Ηλεκτρισμός – Πώς Λειτουργεί το θεμέλιο της Τεχνολογίας

Ο ηλεκτρισμός είναι πιθανότατα η σημαντικότερη εφεύρεση του ανθρώπου, και το θεμέλιο του σύγχρονου πολιτισμού. Όλοι διδαχτήκαμε στο σχολείο το πώς λειτουργεί ο ηλεκτρισμός, αλλά συχνά από αδιάφορους δασκάλους και άθλια σχολικά βιβλία. Στο άρθρο αυτό θα δούμε απλά και κατανοητά το πώς ακριβώς λειτουργεί ο ηλεκτρισμός.

Καθώς ο ηλεκτρισμός είναι η κινητήριος δύναμη της τεχνολογίας, είναι προς όφελός μας να γνωρίζουμε τη λειτουργία και τα χαρακτηριστικά του.

Έτσι, για παράδειγμα, θα μπορούμε να γνωρίζουμε πόσο μας κοστίζει η λειτουργία της τηλεόρασής μας, ή το ποια είναι η καλύτερη μπαταρία για το κινητό μας.

Στον οδηγό αυτό θα ασχοληθούμε κυρίως όσον αφορά τις μονάδες του ηλεκτρισμού (Volt, Watt, Ampere κλπ), χωρίς να επεκταθούμε σε θεμελιώδεις μονάδες της φυσικής (Newton, Joule, Coulomb κλπ).

Ο ηλεκτρισμός στη Θεωρία

Τι είναι ο ηλεκτρισμός

Ο ηλεκτρισμός, πολύ απλά, είναι η οργανωμένη κίνηση (ροή) των ηλεκτρονίων προς μία κατεύθυνση μέσα σε ένα υλικό – τον αγωγό του ηλεκτρισμού.

Πολύ συχνά παραλληλίζεται με το νερό που περνάει μέσα από μια σωλήνα.

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος

Η μονάδα με την οποία μετράμε τον ηλεκτρισμό είναι η ροή ηλεκτρονίων ανά δευτερόλεπτο, που ονομάζεται ένταση του ηλεκτρισμού. Η μονάδα μέτρησής της είναι το Ampere (αμπέρ), με σύμβολο το “Α”.

Είναι κάτι αντίστοιχο με το να μετρούσαμε πως από μια σωλήνα νερού περνάει ένα λίτρο το λεπτό, ή από έναν δρόμο περνούν χίλια αυτοκίνητα την ώρα.

Όταν από έναν αγωγό περνάει ρεύμα έντασης ενός Ampere, αυτό σημαίνει πως από κάθε σημείο του αγωγού περνούν 6.241.000.000.000.000.000 ηλεκτρόνια κάθε δευτερόλεπτο.

Η διαφορά δυναμικού

Το νερό σε μια σωλήνα δεν κινείται από μόνο του. Για να κινηθεί, χρειάζεται από τη μία μεριά να υπάρχει μεγαλύτερη πίεση στο νερό απ' ότι στην άλλη.

Ο ηλεκτρισμός λειτουργεί με την ίδια λογική, με την αντίστοιχη πίεση να ονομάζεται “ηλεκτρικό δυναμικό” ή “ηλεκτρική τάση”.

Για να υπάρξει ηλεκτρικό ρεύμα χρειάζονται δύο σημεία που να συνδέονται μεταξύ τους με έναν αγωγό, το ένα σημείο με υψηλό δυναμικό και το άλλο με χαμηλό. Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα δύο σημεία είναι που προξενεί την κίνηση των ηλεκτρονίων, και έτσι έχουμε ηλεκτρισμό.

Η μονάδα μέτρησης και του δυναμικού και της διαφοράς δυναμικού είναι το Volt (βολτ), με σύμβολο το “V”.

Ο πιο παραστατικός τρόπος να δούμε τη διαφορά δυναμικού είναι σε μια μπαταρία.

Ο ένας πόλος της μπαταρίας έχει υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό από τον άλλο, έτσι όταν συνδέσουμε τους δύο πόλους μεταξύ τους με έναν αγωγό, έχουμε ηλεκτρικό ρεύμα.

Πιθανώς να μην γνωρίζατε, μάλιστα, πως το ηλεκτρικό ρεύμα κινείται από τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας προς τον θετικό.

