από αρνητικά φορτία διέρχονται από την κάθετη διατομή Α του αγωγού. Σε χρονικό διάστημα t από την διατομή διέρχεται συνολικό φορτίο q

Προσδιορίζουμε το πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το ρεύμα που διαρρέει ένα αγωγό σε σχέση με κάποιο άλλο, από το ολικό φορτίο των ηλεκτρονίων που περνά από τον αγωγό. 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 ένταση 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 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 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 ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά ασκώντας μαγνητικές δυνάμεις με 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, που με την υπερβολική θέρμανση τους προκαλεί την εκπομπή φωτός, όπως επίσης και όταν διέρχεται μέσα από αέρια όπως τον λαμπτήρα φθορισμού.