Λύσεις Ασκήσεων — Κεφάλαιο 10: Ειδικές Εφαρμογές – ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Α΄ ΕΠΑΛ

(Πηγή: Βιβλίο Μαθητή, σελ. 384. Οι εκφωνήσεις είναι του σχολικού βιβλίου· οι λύσεις πρωτότυπες, διασταυρωμένες με το επίσημο Βιβλίο Λύσεων. Οι υπολογισμοί έχουν επαληθευτεί.)

Ερώτηση 1 (σελ. 384)

Τι είναι ηλεκτροσυγκόλληση;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η απάντηση έχει δύο σκέλη: πρώτα ΤΙ γίνεται (τοπική θέρμανση + πίεση με θερμότητα από ηλεκτρικό ρεύμα) και μετά ΠΟΙΑ είναι τα δύο είδη.

Λύση:

1. Για τη συγκόλληση δύο σωμάτων γίνεται τοπική θέρμανση στα σημεία συνένωσης, μέχρι τα σώματα να πλαστικοποιηθούν ή και να λειώσουν, με ταυτόχρονη συνήθως άσκηση πίεσης.
2. Η απαιτούμενη θερμότητα παράγεται με ηλεκτρικό ρεύμα.
3. Διακρίνουμε δύο είδη ηλεκτροσυγκολλήσεων:
4. 1. Την ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΕ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ: τα σημεία θερμαίνονται με το πέρασμα ηλεκτρικού ρεύματος, μέχρι να αποκτήσουν πλαστικότητα, και συμπιέζονται για να κολλήσουν.
5. 2. Την ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΕ ΤΟΞΟ: τα σημεία συγκόλλησης θερμαίνονται μέχρι του σημείου τήξης, με τη βοήθεια ηλεκτρικού τόξου.

Ενδεικτική απάντηση: Ηλεκτροσυγκόλληση είναι η τοπική θέρμανση των σημείων συνένωσης δύο σωμάτων, μέχρι να πλαστικοποιηθούν ή να λειώσουν, με ταυτόχρονη συνήθως άσκηση πίεσης, όπου η απαιτούμενη θερμότητα παράγεται με ηλεκτρικό ρεύμα. Διακρίνουμε δύο είδη: με αντίσταση (θέρμανση μέχρι πλαστικότητας και συμπίεση) και με τόξο (θέρμανση μέχρι το σημείο τήξης με ηλεκτρικό τόξο).

Πρόσεξε:

• Η διαφορά των δύο ειδών είναι ο βαθμός θέρμανσης: στην αντίσταση φτάνουμε μέχρι την ΠΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ (και συμπιέζουμε), στο τόξο μέχρι την ΤΗΞΗ.
• Δες τη σελίδα 377 του βιβλίου.

Ερώτηση 2 (σελ. 384)

Ποια τα απαιτούμενα υλικά για την πραγματοποίηση ηλεκτρόλυσης;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Τρία υλικά, και το τρίτο έχει έναν όρο που δεν πρέπει να χαθεί: η πηγή είναι ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ συνεχούς ρεύματος.

Λύση:

1. Ο ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗΣ: μια χημική ένωση, όπως π.χ. οξύ, βάση ή άλας, της οποίας κύρια χαρακτηριστική ιδιότητα είναι τα διαλύματα ή τα τήγματά της να μας δίνουν κατιόντα και ανιόντα.
2. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ, εμβαπτισμένα στον ηλεκτρολύτη.
3. Η ΠΗΓΗ, απαραίτητα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.).

Ενδεικτική απάντηση: 1) Ο ηλεκτρολύτης — χημική ένωση (οξύ, βάση ή άλας) που στα διαλύματα ή τα τήγματά της δίνει κατιόντα και ανιόντα. 2) Τα ηλεκτρόδια, εμβαπτισμένα στον ηλεκτρολύτη. 3) Η πηγή, απαραίτητα συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.).

Πρόσεξε:

• Το «απαραίτητα Σ.Ρ.» είναι το κρίσιμο σημείο: με εναλλασσόμενο ρεύμα τα ιόντα θα άλλαζαν συνεχώς κατεύθυνση και δεν θα υπήρχε καθαρή μεταφορά υλικού από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο.
• Δες τη σελίδα 370 του βιβλίου.

