Ηλεκτρικό ρεύμα ⚡

Σε αυτή την ενότητα θα δούμε τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα, πώς δημιουργείται μέσα στους μεταλλικούς αγωγούς, ποια είναι η φορά του, ποια αποτελέσματα προκαλεί και πώς μετράμε την «ποσότητά» του μέσω της έντασης.

Το ηλεκτρικό ρεύμα στους μεταλλικούς αγωγούς

Ας σκεφτούμε τι συμβαίνει σε έναν μεταλλικό αγωγό, αν συνδέσουμε τα άκρα του με μια πηγή συνεχούς τάσης.

Μόλις γίνει η σύνδεση, στα άκρα του αγωγού υπάρχει διαφορά δυναμικού και στο εσωτερικό του δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου.

Με την επίδραση αυτής της δύναμης τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται προσανατολισμένα:

με φορά από τον αρνητικό πόλο της πηγής (χαμηλότερο δυναμικό) προς τον θετικό πόλο (υψηλότερο δυναμικό),
δηλαδή με φορά αντίθετη της φοράς της έντασης $\vec{E}$ του ηλεκτρικού πεδίου.

Το ήξερες;

Η ένταση $\vec{E}$ του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στον αγωγό «δείχνει» από το υψηλό προς το χαμηλό δυναμικό. Επειδή τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, η δύναμη $\vec{F}=q\vec{E}$ που δέχονται είναι αντίθετη του $\vec{E}$ , γι' αυτό κινούνται προς τον θετικό πόλο. 🧲

🔎 Σχήμα (εικ. 2.2-3 του βιβλίου): Δείχνει έναν μεταλλικό αγωγό συνδεδεμένο σε πηγή. Μέσα του τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται όλα προς την ίδια κατεύθυνση (προς τον θετικό πόλο), ενώ το διάνυσμα $\vec{E}$ του πεδίου δείχνει αντίθετα.

Το ήξερες;

Ορισμός — ηλεκτρικό ρεύμα σε μεταλλικό αγωγό: Η προσανατολισμένη αυτή κίνηση των ηλεκτρονίων στον μεταλλικό αγωγό ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Πιο γενικά, για οποιοδήποτε υλικό (όχι μόνο μέταλλα), ισχύει ο εξής ορισμός:

Το ήξερες;

Γενικός ορισμός: Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται η προσανατολισμένη (κατευθυνόμενη) κίνηση ηλεκτρικών φορτίων.

Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος

Η φορά της πραγματικής κίνησης των ηλεκτρονίων λέγεται πραγματική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος.

Ωστόσο, έχει επικρατήσει να θεωρούμε ως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος την αντίθετη από τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων. Αυτή λέγεται συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος.

Φορά	Περιγραφή
Πραγματική	Η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων: από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο
Συμβατική	Η αντίθετη από την κίνηση των ηλεκτρονίων: από τον θετικό προς τον αρνητικό πόλο

🔎 Σχήμα (εικ. 2.2-4 του βιβλίου): Σε έναν αγωγό φαίνονται δύο αντίθετα βέλη: το ένα δείχνει την πραγματική φορά (κίνηση ηλεκτρονίων) και το άλλο, αντίθετο, τη συμβατική φορά του ρεύματος.

Προσοχή!

Στα κυκλώματα, εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά, εννοούμε πάντα τη συμβατική φορά (από τον θετικό προς τον αρνητικό πόλο, δηλαδή «από τα ψηλά προς τα χαμηλά» δυναμικά). Μην τη μπερδεύεις με την πραγματική κίνηση των ηλεκτρονίων, που είναι αντίθετη! ⚠️

Γιατί υπάρχει αυτή η σύμβαση;

Οι μεγάλοι πειραματικοί φυσικοί του προηγούμενου αιώνα που μελετούσαν τα ηλεκτρικά φαινόμενα δεν γνώριζαν τη σημερινή δομή του ατόμου. Χρησιμοποιούσαν ως φορά του ρεύματος τη φορά κίνησης του θετικού φορτίου, δηλαδή αυτή που εμείς σήμερα ονομάζουμε συμβατική. Απλά εμείς διατηρήσαμε την παράδοση.

