Ηλεκτρικό ρεύμα

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρικών φορτίων ή φορέων ηλεκτρικού φορτίου, κατά μήκος ενός ηλεκτροφόρου αγωγού. Ένα παρεμφερές φαινόμενο είναι το ρεύμα μετατόπισης, ποσότητα που σχετίζεται με την αλλαγή του ηλεκτρικού πεδίου. Μετριέται σε μονάδες μέτρησης της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος και αντιστοιχεί σε αυτό ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Από τον ορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος προκύπτει ότι για να εμφανιστεί χρειάζονται δύο προϋποθέσεις: Η ύπαρξη φορέων ηλεκτρικού φορτίου με ελευθερία κίνησης. Αίτιο για την προσανατολισμένη κίνηση των φορέων, δηλαδή κάποιο ηλεκτρικό πεδίο.Συνήθως τα ηλεκτρικά φορτία είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια μεταλλικών αντικειμένων όπως στα καλώδια. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η μεταφερόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τη θέρμανση των σωμάτων τα οποία διαρρέει. Συσκευές που λειτουργούν με βάση τα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ο θερμοσίφωνας και η ηλεκτρική κουζίνα.

 Το μέγεθος που μετρά το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, που ορίζεται ως: I = d Q d t {\displaystyle I={dQ \over dt}} Δηλαδή ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ο ρυθμός διέλευσης του ηλεκτρικού φορτίου από τη διατομή ενός αγωγού. Πιο απλά, σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα περνάει από τη διατομή του αγωγού ηλεκτρικό φορτίο. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος δείχνει πόσο φορτίο περνά στη μονάδα του χρόνου. Το μέγεθος είναι μονόμετρο, αλλά επιπλέον έχει φορά (διάνυσμα) από τα σημεία ψηλού δυναμικού στα σημεία χαμηλού δυναμικού. Μετριέται στο διεθνές σύστημα μονάδων σε Αμπερ Α (γαλλικά Ampere) και θεωρείται θεμελιώδης μονάδα. Υπάρχουν άλλοι δύο τρόποι με τους οποίους μετράται το ηλεκτρικό ρεύμα, οι οποίοι έχουν σχέση με την κατανομή του στο χώρο. Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να διαρρέει έναν μονοδιάστατο αγωγό, μια επιφάνεια ή μια περιοχή του χώρου. Στην περίπτωση που ρέει έναν αγωγό χρησιμοποιείται κανονικά η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος για τη μέτρησή του. Στην περίπτωση της επιφάνειας το ηλεκτρικό ρεύμα τη διαρρέει κατά μέτωπο σαν άπειροι μονοδιάστατοι αγωγοί να έχουν συγκεντρωθεί ο ένας δίπλα στον άλλον και να έχουν σχηματίσει μια επιφάνεια. Τότε χρησιμοποιείται η επιφανειακή πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος, ένα διανυσματικό μέγεθος με κατεύθυνση την κατεύθυνση του μετώπου σε κάθε σημείο της επιφάνειας και μετράται σε A/m. Αντίστοιχα στο χώρο χρησιμοποιείται η πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος, και αυτή είναι διανυσματικό μέγεθος με κατεύθυνση την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος, μετράται σε A/m2. Αν λ η γραμμική πυκνότητα φορτίου και σ η επιφανειακή πυκνότητα φορτίου είναι: K → = d λ d t {\displaystyle {\vec {K}}={d\lambda \over dt}} J → = d σ d t {\displaystyle {\vec {J}}={d\sigma \over dt}} Εξ αιτίας της αρχής διατήρησης του φορτίου ισχύει και η σχέση: ∇ ⋅ J → + ∂ ρ ∂ t = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {J}}+{\partial \rho \over \partial t}=0} Επειδή η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος έχει φορά, για τη μέτρησή του σε ένα σημείο θεωρούμε μία θετική φορά. Έτσι, αν το μέγεθος είναι θετικό σημαίνει ότι το δυναμικό μειώνεται κατά τη φορά που επιλέξαμε, ενώ αν το μέγεθος είναι αρνητικό σημαίνει ότι το δυναμικό αυξάνεται κατά την κατεύθυνση που επιλέξαμε. Όταν σημειώνουμε γραφικά τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος με βέλος, τότε δείχνει κατά τη φορά μείωσης του δυναμικού. Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων, η οποία δεν ταυτίζεται απαραίτητα με τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Η φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ταυτόσημη με τη φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων, όταν το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται αποκλειστικά στην κίνηση θετικών φορτίων στον αγωγό. Παλιότερα πίστευαν ότι τα ελεύθερα κινούμενα φορτία στα μέταλλα ήταν θετικά, δηλαδή ότι οι δύο φορές, της έντασης και της κίνησης των φορτίων στους αγωγούς αυτούς, ταυτίζονταν. Αργότερα, αποδείχθηκε ότι στα μέταλλα, όπου γίνονταν οι παρατηρήσεις, κυκλοφορούν ελεύθερα τα αρνητικά φορτία (τα ηλεκτρόνια), τα οποία είχαν φορά κίνησης αντίθετη από τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος δημιουργώντας σύγχυση στην κατανόηση της φοράς του ηλεκτρικού ρεύματος. Πιο μετά ανακαλύφθηκε πως κάποιοι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού (μονωτές), όταν περιείχαν κάποιο μικρό ποσοστό προσμίξεων, άλλαζαν ηλεκτρικές ιδιότητες και μπορούσαν να συμπεριφέρονται υπό προϋποθέσεις ως καλοί αγωγοί. Τα υλικά αυτής της κατηγορίας ονομάζονται ημιαγωγοί και στους ημιαγωγούς αποδίδεται ρεύμα ίδιας φοράς με του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, που οφείλεται σε κίνηση φαινόμενων θετικών φορτίων που ονομάζονται θετικές οπές. Στην πραγματικότητα το ρεύμα των θετικών οπών οφείλεται πάλι σε κίνηση ηλεκτρονίων, που είναι οι μόνοι, υπό προϋποθέσεις, κινούμενοι φορείς ηλεκτρικού φορτίου μέσα στους ημιαγωγούς. Η κίνηση των ηλεκτρονίων στους ημιαγωγούς όμως δεν είναι ελεύθερη, όπως στα μέταλλα που λειτουργούν ως νέφος που παρασύρεται από τις διαφορές του ηλεκτρικού δυναμικού. Στους ημιαγωγούς τα ηλεκτρόνια είναι δεσμευμένα και η κίνησή τους είναι, στην ουσία, μετατόπιση μεταξύ επιτρεπτών θέσεων μέσα στο υλικό. Όταν εφαρμόζουμε στον ημιαγωγό διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού (ηλεκτρική τάση), το κενό που αφήνεται από ένα ηλεκτρόνιο που αλλάζει θέση, μετατοπιζόμενο σε μια επιτρεπτή διπλανή, περιγράφεται ως θετική οπή, η οποία μάλιστα εμφανίζεται ακριβώς στα σημεία που έχουν παγιδευτεί οι προσμίξεις μέσα στο υλικό. Επειδή η επιτρεπτή θέση που καταλαμβάνει το ηλεκτρόνιο με τη μεταπήδηση είναι επίσης μια οπή, η οποία πλέον χάνεται, φαίνεται τελικά σα να έχουμε μετατόπιση της θετικής αυτής οπής στην προηγούμενη θέση του ηλεκτρονίου. Επειδή το ρεύμα αυτό δεν είναι αποτέλεσμα της ελεύθερης κίνησης των ηλεκτρονίων ως νέφος, παρά εξαρτάται άμεσα από τις