ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΤΑΒΙΒΑΖΟΜΕΝΗ σε τμήμα κυκλώματος σε κάθε τμήμα ρευματοφόρου κυκλώματος ΜΕΤΑΒΙΒΑΖΕΤΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ αυτά που συμβαίνουν σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα μπορούν να περιγραφούν και στη γλώσσα της ενέργειας με μηχανισμό έργου Μα αυτά τα είπαμε με αφορμή την έννοια ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ . Τώρα τα ξαναλέμε ; Ναι . . Τα ίδια λέμε. Επιστρέφουμε στην έννοια ΕΝΕΡΓΕΙΑ για να μιλήσουμε για τις ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ της. Μην ξεχνάς ότι η ενέργεια είναι «κάτι» που αλλάζει πρόσωπα η μεταβιβαζόμενη ενέργεια είναι το έργο αυτών των δυνάμεων, το ηλεκτρικό έργο όταν λοιπόν εφαρμόζουμε τάση σε μεταλλικό αγωγό, εμφανίζεται ηλεκτρικό πεδίο που ασκεί δυνάμεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνια

η μεταβιβαζόμενη ενέργεια – το ηλεκτρικό έργο - είναι αυτό που λέμε συνήθως «ηλεκτρική ενέργεια» ; συνήθως έτσι λέγεται αν στο αγώγιμο τμήμα υπάρχει μοτέρ η μεταβιβαζόμενη ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και σε θερμική ενέργεια των αγωγών. και σε τι μετατρέπεται η μεταβιβαζόμενη ενέργεια ; το μοτέρ δηλαδή τίθεται σε κίνηση αλλά αυξάνεται και η η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ του αν στο αγώγιμο τμήμα υπάρχει μόνο αντιστάτης η μεταβιβαζόμενη ενέργεια μετατρέπεται εξ ολοκλήρου σε θερμική ενέργεια του αντιστάτη. η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ σε ΕΝΕΡΓΕΙΑ άλλης μορφής αυξάνεται δηλαδή η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ του, όπως συμβαίνει με το λαμπάκι

το ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ JOULE

Το 1840, δέκα περίπου χρόνια μετά την αποδοχή του νόμου του Ohm, ένας νεαρός Άγγλος πειραματιστής από το Μάντσεστερ ενδιαφέρθηκε για το φαινόμενο ΘΕΡΜΑΝΣΗ των ρευματοφόρων αγωγών και το ερεύνησε εξαντλητικά . Σε ένα βαθμό θα μπορούσε να συγκριθεί και με τον κορυφαίο πειραματιστή όλων των εποχών τον επίσης Άγγλο Michael Faraday ’Ήταν ο James Prescott JOULE, ένας από τους κορυφαίους πειραματικούς φυσικούς της γενιάς του. ο Joule θα ενδιαφερθεί ιδιαίτερα για την έννοια ΕΝΕΡΓΕΙΑ και θα την αξιοποιήσει για να περιγράψει τη θέρμανση των ρευματοφόρων αγωγών. Γι αυτό και το φαινόμενο κατά το οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας λέγεται ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ JOULE Στα χρόνια που ακολούθησαν θα γίνει και ένας από τους θεμελιωτές του νόμου για τη ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ .

Manchester και τον James Prescott JOULE, γεννημένο το 1818. Η μεγάλη πολιτεία έχει και τα καμάρια της. Manchester Εκτός από την παγκοσμίως γνωστή ποδοσφαιρική του ομάδα, το Μάντσεστερ καμαρώνει και για τους τρεις μεγάλους φυσικούς που γεννήθηκαν εκεί Τον γεννημένο το 1891 James CHADWICK που έδειξε ότι μέσα στους πυρήνες της ύλης υπάρχουν ΝΕΤΡΟΝΙΑ τον γεννημένο το 1856 Joseph John THOMSON ο οποίος ανακάλυψε το ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ και τον James Prescott JOULE, γεννημένο το 1818. Στο Δημαρχείο της πόλης υπάρχει και το άγαλμα του Joule. Και είναι γνωστό ότι το όνομά του έγινε η μονάδα μέτρησης της σημαντικότερης ίσως έννοιας της Φυσικής, της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ είναι ενέργεια μεταβιβαζόμενη εξ αιτίας κάποιας διαφοράς θερμοκρασίας διότι συνήθως το περιβάλλον δεν είναι η κόλαση ο αντιστάτης μεταβιβάζει ενέργεια στο περιβάλλον με μηχανισμό ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ μεταβιβάζεται ενέργεια στον αντιστάτη με μηχανισμό ΕΡΓΟΥ ΑΝΤΙΣΤΑΤΗΣ διότι είναι πιο εύκολο να μετρήσεις τη ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Χρειάζεσαι μόνο θερμόμετρο και ζυγαριά αυξάνεται η θερμοκρασία του και η έννοια ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ; τώρα το κατάλαβα αν μάλιστα η θερμοκρασία του αντιστάτη διατηρείται σταθερή συμπεραίνουμε ότι η μεταβιβαζόμενη ως ΕΡΓΟ ενέργεια W είναι ίση με τη θερμότητα Q μεταβιβάζεται ενέργεια στον αντιστάτη . . αυξάνεται η θερμοκρασία του . . και μέχρι εδώ έχουμε φαινόμενο Joule τώρα η θερμοκρασία του είναι υψηλότερη από εκείνη του περιβάλλοντος μπορούμε δηλαδή να υπολογίσουμε τη μεταβιβαζόμενη ενέργεια W μετρώντας πειραματικά τη θερμότητα Q άρα μεταβιβάζεται ενέργεια στο περιβάλλον με μηχανισμό ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ αυτό έκανε και ο James Prescott Joule

σε κάθε μεταβίβαση ενέργειας - είτε αυτή γίνεται ως έργο είτε ως θερμότητα– αντιστοιχεί κάποια ΙΣΧΥΣ η έννοια η οποία περιγράφει το «πόσο γρήγορα» γίνεται η μεταβίβαση το «πόσα τζάουλ μεταβιβάζονται σε κάθε δευτερόλεπτο» ΙΣΧΥΣ στο ηλεκτρικό κύκλωμα Συμβολίζεται με το κεφαλαίο Ρ αρχικό της αγγλικής λέξης power πόσα τζάουλ σε κάθε δευτερόλεπτο εάν σε ένα τμήμα ηλεκτρικού κυκλώματος μεταβιβάζεται με σταθερό ρυθμό ενέργεια W επί χρονικό διάστημα t, η ισχύς Ρ θα είναι W τι θα πει «μια λάμπα είναι 100 βατ» ; Ρ = αν τη βάλεις στο δίκτυο των 220 βολτ, θα της μεταβιβάζονται -από το δίκτυο- 100 τζάουλ το δευτερόλεπτο t

Το 1765 ο Σκοτσέζος μηχανικός James Watt – Τζέημς Γουότ αλλά στην Ελλάδα τον λέμε συνήθως Τζέημς Βατ – κατασκεύασε μια πρωτοποριακή μηχανή ατμού η οποία εξελίχθηκε σε έναν από τους μεγάλους πρωταγωνιστές της Βιομηχανικής Επανάστασης Πολλές δεκαετίες αργότερα το όνομα του Watt δόθηκε στη μονάδα μέτρησης της έννοιας ΙΣΧΥΣ . ένα βατ Είναι το 1 Watt – ένα γουότ – το οποίο στην Ελλάδα έχει επικρατήσει να λέγεται Συμβολίζεται με 1 W . Τελικά ένας Άγγλος, ο Joule, ένας Σκοτσέζος, ο Watt, ένας Γερμανός, ο Ohm, ένας Ιταλός, ο Volta και δύο Γάλλοι, ο Ampere και ο Coulomb μοιράζονται τη δόξα με το ακούγονται τα ονόματά τους στα σχολεία όλου του κόσμου στα μαθήματα για τον Ηλεκτρισμό. Κανένας Αμερικανός, κανένας Ρώσος, κανένας Ισπανός, κανένας Ολλανδός, κανένας Έλληνας . Στο Λύκειο θα μάθεις και για μονάδες μέτρησης από τα ονόματα του Άγγλου Faraday, του Σέρβου Tesla και του Αμερικανού Henry, αλλά γενικά έχεις δίκιο