Αυτό μάλιστα μας βολεύει, γιατί οι περισσότεροι άνθρωποι αντιλαμβάνονται ευκολότερα ότι μια ροή συμβαίνει «απ' τα ψηλά στα χαμηλά» παρά αντίθετα. Έτσι:

Τα περισσότερα ηλεκτρικά κυκλώματα χρησιμοποιούν τον αρνητικό πόλο ως γείωση, δηλαδή ως σημείο όπου το δυναμικό ισούται με μηδέν, $V=0$ .
Ο θετικός πόλος έχει τότε θετικό δυναμικό, δηλαδή «βρίσκεται πιο ψηλά» από τον αρνητικό.

Αναλυτική περιγραφή του ηλεκτρικού ρεύματος στους μεταλλικούς αγωγούς

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δέχονται συνεχώς τη δύναμη από το ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι επιταχύνονται συνεχώς! Ο λόγος είναι ότι συγκρούονται με τα θετικά ιόντα του μεταλλικού αγωγού. Κατά τη σύγκρουση χάνουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας και στη συνέχεια ξαναεπιταχύνονται, μέχρι να ξανασυγκρουστούν, και ούτω καθεξής.

Η σύνθετη αυτή κίνηση μπορεί να θεωρηθεί πρακτικά ευθύγραμμη ομαλή, με σταθερή ταχύτητα της τάξης των $\mathrm{mm/s}$ . Η ταχύτητα αυτή λέγεται ταχύτητα διολίσθησης και συμβολίζεται με $\upsilon_d$ .

Το ήξερες;

Η ταχύτητα διολίσθησης είναι εκπληκτικά μικρή, μόλις μερικά χιλιοστά το δευτερόλεπτο! 🐌 Το ίδιο το ηλεκτρικό «σήμα» όμως ταξιδεύει σχεδόν ακαριαία, γιατί το ηλεκτρικό πεδίο «βάζει σε κίνηση» όλα τα ηλεκτρόνια σχεδόν ταυτόχρονα σε όλο τον αγωγό.

Το φαινόμενο Joule

Η μείωση της κινητικής ενέργειας των ελεύθερων ηλεκτρονίων, λόγω των συγκρούσεών τους με τα θετικά ιόντα, έχει ως συνέπεια την αύξηση της ενέργειας ταλάντωσης (άρα και του πλάτους ταλάντωσης) των θετικών ιόντων. Αποτέλεσμα είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του μεταλλικού αγωγού, οπότε μεταφέρεται θερμότητα από τον αγωγό προς το περιβάλλον.

Το φαινόμενο αυτό λέγεται φαινόμενο Joule.

Προσοχή!

Για να συντηρείται το φαινόμενο Joule, η ηλεκτρική πηγή πρέπει να προσφέρει συνεχώς ενέργεια. Η ενέργεια δεν παράγεται «από το πουθενά»: η πηγή τροφοδοτεί διαρκώς το κύκλωμα. 🔋

Δύο κινήσεις ταυτόχρονα

Η κίνηση των ηλεκτρονίων δεν είναι τόσο απλή όσο φαίνεται:

Πριν από τη σύνδεση με την πηγή, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται άτακτα, χωρίς προτίμηση προς κάποια κατεύθυνση, με ταχύτητα της τάξης των $\mathrm{km/s}$ . Αυτή η άτακτη κίνηση δεν θεωρείται ηλεκτρικό ρεύμα (διότι δεν είναι προσανατολισμένη).
Μετά τη σύνδεση με την πηγή, τα ηλεκτρόνια δεν χάνουν την άτακτη κίνησή τους· απλώς στην ταχύτητά τους προστίθεται και η μικρή ταχύτητα διολίσθησης $\upsilon_d$ . Έτσι, όλο το «ηλεκτρονικό αέριο» μετακινείται με μικρή ταχύτητα προς ορισμένη κατεύθυνση. Αυτό είναι το ηλεκτρικό ρεύμα.

Προσοχή!

