Ηλεκτρικές πηγές ⚡
Στην προηγούμενη ενότητα μελετήσαμε το δυναμικό και τη διαφορά δυναμικού ενός ηλεκτρικού πεδίου. Τώρα θα δούμε πώς δημιουργείται και διατηρείται μια διαφορά δυναμικού στην πράξη, ώστε να μπορεί να λειτουργήσει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Αυτό το επιτυγχάνουν οι ηλεκτρικές πηγές.
Πού συναντάμε τις ηλεκτρικές πηγές 🔋
Στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούμε ηλεκτρικές πηγές πολύ συχνά, ακόμη και χωρίς να το συνειδητοποιούμε. Μερικά τυπικά παραδείγματα είναι:
- Ηλεκτρικές στήλες (στοιχεία) για τη λειτουργία φορητών ραδιοφώνων, ρολογιών και φακών.
- Ηλεκτρικοί συσσωρευτές (μπαταρίες) για τη λειτουργία των ηλεκτρικών οργάνων του αυτοκινήτου.
- Φωτοστοιχεία για τη λειτουργία των μικρών αριθμομηχανών.
- Ηλεκτρικές γεννήτριες για το φωτισμό των εξοχικών σπιτιών.
Όλες αυτές οι συσκευές, παρότι μοιάζουν διαφορετικές, έχουν τον ίδιο βασικό ρόλο: είναι ηλεκτρικές πηγές.
Η πρώτη πραγματική ηλεκτρική πηγή που μπορούσε να δώσει συνεχές ρεύμα ήταν η βολταϊκή στήλη, που κατασκεύασε ο Αλεσάντρο Βόλτα γύρω στο 1800. Προς τιμήν του, η μονάδα μέτρησης της τάσης ονομάστηκε Volt! 🌐
Ο ρόλος της ηλεκτρικής πηγής 🎯
Ας απαντήσουμε στο βασικό ερώτημα: ποιος είναι ο ρόλος της ηλεκτρικής πηγής στις παραπάνω λειτουργίες;
Η ηλεκτρική πηγή επιτελεί δύο βασικές λειτουργίες:
- Δημιουργεί στα άκρα της διαφορά δυναμικού (τάση). Δηλαδή φροντίζει το ένα άκρο της να βρίσκεται διαρκώς σε υψηλότερο δυναμικό από το άλλο.
- Προσφέρει στο κύκλωμα την ενέργειά της. Χάρη σε αυτή την ενέργεια τα φορτία μπορούν να κινούνται μέσα στο κύκλωμα και να λειτουργούν οι συσκευές.
Ηλεκτρική πηγή ονομάζεται η διάταξη που δημιουργεί στα άκρα της διαφορά δυναμικού (τάση) και προσφέρει στο κύκλωμα την ενέργειά της.
Χωρίς την πηγή, τα ελεύθερα φορτία ενός αγωγού δεν θα είχαν κάποιο λόγο να κινούνται με προσανατολισμένο τρόπο. Η πηγή είναι αυτή που, διατηρώντας τη διαφορά δυναμικού, «ωθεί» τα φορτία και προκαλεί τη ροή τους, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα που θα μελετήσουμε στις επόμενες ενότητες.
Πόλοι της πηγής ➕➖
Τα άκρα της πηγής ονομάζονται πόλοι της πηγής. Επειδή η πηγή διατηρεί διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα άκρα της, οι δύο πόλοι βρίσκονται σε διαφορετικό δυναμικό.
Τα άκρα της πηγής ονομάζονται πόλοι της πηγής:
- Ο πόλος που βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό λέγεται θετικός πόλος και συμβολίζεται με το πρόσημο (+).
- Ο πόλος που βρίσκεται σε χαμηλότερο δυναμικό λέγεται αρνητικός πόλος και συμβολίζεται με το πρόσημο (−).
Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της πηγής είναι ακριβώς η τάση της πηγής. Αν συμβολίσουμε με το δυναμικό του θετικού πόλου και με το δυναμικό του αρνητικού πόλου, η τάση της πηγής είναι:
και είναι πάντα θετική, αφού ο θετικός πόλος βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό.
Τα ονόματα «θετικός» και «αρνητικός» πόλος δεν σημαίνουν ότι ο ένας πόλος είναι φορτισμένος θετικά και ο άλλος αρνητικά. Αναφέρονται στο δυναμικό κάθε πόλου: ο θετικός πόλος είναι αυτός με το υψηλότερο δυναμικό και ο αρνητικός αυτός με το χαμηλότερο. ⚠️
Είδη ηλεκτρικών πηγών 🔀
Ανάλογα με το πώς συμπεριφέρονται οι πόλοι τους, διακρίνουμε δύο είδη ηλεκτρικών πηγών.