Η αντίσταση

Στην κίνηση του νερού σε έναν σωλήνα, εκτός από τη διαφορά της πίεσης, παίζει ρόλο και το πόσο μεγάλος είναι ο σωλήνας. Ένας φαρδύς σωλήνας, με την ίδια πίεση, θα μεταφέρει περισσότερο νερό απ' ότι ένας στενός σωλήνας.

Ομοίως λειτουργούν και οι ηλεκτρικοί αγωγοί, καθώς, ανάλογα με το υλικό και τη διάμετρό τους, έχουν διαφορετική ηλεκτρική αντίσταση, που μετριέται σε Ohm (ωμ), με σύμβολο το “Ω”.

Όσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση, τόσο περισσότερο ρεύμα θα περάσει, για την ίδια τάση.

Για την ακρίβεια, ένας αγωγός έχει αντίσταση ένα Ohm όταν με τάση ενός Volt περνάει από τον αγωγό ρεύμα έντασης ενός Ampere.

Ο τύπος για τον υπολογισμό της αντίστασης όταν γνωρίζουμε τα Volt και τα Ampere είναι Ohm = Volt / Ampere (Ω=V/A).

Το έργο

Ο ηλεκτρισμός, μέσα από την κίνηση των ηλεκτρονίων μεταφέρει ενέργεια, η οποία καταναλώνεται για να παραχθεί κάποιο έργο.

Το έργο από την κατανάλωση της ενέργειας μπορεί να είναι από το να ζεσταθεί το μάτι στην κουζίνα, μέχρι να ανάψει μια λάμπα, να κινηθεί ένας ηλεκτρικός κινητήρας, ή να λειτουργήσει ο υπολογιστής μας.

Η μονάδα που χρησιμοποιούμε για να δείξουμε την κατανάλωση είναι το Watt (βατ) που συμβολίζεται με “W”.

Ουσιαστικά βρίσκουμε τα Watt πολλαπλασιάζοντας τα Volt με τα Ampere. W=V*A.

Συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα

Υπάρχει μια θεμελιώδης διαφορά ανάμεσα στο ρεύμα που παίρνουμε από μια μπαταρία και το ρεύμα που παίρνουμε από την πρίζα του σπιτιού μας.

Η μπαταρία δίνει αυτό που ονομάζουμε “συνεχές ρεύμα” (Direct Current, DC). Αυτό σημαίνει πως η ροή των ηλεκτρονίων είναι πάντοτε προς μία κατεύθυνση, από τον αρνητικό προς το θετικό πόλο, και δεν αλλάζει ποτέ.

Η πρίζα, όμως, δίνει εναλλασσόμενο ρεύμα (Alternatinc Current, AC). Στο εναλλασσόμενο ρεύμα, κάθε ένα σταθερό χρονικό διάστημα, η ροή των ηλεκτρονίων αλλάζει εντελώς κατεύθυνση.

Για την ακρίβεια, ολόκληρο το ηλεκτρικό δίκτυο, από την παραγωγή του ρεύματος μέχρι την πρίζα μας, λειτουργεί με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Στην Ελλάδα, από το 2004 και μετά το ρεύμα στην πρίζα έχει τάση 230 volt (με όρια διακύμανσης +/- 10%, ήτοι 207V έως 253V) και συχνότητα 50Hz, που σημαίνει πως αλλάζει κατεύθυνση 50 φορές ανά δευτερόλεπτο.

Για ποιο λόγο υπάρχει συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα?

Το γεγονός είναι πως όλες οι περίπλοκες ηλεκτρικές συσκευές, όπως η τηλεόραση, ο υπολογιστής, απαιτούν συνεχές ρεύμα για να λειτουργήσουν. Αν περνούσε έστω και για μια στιγμή εναλλασσόμενο ρεύμα στα ευαίσθητα κυκλώματα, θα τα έκαιγε.

Η μετατροπή του ρεύματος από εναλλασσόμενο σε συνεχές γίνεται στον μετασχηματιστή, ο οποίος στους σταθερούς υπολογιστές είναι ενσωματωμένος στο τροφοδοτικό.

Γιατί λοιπόν, αφού δεν το υποστηρίζουν οι συσκευές μας, δεν είναι παντού το ρεύμα συνεχές?

