Προσομοιώσεις · Γ΄ Γυμνασίου · Ηλεκτρισμός · Κεφ. 2 · §2.2–2.3

Κατασκευή κυκλώματος

Θεωρία

Το ηλεκτρικό κύκλωμα

Πατάς τον διακόπτη του φακού και δεν ανάβει. Τον χτυπάς ελαφρά στην παλάμη σου και ξαφνικά φωτίζει: ένα ελατήριο δεν ακουμπούσε καλά στην μπαταρία. Ένα μικροσκοπικό κενό, σε ένα μόνο σημείο, αρκούσε για να μείνει σβηστός όλος ο φακός. Γιατί;

Φόρτωσε το έτοιμο κύκλωμα «Σε σειρά»: μια μπαταρία 6 V, ένας διακόπτης, ένα αμπερόμετρο και δύο λαμπτήρες 12 Ω. Οι λαμπτήρες ανάβουν και το αμπερόμετρο δείχνει 0,25 A. Άνοιξε τον διακόπτη: σβήνουν και οι δύο λαμπτήρες και το αμπερόμετρο δείχνει 0 A, αν και βρίσκεται σε άλλο σημείο του δρόμου από τον διακόπτη.

Θυμήσου το κύκλωμα νερού της §2.1. Ο διακόπτης εκεί είναι μια βάνα.

Αν κλείσεις τη βάνα σε οποιοδήποτε σημείο, πριν ή μετά τους στενούς σωλήνες, το νερό σταματά σε όλο το κύκλωμα, γιατί δεν έχει πού να πάει. Πρόσεξε τις λέξεις: κλειστή βάνα αντιστοιχεί σε ανοιχτό διακόπτη.

Πού σταματά η αναλογία. Μια βάνα μπορεί να μείνει μισάνοιχτη και να αφήνει λίγο νερό. Ο διακόπτης έχει μόνο δύο θέσεις: ή ο δρόμος είναι κλειστός και περνά ρεύμα, ή είναι ανοιχτός και δεν περνά καθόλου.

Ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα έχει μια ηλεκτρική πηγή (π.χ. μπαταρία), έναν ή περισσότερους καταναλωτές (λαμπτήρες, αντιστάτες, κινητήρες), καλώδια που τα ενώνουν και συνήθως έναν διακόπτη. Ρεύμα περνά μόνο όταν το κύκλωμα είναι κλειστό: όταν από τον θετικό πόλο της πηγής ως τον αρνητικό υπάρχει συνεχής δρόμος από αγωγούς.

Αν ο δρόμος διακοπεί οπουδήποτε, με ανοιχτό διακόπτη ή με έναν λαμπτήρα ξεβιδωμένο, το κύκλωμα είναι ανοιχτό και δεν περνά ρεύμα από πουθενά. Γι’ αυτό κάθε φις έχει δύο ακίδες για το ρεύμα: μόνο έτσι κλείνει ο δρόμος μέσα από τη συσκευή.

Η συμβατική φορά του ρεύματος είναι από τον θετικό πόλο της πηγής, μέσα από το κύκλωμα, προς τον αρνητικό. Τα ηλεκτρόνια κινούνται αντίθετα.

Γρήγορος έλεγχος: Σε ένα κύκλωμα με μπαταρία και λαμπτήρα, ο διακόπτης είναι στο καλώδιο που γυρίζει από τον λαμπτήρα στον αρνητικό πόλο, δηλαδή «μετά» τον λαμπτήρα. Αν τον ανοίξεις, σβήνει ο λαμπτήρας;

Τα σύμβολα

Στα σχέδια κυκλωμάτων κάθε στοιχείο έχει το σύμβολό του. Τα ίδια σύμβολα χρησιμοποιεί και η προσομοίωση.

Το αμπερόμετρο

Ο υδρομετρητής του σπιτιού σου είναι βιδωμένος πάνω στον σωλήνα του νερού, έτσι ώστε όλο το νερό να περνά μέσα από αυτόν. Αν τον ακουμπούσες απλώς δίπλα στον σωλήνα, δεν θα μετρούσε τίποτα. Πώς πρέπει λοιπόν να συνδεθεί το όργανο που μετρά το ρεύμα;

Στο κύκλωμα «Σε σειρά» το αμπερόμετρο είναι μέσα στον δρόμο του ρεύματος, ανάμεσα στον διακόπτη και στον δεξιό λαμπτήρα, και δείχνει 0,25 A. Φόρτωσε τώρα τη «Λάθος σύνδεση».

