Ε΄ ΤΑΞΗ - ΦΥΣΙΚΗ - ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ
Φ.Ε.5: Το ηλεκτρικό ρεύμα
Ηλεκτρικό ρεύμα: ροή ηλεκτρονίων
Για να καταλάβουμε πώς ανάβει ένα λαμπάκι, ή πώς παίρνει ρεύμα μια συσκευή, και τι είναι μάλιστα αυτό το ηλεκτρικό "ρεύμα" πρέπει να πάρουμε τα πράγματα απ/ο την αρχή.
Κατ' αρχάς, από την λέξη "ρεύμα" συμπεραίνουμε πως αυτό είναι κάτι που ρέει, που κυλάει [ρεύμα < ρ. ρέω (= κυλάω)].
Το ρεύμα το ξέρουμε και από τον αέρα. Λέμε για παράδειγμα "Κλείσε το τζάμι, έχει αέρα και κάνει ρεύμα".
Τι είναι όμως αυτό που ρέει;
Αυτό, ή μάλλον αυτά που ρέουν, είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Για να καταλάβουμε τι είναι τα «ελεύθερα ηλεκτρόνια» είναι απαραίτητη μια μικρή επανάληψη για τα μόρια και τα άτομα, από το πρώτο κεφάλαιο της Φυσικής, για τα υλικά σώματα.
Και τώρα που κάναμε την επανάληψη και θυμηθήκαμε τα άτομα και τα ηλεκτρόνια, ας δούμε τι είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Σε κάποια υλικά (στα μέταλλα βασικά) υπάρχουν κάποια ηλεκτρόνια - "αντάρτες" (αυτά που είναι στο εξωτερικό μέρος του ατόμου, και που δεν πολυσκοτίζονται για το υπόλοιπο άτομο) τα οποία άμα βαρεθούν (που λέει ο λόγος) φεύγουν από το άτομο στο οποίο ανήκουν και γυρνάνε ελεύθερα εδώ κι εκεί.
Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι που δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα.
Όταν συνδέσουμε τους δύο πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής (μπαταρίας ή πρίζας) με ένα μεταλλικό καλώδιο, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια τρέχουν (για την ακρίβεια, παρατρέχουν: πάνε με την ταχύτητα της αστραπής: ≈ 300.000 χμ/δευτερόλεπτο) όλα μαζί από τον αρνητικό πόλο της πηγής (όπου υπάρχουν πιο πολλά "ηλεκτρόνια") στον θετικό πόλο (όπου υπάρχουν πιο λίγα ηλεκτρόνια).
Και κάπως έτσι δημιουργείται το ηλεκτρικό ρεύμα.
ΠΡΟΣΟΧΗ! Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να φαίνεται παιχνιδιάρικο σε μια μπαταρία με την οποίαν πειραματιζόμαστε και παίζουμε με ηλεκτρικά κυκλώματα, όμως το ρεύμα του σπιτιού μας, από τις πρίζες, ΣΚΟΤΩΝΕΙ!
Συγκεκριμένα, στην καλύτερη περίπτωση μπορεί να κάψει μια ασφάλεια, στην χειρότερη μπορεί να μας σκοτώσει! Επομένως, για τα πειράματά μας χρησιμοποιούμε ΜΟΝΟ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ!
Την κίνηση των ηλεκτρονίων, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα, δεν την βλέπουμε. Μπορούμε να καταλάβουμε όμως την ύπαρξη του ηλεκτρικού ρεύματος από τα αποτελέσματά του (π.χ. συνδέουμε τους πόλους της μπαταρίας και το λαμπάκι ανάβει).
Κατ' αρχάς, από την λέξη "ρεύμα" συμπεραίνουμε πως αυτό είναι κάτι που ρέει, που κυλάει [ρεύμα < ρ. ρέω (= κυλάω)].
Το ρεύμα το ξέρουμε και από τον αέρα. Λέμε για παράδειγμα "Κλείσε το τζάμι, έχει αέρα και κάνει ρεύμα".