Ερώτηση 3 (σελ. 384)

Αναφέρατε μεθόδους επιμετάλλωσης.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Τέσσερις μέθοδοι. Κοινός στόχος: να μπει ένα στρώμα μετάλλου πάνω σε ένα αντικείμενο. Αλλάζει ο τρόπος που το μέταλλο φτάνει εκεί.

Λύση:

1. Η ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΗ: το προς επιμετάλλωση αντικείμενο αποτελεί την κάθοδο ενός βολταμέτρου (συγκρότημα αποτελούμενο από δοχείο με ηλεκτρολύτη, μέσα στο οποίο έχουν εμβαπτιστεί ηλεκτρόδια). Ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα άλατος του μετάλλου με το οποίο πρόκειται να γίνει η επικάλυψη, και άνοδος είναι πλάκα από το ίδιο μέταλλο. Κατά την ηλεκτρόλυση μεταφέρεται συνεχώς μέταλλο από την άνοδο στην κάθοδο, όπου και επικάθεται.
2. Η ΕΜΒΑΠΤΙΣΗ: το αντικείμενο βυθίζεται σε λουτρό λιωμένου μετάλλου, μέχρις ότου στην επιφάνειά του στερεοποιηθεί ένα στρώμα μετάλλου.
3. Η ΚΑΘΟΔΙΚΗ: το αντικείμενο βρίσκεται μέσα σε θάλαμο με αέριο σε χαμηλή πίεση και καλύπτεται από άτομα μετάλλου, που εκτοξεύονται από το ηλεκτρόδιο της καθόδου. Το ηλεκτρόδιο της καθόδου είναι κομμάτι του μετάλλου με το οποίο θέλουμε να επικαλυφθεί το αντικείμενο.
4. Η ΕΞΑΤΜΙΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΛΛΟΥ ΣΕ ΚΕΝΟ: έτσι γίνεται η επικάλυψη του γυαλιού με χαλκό, άργυρο ή χρυσό.

Ενδεικτική απάντηση: 1) Η ηλεκτρολυτική — το αντικείμενο είναι η κάθοδος ενός βολταμέτρου, ο ηλεκτρολύτης διάλυμα άλατος του μετάλλου και η άνοδος πλάκα από το ίδιο μέταλλο· κατά την ηλεκτρόλυση μεταφέρεται μέταλλο από την άνοδο στην κάθοδο. 2) Η εμβάπτιση — το αντικείμενο βυθίζεται σε λουτρό λιωμένου μετάλλου. 3) Η καθοδική — μέσα σε θάλαμο με αέριο χαμηλής πίεσης, άτομα μετάλλου εκτοξεύονται από το ηλεκτρόδιο της καθόδου. 4) Η εξάτμιση του μετάλλου σε κενό — π.χ. επικάλυψη γυαλιού με χαλκό, άργυρο ή χρυσό.

Πρόσεξε:

• ΠΡΟΣΟΧΗ στους πόλους της ηλεκτρολυτικής: το ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ είναι η κάθοδος (αρνητικός), η ΠΛΑΚΑ του μετάλλου η άνοδος. Το μέταλλο ταξιδεύει από την άνοδο στην κάθοδο.
• Το «βολταμέτρο» εδώ δεν είναι όργανο μέτρησης: είναι το δοχείο ηλεκτρόλυσης με τα ηλεκτρόδια.
• Δες τις σελίδες 370 και 371 του βιβλίου.

Ερώτηση 4 (σελ. 384)

Τι είναι γαλβανισμός;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο γαλβανισμός είναι εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης με σκοπό την ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ. Το κρίσιμο είναι η σωστή σύνδεση των πόλων.

Λύση:

1. Το μέταλλο που θέλουμε να προστατέψουμε, μαζί με το μεταλλικό επίστρωμα, εμβαπτίζονται σε ένα υδατικό διάλυμα μεταλλικού άλατος.
2. Στον αρνητικό πόλο (-) μιας πηγής Σ.Ρ. συνδέουμε το προς προστασία μέταλλο, και στον θετικό (+) πόλο το μεταλλικό επίστρωμα (σχ. 10.2.α).
3. Ο ηλεκτρολύτης είναι μεταλλικό άλας διαλυμένο σε νερό, π.χ. \(\mathrm{CuSO_4}\).
4. Στην πλάκα χαλκού, που συνδέεται στον θετικό πόλο, η ρίζα \(\mathrm{SO_4}\) ενώνεται με τον χαλκό (Cu) και σχηματίζει εκ νέου \(\mathrm{CuSO_4}\).
5. Ο Cu που ελευθερώνεται επικάθεται στην επιφάνεια του αντικειμένου που θέλουμε να προστατέψουμε.

