Ηλεκτρική Ενέργεια

Θερμικά αποτελέσματα του Ηλεκτρικού ρεύματος

1.Ποια είναι τα σπουδαιότερα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας;

Τα σπουδαιότερα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ευκολία μεταφοράς της σε μεγάλες αποστάσεις και η ευκολία μετατροπής της σε άλλες μορφές ενέργειας.

2.Πως επιτυγχάνεται η  μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας;

Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται με το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα.

3.Σε ποιες μορφές μετατρέπεται η ηλεκτρική ενέργεια; Ποια είναι τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος;

Στις ηλεκτρικές συσκευές (καταναλωτές) η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας, όπως θερμική(π.χ. θερμοσίφωνας, ηλεκτρική θερμάστρα, ηλεκτρική κουζίνα κ.α.), χημική(π.χ. φόρτιση μπαταριών), μηχανική(π.χ. ηλεκτρικοί κινητήρες), ενέργεια μαγνητικού πεδίου(π.χ. ηλεκτρομαγνήτες). Ανάλογα με τη μορφή ενέργειας στην οποία μετατρέπεται η ηλεκτρική τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος διακρίνονται σε θερμικά, χημικά, μηχανικά, φωτεινά, μαγνητικά κτλ.

4.Τι είναι το φαινόμενο Joule;

Όταν από έναν αντιστάτη διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, έχουμε αύξηση της θερμικής ενέργειας του αντιστάτη, οπότε η θερμοκρασία του αυξάνεται αυτό ονομάζεται φαινόμενο Τζάουλ.

5.Ποια είναι η συνέπεια του φαινομένου Joule σε έναν αντιστάτη R;

Όταν η θερμοκρασία του αντιστάτη γίνει μεγαλύτερη της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, τότε ενέργεια, με τη μορφή της θερμότητας, μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον.

6.Από που προέρχεται η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον;

Όταν ο αντιστάτης διαρρέεται από ρεύμα, τότε η ηλεκτρική ενέργεια που δίνεται στον αντιστάτη μετατρέπεται σε θερμική στον αντιστάτη, και στη συνέχεια η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα που μεταφέρεται στο περιβάλλον. Άρα η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον προέρχεται από την ηλεκτρική ενέργεια

7.Ποιων ηλεκτρικών συσκευών η λειτουργία βασίζεται στο φαινόμενο Joule;

Κάθε ηλεκτρική συσκευή όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνεται λόγω φαινομένου Joule αφού περιέχει μεταλλικούς αγωγούς. Υπάρχουν όμως αρκετές συσκευές που η λειτουργία τους βασίζεται στο φαινόμενο Joule. Αυτές τις συσκευές τις ονομάζουμε και θερμικές συσκευές και είναι ουσιαστικά όλες οι συσκευές που απορροφούν ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπουν σε θερμική όπως π.χ. η ηλεκτρική κουζίνα, ο θερμοσίφωνας, η ηλεκτρική θερμάστρα κ.α.

8.Που στηρίζεται η λειτουργία του λαμπτήρα πυρακτώσεως;

Στον λαμπτήρα πυρακτώσεως η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική (στο σύρμα του λαμπτήρα) και ένα μικρό μέρος της θερμικής ενέργειας μετατρέπεται σε φωτεινή (όταν η θερμοκρασία του σύρματος αυξάνεται αρκετά, αυτό φωτοβολεί).

9.Από τι μέταλλο είναι κατασκευασμένο το σύρμα του λαμπτήρα και γιατί; Γιατί υπάρχει το γυάλινο περίβλημα στους λαμπτήρες;

Το σύρμα στους λαμπτήρες πυρακτώσεως κατασκευάζεται από δύστηκτα μέταλλα (μέταλλα που λιώνουν πολύ δύσκολα), όπως είναι το βολφράμιο, διότι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται σε αυτό όταν διαρρέεται από ρεύμα είναι πολύ μεγάλη (περίπου 2000 0C). Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του μεταλλικού νήματος στο λαμπτήρα το νήμα οξειδώνεται πολύ γρήγορα από τον αέρα και κόβεται , για το λόγο αυτό στο εσωτερικό των λαμπτήρων υπάρχει κενό ή αδρανές αέριο, ώστε να αποφεύγεται η οξείδωση του σύρματος με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας.

