Ηλεκτρεγερτική Δύναμη

Εισαγωγή στην Ηλεκτρεγερτική Δύναμη

Η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) είναι η φυσική ποσότητα που χαρακτηρίζει την ικανότητα μιας πηγής να διατηρεί διαφορά δυναμικού και να προκαλεί ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κύκλωμα.

Ορισμός της ΗΕΔ

Η ηλεκτρεγερτική δύναμη $\mathcal{E}$ μιας πηγής ορίζεται ως η ενέργεια που προσφέρει η πηγή ανά μονάδα φορτίου που διέρχεται από αυτήν:

$$\mathcal{E} = \frac{W}{Q}$$

όπου:

• $\mathcal{E}$: η ΗΕΔ σε Volt (V)
• $W$: η ενέργεια που προσφέρει η πηγή σε Joule (J)
• $Q$: το φορτίο που διέρχεται σε Coulomb (C)

Φύση της ΗΕΔ

Η ΗΕΔ δεν είναι δύναμη με τη μηχανική έννοια (παρά το όνομά της). Είναι τάση (διαφορά δυναμικού) και μετριέται σε Volt.

Η πηγή λειτουργεί ως "αντλία φορτίων" που μετακινεί τα θετικά φορτία από χαμηλό σε υψηλό δυναμικό μέσα στην πηγή, δηλαδή από τον αρνητικό στον θετικό πόλο.

Ιδανική και Πραγματική Πηγή

Ιδανική Πηγή

Μια ιδανική πηγή έχει μηδενική εσωτερική αντίσταση ($r = 0$). Η τάση στους πόλους της είναι πάντα ίση με την ΗΕΔ, ανεξάρτητα από το ρεύμα:

$$V = \mathcal{E}$$

Πραγματική Πηγή

Μια πραγματική πηγή έχει εσωτερική αντίσταση $r > 0$. Η τάση στους πόλους της εξαρτάται από το ρεύμα:

$$V = \mathcal{E} - Ir$$

Όπου η ποσότητα $Ir$ είναι η πτώση τάσης στην εσωτερική αντίσταση.

Τάση στους Πόλους της Πηγής

Ανοιχτό Κύκλωμα ($I = 0$)

Όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό:

$$V_0 = \mathcal{E}$$

Η τάση ανοιχτού κυκλώματος ισούται με την ΗΕΔ.

Κλειστό Κύκλωμα ($I \neq 0$)

Όταν ρέει ρεύμα:

$$V = \mathcal{E} - Ir$$

Η τάση στους πόλους είναι μικρότερη από την ΗΕΔ.

Βραχυκύκλωμα ($R = 0$)

Στο βραχυκύκλωμα, η αντίσταση είναι μηδενική και:

$$I_{βρ} = \frac{\mathcal{E}}{r}$$

$$V = 0$$

Το ρεύμα βραχυκυκλώματος είναι το μέγιστο δυνατό και μπορεί να προκαλέσει ζημιά στην πηγή.

Χαρακτηριστική Καμπύλη Πηγής

Η γραφική παράσταση $V = f(I)$ μιας πραγματικής πηγής είναι ευθεία με:

• Τεταγμένη στην αρχή: $V_0 = \mathcal{E}$ (τάση ανοιχτού κυκλώματος)
• Κλίση: $-r$ (αρνητική)
• Τετμημένη στον άξονα $I$: $I_{βρ} = \mathcal{E}/r$ (ρεύμα βραχυκυκλώματος)

$$V = \mathcal{E} - Ir$$

Σύνδεση Πηγών

Σύνδεση σε Σειρά (Συμφωνη)

Πηγές με τον θετικό πόλο της μίας στον αρνητικό της άλλης:

$$\mathcal{E}_{ολ} = \mathcal{E}_1 + \mathcal{E}_2 + ... + \mathcal{E}_n$$

$$r_{ολ} = r_1 + r_2 + ... + r_n$$

Σύνδεση σε Σειρά (Αντίθετη)

Πηγές με ομώνυμους πόλους συνδεδεμένους:

$$\mathcal{E}_{ολ} = |\mathcal{E}_1 - \mathcal{E}_2|$$

$$r_{ολ} = r_1 + r_2$$

Παράλληλη Σύνδεση (Ίδιες Πηγές)

Για $n$ ίδιες πηγές παράλληλα:

$$\mathcal{E}_{ολ} = \mathcal{E}$$

$$r_{ολ} = \frac{r}{n}$$

Είδη Πηγών ΗΕΔ

1. Χημικές πηγές: Μπαταρίες, στοιχεία (μετατροπή χημικής σε ηλεκτρική ενέργεια)
2. Γεννήτριες: Μετατροπή μηχανικής σε ηλεκτρική ενέργεια
3. Φωτοβολταϊκά στοιχεία: Μετατροπή φωτεινής σε ηλεκτρική ενέργεια
4. Θερμοστοιχεία: Μετατροπή θερμικής σε ηλεκτρική ενέργεια