Εδώ το αμπερόμετρο είναι συνδεδεμένο στα άκρα του πάνω λαμπτήρα. Ο λαμπτήρας αυτός σβήνει, ο κάτω φωτίζει πιο δυνατά από ό,τι χωρίς το αμπερόμετρο, και το αμπερόμετρο δείχνει 0,50 A. Αυτό είναι το ρεύμα του κάτω λαμπτήρα, όχι του σβηστού.

Πού σταματά η αναλογία. Το νερό που πέρασε από τον υδρομετρητή μπορείς να το μαζέψεις και να το μετρήσεις σε λίτρα. Τα ηλεκτρόνια δεν τα μετρά κανείς ένα ένα· το αμπερόμετρο βρίσκει την ένταση από κάποιο αποτέλεσμα του ρεύματος μέσα του.

Το αμπερόμετρο μετρά την ένταση του ρεύματος, σε A. Για να μετρήσει το ρεύμα ενός λαμπτήρα πρέπει να περνά από αυτό το ίδιο ρεύμα.

Γι’ αυτό συνδέεται σε σειρά: ανοίγουμε το κύκλωμα σε ένα σημείο και βάζουμε το αμπερόμετρο στο κενό. Ένα καλό αμπερόμετρο έχει πολύ μικρή αντίσταση, ώστε να μην αλλάζει το ρεύμα που μετρά.

Αν το συνδέσουμε κατά λάθος παράλληλα σε έναν λαμπτήρα, το ρεύμα περνά σχεδόν όλο από το αμπερόμετρο, που σχεδόν δεν έχει αντίσταση. Ο λαμπτήρας σβήνει και η ένδειξη δεν είναι το ρεύμα του λαμπτήρα. Αν το συνδέσουμε κατευθείαν στους πόλους της μπαταρίας, προκαλούμε βραχυκύκλωμα.

Γρήγορος έλεγχος: Στο κύκλωμα «Σε σειρά» μεταφέρεις το αμπερόμετρο από τη θέση πριν από τους λαμπτήρες σε μια θέση μετά από αυτούς. Θα δείξει λιγότερο, αφού το ρεύμα έχει ήδη περάσει από δύο λαμπτήρες;

Συχνό λάθος: πολλοί συνδέουν το αμπερόμετρο παράλληλα σε ένα στοιχείο, όπως το βολτόμετρο, νομίζοντας ότι έτσι «διαβάζει» το ρεύμα του. Επειδή το αμπερόμετρο έχει σχεδόν μηδενική αντίσταση, αυτό βραχυκυκλώνει το στοιχείο: το ρεύμα προτιμά τον δρόμο χωρίς αντίσταση, ο λαμπτήρας σβήνει και η ένδειξη δεν είναι το δικό του ρεύμα. Το αμπερόμετρο πρέπει πάντα να μπαίνει σε σειρά, μέσα στον δρόμο του ρεύματος που θέλεις να μετρήσεις.

Το βολτόμετρο

Για να δεις αν το λάστιχο του ποδηλάτου θέλει αέρα, ακουμπάς ένα μανόμετρο στη βαλβίδα. Το μανόμετρο δεν μετρά πόσος αέρας περνά· συγκρίνει την πίεση μέσα στο λάστιχο με την πίεση του αέρα γύρω.

Και η τάση είναι μια διαφορά ανάμεσα σε δύο σημεία. Πώς πρέπει λοιπόν να συνδεθεί το όργανο που τη μετρά;

Στο κύκλωμα «Σε σειρά» το βολτόμετρο συνδέεται με δύο καλώδια στα άκρα του κάτω λαμπτήρα και δείχνει 3 V, τη μισή τάση της μπαταρίας, αφού οι δύο λαμπτήρες είναι ίδιοι. Αν το συνδέσεις στα άκρα της μπαταρίας, δείχνει 6 V.

Πού σταματά η αναλογία. Το μανόμετρο του ποδηλάτου ακουμπά σε ένα μόνο σημείο, γιατί τη δεύτερη πίεση τη δίνει ο αέρας γύρω. Το βολτόμετρο χρειάζεται πάντα δύο καλώδια: τάση «σε ένα σημείο» δεν έχει νόημα.