Παρατήρησε το παράδοξο μέγεθος των ταχυτήτων: η άτακτη κίνηση γίνεται με ταχύτητα της τάξης των $\mathrm{km/s}$ (πολύ μεγάλη!), ενώ η ταχύτητα διολίσθησης που οφείλεται στο πεδίο είναι μόλις της τάξης των $\mathrm{mm/s}$ (πάρα πολύ μικρή). Το ρεύμα οφείλεται στη μικρή, αλλά οργανωμένη, ταχύτητα διολίσθησης.

🔎 Σχήμα (εικ. 2.2-5 του βιβλίου): Δείχνει δύο τροχιές του ίδιου ελεύθερου ηλεκτρονίου. Χωρίς ηλεκτρικό πεδίο η τροχιά είναι εντελώς άτακτη, ζιγκ-ζαγκ, χωρίς συνολική μετατόπιση προς μια κατεύθυνση. Με ηλεκτρικό πεδίο η τροχιά παραμένει ζιγκ-ζαγκ, αλλά «παρασύρεται» συνολικά προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Μηχανικό ανάλογο της κίνησης του ηλεκτρονίου

Ένα χρήσιμο μηχανικό ανάλογο είναι η κίνηση ενός σφαιριδίου που κυλίεται σε κεκλιμένο επίπεδο μέσα από μια πυκνή διάταξη καρφιών:

Στοιχείο του ανάλογου	Αντιστοιχεί σε
Σφαιρίδιο	Ελεύθερο ηλεκτρόνιο
Καρφιά	Θετικά ιόντα του αγωγού
Συνιστώσα του βάρους του σφαιριδίου	Δύναμη από το ηλεκτρικό πεδίο

🔎 Σχήμα (εικ. 2.2-6 του βιβλίου): Ένα σφαιρίδιο κατεβαίνει κεκλιμένο επίπεδο γεμάτο καρφιά. Χτυπάει συνεχώς πάνω στα καρφιά (όπως το ηλεκτρόνιο στα ιόντα), αλλά τελικά κατεβαίνει με μια μέση σταθερή ταχύτητα προς τα κάτω, όπως ακριβώς το ηλεκτρόνιο αποκτά σταθερή ταχύτητα διολίσθησης.

Μηχανικό και υδραυλικό ανάλογο της ηλεκτρικής πηγής

Ένα σημαντικό σημείο που πρέπει να κατανοήσουμε:

Το ήξερες;

Η ηλεκτρική πηγή δεν παράγει ηλεκτρικά φορτία! Δημιουργεί απλώς διαφορά δυναμικού, λόγω της οποίας γίνεται η ροή των φορτίων που ήδη υπάρχουν μέσα στον αγωγό. Φυσικά, χρειάζεται συνεχής προσφορά ενέργειας από την πηγή. 🔋

Δύο όμορφα ανάλογα μας βοηθούν να το καταλάβουμε:

Υδραυλικό ανάλογο (εικ. 2.2-8): Μια αντλία δεν παράγει νερό, αλλά δημιουργεί διαφορά πίεσης, λόγω της οποίας γίνεται η ροή του νερού που ήδη υπάρχει στις σωληνώσεις. Απαιτείται συνεχής προσφορά ενέργειας από την αντλία.

Μηχανικό ανάλογο (εικ. 2.2-9): Ένας άνθρωπος δεν παράγει σφαιρίδια, αλλά δημιουργεί διαφορά δυναμικού (π.χ. ανεβάζοντας τα σφαιρίδια ψηλά), λόγω της οποίας γίνεται η ροή των σφαιριδίων που ήδη υπάρχουν. Απαιτείται συνεχής προσφορά ενέργειας από τον άνθρωπο.

Ηλεκτρικό σύστημα	Υδραυλικό ανάλογο	Μηχανικό ανάλογο
Ηλεκτρική πηγή	Αντλία	Άνθρωπος
Διαφορά δυναμικού	Διαφορά πίεσης	Διαφορά ύψους / δυναμικού
Ηλεκτρικά φορτία	Νερό	Σφαιρίδια
Δεν παράγει φορτία	Δεν παράγει νερό	Δεν παράγει σφαιρίδια

Αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει τους αγωγούς, προκαλεί κάποια φαινόμενα που ονομάζουμε αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες:

α) Θερμικά αποτελέσματα 🔥
Παρατηρούνται κατά τη λειτουργία του θερμοσίφωνα, της ηλεκτρικής κουζίνας, του λαμπτήρα πυρακτώσεως κ.ά. Σε αυτά τα φαινόμενα συμβαίνει αύξηση της θερμοκρασίας σε μεταλλικούς αγωγούς.

