Ηλεκτρισμός

10/03/2024
Στην ενότητα αυτή θα μάθεις:
  • Για το στατικό ηλεκτρισμό
  • για το ηλεκτροσκόπιο
  • για τα απλά ηλεκτρικά κυκλώματα
  • για το ηλεκτρικό ρεύμα
  • για τους αγωγούς και τους μονωτές
  • για τους διακόπτες
  • για τη σύνδεση στα ηλεκτρικά κυκλώματα

Στατικός Ηλεκτρισμός

Λεξιλόγιο: θετικό φορτίο, αρνητικό φορτίο, έλξη, άπωση

Το άτομο

Τα δομικά σωματίδια του ατόμου είναι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούν τον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια κινούνται σε περιοχές του χώρου γύρω από τον πυρήνα.

Ο στατικός ηλεκτρισμός είναι χρήσιμος, αλλά ταυτόχρονα και επικίνδυνος. Επιτρέπει στο ψυγείο μας να δουλεύει, αλλά είναι υπεύθυνος για τους κεραυνούς και τις αστραπές που βλέπουμε να συμβαίνουν στις καταιγίδες.

 

Ποια από τα δομικά σωματίδια του ατόμου είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και τι είδους φορτίο έχουν;
Μια απεικόνιση του ατόμου (κατά Bohr)

   Από τα δομικά σωματίδια του ατόμου, φορτισμένα είναι τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια που βρίσκονται στον πυρήνα των ατόμων φέρουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο.
   Τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.
   Τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή είναι ουδέτερα σωματίδια.

• Το φορτίο ενός πρωτονίου είναι η μονάδα του θετικού φορτίου.
• Το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι η μονάδα του αρνητικού φορτίου.
• Όσο θετικό φορτίο έχει ένα πρωτόνιο, τόσο αρνητικό φορτίο έχει ένα ηλεκτρόνιο.

Τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα

   Παρ’ ότι το άτομο έχει θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο γιατί ο αριθμός των θετικών φορτίων είναι ίσος με τον αριθμό των αρνητικών φορτίων.
   Σε ένα άτομο ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων και γι’ αυτό το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Το άτομο του σιδήρου έχει στον πυρήνα του 26 πρωτόνια.
Πόσα θετικά φορτία έχει ο πυρήνας;

26, γιατί το φορτίο του πρωτονίου είναι το θετικό φορτίο.

Πόσα ηλεκτρόνια έχει το άτομο του σιδήρου;

26, γιατί το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Η παρουσίαση του μαθήματος από το συνάδελφο κ. Γρηγόρη Ζερβό

Πότε ανάβει το λαμπάκι;

Λεξιλόγιο: λαμπάκι μπαγιονέτ, βιδωτό λαμπάκι, επαφή, πόλος

Ο ηλεκτρικός λαμπτήρας

  Ο ηλεκτρικός λαμπτήρας χρησιμοποιείται
για τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε
φωτεινή και το φωτισμό των χώρων.
Αποτελείται από:

  • ένα γυάλινο περίβλημα
  • ένα συρματάκι από βολφράμιο, το οποίο θερμαίνεται πολύ ισχυρά, δηλαδή πυρακτώνεται και ακτινοβολεί
  • συρματάκια στήριξης του σύρματος βολφραμίου
  • ένα στήριγμα από γυαλί ή πορσελάνη
  • μια βάση στήριξης που μπορεί να βιδώνει ή να φέρει προεξοχές
  • δύο ηλεκτρικές επαφές στη βάση.
  • Στο εσωτερικό του λαμπτήρα υπάρχει κατάλληλο αέριο το οποίο δεν καίγεται.

   Όταν ο λαμπτήρας ανάβει, το συρματάκι μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε θερμότητα, πυρακτώνεται και ακτινοβολεί, δηλαδή παράγει φως. Οι λαμπτήρες αυτού του τύπου ονομάζονται Λαμπτήρες πυρακτώσεως.