Το βολτόμετρο μετρά την τάση ανάμεσα σε δύο σημεία, σε V. Συνδέεται παράλληλα: τα δύο άκρα του ακουμπούν στα δύο άκρα του στοιχείου, χωρίς να ανοίξουμε το κύκλωμα. Ένα καλό βολτόμετρο έχει πολύ μεγάλη αντίσταση, ώστε σχεδόν δεν περνά ρεύμα από αυτό.

Αν το συνδέσουμε κατά λάθος σε σειρά, η μεγάλη του αντίσταση σταματά σχεδόν όλο το ρεύμα: οι λαμπτήρες σβήνουν και το βολτόμετρο δείχνει περίπου την τάση της πηγής.

Γρήγορος έλεγχος: Βάζεις το βολτόμετρο σε σειρά με έναν λαμπτήρα και μια μπαταρία 6 V. Ο λαμπτήρας σβήνει, ενώ το βολτόμετρο δείχνει 6 V. Πώς γίνεται;

Βραχυκύκλωμα

Στον ηλεκτρικό πίνακα κάθε σπιτιού υπάρχουν ασφάλειες που «πέφτουν» και κόβουν το ρεύμα όταν κάτι πάει στραβά. Μία από τις αιτίες είναι το βραχυκύκλωμα. Τι είναι, και γιατί είναι επικίνδυνο;

Στην προσομοίωση ένωσε τους δύο πόλους της μπαταρίας μόνο με καλώδια, χωρίς λαμπτήρα ή αντιστάτη στον δρόμο. Εμφανίζεται το μήνυμα «Βραχυκύκλωμα!», οι λαμπτήρες σβήνουν και τα όργανα δεν δείχνουν αριθμό: με ιδανική μπαταρία και καλώδια χωρίς αντίσταση, το ρεύμα δεν θα είχε όριο.

Στο κύκλωμα νερού, βραχυκύκλωμα είναι ένας φαρδύς σωλήνας χωρίς κανένα στένωμα, από την έξοδο της αντλίας κατευθείαν στην είσοδό της. Το νερό ορμά από εκεί και η αντλία δουλεύει στα όριά της. Οι στενοί σωλήνες δεν παίρνουν σχεδόν τίποτα, γιατί οι άκρες τους ενώνονται μέσα από τον φαρδύ σωλήνα και δεν έχουν πια διαφορά πίεσης.

Πού σταματά η αναλογία. Όταν από έναν σωλήνα περνά πολύ νερό, ο σωλήνας δεν ζεσταίνεται. Ένα καλώδιο με πολύ μεγάλο ρεύμα ζεσταίνεται τόσο, που μπορεί να λιώσει η μόνωσή του και να πιάσει φωτιά.

Βραχυκύκλωμα έχουμε όταν οι πόλοι της πηγής ενώνονται με έναν δρόμο σχεδόν χωρίς αντίσταση, για παράδειγμα με ένα σκέτο καλώδιο. Τότε περνά πολύ μεγάλο ρεύμα, τα καλώδια ζεσταίνονται και η μπαταρία αδειάζει γρήγορα.

Ένα καλώδιο με αντίσταση 0,01 Ω στους πόλους μιας ιδανικής μπαταρίας 6 V θα είχε ρεύμα I = 6 διά 0,01 = 600 A. Μια πραγματική μπαταρία δεν δίνει τόσο, αλλά το ρεύμα είναι και πάλι πολύ μεγάλο.

Οι λαμπτήρες σβήνουν, γιατί τα άκρα τους ενώνονται μέσα από το καλώδιο, που σχεδόν δεν έχει αντίσταση, και η τάση πάνω τους γίνεται σχεδόν μηδέν. Στα σπίτια, οι ασφάλειες κόβουν το ρεύμα όταν γίνει βραχυκύκλωμα.

Γρήγορος έλεγχος: Μια μπαταρία ανάβει έναν λαμπτήρα. Ενώνεις τους πόλους της και με ένα σκέτο καλώδιο. Καίγεται ο λαμπτήρας από το τεράστιο ρεύμα του βραχυκυκλώματος;

