Εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα: Παίρνουμε μια ηλεκτρική πηγή και διαμέσου ενός διακόπτη την συνδέουμε με αγωγούς με ένα θερμαντικό σώμα. Λέμε ότι έχουμε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Μόλις κλείσουμε το διακόπτη το θερμαντικό σώμα αρχίζει να ζεσταίνεται. Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο αυτό δεχόμαστε ότι ηλεκτρικά φορτία κινούνται στο κύκλωμα και καθώς περνάνε μέσα από το θερμαντικό σώμα προκαλούν την θέρμανση του.

Για να μάθουμε περισσότερα πράγματα για το ηλεκτρικό φορτίο που κινείται στους αγωγούς θα ανατρέξουμε στη μικροσκοπική δομή της ύλης. Οι μεταλλικοί αγωγοί αποτελούνται από άτομα διατεταγμένα στις κορυφές του μεταλλικού πλέγματος. Στα άτομα των μετάλλων τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας λόγω της ασθενής έλξης του πυρήνα διαφεύγουν και κινούνται σε διάφορες κατευθύνσεις μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα του αγωγού. Τα ηλεκτρόνια αυτά λέγονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα άτομα που αποσπούνται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετατρέπονται σε θετικά ιόντα, που λόγω των ισχυρών διασυνδέσεων μεταξύ τους παραμένουν σε σταθερές θέσεις στο μεταλλικό πλέγμα εκτελώντας μικρές ταλαντώσεις.

Η κίνηση των φορτίων στο κύκλωμα ανάγεται στην κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων από τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας, στους αγωγούς, το θερμαντικό σώμα και πίσω στο θετικό πόλο της μπαταρίας. Λέμε ότι το κύκλωμα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Η ηλεκτρική πηγή δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο μέσα στους αγωγούς του ηλεκτρικού κυκλώματος, με αποτέλεσμα την δράση ηλεκτρικής δύναμης στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, που έχει επακόλουθο την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Η δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στους αγωγούς οφείλεται αποκλειστικά στην ύπαρξη ελεύθερων ηλεκτρονίων, ενώ στου μονωτές οι οποίοι δεν διαθέτουν ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα σ’ αυτούς.

Καθώς τα ηλεκτρόνια διέρχονται από το θερμαντικό σώμα, που στην ουσία είναι ένας αγωγός με μικρή διατομή βρίσκουν αντίσταση και έτσι λόγων των συγκρούσεων των ηλεκτρονίων με τα ιόντα του θερμαντικού σώματος χάνουν ενέργεια ή οποία μετατρέπεται σε θερμική. Λόγω της αρχής διατήρησης της ενέργεια η ηλεκτρική πηγή δίνει ηλεκτρική ενέργεια στο ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα και κατόπιν η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπεται σε θερμική καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το ηλεκτρικό σώμα.

Αν αντί της μιας ηλεκτρικής πηγής είχαμε περισσότερες συνδεμένες σε σειρά π.χ. αν συνδέσουμε δυο ή περισσότερες μπαταρίες σε σειρά, η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος θα είναι μεγαλύτερη και το θερμαντικό σώμα ζεσταίνεται εντονότερα. Σε αυτή την περίπτωση δεχόμαστε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα αυξάνει καθώς συνδέουμε περισσότερες μπαταρίες σε σειρά.

Πριν δώσουμε τον ορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος, αν και οι φορείς του ηλεκτρικού φορτίου στους αγωγούς είναι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, από τώρα και στο εξής θα θεωρούμε έως ρεύμα την κίνηση υποθετικών θετικών φορτίων μέσα στους αγωγούς με κατεύθυνση την αντίθετη της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Η κατεύθυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων λέγεται πραγματική φορά και η αντίθετη κατεύθυνση των υποθετικών θετικών φορτίων ως συμβατική φορά. Από εδώ και στο εξής όταν αναφερόμαστε στην φορά του ρεύματος θα εννοούμε την συμβατική φορά.

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι στην ουσία ο ρυθμός με τον οποίο ηλεκτρικά φορτία διασχίζουν μια διατομή του αγωγού. Έτσι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος ή πιο απλά το ηλεκτρικό ρεύμα I ορίζεται με το λόγο του φορτίου q που διασχίζει μια διατομή του αγωγού προς το αντίστοιχο χρόνο t. Δηλαδή Ι=q/t

Αν η ροή του ηλεκτρικού φορτίου δεν γίνεται με σταθερό ρυθμό το ηλεκτρικό ρεύμα ορίζεται με το όριο όταν το Δt τείνει στο μηδέν:

όπου Δq είναι το φορτίο που περνά από μια διατομή του αγωγού στο χρονικό διάστημα Δt.

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι προσημασμένη ποσότητα, όπου το πρόσημο δείχνει την φορά κίνησης του θετικού φορτίου με βάσει με μια διεύθυνση αναφοράς. Αν το ηλεκτρικό ρεύμα έχει θετικό πρόσημο (+) η (συμβατική) φορά του ηλεκτρικού ρεύματος ταυτίζεται με τη φορά αναφοράς και αν έχει αρνητικό πρόσημο η (συμβατική) φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η αντίθετης της φοράς αναφοράς.