Είδη ηλεκτρικών λαμπτήρων
Οι μπαταρίες
Οι μπαταρίες έχουν δύο πόλους: τον θετικό (+) στην κορυφή και τον αρνητικό (-) στη βάση.
Μία μπαταρία αυτοκινήτου αποτελείται από ένα πλαστικό περίβλημα, μέσα στο οποίο βρίσκεται ο ηλεκτρολύτης και μεταλλικά ηλεκτρόδια.

  Οι μπαταρίες είναι αποθήκες χημικής ενέργειας, την οποία μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι μπαταρίες λοιπόν είναι ηλεκτρικές πηγές.

   Ανεξάρτητα από το σχήμα και το μέγεθος τους, έχουν δύο πόλους, το θετικό και τον αρνητικό. Οι δύο πόλοι της μπαταρίας συνδέονται με τις επαφές των ηλεκτρικών συσκευών με τη βοήθεια καλωδίων.

  • Οι περισσότερες μπαταρίες αποτελούνται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, τα οποία είναι βυθισμένα σε ένα υγρό, τον ηλεκτρολύτη.
  • Οι μπαταρίες εξασθενίζουν με τη χρήση και πρέπει να αντικαθίστανται. Επειδή περιέχουν μέταλλα και άλλες χημικές ουσίες βλαβερές για το περιβάλλον, οι μπαταρίες πρέπει να συλλέγονται ξεχωριστά από τα υπόλοιπα απορρίμματα και να δίνονται για ανακύκλωση.
  • Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες είναι πολύ πιο ακριβές από τις συνηθισμένες, αλλά συνδέονται μέσω φορτιστών με το δίκτυο της ΔΕΗ, επαναφορτίζονται και μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές φορές.
Η παρουσίαση του μαθήματος από το συνάδελφο κ. Γρηγόρη Ζερβό

Ένα απλό κύκλωμα

Λεξιλόγιο: λυχνιολαβή, μπαταρία, κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα, σύμβολα στοιχείων ηλεκτρικού κυκλώματος

Από τι αποτελείται ένα ηλεκτρικό κύκλωμα;

   Το εξάρτημα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος το οποίο συγκροτεί σε σταθερή και ασφαλή θέση το λαμπτήρα, είτε σε ένα φακό, είτε σε ένα φωτιστικό, είτε σε ένα απλό κύκλωμα, ονομάζεται λυχνιολαβή ή ντουί.

Οι λυχνιολαβές έχουν δύο επαφές, για να συνδέονται με την ηλεκτρική πηγή με καλώδια. Οι επαφές των λυχνιολαβών ακουμπούν στις επαφές των λαμπτήρων.

Η χρήση των λυχνιολαβών είναι απαραίτητη γιατί:

  • είναι σταθερός και πολύ πιο πρακτικός τρόπος από το να κρατάμε το λαμπτήρα με το χέρι μας.
  • είναι πιο ασφαλής τρόπος, γιατί δεν παρεμβάλλεται το χέρι μας μεταξύ της πηγής και του φορτίου.

   Το εξάρτημα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος το οποίο συγκροτεί σε σταθερή και ασφαλή θέση το λαμπτήρα, είτε σε ένα φακό, είτε σε ένα φωτιστικό, είτε σε ένα απλό κύκλωμα, ονομάζεται λυχνιολαβή ή ντουί.

Οι λυχνιολαβές έχουν δύο επαφές, για να συνδέονται με την ηλεκτρική πηγή με καλώδια. Οι επαφές των λυχνιολαβών ακουμπούν στις επαφές των λαμπτήρων.

Η χρήση των λυχνιολαβών είναι απαραίτητη γιατί:

  • είναι σταθερός και πολύ πιο πρακτικός τρόπος από το να κρατάμε το λαμπτήρα με το χέρι μας.
  • είναι πιο ασφαλής τρόπος, γιατί δεν παρεμβάλλεται το χέρι μας μεταξύ της πηγής και του φορτίου.
Κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα

  Κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από μία μπαταρία, ο κάθε πόλος της οποίας συνδέεται με τη βοήθεια ενός καλωδίου με τις επαφές μιας λυχνιολαβής, στην οποία είναι τοποθετημένο ένα λαμπάκι. Στο κλειστό ηλεκτρικό σύστημα από το λαμπάκι διέρχεται ηλεκτρικό φορτίο, με αποτέλεσμα να εκπέμπει φως.