Το πρόβλημα με τη μεταφορά του ρεύματος

Το ρεύμα παράγεται συνήθως σε εργοστάσια που απέχουν εκατοντάδες χιλιόμετρα από πυκνοκατοικημένες περιοχές

Στη μεταφορά ρεύματος σε μεγάλες αποστάσεις, είναι εύκολο να αποδείξουμε πως μας συμφέρει το ρεύμα να έχει υψηλή τάση και χαμηλή ένταση.

Έστω πως θέλουμε να μεταφέρουμε 200.000 watt από ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας. Εφόσον Watt = Volt * Ampere, θα μπορούσαμε να στείλουμε είτε 200.000 Ampere με τάση 1 Volt ή 1 Ampere με τάση 200.000 Volt.

Όμως τα καλώδια έχουν αντίσταση, και ο τύπος της αντίστασης λέει πως Ohm=Volt/Ampere, ή αλλιώς Volt=Ohm*Ampere. Αντικαθιστώντας το Volt στον τύπο των Watt, προκύπτει πως Watt = Ohm * Ampere^2.

Με απλά λόγια αυτό σημαίνει πως όσο ανεβαίνουν τα Ampere, και εφόσον μένει σταθερή η αντίσταση Ohm, αυξάνεται εκθετικά η ενέργεια που περνάει από τα καλώδια. Ουσιαστικά, αν το Ohm δεν είναι υπερβολικά χαμηλό – που θα χρειαζόταν εξαιρετικά χοντρά καλώδια – η θερμότητα θα ήταν υπερβολική.

Αντίθετα, το ρεύμα των πολλών Volt με τα λίγα Ampere θα μεταφερθεί χωρίς πρόβλημα σε καλώδια κανονικού μεγέθους και αντίστασης, χωρίς μεγάλες απώλειες λόγω θερμότητας.

Το πλεονέκτημα του εναλλασσόμενου ρεύματος

Το πρόβλημα με το συνεχές ρεύμα είναι πως είναι δύσκολο να αλλάξουμε την τάση του.

Όταν στα τέλη του 19ου αιώνα ο Thomas Edison πρότεινε το ηλεκτρικό δίκτυο των ΗΠΑ να είναι με συνεχές ρεύμα με τάση 110 volt, πρακτικά θα έπρεπε να φτιαχτούν παντού σταθμοί παραγωγής ενέργειας, έτσι ώστε να απέχουν το πολύ ένα μίλι από οποιονδήποτε καταναλωτή.

Αντίθετα, στο εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο υποστήριζε ο Nicola Tesla, είναι πολύ απλό με ένα μετασχηματιστή να ανέβει σε εξαιρετικά μεγάλα νούμερα, όπως τα προαναφερθέντα 200.000 volt.

Έχοντας υψηλά βολτ, εκεί να έχουμε χαμηλά Ampere για τη μεταφορά της ίδιας ενέργειας, έτσι το ρεύμα θα μεταφερθεί χωρίς πρόβλημα στα υπάρχοντα καλώδια.

Στη συνέχεια είναι εξίσου εύκολο να μειώσουμε την τάση στα 220 volt για το οικιακό δίκτυο, και στο τέλος της διαδρομής να το μετατρέψουμε σε συνεχές για τις συσκευές μας.

O ηλεκτρισμός στην πράξη

Καλή όλη αυτή η θεωρία, αλλά πώς μας βοηθούν όλα τα παραπάνω στην πράξη?

Εφόσον πλέον γνωρίζουμε τι είναι τα Watt, καταλαβαίνουμε τι είναι οι:

Watt-hours (βατώρες)

Οι βατώρες είναι οι μονάδες με βάση τις οποίες μας χρεώνει η ΔΕΗ. Με απλά λόγια, είναι το πόσα Watt έχουμε καταναλώσει σε μια ώρα.

Μια κιλοβατώρα (=1000 βατώρες) κοστίζει 0,0946 ευρώ με το υπάρχον τιμολόγιο της ΔΕΗ, εφόσον η κατανάλωσή μας το τετράμηνο κυμαίνεται από 800 έως 2000 κιλοβατώρες.

Αν λοιπόν έχουμε δύο λάμπες των 50 watt και έναν ανεμιστήρα των 35 Watt, και λειτουργούν συνολικά 5 ώρες την ημέρα, ουσιαστικά έχουμε καταναλώσει (50+50+35)*5=675 βατώρες την ημέρα.