ιδιότητες του υλικού του ημιαγωγού, προτιμούμε να μιλάμε για ρεύμα που οφείλεται σε θετικούς φορείς, τις θετικές οπές, που αντικατοπτρίζουν καλύτερα το μηχανισμό της κίνησης του ρεύματος στους ημιαγωγούς και θεωρούμε ως φορά του ρεύματος σε αυτούς το ρεύμα της κίνησης των θετικών οπών, που έχει ανάστροφη φορά από αυτό της μετατόπισης των ηλεκτρονίων. Στο φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης παρατηρούμε κίνηση και θετικών και αρνητικών ιόντων ταυτόχρονα μέσα στο νερό που εμβαπτίζεται η άνοδος και η κάθοδος και το ρεύμα εκεί οφείλεται στην κίνηση και των δύο τύπων φορτίων. Αυτό ισχύει υπό συνθήκες και σε αέρια, όταν αυτά βρίσκονται στην κατάσταση της ύλης που ονομάζεται πλάσμα, όπου το αέριο είναι ιονισμένο. Το ρεύμα ιόντων σε πλάσμα το παρατηρούμε στο φαινόμενο της αστραπής, σε σωλήνες φωτεινών επιγραφών κλπ. Επομένως, υπάρχουν δύο φορές που χαρακτηρίζουν το ηλεκτρικό ρεύμα: Η φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, η οποία δείχνει τη φορά μείωσης του δυναμικού και ονομάζεται συμβατική φορά, γιατί πολλές φορές για λόγους απλούστευσης (κατά σύμβασιν) θεωρείται ότι ελεύθερα είναι θετικά φορτία και η συμβατική φορά δείχνει τη φορά τους. Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, η οποία είναι η φορά κίνησης των φορτίων, για αυτό ονομάζεται και πραγματική φορά. Η πραγματική φορά εξαρτάται από το είδος των φορτίων του ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή από το αν είναι θετικά ή αρνητικά και ορίζεται όταν κινούνται κυρίως μόνο είτε τα μεν είτε τα δε. Ανάλογα με την εξάρτηση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος με το χρόνο διακρίνουμε το ηλεκτρικό ρεύμα σε διάφορα είδη. Υπάρχουν δύο κύρια είδη ηλεκτρικού ρεύματος: Συνεχές ρεύμα είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που έχει μία συγκεκριμένη φορά. Συνήθως το συνεχές ρεύμα έχει σταθερό μέτρο έντασης, με το οποίο λειτουργούν τα περισσότερα κυκλώματα και το οποίο παράγουν οι μπαταρίες. Αυτά τα κυκλώματα είναι μικρά ηλεκτρικά κυκλώματα ή ηλεκτρονικά κυκλώματα. Επειδή έχει σταθερή ένταση, υποχρεωτικά παράγεται από σταθερή τάση, δεδομένου ότι το κύκλωμα δεν αλλάζει σημαντικά με την πάροδο του χρόνου. Εναλλασσόμενο ρεύμα είναι το ρεύμα στο οποίο εναλλάσσεται η φορά, δηλαδή η φορά αλλάζει περιοδικά με το χρόνο. Συνήθως αυτή η μεταβολή είναι αρμονική συνάρτηση του χρόνου, οπότε έχει περίοδο και φάση, και με το οποίο λειτουργούν μεγάλα δίκτυα ηλεκτροδότησης. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι μεταβλητή σε σχέση με το χρόνο και κατά (αριθμητικό) μέσον όρο είναι μηδέν. Όμως το μέτρο της έντασης είναι κατά (αριθμητικό) μέσον όρο διάφορο του μηδενός και μπορεί να χαρακτηρίσει μονόμετρα το ηλεκτρικό ρεύμα, αυτός ο μέσος όρος ονομάζεται ενεργός ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. Δεδομένου ότι το κύκλωμα δεν αλλάζει σημαντικά, η τάση μεταβάλλεται με τον ίδιο τρόπο, για αυτό περιγράφεται από την ενεργό τάση. Το παλμικό συνεχές ρεύμα βρίσκει εφαρμογή στην ηλεκτρική διέγερση των μυών. Χαρακτηρίζεται από μεταβαλλόμενη ένταση, είναι μονοφασικό και έχει σταθερή πολικότητα. Η παροχή του ηλεκτρικού