Ενδεικτική απάντηση: Γαλβανισμός είναι η ηλεκτρολυτική επικάλυψη ενός μετάλλου για την προστασία του: το προς προστασία μέταλλο και το μεταλλικό επίστρωμα εμβαπτίζονται σε υδατικό διάλυμα μεταλλικού άλατος (π.χ. \(\mathrm{CuSO_4}\)). Το προς προστασία μέταλλο συνδέεται στον αρνητικό πόλο (-) πηγής Σ.Ρ. και το μεταλλικό επίστρωμα στον θετικό (+). Η ρίζα \(\mathrm{SO_4}\) ενώνεται με τον χαλκό της πλάκας σχηματίζοντας εκ νέου \(\mathrm{CuSO_4}\), ενώ ο Cu που ελευθερώνεται επικάθεται στην επιφάνεια του αντικειμένου.

Πρόσεξε:

• ΘΥΜΗΣΟΥ ΤΟΥΣ ΠΟΛΟΥΣ: το προς προστασία μέταλλο πάει στο ΑΡΝΗΤΙΚΟ (-). Αν το συνδέσεις ανάποδα, αντί να το επικαλύψεις θα το διαλύσεις.
• Ο ηλεκτρολύτης ανανεώνεται συνεχώς — γι' αυτό η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί: όσος χαλκός φεύγει από το διάλυμα, τόσος μπαίνει από την πλάκα.
• Δες τη σελίδα 372 του βιβλίου (σχήμα 10.2.α).

Ερώτηση 5 (σελ. 384)

Πώς γίνεται η ηλεκτροστατική βαφή; Ποια τα πλεονεκτήματά της;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η όλη ιδέα είναι η ΕΛΞΗ ΑΝΤΙΘΕΤΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ: το αντικείμενο φορτίζεται θετικά, το χρώμα αρνητικά, και το χρώμα «τρέχει» μόνο του πάνω στο αντικείμενο.

Λύση:

1. Χρησιμοποιείται για βαφή αντικειμένων σε σειρά παραγωγής.
2. Το προς βαφή αντικείμενο συνδέεται με τον θετικό πόλο πηγής Σ.Ρ. υψηλής τάσης, π.χ. 200.000 V.
3. Τα ακροφύσια ψεκασμού συνδέονται με τον αρνητικό πόλο της ίδιας πηγής (σχ. 10.2.β).
4. Το θετικά φορτισμένο αμάξωμα έλκει τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια χρώματος.
5. Τα σωματίδια καλύπτουν ομοιόμορφα μέσα-έξω όλες τις επιφάνειες, εισχωρώντας και στα πιο δύσκολα σημεία.
6. Με αυτόν τον τρόπο βαφής ελαχιστοποιείται επίσης η απώλεια χρώματος.

Ενδεικτική απάντηση: Το προς βαφή αντικείμενο συνδέεται στον θετικό πόλο πηγής Σ.Ρ. υψηλής τάσης (π.χ. 200.000 V) και τα ακροφύσια ψεκασμού στον αρνητικό. Το θετικά φορτισμένο αντικείμενο έλκει τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια χρώματος. Πλεονεκτήματα: ομοιόμορφη κάλυψη μέσα-έξω όλων των επιφανειών, με εισχώρηση στα πιο δύσκολα σημεία, και ελαχιστοποίηση της απώλειας χρώματος.

Πρόσεξε:

• Η υψηλή τάση δεν είναι επικίνδυνη με τον τρόπο που φαντάζεσαι: το ρεύμα είναι ελάχιστο. Αυτό που μετράει είναι το ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο.
• Το «εισχωρώντας και στα πιο δύσκολα σημεία» είναι το βασικό πλεονέκτημα έναντι της κοινής βαφής με πιστόλι, που ψεκάζει μόνο όπου «βλέπει».
• Δες τη σελίδα 373 του βιβλίου (σχήμα 10.2.β).

