Ένταση ρεύματος - τάση

Ηλεκτρισμός

Πρώτος ο Θαλής ο Μιλήσιος διαπίστωσε πως το κεχριμπάρι όταν τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα αποκτά την ιδιότητα να έλκει τρίχες, μικρά τεμάχια δέρματος κ.τ.λ. Τα φαινόμενα αυτά ονομάστηκαν ηλεκτρικά φαινόμενα από την αρχαία ονομασία του κεχριμπαριού «ήλεκτρο».

Για να ερμηνευτούν τα ηλεκτρικά φαινόμενα, έγινε αποδεκτή η ύπαρξη ενός φυσικού μεγέθους που ονομάστηκε ηλεκτρικό φορτίο. Διαπιστώθηκε πως ο εβονίτης, όταν τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα, αποκτά ηλεκτρικό φορτίο. Παρατηρήθηκε, πως όταν πλησιάσουν δυο ράβδοι εβονίτη που είναι ηλεκτρισμένες απωθούνται. Ομοίως το γυαλί ηλεκτρίζεται, όταν τρίβεται σε μεταξένιο ύφασμα. Όταν πλησιάσουν μια ηλεκτρισμένη ράβδος από εβονίτη και μια ηλεκτρισμένη ράβδος από γυαλί έλκονται.

Από τις παραπάνω παρατηρήσεις βγήκε το συμπέρασμα πως υπάρχουν δυο ειδών φορτία, αυτό του εβονίτη όταν τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα και αυτό του γυαλιού όταν τρίβεται σε μεταξένιο ύφασμα. Το πρώτο ονομάστηκε αρνητικό και το δεύτερο θετικό. Επίσης έγινε φανερό πως τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, ενώ τα ετερώνυμα έλκονται. Η μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb.

Δομή της ύλης

Τα υλικά σώματα στη γλώσσα της χημείας είναι σύνθεση χημικών ενώσεων.

Χημικές ενώσεις ονομάζονται οι χημικές ουσίες που μπορούν να διασπαστούν σε απλούστερες τα λεγόμενα χημικά στοιχεία που με την σειρά τους δεν μπορούν να διασπαστούν.

Τα μικρότερα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται τα χημικά στοιχεία ονομάζονται άτομα. Τα άτομα αποτελούνται από τον πυρήνα, ο οποίος βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και τα ηλεκτρόνια, τα οποία περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Ο πυρήνας αποτελείται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα πρωτόνια έχουν περίπου την ίδια μάζα με τα νετρόνια, ενώ τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα περίπου 2000 φορές μικρότερη από τη μάζα του πρωτονίου.

Έχει διαπιστωθεί πως τα πρωτόνια φέρουν θετικό φορτίο, ενώ τα ηλεκτρόνια αρνητικό, επομένως μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων ασκούνται ελκτικές δυνάμεις Coulomb. Το φορτίο που φέρουν τα πρωτόνια είναι ίσο κατ' απόλυτη τιμή με το φορτίο που φέρουν τα ηλεκτρόνια (1,6 10^-19 Cb). Τα νετρόνια δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο.

Σε κάθε άτομο ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων και έτσι τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε διαφορετικές περιοχές γύρω από τον πυρήνα, που ονομάζονται στοιβάδες. Σε κάθε στοιβάδα ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων είναι διαφορετικός ξεκινώντας από την πρώτη με 2 ηλεκτρόνια, τη δεύτερη με 8 την τρίτη με 18 κ.τ.λ. εκτός από την τελευταία στοιβάδα που δεν μπορεί να έχει περισσότερα από 8 ηλεκτρόνια, ενώ η προτελευταία από 18.

Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην τελευταία (εξωτερική) στοιβάδα ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι αυτά που συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικών ενώσεων και στα οποία οφείλονται οι χημικές ενώσεις των στοιχείων. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σθένους αποσπασθεί από ένα άτομο προκύπτει ένα θετικό ιόν. Η ενέργεια που πρέπει να δοθεί σε ένα ηλεκτρόνιο σθένους για να αποσπασθεί από το άτομο ονομάζεται ενέργεια ιονισμού. Εκτός από τα θετικά ιόντα υπάρχουν και τα αρνητικά ιόντα, που σχηματίζονται όταν ένα άτομο προσλάβει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο.