Δραστηριότητες

1. Πρόβλεψη: Πώς συνδέεις το αμπερόμετρο για να μετρήσεις το ρεύμα ενός λαμπτήρα; Απάντησε στην κάρτα «Πρόβλεψη» και μετά φόρτωσε το έτοιμο κύκλωμα «Λάθος σύνδεση». Τι παθαίνει ο λαμπτήρας που έχει το αμπερόμετρο δίπλα του;
2. Φόρτωσε το «Σε σειρά» και, με την «Επιλογή», πάτα τον διακόπτη για να τον ανοίξεις. Τι δείχνουν το αμπερόμετρο και το βολτόμετρο; Διάγραψε τον διακόπτη, βάλε ένα καλώδιο στη θέση του και έναν διακόπτη σε άλλο σημείο του δρόμου. Έχει σημασία πού βρίσκεται;
3. Πάτα «Καθαρισμός» και φτιάξε μόνος σου ένα κύκλωμα με μπαταρία, έναν λαμπτήρα και ένα αμπερόμετρο. Βάλε το αμπερόμετρο πριν από τον λαμπτήρα και μετά μετά από αυτόν. Αλλάζει η ένδειξη;
4. Στο κύκλωμα της δραστηριότητας 3 βάλε ένα βολτόμετρο παράλληλα στον λαμπτήρα και μετά παράλληλα στην μπαταρία. Σύγκρινε τις ενδείξεις. Τέλος βάλε το βολτόμετρο σε σειρά: τι γίνεται με τον λαμπτήρα;
5. Πάτα «Νέα άσκηση» και φτιάξε το κύκλωμα που ζητά. Ποιοι συνδυασμοί αντιστατών δίνουν μικρότερο ρεύμα από έναν αντιστάτη μόνο του, και ποιοι μεγαλύτερο;

Ασκήσεις

Λύσε κάθε άσκηση και έλεγξε την απάντηση στην προσομοίωση.

1. Επίπεδο 1 · Κατανοώ Σε ένα κύκλωμα με μπαταρία, διακόπτη και λαμπτήρα ο διακόπτης είναι ανοιχτός. Περνά ρεύμα από τον λαμπτήρα; Αλλάζει κάτι αν ο διακόπτης μπει από την άλλη μεριά του λαμπτήρα;

   Λύση

   Δεν περνά ρεύμα, γιατί το κύκλωμα είναι ανοιχτό. Η θέση του διακόπτη δεν έχει σημασία: σε σειρά υπάρχει ένας μόνο δρόμος, και όπου κι αν ανοίξει, το ρεύμα σταματά παντού.

2. Επίπεδο 1 · Κατανοώ Θέλεις να μετρήσεις την ένταση του ρεύματος που περνά από έναν λαμπτήρα και την τάση στα άκρα του. Πώς συνδέεις κάθε όργανο;

   Λύση

   Το αμπερόμετρο σε σειρά με τον λαμπτήρα, ώστε να περνά από αυτό το ίδιο ρεύμα. Το βολτόμετρο παράλληλα στον λαμπτήρα, με τα άκρα του στα άκρα του λαμπτήρα.

3. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Μια μπαταρία 6 V τροφοδοτεί έναν λαμπτήρα με αντίσταση 12 Ω. Τι δείχνει ένα αμπερόμετρο σε σειρά με τον λαμπτήρα; Τι δείχνει ένα βολτόμετρο στα άκρα του;

   Λύση

   I = V διά R = 6 διά 12 = 0,5 A. Το βολτόμετρο δείχνει 6 V, όλη την τάση της μπαταρίας, αφού ο λαμπτήρας είναι ο μόνος καταναλωτής.

4. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Στο κύκλωμα της άσκησης 3 ένας μαθητής συνδέει κατά λάθος το αμπερόμετρο παράλληλα στον λαμπτήρα. Τι θα συμβεί;

   Λύση

   Το αμπερόμετρο έχει σχεδόν μηδενική αντίσταση, οπότε ενώνει τους πόλους της μπαταρίας σχεδόν χωρίς αντίσταση: γίνεται βραχυκύκλωμα. Περνά πολύ μεγάλο ρεύμα από το αμπερόμετρο, ο λαμπτήρας σβήνει και το όργανο μπορεί να καταστραφεί.

5. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Έχεις μπαταρία 6 V και δύο αντιστάτες των 12 Ω. Πώς τους συνδέεις ώστε ένα αμπερόμετρο στον κύριο κλάδο να δείχνει 0,25 A; Και πώς ώστε να δείχνει 1 A;

   Λύση

   Σε σειρά: R_ολ = 12 + 12 = 24 Ω και I = 6 διά 24 = 0,25 A. Παράλληλα: από κάθε αντιστάτη περνά 6 διά 12 = 0,5 A, άρα στον κύριο κλάδο 0,5 + 0,5 = 1 A.