Ηλεκτρισμός

Στο προηγούμενο κεφάλαιο αναφέραμε ότι οι αγωγοί, ανάλογα με τα χημικά στοιχεία που αποτελείται το υλικό τους και τον τρόπο κατασκευής τους, επιτρέπουν εύκολα ή παρουσιάζουν κάποια δυσκολία στη ροή του ρεύματος. Όταν υπάρχει ροή ρεύματος μέσα από έναν αγωγό τότε αυξάνει η θερμοκρασία του. Για να αποφύγουμε τη θέρμανσή του τον κατασκευάζουμε με μεγαλύτερη διατομή. Για αυτό το λόγο τα καλώδια που τροφοδοτούν συσκευές με μεγάλη κατανάλωση ρεύματος (κουζίνες, θερμοσίφωνες) είναι χοντρά. Μπορούμε όμως να εκμεταλλευτούμε το χαρακτηριστικό της θέρμανσης του αγωγού ώστε να παράγουμε θερμότητα.

Τα μέταλλα γενικά επιτρέπουν εύκολα τη ροή ρεύματος^[1]. Μπορούμε να συνδυάσουμε διάφορα μέταλλα με άλλα υλικά (ημιαγωγούς ή κάποιες χημικές ενώσεις) και να κατασκευάσουμε σύρματα (ή νήματα) από τα κράματα αυτά με την αντίσταση^[2] που θέλουμε (αντιστάτες). Με κατάλληλη διατομή του σύρματος, η θερμότητα που παράγεται στον αντιστάτη όταν διαρρέεται από ρεύμα μπορεί να είναι τόσο μεγάλη ώστε να πυρακτώσει. Αν υπολογίσουμε σωστά την τάση τροφοδοσίας και την αντίσταση του αντιστάτη ώστε το ρεύμα να είναι τόσο ώστε να θερμαίνεται, αλλά όχι υπερβολικά μεγάλο ώστε να λιώσει και να καεί, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη διάταξη για θέρμανση ή φωτισμό. Με αυτόν τον τρόπο λειτουργούν οι ηλεκτρικές θερμάστρες, οι ηλεκτρικές κουζίνες, φούρνοι (εκτός του φούρνου μικροκυμάτων), τοστιέρες κλπ, αλλά και λάμπες πυρακτώσεως για φωτισμό.

Με το ρεύμα που καταναλώνεται^[3] σε αυτές τις συσκευές παράγεται θερμότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ρεύματος τόσο περισσότερη είναι η θερμότητα που παράγεται και αντίστοιχα η ισχύς της συσκευής. Η ισχύς συμβολίζεται με P, μονάδα μέτρησης είναι τα Watt (W) και ισούται με το γινόμενο της τάσης (V) που εφαρμόζεται στη συσκευή για την τροφοδοσία της, επί την ένταση του ρεύματος (I) που τη διαρρέει: P=V·I

Η ενέργεια που καταναλώνει μια συσκευή μετά από κάποιο χρόνο λειτουργίας είναι το γινόμενο της ισχύος επί τον χρόνο λειτουργίας της συσκευής, συμβολίζεται με E, η μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται συνήθως είναι η κιλοβατώρα^[4] (kWh) και αντιστοιχεί σε κατανάλωση ενός κιλοβάτ (1kW=1000W) για μία ώρα (h).

Άλλη μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται, κυρίως σε μπαταρίες και συσσωρευτές, είναι τα αμπερώρια (Ah) ή μιλιαμπερώρια (mAh) (1A=1000mA). Το μέγεθος που χρησιμοποιεί αυτές τις μονάδες έχει την έννοια της χωρητικότητας της μπαταρίας, αντιστοιχεί σε τροφοδοσία ρεύματος επί τον χρόνο και πρέπει να συνοδεύεται από την τάση της μπαταρίας, ώστε να μπορεί να γίνει αριθμητική σύγκριση με μια άλλη μπαταρία. Αν για παράδειγμα ένας συσσωρευτής γράφει στα στοιχεία του: 5000mAh, 5V, 1Α max σημαίνει ότι έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτήσει μια συσκευή με 5000mA (δηλαδή 5Α) για μία ώρα στα 5V. Επειδή όμως η ο συσσωρευτής έχει όριο στο ρεύμα που μπορεί να τροφοδοτήσει μέγιστο 1Α, μπορούμε να πούμε ότι στη μέγιστη λειτουργία του μπορεί να τροφοδοτήσει μια συσκευή με 1000mΑ για 5 ώρες (ή οποιοδήποτε άλλο γινόμενο επαληθεύει το όριο των mAh). Συγκριτικά τώρα με έναν άλλο συσσωρευτή με χαρακτηριστικά: 5000mAh, 1,2V, 5Α max, μπορούμε να πούμε ότι παρόλο που ο δεύτερος έχει την ίδια χωρητικότητα, μπορεί να τροφοδοτήσει μια συσκευή με μεγαλύτερο ρεύμα, όμως η συνολική ενέργεια σε Wh που έχει αποθηκευμένη και μπορεί να αποδώσει είναι μικρότερη γιατί είναι μικρότερη η τάση του. Έτσι ενώ ο πρώτος λειτουργώντας με το μέγιστο ρεύμα του 1Α μπορεί να λειτουργήσει για 5h και να αποδώσει 1A·5V·5h=25Wh, ο δεύτερος, λειτουργώντας επίσης με το μέγιστο ρεύμα του 5A μπορεί να λειτουργήσει για 1h και να αποδώσει: 5A·1,2V·1h=6Wh ^[5]