τα βατ τα βολτ και τα αμπέρ

W VAB q q Ι t η ανά μονάδα χρόνου μεταβιβαζόμενη ενέργεια Ρ V I η ανά μονάδα χρόνου μεταβιβαζόμενη ενέργεια σε ένα τμήμα κυκλώματος είναι ίση με το γινόμενο «ΤΑΣΗ επί ΡΕΥΜΑ» = η διαφορά δυναμικού VAB στα άκρα ενός αγώγιμου τμήματος είναι η ανά μονάδα φορτίου ΜΕΤΑΒΙΒΑΖΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ στο τμήμα ΑΒ. W Α Β VAB = q q η ένταση Ι του ρεύματος στον αγωγό ΑΒ είναι το ανά μονάδα χρόνου διακινουμενο φορτίο Ι = t q W W αν πολλαπλασιάσουμε κατά μέλη προκύπτει = ΙΣΧΥΣ VABI = = q t t

Η τάση στα άκρα καθεμιάς είναι 220 βολτ Στο κύκλωμα κάθε σπιτιού οι ηλεκτρικές συσκευές είναι σε ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ σύνδεση Η τάση στα άκρα καθεμιάς είναι 220 βολτ Αν λειτουργεί μόνο ένα σεσουάρ 1100 βατ το ρεύμα – σύμφωνα με τη σχέση P= VI - θα είναι 5 Αμπέρ. Αν λειτουργεί συγχρόνως και ένας λαμπτήρας 100 βατ, το ρεύμα στο νήμα του λαμπτήρα – σύμφωνα με τη σχέση P= VI - θα είναι 0, 45 Αμπέρ. Το ρεύμα συνεπώς στον κεντρικό αγωγό θα είναι 10, 45 Α Αν λειτουργήσει συγχρόνως και ένα μάτι ηλεκτρικής κουζίνας - 1100 βατ - το ρεύμα στον αντιστάτη του θα είναι επίσης 5 αμπέρ. Το ρεύμα συνεπώς στον κεντρικό αγωγό θα είναι 10 Α Αν ανάψουμε και τον ηλεκτρικό θερμοσίφωνα των 4000 βατ το ρεύμα στον αντιστάτη του θα είναι 18,18 Α. Το ρεύμα συνεπώς στον κεντρικό αγωγό θα είναι 28,63 Α

ΜΟΝΟ αντιστάτης R η P = VI ισχύει σε κάθε περίπτωση ενώ η P = I2R τη στιγμιαία ΙΣΧΥ Ρ σε οποιοδήποτε τμήμα ηλεκτρικού κυκλώματος εάν στο τμήμα ΑΒ του κυκλώματος υπάρχει ΜΟΝΟ αντιστάτης R οπότε προκύπτει μπορούμε να εφαρμόσουμε τον νόμο του Ohm VAB = IR 2 A B Ρ Ι R η P = VI ισχύει σε κάθε περίπτωση ενώ η P = I2R εφόσον υπάρχει μόνο αντιστάτης = με την οποία διατυπώνεται και ο Νόμος του Joule

Το φαινόμενο Joule και οι εφευρέσεις

Το φαινόμενο Joule αξιοποιήθηκε από διάφορους εφευρέτες τεχνικούς με την επινόήση και την κατασκευή ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ τα οποία διαδόθηκαν σε όλο τον κόσμο. Είναι οι λαμπτήρες με πυρακτωμένο νήμα και οι διάφορες ηλεκτρικές θερμαντικές συσκευές όπως η ηλεκτρική κουζίνα, το ηλεκτρικό σίδερο, ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας, η ηλεκτρική σόμπα, το ηλεκτρικό καλοριφέρ, η φρυγανιέρα, η ψηστιέρα εξαιρετική για να ψήνει κανείς φαγκρί, τσιπούρα και σαργό. . . όχι . . όχι Το μίξερ δεν το φτιάξαμε για να θερμαίνεται. Η ανακάλυψή του δεν είναι αξιοποίηση του φαινομένου Joule. ξεχάσαμε το μίξερ και το σεσουάρ Λειτουργεί όμως με ηλεκτρικό ρεύμα. Που βασίζεται η λειτουργία του ; Βασίζεται σε φαινόμενο του ΗΛΕΚΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ . Δείξε λίγη υπομονή Δεν μπορώ να κάνω κι αλλιώς

