Ορισμός Ηλεκτρικού Κυκλώματος 💡

Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι κάθε σύστημα που αποτελείται από κλειστούς αγώγιμους "δρόμους". Μέσα από αυτούς τους δρόμους μπορεί να περάσει ηλεκτρικό ρεύμα. ⚡

Κλειστό και Ανοιχτό Κύκλωμα

Αν παρατηρήσεις μια μπαταρία 🔋, έναν ανεμιστήρα 💨 ή μια λάμπα 💡, θα δεις ότι έχουν δύο άκρα, που τα λέμε πόλους. Αν συνδέσεις με ένα καλώδιο τα άκρα μιας μπαταρίας με τα άκρα μιας λάμπας, θα δεις ότι η λάμπα ανάβει ✨. Μέσα στο καλώδιο και στη λάμπα, μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται ηλεκτρόνια κινούνται από τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας προς τον θετικό πόλο. Επίσης, μέσα στην μπαταρία, τα ηλεκτρόνια κινούνται από τον θετικό πόλο προς τον αρνητικό πόλο.

Κλειστό/Ανοικτό και Διακόπτης 🕹️

Όταν τα ηλεκτρόνια ακολουθούν μια κλειστή διαδρομή, τότε έχουμε ένα κλειστό κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος. 🔄

Αν αποσυνδέσουμε το σύρμα από την μπαταρία 🔋 ή από τον λαμπτήρα, ο λαμπτήρας σβήνει. Αυτό συμβαίνει επειδή ανάμεσα στο σύρμα και την μπαταρία ή τον λαμπτήρα παρεμβάλλεται αέρας, ο οποίος δεν επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινηθούν. Έτσι, η κίνησή τους σταματά και το κύκλωμα ονομάζεται ανοιχτό. Ένα ανοιχτό κύκλωμα δεν έχει ηλεκτρικό ρεύμα. Μπορούμε να μετατρέψουμε ένα ανοιχτό κύκλωμα σε κλειστό με έναν διακόπτη. Για να ανάψει ο λαμπτήρας, το κύκλωμα δεν πρέπει να διακόπτεται πουθενά. 🚫

Αν το σύρμα του λαμπτήρα κοπεί, το κύκλωμα είναι ανοιχτό και ο λαμπτήρας δεν λειτουργεί, θα σταματήσει. 🛑

Ηλεκτρική Πηγή και Ενέργεια 💡

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κίνηση μικροσκοπικών φορτισμένων σωματιδίων προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτά τα σωματίδια κινούνται επειδή τα σπρώχνει μια δύναμη που δημιουργείται από την πηγή του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η δύναμη κάνει δουλειά, και η ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα σωματίδια ονομάζεται ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος. ⚡

Από πού παίρνει την ενέργειά του το ηλεκτρικό ρεύμα; Η ενέργεια έρχεται από την πηγή, η οποία βάζει σε κίνηση τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα μεταλλικό καλώδιο.

Οτιδήποτε μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια ονομάζεται πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, ή απλά ηλεκτρική πηγή. Σε μια ηλεκτρική πηγή, η ενέργεια δεν δημιουργείται από το τίποτα, απλώς μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. 🔄

Μετατροπή Ενέργειας σε Ηλεκτρική ⚡

Κάθε συσκευή στην οποία μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ονομάζεται πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ή απλώς ηλεκτρική πηγή. Βεβαίως μια ηλεκτρική πηγή δεν παράγει ενέργεια από το μηδέν 🚫. Απλώς μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η μορφή της ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική εξαρτάται από το είδος της ηλεκτρικής πηγής. Έτσι σ’ ένα ηλεκτρικό στοιχείο (κοινώς μπαταρία) ή σ’ έναν συσσωρευτή (μπαταρία αυτοκινήτου) χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική, ενώ σε μια γεννήτρια κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική 🔋. Άλλες ηλεκτρικές πηγές είναι το φωτοστοιχείο και το θερμοστοιχείο. Σ’ ένα φωτοστοιχείο ενέργεια της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική, ενώ σ’ ένα θερμοστοιχείο θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια στο μηδέν. ☀️

Διαφορά Δυναμικού στο Κύκλωμα 💡

Οι φορητές ηλεκτρικές συσκευές όπως φακοί🔦, ραδιόφωνα📻, βιντεοκάμερες 📹 κ.λπ. για να λειτουργήσουν χρειάζεται να συνδεθούν με μια μπαταρία🔋. Το βασικό χαρακτηριστικό μιας μπαταρίας, αλλά και κάθε ηλεκτρικής πηγής είναι η τάση. Όταν αγοράζεις μια μπαταρία ζητάς να έχει τάση $1,5 V$ ή $4,5 V$ ή $9 V$ ανάλογα με τη συσκευή που θέλεις να τροφοδοτήσεις. Όλοι γνωρίζουμε ότι η τάση στον ρευματοδότη (πρίζα🔌) του σπιτιού μας είναι $220 V$.

Με ποιο φυσικό μέγεθος συνδέεται η τάση της μπαταρίας;
Διαφορά δυναμικού στους πόλους πηγής

Συναρμολογούμε ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα με μια μπαταρία, έναν διακόπτη και ένα λαμπάκι. Η ηλεκτρική πηγή (μπαταρία) δημιουργεί μέσα στο σύρμα ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από το σύρμα του λαμπτήρα. Η φωτεινή ενέργεια του λαμπτήρα προέρχεται από την ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή την ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων που με τη σειρά της προέρχεται από την μπαταρία.