Μια ιδιότητα των αγωγών όταν διαρρέονται από ρεύμα είναι να δημιουργούν γύρω τους μαγνητικό πεδίο. Μπορούν να συμπεριφερθούν δηλαδή ως μαγνήτες και να έλξουν μέταλλα ή άλλους μαγνήτες. Αυτό μπορούμε να το παρατηρήσουμε αν τοποθετήσουμε μια πυξίδα δίπλα σε έναν ρευματοφόρο αγωγό^[6]. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται είναι κυκλικό, σύμφωνα με τον κανόνα του δεξιού χεριού, όπου ο αντίχειρας δείχνει τη συμβατική φορά του ρεύματος και τα δάχτυλα τη φορά του μαγνητικού πεδίου (εικόνα 1). Η ένταση (Β) του πεδίου είναι ανάλογη του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό.

Συνέπεια της παραπάνω ιδιότητας είναι να ασκείται μια δύναμη^[7] (δύναμη Lorentz) σε έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα αν τοποθετηθεί κατάλληλα σε ένα μαγνητικό πεδίο^[8] γιατί θα αλληλοεπιδράσει με αυτό^[9]. Τη φορά της δύναμης αυτής μπορούμε να προσδιορίσουμε με τον κανόνα του δεξιού χεριού, όπου ο αντίχειρας, ο δείκτης και ο μέσος σχηματίζουν τρισορθογώνιο σύστημα. Τοποθετώντας τότε τον αντίχειρα στη συμβατική φορά του ρεύματος (I), τον δείκτη στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου (Β), ο μέσος θα δείχνει την κατεύθυνση της δύναµης (F), όπως φαίνεται στην εικόνα 2. Η δύναμη αυτή θα είναι ανάλογη του γινομένου της έντασης του μαγνητικού πεδίου με την ένταση του ρεύματος και του μήκους του αγωγού.

Την ιδιότητα αυτή των ρευματοφόρων αγωγών εκμεταλλευόμαστε ηλεκτρικούς κινητήρες (μοτέρ). Ένας απλός κινητήρας συνεχούς ρεύματος αποτελείται από αγωγούς και μαγνήτες. Οι αγωγοί είναι τυλιγμένοι σε ένα πλαίσιο-πυρήνα ώστε να σχηματίζουν σπείρες και οι μαγνήτες τοποθετημένοι γύρω τους ώστε οι σπείρες να περιστρέφονται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Στην εικόνα 3 παρουσιάζεται ένα απλοποιημένο σχήμα, όπου ο αγωγός σχηματίζει μια σπείρα και δύο μαγνήτες είναι τοποθετημένοι με τέτοιο τρόπο ώστε η σπείρα να περιστρέφεται στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται. Η σπείρα τροφοδοτείται με ρεύμα από έναν συσσωρευτή με τέτοιο τρόπο ώστε κατά την περιστροφή να μην αλλάζει η φορά των ρευμάτων.

Εικόνα 3. Απλοποιημένο σχήμα κινητήρα συνεχούς ρεύματος.

Αν εφαρμόσουμε τον κανόνα των τριών δακτύλων στα δύο τμήματα αγωγού της σπείρας που η συμβατική φορά του ρεύματος είναι κάθετη στη φορά του μαγνητικού πεδίου, θα δούμε ότι ασκούνται δυνάμεις σε αυτούς που σχηματίζουν ένα αντίθετο ζεύγος το οποίο αναγκάζει τη σπείρα να περιστραφεί. Καθώς η σπείρα περιστρέφεται, το ζεύγος δυνάμεων είναι πάντα κατακόρυφο, με αποτέλεσμα όλο και μικρότερη συνιστώσα των δυνάμεων να δρα στην κατεύθυνση της περιστροφής, έως ότου γίνει η σπείρα κατακόρυφη και το ζεύγος δυνάμεων δεν μπορεί πλέον να περιστρέψει τη σπείρα. Λόγω αδράνειας όμως ξεπερνάει αυτό το οριακό σημείο και καθώς συνεχίζει να περιστρέφεται, η συνιστώσα των δυνάμεων που δρα στην κατεύθυνση της περιστροφής μεγαλώνει, έως ότου μεγιστοποιηθεί όταν η σπείρα φτάσει στην οριζόντια θέση, η οποία είναι παρόμοια με την αρχική. Έχει κάνει έτσι μισή περιστροφή και με τον ίδιο τρόπο συνεχίζει να περιστρέφεται όσο υπάρχει τροφοδοσία ρεύματος.