Για την καλύτερη κατανόηση ας δούμε το παρακάτω παράδειγμα:

Στο σχήμα (α) θετικό φορτίο κινείται προς τα αριστερά με ρυθμό 5Cb/s στο σχήμα (β) θετικό φορτίο κινείται προς τα δεξιά με ρυθμό 10Cb/s στο σχήμα (γ) θετικό φορτίο κινείται προς τα δεξιά με ρυθμό 15Cb/s και στο σχήμα (δ) θετικό φορτίο κινείται προς τα αριστερά με ρυθμό 20Cb/s.

Είναι εύκολο να σκεφτόμαστε το ρεύμα σαν την κίνηση θετικού φορτίου, αν και είναι γνωστό πως η ροή του ρεύματος στους μεταλλικούς αγωγούς είναι αποτέλεσμα της κίνησης των ηλεκτρονίων, Ας δούμε το παρακάτω παράδειγμα:

Στο σχήμα (α) ένα θετικό φορτίο 3Cb/s κινείται προς τα δεξιά ή ότι ένα καθαρά αρνητικό φορτίο -3Cb/s κινείται προς τα αριστερά σε κάθε δευτερόλεπτο. Στο σχήμα (β) υπάρχουν πάλι δυο δυνατότητες: είτε -3Cb/s ρέουν προς τα αριστερά, είτε +3Cb/s ρέουν προς τα δεξιά.

Είναι βασικό να αντιληφθούμε πως το βέλος του ρεύματος δεν υποδεικνύει την “πραγματική” κατεύθυνση της ροής του ρεύματος, αλλά είναι απλός μέρος της σύμβασης που μας επιτρέπει να μιλάμε για “το ρεύμα στο καλώδιο” με ένα ξεκαθαρισμένο τρόπο. Το βέλος αποτελεί ένα βασικό μέρος του ορισμού του ρεύματος.

Τάση ή διαφορά δυναμικού

Τώρα θα ορίσουμε την έννοια του στοιχείου κυκλώματος και θα το ορίσουμε με πολύ γενικούς όρους. Ηλεκτρικές συσκευές, όπως ασφάλειες, λαμπτήρες, αντιστάτες, μπαταρίες, πυκνωτές, μπαταρίες, μπορούν να παρασταθούν με μια σειρά στοιχείων κυκλώματος. Κάθε ηλεκτρική συσκευή που έχει δυο άκρα και μπορεί να συνδέεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα λέγεται στοιχείο κυκλώματος.

Στο διπλανό σχήμα ένα συνεχές ρεύμα διευθύνεται από τον ακροδέκτη Α σχήματος, μέσα από το στοιχείο κυκλώματος και έξω από το Β. Ας υποθέσουμε επίσης ότι η διαδρομή αυτού του φορτίου μέσα από το στοιχείο απαιτεί μια κατανάλωση ενέργειας. Λέμε τότε πως μια ηλεκτρική τάση ή μια διαφορά δυναμικού υφίστανται μεταξύ των δυο ακροδεκτών του στοιχείου κυκλώματος.

Έτσι η τάση δια μέσου ενός ζεύγους ακροδεκτών, είναι ένα μέτρο του έργου που απαιτείται για να κινήσουμε φορτίο δια μέσω του στοιχείου. Ειδικότερα τάση ίση 1Volt αναπτύσσεται στα άκρα ενός στοιχείου κυκλώματος όταν απαιτείται έργο 1Joule για να κινήσουμε ένα θετικό φορτίο 1Cb από τον ένα ακροδέκτη του στοιχείου στον άλλο. Έτσι η τάση στα άκρα ενός στοιχείου κυκλώματος είναι v volts όταν απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια v Joules για να περάσουμε ηλεκτρικό φορτίο 1Coulomb δια μέσου του στοιχείου.

Πρέπει τώρα να καθιερώσουμε μια σύμβαση με την οποία μπορούμε να κάνουμε διάκριση μεταξύ της ενέργεια που παρέχεται στο στοιχείο από κάποια εξωτερική πηγή και της ενέργειας που μπορεί να παρέχεται από το ίδιο το στοιχείο σε κάποια εξωτερική συσκευή. Αυτό γίνεται με την εκλογή από εμάς του προσήμου της τάσης του ακροδέκτη Α σε σχέση με τον ακροδέκτη Β. Αν ένα θετικό ρεύμα εισέρχεται στον ακροδέκτη Α του στοιχείου και αν μια εξωτερική πηγή πρέπει να καταναλώσει ενέργεια για να παράγει αυτό το ρεύμα, τότε ο ακροδέκτης Α είναι θετικός σε σχέση με τον ακροδέκτη Β. Εναλλακτικά μπορούμε να πούμε επίσης, πως ο ακροδέκτης Β είναι αρνητικός σε σχέση με τον ακροδέκτη Α.