β) Χημικά αποτελέσματα 🧪
Παρατηρούνται κατά το άδειασμα μιας μπαταρίας, την ηλεκτρόλυση διαλύματος θειικού οξέος, την ηλεκτροπληξία κ.ά. Σε αυτά συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις.

γ) Μαγνητικά αποτελέσματα 🧲
Παρατηρούνται κατά τη λειτουργία κινητήρων (π.χ. του πλυντηρίου, του ασανσέρ, του τρόλεϊ), κατά την εκτροπή μιας μαγνητικής βελόνας από τη θέση ισορροπίας της κ.ά. Σε αυτά συμβαίνει αλληλεπίδραση ηλεκτρικών ρευμάτων και μαγνητών.

🔎 Σχήμα (εικ. 2.2-10 του βιβλίου): Συγκεντρώνει εικόνες συσκευών που αντιστοιχούν στα τρία αποτελέσματα: θερμικά (π.χ. σίδερο/λάμπα), χημικά (π.χ. μπαταρία) και μαγνητικά (π.χ. κινητήρας, μαγνητική βελόνα).

Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος

Η ιδέα: ο ρυθμός διέλευσης

Ας σκεφτούμε ένα παράδειγμα από την καθημερινότητα. Ακούμε στις ειδήσεις ότι το Σάββατο, από τις 8:00 π.μ. έως τις 11:00 π.μ., δηλαδή σε διάρκεια 3 ωρών, πέρασαν από τα διόδια της Ελευσίνας 2.100 αυτοκίνητα. Είναι φανερό ότι δεν μας ενδιαφέρει μόνο το πλήθος των αυτοκινήτων, αλλά και σε πόσο χρόνο πέρασαν, δηλαδή ο ρυθμός διέλευσης.

Το ίδιο ισχύει και στους αγωγούς: δεν μας ενδιαφέρει μόνο η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που περνά από μια διατομή του αγωγού, αλλά και σε πόσο χρόνο περνά, δηλαδή ο ρυθμός διέλευσης του ηλεκτρικού φορτίου.

Ορισμός της έντασης

Θεωρούμε έναν αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο:

έχει πάντα την ίδια φορά → συνεχές ρεύμα, και
από μια διατομή του περνά ίδια ποσότητα φορτίου σε ίσους χρόνους → χρονικά σταθερό ρεύμα.

🔎 Σχήμα (εικ. 2.2-11 του βιβλίου): Δείχνει έναν αγωγό και μια διατομή του (μια «τομή» κάθετη στον άξονά του), από την οποία περνούν τα φορτία. Πάνω σε αυτή τη διατομή μετράμε πόσο φορτίο διέρχεται.

Το ήξερες;

Ορισμός — ένταση ηλεκτρικού ρεύματος: Στην περίπτωση του συνεχούς και χρονικά σταθερού ρεύματος, ορίζουμε ως ένταση $I$ του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό το μονόμετρο μέγεθος που έχει μέτρο ίσο με το πηλίκο του φορτίου $q$ , που περνά από μια διατομή του αγωγού σε χρόνο $t$ , προς τον χρόνο $t$ .

Δηλαδή:

I = \dfrac{q}{t} \qquad (1)

Η μονάδα της έντασης

Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) η ένταση του ρεύματος είναι θεμελιώδες μέγεθος με μονάδα το 1 Ampère (1 A), που είναι θεμελιώδης μονάδα.