Ο κινητήρας του παραδείγματος μπορεί να λειτουργήσει και ως γεννήτρια ρεύματος. Αν, αντί να τροφοδοτήσουμε με ρεύμα τις σπείρες συνδέσουμε ένα φορτίο σε αυτές (ένα λαμπάκι για παράδειγμα) και περιστρέψουμε μηχανικά τον κινητήρα, τότε θα δούμε ότι φορτίο θα αρχίσει να διαρρέεται από ρεύμα (το λαμπάκι θα ανάψει). Αυτό συμβαίνει γιατί περιστρέφοντας τον κινητήρα, ουσιαστικά περιστρέφονται οι σπείρες του αγωγού που βρίσκονται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Συνεπώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού αρχίζουν και αυτά να κινούνται μαζί με τον αγωγό μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Έτσι ασκείται στα ηλεκτρόνια δύναμη Laplace σύμφωνα με τον κανόνα των τριών δακτύλων και τα αναγκάζει να κινηθούν μέσα στον αγωγό όλα με την ίδια φορά, δηλαδή ροή ρεύματος (ηλεκτρεγερτική δύναμη).

Μια άλλη εφαρμογή που στηρίζεται στην ιδιότητα των ρευματοφόρων αγωγών να δημιουργούν γύρω τους μαγνητικό πεδίο, είναι οι ηλεκτρομαγνήτες. Αν σχηματίσουμε σπείρες με έναν αγωγό και τις τοποθετήσουμε τη μία δίπλα στην άλλη χωρίς να έχουν επαφή (σα να τυλίγουμε τον αγωγό σε έναν σωλήνα), δημιουργώντας έτσι μια σωληνωτή διάταξη (πηνίο), τα κυκλικά μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται όταν διαρρέεται από ρεύμα ο αγωγός έχουν την ίδια φορά κατά μήκος της διάταξης και καθώς συνδυάζονται μεταξύ τους σχηματίζουν ένα μαγνητικό πεδίο παρόμοιο με το πεδίο ραβδωτού μαγνήτη (εικόνα 4).

Εικόνα 4. Μαγνητικό πεδίο σωληνωτού πηνίου.

Αν τοποθετήσουμε μέσα στην παραπάνω διάταξη ένα μέταλλο, τότε αυτό θα συμπεριφέρεται ως φυσικός μαγνήτης. Ανάλογα με το μέταλλο μάλιστα, μπορεί να διατηρήσει τη μαγνήτισή του για κάποιο χρονικό διάστημα ή να τη χάσει με τη διακοπή τροφοδοσίας του ρεύματος στον αγωγό. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να κατασκευάσουμε τεχνητούς μαγνήτες οι οποίοι ονομάζονται ηλεκτρομαγνήτες^[10].

[1] Λέμε ότι παρουσιάζουν μεγάλη αγωγιμότητα (G) ή μικρή αντίσταση (R). Η αγωγιμότητα ως μέγεθος είναι το αντίστροφο της αντίστασης (G=1/R).

[2] Η ειδική αντίσταση (ρ) είναι το μέγεθος που χαρακτηρίζει το κάθε υλικό όσον αφορά τη ροή ρεύματος μέσα από αυτό και οι μονάδες μέτρησης είναι ωμ επί μέτρο (Ω·m). Η αντίσταση που παρουσιάζει ένας αγωγός μήκους (l) και διατομής (s) είναι: R=ρ·l/s

[3] Στην πραγματικότητα δεν καταναλώνεται το ρεύμα αλλά διαρρέει τα θερμαντικά στοιχεία της συσκευής. Ο όρος κατανάλωση χρησιμοποιείται μεταφορικά.

[4] Με την kWh γίνεται η χρέωση από τις εταιρείες διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.

[5] Το ίδιο αποτέλεσμα θα είχαμε και αν τροφοδοτούσε τη συσκευή με 1A. Θα μπορούσε να λειτουργήσει τότε για 5 ώρες και θα είχαμε: 1A·1,2V·5h=6Wh.

[7] Το μέτρο της δύναμης σε αγωγό μήκους L που διαρρέεται από ρεύμα I όταν βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο Β δίνεται από τη σχέση F=B·I·L·sinθ

[8] Η φορά του ρεύματος να είναι κάθετη στη φορά του μαγνητικού πεδίου.

[9] Γενικά όταν ένα φορτίο κινείται σε μαγνητικό πεδίο ασκείται σε αυτό δύναμη Lorentz με τη μορφή κεντρομόλου δύναμης (F_K=m·u²/R), το μέτρο της οποίας δίνεται από τη σχέση: F_L=B·u·q·sinθ

[10] Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ηλεκτρομαγνήτες και στους κινητήρες. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να τροφοδοτούνται με ρεύμα και δεν μπορεί ο κινητήρας αυτός να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια χωρίς ειδική τροποποίηση.