Seilias

Κατεβάστε την εφαρμογή για λειτουργία σε τοπικό επίπεδο χωρίς να απαιτείται σύνδεση στο Internet.

Download

Η Ηλεκτρεγερτική δύναμη πηγής σε συντομογραφία ΗΕΔ δεν έχει καμία σχέση με την έννοια "Δύναμη" και ο όρος είναι παραπλανητικός. Σε ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει πχ αντιστάτες λόγω φαινομένου Joule έχουμε ροή θερμότητας προς το περιβάλλον αυτήν την ενέργεια κάποιος πρέπει να την παρέχει και αυτός δεν είναι άλλος από την πηγή. Η πηγή τροφοδοτεί με ενέργεια τα ηλεκτρόνια τα οποία με την σειρά τους αυτήν την ενέργεια την δίνουν στους αντιστάτες και αυτός στο περιβάλλον με την μορφή θερμότητας. Η ενέργεια $W$ που προσφέρει η πηγή σε κάποιο φορτίο $q$ κατά την μετακίνηση από τον έναν πόλο στον άλλον προς το φορτίο ονομάζεται ΗΕΔ πηγής και συμβολίζεται με $\mathcal{E}$

Μονάδα μέτρησης την ηλεκτρεγερτικής δύναμης είναι το $1\ \rm{V}$. Όταν λοιπόν λέμε ότι έχουμε μια μπαταρία $1.5\ \rm{V}$ εννοούμαι πως για κάθε $1\ \rm{coulomb}$ φορτίο που θα περάσει από την μπαταρία θα του δωθεί ενέργεια ίση με $1.5\ \rm{joule}$.

Συνήθως ασχολούμαστε στην μονάδα του χρόνου οπότε η παραπάνω σχέση γράφεται

Η εξίσωση $P_\mathcal{E}=\mathcal{E}I$ μας δίνει την ισχύ της πηγής δηλαδή την ενέργεια που παρέχει η πηγή στο κύκλωμα στην μονάδα του χρόνου είναι ίση με την ΗΕΔ επί την ένταση του ρεύματος που την διαρρέει. Δηλαδή μια μπαταρία δεν τροφοδοτεί το κύκλωμα πάντα με τον ίδιο ρυθμό αλλά εξαρτάται από το ρεύμα που την διαρρέει, εξαρτάται δηλαδή από το τι έχουμε συνδέσει στο εξωτερικό κύκλωμα. Όταν έχουμε συνδέσει έναν αντιστάτη με μικρή αντίσταση τότε το ρεύμα θα είναι μεγάλο και η μπαταρία θα "τελειώσει" γρήγορα (θα τελειώσουν τα αποθέματα ενέργειάς της). Αυτός άλλος ένας λόγος που δεν βραχυκυκλώνουμε τις μπαταρίες γιατί αδειάζουν πάρα πολύ γρήγορα εκτός του ότι με το βραχυκύκλωμα όπως θα δούμε παρακάτω κινδυνεύουμε με έκρηξη και ανάφλεξη της μπαταρίας.

Όλες οι μπαταρίες όταν λειτουργούν ζεσταίνονται. Αυτό είναι ένδειξη πως στο εσωτερικό της μπαταρίας υπάρχει αντίσταση και αναπτύσσονται ποσά θερμότητας. Η αντίσταση αυτή ονομάζεται εσωτερική αντίσταση $r$ της πηγής. Όσο πιο μικρή είναι η παραπάνω αντίσταση τόσο καλύτερης ποιότητας είναι η πηγή και τόσο λιγότερο θερμαίνεται και τόσο λιγότερες είναι οι απώλειες.

Τα στοιχεία $\mathcal{E},r$ χαρακτηρίζουν μια πηγή. Αποτελούν στοιχεία που δεν αλλάζουν ότι και να έχουμε συνδέσει στην μπαταρία αποτελούν δηλαδή στοιχεία ταυτότητας κάθε πηγής.

Ας δούμε ενεργειακά την συμπεριφορά της μπαταρίας. Θεωρούμε μια πηγή που έχει συνδεθεί με μια συσκευή (όχι υποχρεωτικά με αντιστάτη). Αυτή η συσκευή αποτελεί το εξωτερικό κύκλωμα για την πηγή. Ένα μέρος της ενέργειας (ανά μονάδα χρόνου) που παρέχει η πηγή σε όλο το κύκλωμα μετατρέπεται σε θερμότητα στην εσωτερικής της αντίσταση και το υπόλοιπο προσφέρεται στο εξωτερικό κύκλωμα. Η διατήρηση της ενέργειας περιγράφεται από την εξίσωση

Από την τελευταία εξίσωση μπορούμε να συμπεραίνουμε πως η τάση στα άκρα της πηγής (πολική τάση) μικραίνει με την αύξηση του ρεύματος και η μεγαλύτερη τιμή που μπορεί να πάρει είναι ίση με $\mathcal{E}$ το οποίο συμβαίνει ή όταν η πηγή είναι ιδανική δηλαδή όταν $r=0$ ή όταν δεν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.

Η εξίσωση $(4)$ ισχύει ανεξάρτητα από το τι έχουμε συνδέσει στο εξωτερικό κύκλωμα. Αν τώρα συνδέσουμε έναν αντιστάτης τότε εκτός από την παραπάνω εξίσωση ισχύει και $V_{\mathsf{π}}=IR$ οπότε

Η εξίσωση $(5)$ σε αντίθεση με την $(4)$ ισχύει μόνο όταν το εξωτερικό κύκλωμα είναι ένας αντιστάτης αντίστασης $R$. Πολλές φορές η εξίσωση $(5)$ αναγράφεται και ως $I=\frac{\mathcal{E}}{R_\mathsf{ολ}}$ Το οποίο παραπέμπει σε ισοδύναμο κύκλωμα με μια ιδανική πηγή $\mathcal{E}$ και έναν αντιστάτη $R_\mathsf{ολ}$ το πρόβλημα σε μια τέτοια θεώρηση είναι πως πρακτικά δεν μπορούμε να απομονώσουμε την εσωτερική αντίσταση από την πηγή έτσι πχ αν γράψουμε $V=IR_\mathsf{ολ}$ που πρέπει να συνδέσουμε ένα βολτόμετρο για να μετρήσει αυτήν την τάση;

Ας ξαναγυρίσουμε στην εξίσωση $(3)$ και αν βραχυκυκλώσουμε τους πόλους της πηγής (βραχυκύκλωμα = βραχύ + κύκλωμα = μικρό κύκλωμα) τότε το ρεύμα που διαρρέει την πηγή το ονομάζουμε ρεύμα βραχυκυκλώσεως και είναι ίσο με

Το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι το μεγαλύτερο ρεύμα που μπορεί να διαρρέει την πηγή και εξαρτάται από την εσωτερική αντίσταση της πηγής όσο μικρότερη τόσο μεγαλύτερο το ρεύμα. Σε μπαταρίες πχ αυτοκινήτου όπου η εσωτερική αντίσταση είναι πάρα πολύ μικρή όταν βραχυκλώνουμε τους πόλους της ξεσπά σπινθήρας.