Τι είναι όμως αυτό που ρέει;
Αυτό, ή μάλλον αυτά που ρέουν, είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Για να καταλάβουμε τι είναι τα «ελεύθερα ηλεκτρόνια» είναι απαραίτητη μια μικρή επανάληψη για τα μόρια και τα άτομα, από το πρώτο κεφάλαιο της Φυσικής, για τα υλικά σώματα.
Και τώρα που κάναμε την επανάληψη και θυμηθήκαμε τα άτομα και τα ηλεκτρόνια, ας δούμε τι είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Σε κάποια υλικά (στα μέταλλα βασικά) υπάρχουν κάποια ηλεκτρόνια - "αντάρτες" (αυτά που είναι στο εξωτερικό μέρος του ατόμου, και που δεν πολυσκοτίζονται για το υπόλοιπο άτομο) τα οποία άμα βαρεθούν (που λέει ο λόγος) φεύγουν από το άτομο στο οποίο ανήκουν και γυρνάνε ελεύθερα εδώ κι εκεί.
Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι που δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα.
Όταν συνδέσουμε τους δύο πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής (μπαταρίας ή πρίζας) με ένα μεταλλικό καλώδιο, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια τρέχουν (για την ακρίβεια, παρατρέχουν: πάνε με την ταχύτητα της αστραπής: ≈ 300.000 χμ/δευτερόλεπτο) όλα μαζί από τον αρνητικό πόλο της πηγής (όπου υπάρχουν πιο πολλά "ηλεκτρόνια") στον θετικό πόλο (όπου υπάρχουν πιο λίγα ηλεκτρόνια).
Και κάπως έτσι δημιουργείται το ηλεκτρικό ρεύμα.
ΠΡΟΣΟΧΗ! Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να φαίνεται παιχνιδιάρικο σε μια μπαταρία με την οποίαν πειραματιζόμαστε και παίζουμε με ηλεκτρικά κυκλώματα, όμως το ρεύμα του σπιτιού μας, από τις πρίζες, ΣΚΟΤΩΝΕΙ!
Συγκεκριμένα, στην καλύτερη περίπτωση μπορεί να κάψει μια ασφάλεια, στην χειρότερη μπορεί να μας σκοτώσει! Επομένως, για τα πειράματά μας χρησιμοποιούμε ΜΟΝΟ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ!
Την κίνηση των ηλεκτρονίων, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα, δεν την βλέπουμε. Μπορούμε να καταλάβουμε όμως την ύπαρξη του ηλεκτρικού ρεύματος από τα αποτελέσματά του (π.χ. συνδέουμε τους πόλους της μπαταρίας και το λαμπάκι ανάβει).
Μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος
(ΚΛΙΚ στις εικόνες για μεγέθυνση)
(Προσέχουμε τα διάφορα μονωτικά εξαρτήματα που υπάρχουν στις άκρες των καλωδίων, ώστε να μην γίνονται βραχυκυκλώματα.)
(Προσέχουμε τα διάφορα μονωτικά εξαρτήματα που υπάρχουν στις άκρες των καλωδίων, ώστε να μην γίνονται βραχυκυκλώματα.)
"Κίνδυνος - θάνατος", γιατί;
Με τους πυλώνες της ΔΕΗ, τους πυλώνες υπερυψηλής τάσης, μεταφέρεται ρεύμα 150.000 ή και 600.000 volt!
Αυτό σημαίνει με την σειρά του πως σε μια ακτίνα κοντά σε αυτούς παράγεται έντονη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με σοβαρούς κινδύνους για την υγεία μας!
Συμπέρασμα: Προσπαθήστε οι δραστηριότητές σας να σταματούν το λιγότερο 600 μέτρα από έναν τέτοιον πυλώνα!
Γενικά, όσο πιο μακριά, τόσο καλύτερα...
Το ταξίδι της ηλεκτρικής ενέργειας (παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος)
Ένα εκπαιδευτικό animation μικρού μήκους με θέμα την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Δυτική Μακεδονία. Σύμπραξη της Παιδαγωγικής Σχολής και του Τμήματος Εικαστικών & Εφαρμοσμένων Τεχνών του Πανεπιστημίου Δυτικής Μακεδονίας.