Ανοικτό ηλεκτρικό κύκλωμα
Προσοχή: Ο ένας πόλος της μπαταρίας έχει αποσυνδεθεί από την επαφή της λυχνιολαβής και το λαμπάκι δεν εκπέμπει πλέον φως.

  Ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζεται ένα σύστημα που αποτελείται από μία μπαταρία, ο ένας πόλος της οποίας συνδέεται με τη βοήθεια ενός καλωδίου με τη μία επαφή μιας λυχνιολαβής στην οποία είναι τοποθετημένο ένα λαμπάκι, ενώ ο άλλος πόλος δεν είναι συνδεμένος. Στο ανοιχτό ηλεκτρικό σύστημα, από το λαμπάκι δε διέρχεται ηλεκτρικό φορτίο, με αποτέλεσμα να μην εκπέμπει φως.

Σχηματική παράσταση ηλεκτρικών κυκλωμάτων

  Η αναπαράσταση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων με ακριβή σκίτσα είναι χρονοβόρα και απαιτεί αυξημένες σχεδιαστικές ικανότητες. Για τη μελέτη τους, αντικαθιστούμε τις εικόνες των μερών του κυκλώματος από τη σχηματική αναπαράστασή τους.

Πάτησε στην εικόνα για να κατασκευάσεις ένα απλό κύκλωμα
Η παρουσίαση του μαθήματος από το συνάδελφο κ. Γρηγόρη Ζερβό

Το ηλεκτρικό ρεύμα

Λεξιλόγιο: ηλεκτρόνια, ελεύθερα ηλεκτρόνια, ηλεκτρικό ρεύμα

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια

Σε μερικά υλικά, όπως τα μέταλλα, ορισμένα ηλεκτρόνια μπορούν να ξεφύγουν από την έλξη του πυρήνα ενός ατόμου και να κινηθούν ελεύθερα μέσα στη μάζα του υλικού. Τα ηλεκτρόνια αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Το ηλεκτρικό ρεύμα

   Σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα η ηλεκτρική πηγή αναγκάζει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται, να ρέουν, προς μία κατεύθυνση.

   Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται η ροή των ελεύθερων ηλεκτρονίων προς μία ορισμένη κατεύθυνση.

• Ηλεκτρικές πηγές είναι οι μπαταρίες και οι γεννήτριες.
• Η ροή των ηλεκτρονίων έχει φορά από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο μιας ηλεκτρικής πηγής.

Πώς καταλαβαίνουμε ότι ένα κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα

   Τα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά μικρά σωματίδια και δεν μπορούμε να τα δούμε. Καταλαβαίνουμε ότι ένα κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα από τα αποτελέσματά του, όπως τη θέρμανση των καλωδίων μεταφοράς, τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών και την παραγωγή φωτός από τους λαμπτήρες πυρακτώσεως.

Οι πυλώνες της ΔΕΗ μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω του ρεύματος. Τα ακώδια μεταφοράς θερμαίνοντα. επειδή ένα μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται θερμότητα. Ο αέρας που είναι σε επαφή με τα καλώδια παίρνει ένα μέρος της θερμότητας των καλωδίων κι έτσι αυτά δεν υπερθερμαίνονται.
Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος

   Στο τρυπάνι και τον ανεμιστήρα η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική.

   Στο θερμοσίφωνα, την τοστιέρα και την ηλεκτρική κουζίνα κυρίως μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια.

   Με ηλεκτρική ενέργεια λειτουργούν οι περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές, όπως το ψυγείο, το στερεοφωνικό, το πλυντήριο και οι τηλεοράσεις.

   Η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων, τα οποία κινούνται όλα προς μία κατεύθυνση στο ηλεκτρικό κύκλωμα.