Ηλεκτρικό ρεύμα

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την ερμηνεία των ηλεκτρικών φαινομένων παρουσιάζει η δομή των μετάλλων. Τα μέταλλα αποτελούνται από θετικά ιόντα που ισαπέχουν, σχηματίζοντας έτσι το μεταλλικό πλέγμα. Σε ένα μεταλλικό αγωγό, ορισμένα ηλεκτρόνια έχουν αποσπαστεί από την εξωτερική στοιβάδα των ατόμων του μετάλλου και έχουν την ιδιότητα να κινούνται ατάκτως εντός του μεταλλικού αγωγού. Αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και φέρουν αρνητικό φορτίο. Σε ένα μεταλλικό αγωγό τα ελεύθερα ηλεκτρόνια λέγονται ηλεκτρικοί φορείς ή φορείς διότι είναι το ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί και κινείται μέσα σ' αυτόν. Κατά την σύνδεση ενός αγωγού με ηλεκτρική πηγή, οι ηλεκτρικοί φορείς βρίσκονται μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό με αποτέλεσμα να κινούνται προς μια κατεύθυνση. Η κίνηση των ηλεκτρικών φορέων προς μια κατεύθυνση ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος

Η ροή των ηλεκτρικών φορέων σε ένα αγωγό άλλοτε είναι έντονη άλλοτε λιγότερο έντονη ή αργή. Το φυσικό μέγεθος που εκφράζει το πόσο έντονη είναι η ροή των ηλεκτρικών φορέων σ' ένα αγωγό είναι η ένταση του ρεύματος.

Αν από μια διατομή ενός αγωγού, στο χρονικό παράθυρο t έως t+Δt περάσει φορτίο Δq τότε το ρεύμα του αγωγού τη χρονική στιγμή t ορίζεται σαν το πηλίκο I=Δq/Δt παίρνοντας το χρονικό διάστημα Δt πολύ μικρό.

Η ένταση του ρεύματος τη χρονική στιγμή t ορίζεται ως το πηλίκο του φορτίου Δq που περνά από μια διατομή του αγωγού για χρονικό διάστημα Δt γύρω από τη χρονική στιγμή t προς το χρονικό διάστημα Δt. I=Δq/Δt

Η φορά του ρεύματος που χρησιμοποιείται στα κυκλώματα συμπίπτει με τη φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορέων όταν αυτοί φέρουν θετικό φορτίο. Αυτός ο ορισμός της φοράς του ρεύματος ονομάζεται συμβατική φορά. Όταν οι ηλεκτρικοί φορείς φέρουν αρνητικό φορτίο τότε η φορά του ρεύματος είναι αντίθετη από την κίνηση των φορέων.

Στους μεταλλικούς αγωγούς οι ηλεκτρικοί φορείς είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που φέρουν αρνητικό φορτίο. Επομένως η συμβατική φορά του ρεύματος σε ένα μεταλλικό αγωγό είναι η αντίθετη της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Η μονάδα έντασης ρεύματος είναι το 1Α (Ampere).

Διαφορά δυναμικού στα άκρα ηλεκτρικού διπόλου

Κάθε διάταξη, που έχει δύο ακροδέκτες ονομάζεται ηλεκτρικό δίπολο. Ηλεκτρικά δίπολα είναι τα εξαρτήματα που έχουν σαν ακροδέκτες μεταλλικούς αγωγούς και τέτοια είναι οι αντιστάσεις, οι κινητήρες, οι κρυσταλλοδίοδοι.

Πειραματικά έχει παρατηρηθεί ότι για τη διέλευση ηλεκτρικού φορτίου από ένα ηλεκτρικό δίπολο καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια.