Αν σε μία συσκευή δεν γνωρίζουμε τα Watt, αλλά γνωρίζουμε τα Volt και τα Ampere, με έναν απλό πολλαπλασιασμό Volt*Ampere προκύπτουν τα Watt.

Πόσο κοστίζει η λειτουργία του υπολογιστή?

Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί πως το να έχει ένας υπολογιστής τροφοδοτικό 500 Watt δεν σημαίνει πως θα καίει μια κιλοβατώρα κάθε δύο ώρες που λειτουργεί. Ούτε πως ένας υπολογιστής με τροφοδοτικό 1000 Watt θα κοστίζει σχεδόν 10 λεπτά του ευρώ κάθε ώρα που είναι ανοιχτός.

Η κατανάλωση του υπολογιστή εξαρτάται από τα υποσυστήματά του, καθώς και από τον φόρτο εργασίας – τα παιχνίδια, πχ, καταναλώνουν πολύ περισσότερο ρεύμα από τη συγγραφή ενός κειμένου στο Word.

Ουσιαστικά η ισχύς του τροφοδοτικού δείχνει μέχρι πόσες συσκευές του υπολογιστή μπορούν να συνδεθούν με ασφάλεια (κάρτες γραφικών, σκληροί δίσκοι κλπ), καθώς και ποια θα είναι η μέγιστη δυνατή κατανάλωσή του, σε πλήρη φόρτο εργασίας.

Για να το πούμε και αλλιώς, δύο κατά τα άλλα ολόιδιοι υπολογιστές, ο ένας με τροφοδοτικό 500 Watt και ο άλλος με τροφοδοτικό 1000 Watt θα καταναλώνουν ακριβώς την ίδια ενέργεια για τις ίδιες εργασίες.

Γενικά πάντως, σε κανονικές συνθήκες εργασίας, ο υπολογιστής καταναλώνει σημαντικά λιγότερη ενέργεια από αυτή που αναγράφει το τροφοδοτικό.

Η κατανάλωση αυτή είναι σχετικά δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια, καθώς αλλάζει ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εργασίας.

Ampere-hours (αμπερώρια)

Τα αμπερώρια (Ah) είναι η μονάδα για τη μέτρηση χωρητικότητας μιας μπαταρίας.

Για παράδειγμα, η παρακάτω μπαταρία αυτοκινήτου είναι 12Volt και 50Ah.

Αυτό σημαίνει πως, σε πλήρη φόρτιση, μπορεί να παρέχει ρεύμα με τάση 12 Volt και ένταση 1 Ampere για 50 ώρες πριν αδειάσει.

Σε μπαταρίες για φορητές συσκευές, όπως τα κινητά, που έχουν σημαντικά χαμηλότερες απαιτήσεις ρεύματος, η χωρητικότητα είναι της τάξης των 1,5-1,8Ah, που αναγράφονται συνήθως ως 1500 ή 1800mAh (milli Ampere hours, χιλιοστά του αμπερωρίου), ενώ λειτουργούν και σε σημαντικά χαμηλότερη τάση, από 3,5 μέχρι 6,5-7volt.

Χαρακτηριστικά φορτιστών/μετασχηματιστών

Αν ο μετασχηματιστής του laptop μας χαλάσει, και θέλουμε να αγοράσουμε καινούριο, πρέπει να δώσουμε μεγάλη προσοχή στα χαρακτηριστικά του.

Θα πρέπει να φροντίσουμε ο νέος μετασχηματιστής να έχει ακριβώς τα ίδια volt στο Output όπως ο υπάρχων.

Αλλιώς, υπάρχει περίπτωση ακόμη και να κάψουμε το laptop ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή.

Αν έχει τα ίδια volt και περισσότερα Ampere δεν μας απασχολεί, η συσκευή μας θα τραβήξει μόνο τα ampere που χρειάζεται.

Έχετε άλλες ερωτήσεις για τον ηλεκτρισμό?

Έχοντας διαβάσει τον οδηγό, πλέον έχετε μια καλύτερη κατανόηση για το τι ακριβώς είναι ο ηλεκτρισμός και τι σημαίνουν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που αναγράφονται στις συσκευές.

Αν κάτι δεν ήταν αρκετά κατανοητό, ή αν ξεχάσαμε να αναφέρουμε κάτι σημαντικό, γράψτε μας στα σχόλια, και θα το συμπληρώσουμε αναλόγως.