   Το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρει ενέργεια από τα εργοστάσια της ΔΕΗ στα σπίτια και στα εργοστάσια, όπου μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας που μας είναι χρήσιμες. Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική στο θερμοσίφωνα, την κουζίνα και την τοστιέρα, σε κινητική στο μίξερ, το τρυπάνι και τον ανεμιστήρα και σε φωτεινή στο λαμπτήρα.

Σύγκριση δύο μοντέλων κυκλώματος (ρεύματος και νερού)
Η παρουσίαση του μαθήματος από το συνάδελφο κ. Γρηγόρη Ζερβό

Αγωγοί και μονωτές

Λεξιλόγιο: αγωγός, μονωτής, καλώδιο

Ο διακόπτης

Λεξιλόγιο: διακόπτης, ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα, κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα

Βραχυκύκλωμα
Προσέξτε το γυμνό καλώδιο που συνδέει τα δύο σημεία του κυκλώματος. Αυτό προκαλεί βραχυκύκλωμα. Η λάμπα δεν ανάβει, γιατί το κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα.

   Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ακολουθούν πάντοτε τον πιο εύκολο δρόμο, δηλαδή το δρόμο με τη μικρότερη αντίσταση. Ότα η πορεία των ηλεκτρονίωνδεν είναι επιθυμητή, την ονομάζουμε βραχυκύκλωμα. Στο βραχυκύκλωμα παρουσιάζεται απότομγ αύξηση του ρεύματος στο κύκλωμα. 

   Ένα βραχυκύκλωμα μπορεί να προκληθεί όταν δύο γυμνά καλώδιαέρθουν σε επαφή ή όταν συνδεθούν οι επαφές μιας συσκευής ή οι πόλοι μιας μπαταρίας με ένα καλώδιο.

   Τα βραχυκυκλώματα προκαλούν υπερθέρμανση των καλωδίων, παράγουν σπινθήρα  και πολλές φορές οδηγούν σε ανάφλεξη και πυρκαγιά. Ακόμη μπορούν να καταστράψουν ηλεκτρονικά κυκλώματα, όπως κύκλωμα των ηλεκτρονικών υπολογιστών, που είναι ευαίσθητα στις μεταφορές του ρεύματος.

Ασφάλειες: αυτόματοι διακόπτες για την προστασία μας

   Για την προστασία μας από τα βραχυκυκλώματα. Οι ηλεκτρικές συσκευές και τα ηλεκτρικά κυκλώματα διαθέτουν ασφάλειες. Οι ασφάλειες διακόπτουν τη ροή ηλεκτρονίων στο κύκλωμα αυτόματα.

   Οι ασφάλειες είναι δύο ειδών:

  • Οι τηκόμενες ασφάλειες, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε παλιά κυκλώματα: έχουν ένα συρματάκι στο εσωτερικό τους, το οποίο όταν περάσει περισσότερο ρεύμα από αυτό που προβλέπεται, λιώνει και το κύκλωμα γίνεται ανοιχτό, οπότε η ροή ρεύματος διακόπτεται. Οι ασφάλειες αυτές πρέπι, όταν «καούν», να αντικατασταθούν.
  • Οι αυτόματες ασφάλειες έχουν δύο λεπτά μεταλλικά ελάσματα κολλημένα μεταξύ τους, τα οποία όταν υπερθερμαίνονται λυγίζουν και ανοίγουν το κύκλωμα. Οι ασφάλειες αυτές επανέρχονται όταν η θερμοκρασία φτάσει σε ανεκτά όρια.
Τηκόμενη ασφάλεια
Αυτόματη ασφάλεια

Σύνδεση σε Σειρά και Παράλληλη Σύνδεση

Λεξιλόγιο: Σύνδεση σε σειρά, Παράλληλη σύνδεση

Ηλεκτρικό ρεύμα: μια επικίνδυνη υπόθεση

Λεξιλόγιο: Σύνδεση σε σειρά, Παράλληλη σύνδεση