Εάν κατά την διέλευση ηλεκτρικού φορτίου ίσου 1Cb (1Coulomb) από ένα ηλεκτρικό δίπολο καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια ίση με 1Joule τότε η διαφορά δυναμικού (κατά απόλυτη τιμή) στα άκρα του διπόλου είναι ίση με 1Volt (1V).

Ηλεκτρικά δίπολα που καταναλίσκουν ηλεκτρική ενέργεια είναι τα εξαρτήματα π.χ. αντιστάσεις, κρυσταλλοδίοδοι κ.α. που την μετατρέπουν σε θερμική. Την ενέργεια αυτή την παίρνουν από τις ηλεκτρικές πηγές με τις οποίες είναι συνδεδεμένες. Κατά την διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από μια ηλεκτρική πηγή παράγεται στο ρεύμα ηλεκτρική ενέργεια.

Σε ένα ηλεκτρικό δίπολο με ακροδέκτες Α και Β από το οποίο διέρχονται (θετικά) φορτία από τον ακροδέκτη Α στον Β, αν καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια (π.χ. παραγωγή θερμότητας από μια αντίσταση) λέμε ότι το δυναμικό στον ακροδέκτη Α είναι θετικότερο από το δυναμικό στο Β, δηλαδή V_AB=V_B-V_A < 0, ενώ αν προσφέρεται ενέργεια στο ρεύμα (π.χ. από μια μπαταρία με κατανάλωση χημικής ενέργειας) λέμε ότι το δυναμικό στον ακροδέκτη Α είναι αρνητικότερο από το δυναμικό στο Β, δηλαδή V_AB=V_B-V_A > 0.

 

Στο σχήμα φαίνεται μια αντίσταση να διαρρέεται από ρεύμα με συμβατική φορά (κίνηση θετικών φορέων) προς τον ακροδέκτη Α στον Β. Επειδή στην αντίσταση καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια το δυναμικό στον ακροδέκτη Α είναι θετικότερο από εκείνο του ακροδέκτη Β. Επίσης στο σχήμα φαίνεται μια ηλεκτρική πηγή να διαρρέεται από ρεύμα συμβατικής φοράς από τον ακροδέκτη Γ προς τον ακροδέκτη Δ. Επειδή η ηλεκτρική πηγή παρέχει ηλεκτρική ενέργεια στο κύκλωμα ο ακροδέκτης Γ είναι αρνητικότερος από τον ακροδέκτη Δ.

Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος

Η μεγάλη χρησιμότητα του ηλεκτρικού ρεύματος οφείλεται στο ότι με αυτό είναι πολύ εύκολη η μεταφορά ενέργειας από τον τόπο παραγωγής της στην κατανάλωση.

Ο ρυθμός με τον οποίο παράγεται ή καταναλίσκεται η ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό δίπολο εκφράζεται από την ισχύ που συμβολίζεται με το γράμμα P. Ορίζεται ως εξής: Η ηλεκτρική ενέργεια ΔΕ που καταναλίσκεται από ένα ηλ. δίπολο στο μικρό χρονικό παράθυρο Δt, δίνεται απο τον τύπο ΔΕ = P∙Δt  Συνεπώς η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος που καταναλίσκεται σε ηλεκτρικό δίπολο δίνεται από τη σχέση: P = ΔΕ/Δt

Αποδεικνύεται ότι, εάν σε ένα ηλεκτρικό δίπολο το οποίο διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι, έχοντας διαφορά δυναμικού V στα άκρα του, η ισχύς Ρ του ηλεκτρικού ρεύματος που καταναλίσκεται από το δίπολο είναι ίση P=I∙V.

Στην περίπτωση που το ρεύμα (συμβατική φορά) εισέρχεται στο θετικότερο ακροδέκτη του διπόλου, τότε καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια από το δίπολο (π.χ. αντίσταση) και η ισχύς είναι θετική ποσότητα, ενώ στην περίπτωση που το ρεύμα εισέρχεται στο αρνητικότερο ακροδέκτη του διπόλου (π.χ. ηλεκτρική πηγή), τότε παράγεται ηλεκτρική ενέργεια από το δίπολο και η ισχύς είναι αρνητική  ποσότητα