Τι σημαίνει «ΑΣΦΑΛΕΙΑ 35 αμπέρ»; Ιδιαίτερα χρήσιμο ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ είναι και η τηκόμενη ασφάλεια . Βασίζεται και αυτή στο φαινόμενο Joule Τηκόμενη ασφάλεια ; Γιατί τη λένε έτσι ; Τη λένε ΑΣΦΑΛΕΙΑ γιατί ο ρόλος της είναι να μας προστατεύει από την υπερφόρτωση του κυκλώματος με αποτέλεσμα μια μεγάλη ζημιά και τη χαρακτηρίζουν ΤΗΚΟΜΕΝΗ διότι όταν λειτουργήσει τήκεται. Για τον λόγο αυτό διαθέτει ένα σύρμα από μέταλλο εύτηκτο Δεν είναι το βολφράμιο που τήκεται στους 3420 0 C ή ο σίδηρος με σημείο τήξης 1535 °C ούτε και χαλκός που τήκεται στους 1084 0C . Συνηθίζεται ένα κράμα μολύβδου και ψευδαργύρου. Ο ψευδάργυρος τήκεται στους 420 0C και ο μόλυβδος στους 325 0C. Υποθέτω πως «εύτηκτο» θα πει ότι λιώνει σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία . Ποια μέταλλα είναι εύτηκτα ; Πώς λειτουργεί ; Συνδέεται σε σειρά με το κύκλωμα της γραμμής τροφοδοσίας. Όταν, για κάποιο λόγο, η ένταση του ρεύματος φθάσει σε μια υψηλή τιμή η αύξηση της θερμοκρασίας της – ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ JOULE - οδηγεί στην τήξη του μετάλλου και το ρεύμα διακόπτεται. Γιατί πρέπει να διακόπτεται το ρεύμα ; Εάν δεν γινόταν ΔΙΑΚΟΠΗ θα έλιωναν όλοι οι αγωγοί της εγκατάστασης γεγονός που θα σήμαινε μια μεγάλη αυτή καταστροφή. Τι σημαίνει «ΑΣΦΑΛΕΙΑ 35 αμπέρ»; Κάθε ασφάλεια είναι έτσι φτιαγμένη ώστε να λιώνει σε μια ορισμένη τιμή ρεύματος και χαρακτηρίζεται από την τιμή αυτή. Μια ασφάλεια είναι 35 αμπέρ εφόσον το ρεύμα στο οποίο λιώνει και διακόπτεται το κύκλωμα είναι 35 αμπέρ.

Ναι αλλά από όσο έχω ακούσει, στη δική μας εποχή, τις λάμπες αυτές. Ο λαμπτήρας με πυρακτωμένο νήμα εφευρέθηκε το 1879 και ήταν μια από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις της εποχής Ναι αλλά από όσο έχω ακούσει, στη δική μας εποχή, τις λάμπες αυτές. οι άνθρωποι έχουν αρχίσει να τις αποφεύγουν Έχεις δίκιο και καλά θα κάνουν να πάψουν να τις χρησιμοποιούν. Είναι χρόνια τώρα που έχουν ανακαλυφθεί λαμπτήρες οι οποίο δίνουν το ίδιο περίπου φως με τις συμβατικές με ΠΟΛΥ ΛΙΓΟΤΕΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ. Ένας τέτοιος λαμπτήρας νέας τεχνολογίας με 20 βατ δίνει το ίδιο φως με ένα λαμπτήρα πυρακτωμένου νήματος των 100 βατ. Στη μία δηλαδή περίπτωση πρέπει να μεταβιβάζονται από το δίκτυο της ΔΕΗ 20 τζάουλ το δευτερόλεπτο και στην άλλη 100. Πέντε περισσότερη ενέργεια και το ίδιο φως. Εντυπωσιακό . . Και ιδιαίτερα σοβαρό διότι ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της εποχής μας είναι η ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ .

και ο Αμερικανός Thomas Alva Edison έγινε παγκόσμια γνωστός Βέβαια το 1879 η εμφάνιση του ηλεκτρικού λαμπτήρα με το πυρακτωμένο νήμα έδωσε το φως τις νύχτες, η ζωή των ανθρώπων άλλαξε εντυπωσιακά και ο Αμερικανός Thomas Alva Edison έγινε παγκόσμια γνωστός Κάθε άλλο. Ελάχιστα ήξερε από φυσική. Ήταν όμως ένας τεχνικός με ξεχωριστή φαντασία που κατάφερνε να αξιοποιεί την επιστήμη. Και όχι μόνο με την εφεύρεση του λαμπτήρα . . ο Edison ήταν σπουδαίος φυσικός ; .