Η έννοια της τάσης υποδηλώνεται με την εκλογή ενός ζευγαριού αλγεβρικών προσήμων συν (+) και πλην (-). Στο παράδειγμα του σχήματος (α) η τοποθέτηση του σημείου συν στον ακροδέκτη Α υποδηλώνει ότι ο ακροδέκτης Α είναι v volts θετικός σε σχέση με τον ακροδέκτη Β. Εάν αργότερα βρούμε ότι το v τυχαίνει να εχει αριθμητική τιμή -5V, τότε μπορούμε να πούμε είτε ότι ο Α είναι -5V θετικός με τον ακροδέκτη Β είτε ο Β είναι 5V θετικός σε σχέση με τον Α. Στο σχήμα (β) ο ακροδέκτης Β είναι 5V θετικός με τον ακροδέκτη Α ενώ στα σχήματα (γ) και (δ) ο ακροδέκτης Α είναι 5V θετικός σε σχέση με τον ακροδέκτη Β.

Ακριβώς όπως σημειώσαμε στον ορισμό μας για το ρεύμα, είναι σημαντικό να αντιληφθούμε ότι το ζευγάρι των αλγεβρικών προσήμων συν – πλην δεν υποδηλώνει την “πραγματική” πολικότητα της τάσης, αλλά είναι απλά μια σύμβαση που μας επιτρέπει να μιλάμε ξεκάθαρα για την ¨τάση δια μέσου του ζεύγους ακροδεκτών”.

Ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος

Η ενέργεια που ξοδεύεται στο να εξαναγκάσουμε τα φορτία να διέλθουν δια μέσου ενός στοιχείου πρέπει να εμφανιστεί κάπου αλλού, σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Έτσι ένα θερμαντικό στοιχείο που συνδέεται στα άκρα μιας μπαταρίας, η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει το ηλεκτρικό ρεύμα καθώς περνά από το θερμαντικό στοιχείο και η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα, είναι ίση με την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στο ρεύμα από την μπαταρία καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από αυτή και η οποία προέρχεται από την κατανάλωση χημικής ενέργεια της μπαταρίας.

Χρειάζεται τώρα να καθορίσουμε μια έκφραση για την ισχύ που απορροφάται από κάθε στοιχείο κυκλώματος σε όρους τάσης στα άκρα αυτού και του ρεύματος δια μέσου αυτού. Η τάση έχει ήδη ορισθεί σε όρους κατανάλωσης ενέργειας για κάθε μονάδα φορτίου που περνά, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ο ρυθμός που το ηλεκτρικά φορτίο περνά και η ισχύς είναι η ταχύτητα με την οποία η ενέργεια καταναλώνεται.

Αυτή η απορροφούμενη ισχύς πρέπει να είναι ανάλογη με τον αριθμό των coulomb που μεταφέρονται στο δευτερόλεπτο (δηλ. Το ηλεκτρικό ρεύμα) και με την ενέργεια που χρειάζεται για να μεταφέρει ένα coulomb δια μέσου του στοιχείου (δηλ. Την ηλεκτρική τάση) Έτσι η απορροφούμενη ενέργεια από το στοιχείο κυκλώματος που διαρρέεται από ρεύμα I, ενώ η τάση στα άκρα του είναι V, θα είναι:

p =v·i

Για να είναι σωστή αυτή η σχέση πρέπει να ικανοποιείται η σύμβαση παθητικού προσήμου, σύμφωνα με την οποία το βέλος αναφοράς του ρεύματος διευθύνεται προς το εσωτερικό του στοιχείου στο θετικά σημειούμενο ακροδέκτη.

Αν η ισχύ δηλαδή το γινόμενο τάση επί ρεύμα είναι θετικό αφού ικανοποιείται η σύμβαση παθητικού προσήμου, τότε το στοιχείο κυκλώματος καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια και την μετατρέπει σε μια άλλη μορφή π.χ. σε θερμότητα από ένα αντιστάτη, ενώ αν η ισχύς είναι αρνητική το στοιχείο κυκλώματος παράγει και δίνει στο ηλεκτρικό ρεύμα ηλεκτρική ενέργεια όπως π.χ. μια μπαταρία.

Παράδειγμα: Στο κύκλωμα του σχήματος, μια μπαταρία συνδέεται με ένα θερμαντικό σώμα. Οι τάσεις και τα ρεύματα στα στοιχεία κυκλώματος έχουν υπολογιστεί και σημειώνονται στο σχήμα. Η ισχύς στο θερμαντικό σώμα είναι p_t=5V·2A=10W. Δηλαδή το θερμαντικό σώμα καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια με ρυθμό 10W. Η ισχύς στην μπαταρία είναι p_b=5V·(-2A)=-10W αφού το ρεύμα που εισέρχεται στον θετικό πόλο της μπαταρίας είναι -2Α. Η ισχύς της μπαταρίας είναι αρνητική που σημαίνει ότι η μπαταρία δίνει στο ηλεκτρικό ρεύμα ενέργεια.