Αρχείο ετικέτας Από το Μαγνητισμό στον Ηλεκτρισμό

Φύλλο εργασίας 12 – Η ηλεκτρική γεννήτρια

Το Φύλλο εργασίας 12 μας μιλάει για την ηλεκτρική γεννήτρια, ή αλλιώς πώς πάμε από το μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό.

Μάθημα 10 – Η ηλεκτρική γεννήτρια

“Η Φυσική με πειράματα Α’ Γυμνασίου” – Φύλλο εργασίας 12

Θεωρία

Γεννήτριες και οικολογία
Όταν η μηχανική ενέργεια προκύπτει από ανανεώσιμες πηγές, η χρήση της γεννήτριας είναι οικολογική, όπως

  • στο υδροηλεκτρικό εργοστάσιο (από τη δυναμική ενέργεια του νερού)
  • στην ανεμογεννήτρια (από αιολική ενέργεια)
  • στο δυναμό ποδηλάτου (από την κινητική ενέργεια της ρόδας)

Όταν απαιτείται η κατανάλωση φυσικών πόρων δεν είναι οικολογική ούτε οικονομική, όπως στο ατμοηλεκτρικό εργοστάσιο,  όπου απαιτείται η καύση γαιανθράκων (μη ανανεώσιμη πηγή ενέργειεας).


Λειτουργία μίας γεννήτριας
Η γεννήτρια έχει τα ίδια μέρη με τον κινητήρα. Αποτελείται από ένα πηνίο στο μαγνητικό πεδίο ενός μαγνήτη.Τα μέρη μίας γεννήτριας
Όταν το πηνίο περιστρέφεται στο μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη, λόγω του φαινομένου της επαγωγής, διαρρέεται από ρεύμα. Το ίδιο συμβαίνει και όταν ο μαγνήτης περιστρέφεται.

Λειτουργία γεννήτριαςΤο φαινόμενο της επαγωγής:

Νόμος του Φαραντέι

Κλικ για εκτέλεση

 

Κάποια στοιχεία για τη γεννήτρια είναι:

  1. Η τάση που βγάζει σε βολτ (V).
  2. Η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος, σε Χερτζ (Hertz).
  3. Η ταχύτητα περιστροφής του άξονα του κινητήρα σε στροφές ανά λεπτό (rpm ή RPM).
Πείραμα

Διαθέτουμε έναν κινητήρα, καλώδια και ένα φωτάκι led.
Κατασκευάζουμε τη διάταξη της εικόνας.

Κινητήρας συνδεδεμένος με led

Παρατηρούμε ότι όταν περιστρέφουμε τον κινητήρα με το χέρι, λειτουργεί ως γεννήτρια και ανάβει το λαμπάκι led.

Την εικόνα και το βίντεο τα πήραμε από εδώ. Το πείραμα αυτό προτιμήσαμε και στην τάξη λόγω της απλότητάς του.

 

Πείραμα βιβλίου
Διαθέτουμε μονωμένο χάλκινο καλώδιο (περίπου 100 μέτρα), δύο παραλληλόγραμμους μαγνήτες, μεγάλο καρφί ή βίδα, μικρής ισχύος λαμπάκι led, χαρτόνι, κολλητική ταινία.
Κατασκευάζουμε τη διάταξη της εικόνας.

γεννήτρια φύλλο εργασίας 10

Παρατηρούμε ότι όταν περιστρέφουμε το καρφί με το χέρι, ανάβει το λαμπάκι led.

Άλλη μία ίδια απλή γεννήτρια μπορούμε να δούμε και εδώ.

3. Ηλεκτρική ενέργεια

Στο κεφάλαιο 3 της Φυσικής Γ Γυμνασίου, εισάγεται η ηλεκτρική ενέργεια και η ηλεκτρική ισχύς, αφού πρώτα μελετήσουμε το φαινόμενο Joule για τα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος και το πείραμα Oersted για τα μαγνητικά αποτελέσματά του.

Θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Φαινόμενο Joule

Όταν από έναν αντιστάτη διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, η θερμοκρασία του αυξάνεται.

Η ηλεκτρική ενέργεια σε έναν αντιστάτη μετατρέπεται σε θερμική.

\(E_{\eta\lambda}=Q\)


Εφαρμογές του φαινομένου Joule στην καθημερινή μας ζωή:


1. Λαμπτήρας πυρακτώσεως: Θερμαίνεται ένα σύρμα τόσο πολύ ώστε φωτοβολεί. Το σύρμα πρέπει να είναι δύστηκτο (βολφράμιο) για να μη λιώνει και να περιβάλλεται από αδρανές αέριο ή κενό για να μην οξειδώνεται.