αν θερμανθεί ακόμα περισσότερο μπορεί να βγάλει και λευκό φως ; Όταν θερμαίνεται ένα μέταλλο και φθάσει σε θερμοκρασία 600 περίπου βαθμών Κελσίου - 600 0C- εκπέμπει φως αλλά φως κόκκινο, ενώ στους 1500 0 C, εάν δεν έχει τακεί - δηλαδή λιώσει - βγάζει κίτρινο φως . Για να βγάλει φως λευκό πρέπει η θερμοκρασία του να φθάσει πάνω από 2500 βαθμούς Κελσίου. Και ο Edison σκέφτηκε να χρησιμοποιήσει νήμα το οποίο τροφοδοτούμενο με ηλεκτρικό ρεύμα θα έφθανε σε τόσο υψηλή θερμοκρασία. Δοκίμασε εκατοντάδες νήματα από διάφορα υλικά τα οποία δεν ήταν ούτε χαλκός ούτε σίδηρος υλικά που θα μπορούσαν να δώσουν λεπτά μεταλλικά νήματα . ο χαλκός τήκεται στους 1080 βαθμούς και ο σίδηρος στους 1540 γιατί ούτε χαλκό ούτε και σίδηρο ; Χρησιμοποίησε νήμα από άνθρακα- γραφίτη ο οποίος τήκεται στου 3600 βαθμούς Κελσίου Από γραφίτη είναι το νήμα της λάμπας σήμερα ; Στα χρόνια που ακολούθησαν ο γραφίτης αντικαταστάθηκε με ΒΟΛΦΡΑΜΙΟ, μέταλλο πολύ μεγαλύτερης αντοχής με θερμοκρασία τήξης του 3410 βαθμούς Κελσίου. Σε κάθε αναμμένη λάμπα του σήμερα το νήμα από βολφράμιο φθάνει σε θερμοκρασία πάνω από 2500 0 C

Γιατί δεν αφαιρούσε τον αέρα που υπήρχε μέσα στο γυάλινο περίβλημα ; Βέβαια τα τεχνικά προβλήματα που αντιμετώπισε οEdison μέχρι να φθάσει στην ανακάλυψη ήταν πολύ περισσότερα . Το νήμα από γραφίτη το τοποθέτησε μέσα σε περίβλημα από γυαλί και έπρεπε μέσα εκεί να μην υπάρχει αέρας διότι το νήμα στη φοβερή αυτή θα θερμοκρασία θα σκούριαζε. Γιατί δεν αφαιρούσε τον αέρα που υπήρχε μέσα στο γυάλινο περίβλημα ; Δεν έπρεπε να υπάρχει κενό γιατί τα στερεά στο κενό γίνονται εξαχνώνονται, γίνονται αέρια Το έλυσε αφαιρώντας τον αέρα και βάζοντας στη θέση του αδρανές αέριο – αργό – το οποίο δεν θα οξείδωνε το νήμα Τα προβλήματα ήταν πολλά αλλά τελικά το 1879 ο λαμπτήρας με πυρακτωμένο νήμα έκανε την εμφάνισή του. Μαζί με ένα σωρό άλλες ανακαλύψεις του - αλλά και τις επενδύσεις που έκανε -το φτωχόπαιδο από την Αιόβα έγινε ένας πλούσιος με σκληρή μάλιστα συμπεριφορά στους εργάτες και τους υπαλλήλους του

Κι εγώ πιστεύω ότι αξίζει τον κόπο. Τελικά μου αρέσει να μαθαίνω πως οι άνθρωποι, ξεκινώντας από θεωρίες της επιστήμης και βασιζόμενοι στην επινοητικότητά τους, φθάνουν σε μια νέα εφεύρεση Παρόλο που η εποχή του λαμπτήρα πυράκτωσης ύστερα από 130 περίπου χρόνια φαίνεται να φθάνει στο τέλος της Κι εγώ πιστεύω ότι αξίζει τον κόπο. Ας ελπίσουμε ότι εσείς οι άνθρωποι του επερχόμενου μέλλοντος θα φροντίσετε να εγκαταλείψετε τις τόσο ενεργοβόρες αυτές λάμπες και να υιοθετήσετε τις άλλες τεχνολογίες γυαλί Χημικά αδρανές αέριο νήμα από βολφράμιο ηλεκτρόδιο από ΝΙΚΕΛΙΟ