10.Πως λειτουργεί η ηλεκτρική κουζίνα και ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας;

Η ηλεκτρική κουζίνα ή ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας αποτελούνται από έναν ή περισσότερους αντιστάτες. Όταν από αυτούς διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, θερμότητα μεταφέρεται προς το μαγειρικό σκεύος ή το νερό αντίστοιχα.

11.Τι είναι το βραχυκύκλωμα; Ποιες είναι οι συνέπειες του βραχυκυκλώματος; 

Βραχυκύκλωμα ονομάζεται η σύνδεση δύο σημείων ενός κυκλώματος με αγωγό αμελητέας αντίστασης. Σύμφωνα και με τη σχέση του νόμου του Ωμ για έναν αντιστάτη  αν το R γίνει πολύ μικρό τότε η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι  που διαρρέει τον αντιστάτη να γίνεται πολύ μεγάλη, με πιθανότητα να καταστραφούν η πηγή και το αμπερόμετρο, να λιώσουν τα σύρματα σύνδεσης κ.λπ.

12.Πως λειτουργεί η τηκόμενη ασφάλεια; Που χρησιμοποιείται; Πως συνδέεται στο ηλεκτρικό κύκλωμα;

Αν για κάποιο λόγο η ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα σύρμα ή μια συσκευή (αγωγό γενικά) υπερβεί μια ορισμένη τιμή, οι αγωγοί υπερθερμαίνονται, με αποτέλεσμα να προκληθεί, εκτός της καταστροφής αυτών, και πυρκαγιά.

Οι ασφάλειες προστατεύουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα. Κάθε ασφάλεια χαρακτηρίζεται από την τιμή της έντασης του ρεύματος πάνω από την οποία προκαλείται διακοπή της λειτουργίας του κυκλώματος. υπάρχουν πολλών ειδών ασφάλειες, ανάλογα με την αρχή λειτουργίας τους.  

Οι ασφάλειες που στηρίζονται στο φαινόμενο Τζάουλ αποτελούνται από ένα σύρμα, μικρού μήκους, το οποίο τήκεται όταν περάσει από αυτό ρεύμα μεγαλύτερο από την αναγραφόμενη τιμή (τηκόμενες ασφάλειες), οπότε το κύκλωμα διακόπτεται.

Προσοχή.

Η παρουσία της ασφάλειας δεν προλαμβάνει ένα βραχυκύκλωμα, προστατεύει όμως το κύκλωμα από τις συνέπειες του βραχυκυκλώματος (καταστροφή αγωγών, συσκευών κ.λπ.)

Μαγνητικά αποτελέσματα του Ηλεκτρικού ρεύματος

Ενέργεια και Ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος

1.Με ποιο τύπο υπολογίζουμε την ηλεκτρική ενέργεια την οποία μια ηλεκτρική συσκευή την μετατρέπει σε ενέργεια άλλης μορφής; Πως αποδεικνύεται;

Κάθε ηλεκτρική συσκευή όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα έχει διαφορά δυναμικού στα άκρα του που δίνεται από τη σχέση:  όπου Ε η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρεται στη συσκευή από το ηλεκτρικό φορτίο q που διέρχεται από το εσωτερικό της.

Επιπλέον η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει μια συσκευή ορίζεται από τη σχέση  αν συνδυάσουμε τις δύο αυτές σχέσεις μπορούμε να καταλήξουμε σε μια εύχρηστη μαθηματική σχέση που μας δίνει τη δυνατότητα να υπολογίσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που απορροφά μια ηλεκτρική συσκευή όταν διαρρέεται από ένταση ηλεκτρικού ρεύματος Ι για χρονικό διάστημα t και έχει διαφορά δυναμικού στα άκρα της V:

2.Ποια είναι η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής ενέργειας στο S.I.; Πως ορίζεται η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής ενέργειας με βάση τον τύπο του Eηλ;

Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής ενέργειας όπως και γενικότερα της ενέργειας στο S.I. είναι το 1J (Joule). Αν στη σχέση    EΗΛ=V I t αντικαταστήσουμε τις τιμές V=1V, I=1A, t=1s το αποτέλεσμα γίνεται  και άρα μπορούμε να ορίσουμε το 1J ως την  ενέργεια Ε που απορροφά σε 1s μια ηλεκτρική συσκευή που έχει διαφορά δυναμικού στα άκρα της V=1V και διαρρέεται από ένταση ηλεκτρικού ρεύματος I=1A.