Ισχύει η σχέση:

1\,\mathrm{A} = \dfrac{1\,\mathrm{C}}{1\,\mathrm{s}} \qquad \left(1\ \text{Ampère} = \dfrac{1\ \text{Coulomb}}{1\ \text{second}}\right)

Το ήξερες;

Ορισμός του Coulomb μέσω της σχέσης (1): $1\,\mathrm{C} = 1\,\mathrm{A}\cdot 1\,\mathrm{s}$ . Δηλαδή, 1 Coulomb είναι το φορτίο που περνά σε χρόνο 1 s από μια διατομή ενός αγωγού ο οποίος διαρρέεται από ρεύμα έντασης 1 A. 🔌

Φυσική σημασία

Το ήξερες;

Πόρισμα: Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος εκφράζει τον ρυθμό διέλευσης του ηλεκτρικού φορτίου από μια διατομή ενός αγωγού. Όσο μεγαλύτερη η ένταση, τόσο περισσότερο φορτίο περνά στον ίδιο χρόνο.

Προσοχή!

Η σχέση $I=\dfrac{q}{t}$ ισχύει μόνο για συνεχές και χρονικά σταθερό ρεύμα. Αν το ρεύμα μεταβάλλεται με τον χρόνο, ο τύπος αυτός δίνει τη μέση ένταση στο διάστημα $t$ .

Λυμένο Παράδειγμα

Παράδειγμα 1

Ένας αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης $I = 4\,\mathrm{A}$ . Να βρεθούν:

α) το φορτίο που περνά από μια διατομή του αγωγού σε χρόνο $t = 4\,\mathrm{s}$ ,

β) ο αριθμός των ηλεκτρονίων που περνά από μια διατομή του αγωγού σε χρόνο $t = 4\,\mathrm{s}$ .

Δίνεται το μέτρο του φορτίου του ηλεκτρονίου: $|q_e| = 1{,}6\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}$ .

Λύση

α) Από τον ορισμό της έντασης $I$ του ρεύματος έχουμε:

I = \dfrac{q}{t} \;\Rightarrow\; q = I\,t \;\Rightarrow\; q = 4\,\mathrm{A}\cdot 4\,\mathrm{s} \;\Rightarrow\; q = 16\,\mathrm{C}

β) Έστω $N$ ο αριθμός των ηλεκτρονίων. Το συνολικό φορτίο είναι το άθροισμα των φορτίων όλων των ηλεκτρονίων, δηλαδή $q = N\,|q_e|$ . Άρα:

q = N\,|q_e| \;\Rightarrow\; N = \dfrac{q}{|q_e|} \;\Rightarrow\; N = \dfrac{16}{1{,}6\cdot 10^{-19}} \;\Rightarrow\; N = 10^{20}\ \text{ηλεκτρόνια}

Το ήξερες;

Σκέψου το μέγεθος του $10^{20}$ ! Σε μόλις 4 δευτερόλεπτα περνούν εκατό εκατομμύρια τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνια από μία και μόνο διατομή. Γι' αυτό, αν και κάθε ηλεκτρόνιο κουβαλάει ελάχιστο φορτίο, το συνολικό ρεύμα είναι αξιοσημείωτο. 🤯

Σύνοψη βασικών εννοιών

Έννοια	Σύντομη περιγραφή
Ηλεκτρικό ρεύμα	Προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρικών φορτίων
Πραγματική φορά	Φορά κίνησης ηλεκτρονίων (− → +)
Συμβατική φορά	Αντίθετη της πραγματικής (+ → −)
Ταχύτητα διολίσθησης $\upsilon_d$	Μέση ταχύτητα προσανατολισμένης κίνησης, τάξης mm/s
Φαινόμενο Joule	Έκλυση θερμότητας λόγω συγκρούσεων ηλεκτρονίων–ιόντων
Αποτελέσματα ρεύματος	Θερμικά, χημικά, μαγνητικά
Ένταση $I$	$I=\dfrac{q}{t}$ , ρυθμός διέλευσης φορτίου· μονάδα 1 A

✅ Ολοκλήρωση ενότητας. Καλύψαμε τη φύση του ηλεκτρικού ρεύματος στους μεταλλικούς αγωγούς, την πραγματική και συμβατική φορά, την αναλυτική περιγραφή της κίνησης των ηλεκτρονίων (ταχύτητα διολίσθησης, φαινόμενο Joule), τα μηχανικά και υδραυλικά ανάλογα, τα αποτελέσματα του ρεύματος και τον ορισμό της έντασης $I=\dfrac{q}{t}$ με πλήρως λυμένο παράδειγμα.