ρεύματος γίνεται από το υφιστάμενο ηλεκτρικό δίκτυο ή δίκτυο ηλεκτροδότησης. Γενικά, το παρεχόμενο ηλεκτρικό ρεύμα είναι εναλλασσόμενο ημιτονοειδές ηλεκτρικό ρεύμα, ενεργής τάσης 230V και συχνότητας 50hz. Λιγότερο διαδεδομένο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα με χαρακτηριστικά 110V και συχνότητα 60hz, που χρησιμοποιείται στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Στον κάθε καταναλωτή παρέχονται πάντα ένα τριπλό καλώδιο, που το αποτελούν ο ουδέτερος (O) στον οποίο δεν παρέχεται από την πάροχο ρεύμα, και οι φάσεις, στα οποία παρέχεται το ρεύμα, ενώ ο καταναλωτής είναι υποχρεωμένος να παρέχει για ασφάλεια μία γείωση. Ανάλογα με τις παρεχόμενες φάσεις της, η παροχή είναι μονοφασική ή τριφασική. Μονοφασική παροχή:Στον καταναλωτή παρέχεται μία φάση (R). Αν συνδεθεί μέσω ενός κυκλώματος η φάση με τον ουδέτερο τότε δημιουργείται κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος. Τριφασική παροχή:Στον καταναλωτή παρέχονται τρεις φάσεις (R,S,T). Η κάθε φάση διαφέρει από τις άλλες δύο κατά 120 μοίρες. Έτσι, αν συνδεθούν δύο φάσεις θα προκύψει ρεύμα παρόμοιο με της κάθε φάσης ενώ θα παρουσιαστεί και βραχυκύκλωμα εν μέρει. Αν συνδεθούν και οι τρεις φάσεις θα δημιουργηθεί πλήρως βραχυκύκλωμα και το τελικό καλώδιο δε θα φέρει καθόλου ρεύμα. Συνήθως η ηλεκτρολογική εγκατάσταση χωρίζεται σε τρία μέρη, όπου κάθε μέρος ηλεκτροδοτείται από μία φάση, όπως και στη μονοφασική παροχή.Η διαφορά φάσης μεταξύ δύο διαδοχικών φάσεων είναι συγκεκριμένη και χαρακτηριστική της συγκεκριμένης παροχής. Γενικά, η διαφορά φάσης δύο διαδοχικών φάσεων σε μια παροχή ν φάσεων δίνεται από τον τύπο: Δ ϕ = 360 ∘ ν {\displaystyle \Delta \phi ={\frac {360^{\circ }}{\nu }}} Στην Ελλάδα σήμερα το ηλεκτρικό ρεύμα παρέχεται εκτός από τη ΔΕΗ που είναι νομικό πρόσωπο μεικτού δικαίου και υπηρεσία κοινής ωφελείας (ΔΕΚΟ) και από άλλες ιδιωτικές εταιρείες που προμηθεύουν με ηλεκτρικό ρεύμα τον Έλληνα καταναλωτή. Η λίστα των εταιρειών - παρόχων ηλεκτρικής ενέργειας αλλάζει διαρκώς. Την εποχή που άρχισε στην Ελλάδα η παραγωγή και η διάθεση του ηλεκτρικού ρεύματος ίσχυαν οι βασικές αρχές του ρωμαϊκού δικαίου όπου, σύμφωνα μ΄ αυτές και την ισχύουσα άποψη, αυτό δεν αποτελούσε "πράγμα" αφού δεν έφερε την ιδιότητα του σώματος (αντικειμένου). Συνέπεια αυτής της κατάστασης, εκτός των άλλων, ήταν να μη διώκεται για κλοπή όποιος έκανε παράνομα χρήση ρεύματος. Κατά συνέπεια, είχε αρχίσει να λαμβάνει μεγάλες διαστάσεις η αφαίρεση ή η παράνομη λήψη ηλεκτρικού ρεύματος. Έτσι, δια του νόμου 2979 (3/6 Αυγούστου 1922) «Περί ηλεκτρικών εγκαταστάσεων» (άρθρο 28), οποιαδήποτε αφαίρεση ή παράνομη εκμετάλλευση ηλεκτρικού ρεύματος κατέστη «ιδιώνυμο αδίκημα», τιμωρούμενου με φυλάκιση από δύο μήνες μέχρι ένα χρόνο ή με χρηματική ποινή ή και με αμφότερες τις ποινές. Ο σύγχρονος όμως Αστικός Κώδικας ορίζει καθαρά ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κινητό (μεταφερόμενο) υλικό αγαθό. Υπό αυτή την έννοια εκλαμβάνεται και στον Ποινικό Κώδικα, επισύροντας ποινές κλοπής. Αντωνίου Ν., Δημητριάδης Π., Καμπούρης Κ., Παπαμιχάλης Κ., Παπατσίμπα Λ., Φυσική Γ' Γυμνασίου, ΟΕΔΒ, 2010