(youtu.be/coWQ1R2r5MY)
Το βιβλίο, στις πρώτες εικόνες, παραλληλίζει το ηλεκτρικό ρεύμα (την ροή ηλεκτρονίων) με το τρέξιμο των πολλών ανθρώπων σε έναν αγώνα, με την κυκλοφορία των αυτοκινήτων, ή με ένα ποτάμι.
Εννοεί πως κάτι παρόμοιο γίνεται και με το ηλεκτρικό ρεύμα: ηλεκτρόνια που τρέχουν από το ένα μέρος στο άλλο.
Η βασική διαφορά των παραπάνω εικόνων με τα ηλεκτρόνια είναι η εξής:
Οι άνθρωποι και τα αυτοκίνητα γεμίζουν τους δρόμους, όταν θέλουν να μετακινηθούν. Πριν, οι δρόμοι είναι άδειοι.
Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια υπάρχουν από πάντα μέσα στα καλώδια.
Απλώς, όταν τα συνδέουμε με μια ηλεκτρική πηγή (π.χ. μπαταρία), τα αναγκάζουμε να μετακινηθούν όλα προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση.
Ηλεκτρικό κύκλωμα - κύκλωμα νερού: Ομοιότητες και διαφορές
Ποια είναι η σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού κυκλώματος και ενός κλειστού κυκλώματος από νερό (όπως, π.χ., το κύκλωμα νερού στα καλοριφέρ); Δείτε την παρακάτω εφαρμογή (δυστυχώς είναι στα αγγλικά...).
Ομοιότητες του κυκλώματος νερού με το ηλεκτρικό κύκλωμα
- Η αντλία αναγκάζει το νερό να κινηθεί.
Η μπαταρία αναγκάζει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινηθούν. - Το νερό ρέει μέσα στους σωλήνες.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα στα καλώδια. - Η ενέργεια που δίνει η αντλία στο νερό κινεί τον στρόβιλο.
Η ενέργεια που δίνει η μπαταρία κάνει το λαμπάκι να φωτοβολεί. - Η αντλία δεν παράγει νερό, απλά το κινεί.
Η μπαταρία δεν παράγει ηλεκτρόνια, απλά τα κινεί. - Όταν ξεκινά η αντλία, ο στρόβιλος δουλεύει αμέσως. Δεν χρειάζεται να περιμένουμε να φτάσει νερό από την πηγή, αφού ο σωλήνας είναι γεμάτος νερό.
Όταν συνδέουμε την μπαταρία στο κύκλωμα, το λαμπάκι ανάβει αμέσως. Δεν χρειάζεται να περιμένουμε να φτάσουν ηλεκτρόνια από την μπαταρία, αφού στο καλώδιο μέσα υπάρχουν ήδη ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Διαφορές του κυκλώματος νερού με το ηλεκτρικό κύκλωμα
- Για να λειτουργήσει το κύκλωμα για πρώτη φορά πρέπει πρώτα να το γεμίσουμε με νερό.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπάρχουν από πάντα μέσα στα συρμάτινα καλώδια. Απλώς κινούνται επειδή το ένα «σπρώχνει» το άλλο. - Στο κύκλωμα του νερού κινούνται όλα τα μόρια του νερού.
Στο ηλεκτρικό κύκλωμα κινούνται μόνον τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Όπου από τα παραπάνω βγαίνει το συμπέρασμα:
Όπως η αντλία αναγκάζει τα μόρια του νερού να ρέουν μέσα στον σωλήνα, έτσι και η μπαταρία αναγκάζει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να ρέουν μέσα στα συρμάτινα καλώδια.
Όμως, ενώ στο κύκλωμα του νερού πρέπει να γεμίσουμε στην αρχή τους σωλήνες με νερό, στο ηλεκτρικό κύκλωμα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπάρχουν από την αρχή παντού μέσα στα συρμάτινα καλώδια και απλώς κινούνται σπρώχνοντας το ένα το άλλο.
Όταν το ηλεκτρικό κύκλωμα παράγει τέχνη...
(Από την Βάλια)