α) Πηγές συνεχούς τάσης
Στις πηγές συνεχούς τάσης ο θετικός και ο αρνητικός πόλος είναι καθορισμένοι, δηλαδή δεν αλλάζουν με τον χρόνο. Ο πόλος που είναι θετικός παραμένει διαρκώς θετικός και ο αρνητικός παραμένει διαρκώς αρνητικός.
Σε αυτές τις πηγές, επειδή οι πόλοι δεν εναλλάσσονται, η φορά κίνησης των φορτίων στο κύκλωμα παραμένει σταθερή. Δημιουργείται έτσι το συνεχές ρεύμα, που θα μελετήσουμε αναλυτικά στο κεφάλαιο αυτό.
Τυπικά παραδείγματα πηγών συνεχούς τάσης είναι οι μπαταρίες, τα στοιχεία και τα φωτοστοιχεία.
Στα σχέδια κυκλωμάτων η πηγή συνεχούς τάσης παριστάνεται με δύο παράλληλες γραμμές διαφορετικού μήκους (Εικ. 2.1-1 του σχολικού βιβλίου):
- η μακριά και λεπτή γραμμή αντιστοιχεί στον θετικό πόλο (+),
- η κοντή και χοντρή γραμμή αντιστοιχεί στον αρνητικό πόλο (−).
β) Πηγές εναλλασσόμενης τάσης
Στις πηγές εναλλασσόμενης τάσης ο θετικός και ο αρνητικός πόλος εναλλάσσονται. Αυτό σημαίνει ότι ο πόλος που κάποια στιγμή είναι θετικός, λίγο αργότερα γίνεται αρνητικός και αντίστροφα, με ρυθμικό τρόπο.
Επειδή οι πόλοι εναλλάσσονται, η φορά κίνησης των φορτίων στο κύκλωμα αλλάζει διαρκώς. Δημιουργείται έτσι το εναλλασσόμενο ρεύμα.
Τυπικό παράδειγμα πηγής εναλλασσόμενης τάσης είναι η ηλεκτρική γεννήτρια και, γενικότερα, το οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο (η πρίζα του σπιτιού μας).
Στα σχέδια κυκλωμάτων η πηγή εναλλασσόμενης τάσης παριστάνεται με έναν κύκλο που περιέχει ένα ημιτονοειδές κυματάκι (το σύμβολο ), το οποίο θυμίζει τη συνεχή εναλλαγή της τάσης (Εικ. 2.1-2 του σχολικού βιβλίου).
Μην μπερδεύεις τα δύο είδη πηγών:
- Στη συνεχή τάση οι πόλοι μένουν σταθεροί, οπότε και η φορά του ρεύματος είναι σταθερή.
- Στην εναλλασσόμενη τάση οι πόλοι εναλλάσσονται, οπότε και η φορά του ρεύματος αλλάζει διαρκώς.
Σε αυτό το κεφάλαιο θα ασχοληθούμε αποκλειστικά με το συνεχές ρεύμα, δηλαδή με πηγές συνεχούς τάσης. ⚠️
Σύνοψη 📌
| Έννοια | Περιγραφή |
|---|---|
| Ηλεκτρική πηγή | Διάταξη που δημιουργεί τάση στα άκρα της και προσφέρει ενέργεια στο κύκλωμα |
| Πόλοι | Τα άκρα της πηγής |
| Θετικός πόλος (+) | Ο πόλος σε υψηλότερο δυναμικό |
| Αρνητικός πόλος (−) | Ο πόλος σε χαμηλότερο δυναμικό |
| Πηγή συνεχούς τάσης | Οι πόλοι είναι καθορισμένοι (π.χ. μπαταρία, στοιχείο, φωτοστοιχείο) |
| Πηγή εναλλασσόμενης τάσης | Οι πόλοι εναλλάσσονται (π.χ. γεννήτρια, οικιακό δίκτυο) |
Ολοκλήρωση ✅
Σε αυτή την ενότητα μάθαμε:
- Ότι ηλεκτρική πηγή είναι κάθε διάταξη που δημιουργεί στα άκρα της διαφορά δυναμικού (τάση) και προσφέρει στο κύκλωμα την ενέργειά της (μπαταρίες, στοιχεία, φωτοστοιχεία, γεννήτριες).
- Ότι τα άκρα της πηγής ονομάζονται πόλοι, με τον θετικό πόλο (+) στο υψηλότερο δυναμικό και τον αρνητικό πόλο (−) στο χαμηλότερο, ώστε η τάση να είναι .
- Τα δύο είδη πηγών: τις πηγές συνεχούς τάσης (καθορισμένοι πόλοι) και τις πηγές εναλλασσόμενης τάσης (εναλλασσόμενοι πόλοι), καθώς και τα σύμβολά τους στα κυκλώματα.