Ορισμός 👇

Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού $V_{πηγής}$ μεταξύ των δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής το πηλίκο της ενέργειας που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρόνια $E_{ηλεκτρική}$ συνολικού φορτίου $q$ όταν διέρχονται από αυτήν προς το φορτίο $q$ ή στη γλώσσα των μαθηματικών:

$V_{πηγής} = \frac{E_{ηλεκτρική}}{q}$

Επομένως η ενέργεια που προσφέρει η πηγή στα ηλεκτρόνια δίδεται από τη σχέση:

$E_{ηλεκτρική} = (V_{πηγής}) \cdot q$

Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης (διαφοράς δυναμικού) στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) ονομάζεται Volt ($1 V$) και ορίζεται ως:

$1 Volt = \frac{1 Joule}{1 Coulomb}$ ή $1 V = \frac{1 J}{1 C}$

Διαφορά Δυναμικού στο Κύκλωμα 💡

Οι φορητές ηλεκτρικές συσκευές όπως φακοί🔦, ραδιόφωνα📻, βιντεοκάμερες 📹 κ.λπ. για να λειτουργήσουν χρειάζεται να συνδεθούν με μια μπαταρία🔋. Το βασικό χαρακτηριστικό μιας μπαταρίας, αλλά και κάθε ηλεκτρικής πηγής είναι η τάση. Όταν αγοράζεις μια μπαταρία ζητάς να έχει τάση $1,5 V$ ή $4,5 V$ ή $9 V$ ανάλογα με τη συσκευή που θέλεις να τροφοδοτήσεις. Όλοι γνωρίζουμε ότι η τάση στον ρευματοδότη (πρίζα🔌) του σπιτιού μας είναι $220 V$.

Με ποιο φυσικό μέγεθος συνδέεται η τάση της μπαταρίας;
Διαφορά δυναμικού στους πόλους πηγής

Συναρμολογούμε ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα με μια μπαταρία, έναν διακόπτη και ένα λαμπάκι. Η ηλεκτρική πηγή (μπαταρία) δημιουργεί μέσα στο σύρμα ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από το σύρμα του λαμπτήρα. Η φωτεινή ενέργεια του λαμπτήρα προέρχεται από την ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή την ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων που με τη σειρά της προέρχεται από την μπαταρία.

Ορισμός 👇

Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού $V_{πηγής}$ μεταξύ των δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής το πηλίκο της ενέργειας που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρόνια $E_{ηλεκτρική}$ συνολικού φορτίου $q$ όταν διέρχονται από αυτήν προς το φορτίο $q$ ή στη γλώσσα των μαθηματικών:

$V_{πηγής} = \frac{E_{ηλεκτρική}}{q}$

Επομένως η ενέργεια που προσφέρει η πηγή στα ηλεκτρόνια δίδεται από τη σχέση:

$E_{ηλεκτρική} = (V_{πηγής}) \cdot q$

Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης (διαφοράς δυναμικού) στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) ονομάζεται Volt ($1 V$) και ορίζεται ως:

$1 Volt = \frac{1 Joule}{1 Coulomb}$ ή $1 V = \frac{1 J}{1 C}$

Διαφορά Δυναμικού στα Άκρα Καταναλωτή 💡

Όταν τα ηλεκτρόνια περνούν μέσα από μια λάμπα, η ηλεκτρική ενέργεια αλλάζει μορφή και γίνεται θερμότητα και φως. Η λάμπα, όπως και κάθε συσκευή που αλλάζει την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλη μορφή ενέργειας, ονομάζεται καταναλωτής.

Η ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού (V) ανάμεσα στα δύο άκρα ενός καταναλωτή είναι ίση με την ενέργεια που μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου $q$ στον καταναλωτή, προς το φορτίο $q$. Αυτό μπορεί να γραφτεί και με μια μαθηματική σχέση:

$V = \frac{E_{ηλεκτρική}}{q}$

Για να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού στα άκρα ενός στοιχείου ενός κυκλώματος, όπως μιας μπαταρίας ή ενός λαμπτήρα, χρησιμοποιούμε ένα βολτόμετρο. Τα άκρα του βολτόμετρου συνδέονται παράλληλα με τα άκρα του στοιχείου στο οποίο θέλουμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού. 📏

Σε ένα κύκλωμα, αν ανοίξουμε τον διακόπτη, το λαμπάκι σταματά να λάμπει. Η ένδειξη του βολτόμετρου στα άκρα του λαμπτήρα τότε είναι μηδέν. Η ηλεκτρική τάση στα άκρα του λαμπτήρα υπάρχει επειδή υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο σύρμα του λαμπτήρα. Όσο πιο δυνατό είναι το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο σύρμα του λαμπτήρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική τάση στα άκρα του. Όταν δεν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του σύρματος, δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα και η τάση στα άκρα του είναι μηδέν. ⚡

Αν συνδέσουμε το βολτόμετρο στους πόλους μιας πηγής (μπαταρίας), η ένδειξη του βολτόμετρου θα είναι πάντα 4,5 V. 🔋

Επομένως, η τάση στα άκρα:

• ενός καταναλωτή είναι μηδέν όταν δεν τον διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα.
• μιας μπαταρίας είναι διαφορετική από το μηδέν, είτε την διαρρέει ρεύμα είτε όχι. ✅