2. Ηλεκτρική κουζίνα, ηλεκτρικός θερμοσίφωνας κλπ: Μέσω αντιστατών, μεταφέρεται θερμότητα στο μαγειρικό σκεύος ή στο νερό.


3. Τηκόμενη ασφάλεια: Όταν διαρρέεται από μεγάλη ένταση ρεύματος το σύρμα υπερθερμαίνεται και λιώνει οπότε ανοίγει το κύκλωμα, για να αποφευχθεί βραχυκύκλωμα. Το σύρμα πρέπει να είναι από εύτηκτο μέταλλο.

Δείτε το Φύλλο εργασίας 10 της Α Γυμνασίου για περισσότερα πάνω στο βραχυκύκλωμα.


Βραχυκύκλωμα

Το φαινόμενο κατά το οποίο η πηγή συνδέεται με σύρματα πολύ μικρής αντίστασης ονομάζεται βραχυκύκλωμα. Αφού η αντίσταση είναι πολύ μικρή, η ένταση του ρεύματος γίνεται πολύ μεγάλη (I=V/R).

Μαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

Μαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος

 

Πείραμα Έρστεντ

Όταν ένας αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργεί γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο, δηλαδή ασκεί μαγνητική δύναμη.

Μαγνητικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος στον οποίο ασκούνται μαγνητικές δυνάμεις.

Πείραμα Oersted
Ο Oersted στο εργαστήριό του παρατηρεί τη βελόνα της πυξίδας να εκτρέπεται λόγω του ρευματοφόρου αγωγού.

Ο ηλεκτρισμός και μαγνητισμός συνδέονται, αφού τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν εκτός από ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο.


Ηλεκτρομαγνήτης

Κάθε πηνίο που διαρρέεται από ρεύμα συμπεριφέρεται σα μαγνήτης και ονομάζεται ηλεκτρομαγνήτης.

ηλεκτρομαγνήτης
Ο πιο απλός ηλεκτρομαγνήτης: ένα ρευματοφόρο πηνίο γύρω από ένα καρφί συμπεριφέρεται σα μαγνήτης.


Ρευματοφόρος αγωγός σε μαγνητικό πεδίο

Όταν ένας αγωγός που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο, του ασκείται μαγννητική δύναμη από το πεδίο.

Ρευματοφόρος αγωγός σε μαγνητικό πεδίο
Στο ρευματοφόρο αγωγό ανάμεσα σε δύο μαγνήτες ασκείται εδώ μία δύναμη προς τα κάτω.



Σε αυτό το φαινόμενο βασίζεται και η λειτουργία του κινητήρα.


Ηλεκτρική ενέργεια και ισχύς

Ηλεκτρική ενέργεια και ισχύς

Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει μία συσκευή είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα της, της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τη διαρρέει και του χρόνου λειτουργίας.

\(E_{\eta \lambda}=VIt\)

Απόδειξη: \(E_{\eta \lambda}=Vq=V(It)=VIt\)

Η ηλεκτρική ενέργεια μετριέται σε Joule, και βάσει του τύπου ισχύει \(1J=1V 1A 1s\)

Ισχύς είναι το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρεται/ μετατρέπεται σε κάποιο χρόνο προς το χρόνο αυτό.

\(P=\frac{E}{t}\)

Η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει μία ηλεκτρική συσκευή θα είναι το γινόμενο της τάσης στα άκρα της επί την ένταση που τη διαρρέει.

\(P_{\eta \lambda}=VI\)

Απόδειξη: \(P_{\eta \lambda}=\frac{E_{\eta \lambda}}{t}=\frac{Vqt}{t}=VI\)

Η ηλεκτρική ισχύς μετριέται σε Watt και βάσει του τύπου ισχύει \(1W=1V 1A\)


Κιλοβατώρα
Λογαριασμός ΔΕΗ: Το κόστος υπολογίζεται από το σύνολο των κιλοβατώρων επί το κόστος κιλοβατώρας.

Η κιλοβατώρα (1kWh) είναι μία άλλη μονάδα μέτρησης της ενέργειας, αντί του Joule. Οι εταιρίες παροχής ενέργειας μετρούν την ενέργεια με κιλοβατώρες. Μια κιλοβατώρα είναι η ενέργεια που καταναλώνεται από μία μηχανή ισχύος 1kW σε μία ώρα.

\(1kWh=1kW \cdot 1h\)

Μπορείτε, λοιπόν, να υπολογίσετε την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα σπίτι:

Επανάληψη

Θεωρία Γ Γυμνασίου: Διαβάστε όλη τη θεωρία του μαθήματος σε περιληπτικά φυλλάδια.

Quiz κεφαλαίου 3: Κάντε το quiz για να ελέγξετε το βαθμό εμπέδωσης της ύλης.