3.Πως ορίζεται η ηλεκτρική ισχύς;

Πολλές φορές δεν μας ενδιαφέρει μονάχα το πόση ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται σε μία ηλεκτρική συσκευή αλλά και το πόσο γρήγορα μεταφέρεται η ενέργεια σε αυτήν δηλαδή με ποιο ρυθμό γίνεται η μεταφορά ενέργειας.

Έτσι ορίζουμε ένα καινούριο μέγεθος που ονομάζεται ισχύς P και ισούται με το πηλίκο της ενέργειας Ε που μεταφέρεται από ή προς μια συσκευή σε χρονικό διάστημα t προς το χρονικό διάστημα t:

Ρ=Ε/t

 4.Τι εκφράζει η ισχύς;

Η ισχύς μιας ηλεκτρικής συσκευής εκφράζει το πόσο γρήγορα μεταφέρεται η ενέργεια σε αυτήν δηλαδή με ποιο ρυθμό γίνεται η μεταφορά ενέργειας.

 5.Ποια είναι η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής ισχύος; Με τι ισούται το 1W;

Η μονάδα μέτρησης της ισχύος στο SI είναι το 1W (Watt). 1W=1J/s.

, επίσης συχνά χρησιμοποιούνται 1000W= 1kW και 1000000W = 1MW.

6.Με ποιες σχέσεις υπολογίζουμε την ηλεκτρική ισχύ; Απόδειξη της σχέσης =.

Η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει μια ηλεκτρική συσκευή δίνεται από τη σχέση:

                                                                         P=V I

Επίσης γνωρίζουμε ότι:

                                                                          P=E/t

Έτσι έχουμε:

                                                                  P=E/t->P=V I t/t=V I

όπου V και Ι είναι η τάση στα άκρα της συσκευής και η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τη συσκευή αντίστοιχα. Συνεπώς την ηλεκτρική ισχύ μπορούμε να την υπολογίζουμε από τις σχέσεις:

                                                   P=E/t,  P=V I ή  P=I2 R ή P=V2/R

7.Τι σημαίνει η ένδειξη ενός λαμπτήρας είναι 100W;

100W=100J/s άρα ένας λαμπτήρας των 100W σημαίνει ότι ο λαμπτήρας απορροφάει 100J ηλεκτρικής ενέργειας κάθε 1s.

8.Τι μετράει το ρολόι της ΔΕΗ; Τι πληρώνουμε στη ΔΕΗ;

Το ρολόι της ΔΕΗ μετράει την ηλεκτρική ενέργεια που μεταβιβάζεται στο σπίτι μας και στη ΔΕΗ πληρώνουμε αυτή την ηλεκτρική ενέργεια (όχι ισχύ).

9.Τι είναι η kWh;Με τι ισούται;

Η κιλοβατώρα είναι μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής ενέργειας και χρησιμοποιείται από εταιρείες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. τη ΔΕΗ). Μια κιλοβατώρα (1 kWh) ισούται με την ενέργεια που καταναλώνεται από μια συσκευή ισχύος 1 kW ή 1000 W όταν λειτουργεί επί μια ώρα 1h.

10.Πως ονομάζονται και τι δείχνουν οι ενδείξεις 220V – 500W σε μία συσκευή;

Ονομάζονται ενδείξεις κανονικής λειτουργίας της συσκευής και υποδεικνύουν ότι για να λειτουργήσει κανονικά η συσκευή θα πρέπει να συνδεθεί με ηλεκτρική τάση 220V και τότε θα απορροφά ηλεκτρική ενέργεια με ρυθμό 500W.

11.Σε μια ηλεκτρική συσκευή αναφέρονται οι ενδείξεις 220V – 1100W να βρείτε:

Α) την τάση κανονικής λειτουργίας της συσκευής

Β) την ένταση του ρεύματος που την διαρρέει όταν λειτουργεί κανονικά

Γ) την αντίσταση της συσκευής

Δ) την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει σε 1min

Α) Η τάση κανονικής λειτουργίας της συσκευής είναι 220V

B)P=V I->I=1100/220 ->I=5A

Γ)R=V/I->R=220/5=44Ω

Δ)E=V I t=220 5 60=66000j