Ερώτηση 6 (σελ. 384)

Ποια είναι η αρχή λειτουργίας του επαγωγικού φούρνου;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο επαγωγικός φούρνος είναι στην ουσία ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ, όπου το προς θέρμανση υλικό παίζει τον ρόλο του βραχυκυκλωμένου δευτερεύοντος. Δύο φαινόμενα μαζί: επαγωγή και Τζάουλ.

Λύση:

1. Οι επαγωγικοί φούρνοι, για τη δημιουργία θερμότητας, αξιοποιούν τόσο το φαινόμενο Τζάουλ όσο και το φαινόμενο της ηλεκτρικής επαγωγής.
2. Μέσα στο κλειστό δευτερεύον κύκλωμα ενός μετασχηματιστή επάγεται τάση, η οποία προκαλεί την κυκλοφορία ισχυρού ρεύματος.
3. Λόγω της αντίστασης του δευτερεύοντος τυλίγματος αναπτύσσεται θερμότητα.
4. Δηλαδή η θέρμανση με επαγωγή ανάγεται σε θέρμανση με αντίσταση, και είναι αρκετά οικονομική.

Ενδεικτική απάντηση: Οι επαγωγικοί φούρνοι αξιοποιούν τόσο το φαινόμενο Τζάουλ όσο και το φαινόμενο της ηλεκτρικής επαγωγής: στο κλειστό δευτερεύον κύκλωμα ενός μετασχηματιστή επάγεται τάση, η οποία προκαλεί την κυκλοφορία ισχυρού ρεύματος· λόγω της αντίστασης του δευτερεύοντος τυλίγματος αναπτύσσεται θερμότητα. Έτσι η θέρμανση με επαγωγή ανάγεται σε θέρμανση με αντίσταση και είναι αρκετά οικονομική.

Πρόσεξε:

• Το δευτερεύον ΕΙΝΑΙ το προς θέρμανση υλικό — γι' αυτό η θερμότητα παράγεται μέσα στη μάζα του και όχι γύρω του.
• Δες τη σελίδα 375 του βιβλίου.

Ερώτηση 7 (σελ. 384)

Αναφέρατε κατηγορίες επαγωγικών φούρνων.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Δύο κατηγορίες, με κριτήριο τη ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ. Η συχνότητα καθορίζει και το αν υπάρχει μαγνητικός πυρήνας.

Λύση:

1. ΦΟΥΡΝΟΙ ΧΑΜΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ: έχουν κλειστό κύκλωμα (πυρήνα), όπως οι Μ/Σ. Το πρωτεύον τροφοδοτείται με ρεύμα χαμηλής συχνότητας (50 Hz). Το προς θέρμανση υλικό αποτελεί το δευτερεύον τύλιγμα, με μορφή βραχυκυκλωμένης σπείρας (σχ. 10.3.α).
2. ΦΟΥΡΝΟΙ ΥΨΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ: συνήθως δεν φέρουν μαγνητικό πυρήνα. Το προς θέρμανση αντικείμενο αποτελεί το δευτερεύον τύλιγμα και τοποθετείται στο εσωτερικό του πρωτεύοντος, το οποίο τροφοδοτείται με Ε.Ρ. υψηλής συχνότητας, 500 έως 10.000 Hz (σχ. 10.3.β).

Ενδεικτική απάντηση: Δύο κατηγορίες: α) Χαμηλής συχνότητας — έχουν κλειστό κύκλωμα (πυρήνα) όπως οι Μ/Σ, το πρωτεύον τροφοδοτείται με 50 Hz και το προς θέρμανση υλικό αποτελεί το δευτερεύον με μορφή βραχυκυκλωμένης σπείρας. β) Υψηλής συχνότητας — συνήθως δεν φέρουν μαγνητικό πυρήνα, το αντικείμενο τοποθετείται στο εσωτερικό του πρωτεύοντος, το οποίο τροφοδοτείται με Ε.Ρ. 500 ÷ 10.000 Hz.

Πρόσεξε:

• Σε ΚΑΙ ΤΙΣ ΔΥΟ κατηγορίες, το προς θέρμανση αντικείμενο είναι το δευτερεύον. Αλλάζουν η συχνότητα και η ύπαρξη πυρήνα.
• Δες τις σελίδες 375 και 376 του βιβλίου (σχήματα 10.3.α και 10.3.β).

Ερώτηση 8 (σελ. 384)

Ποια τα πλεονεκτήματα των φούρνων με επαγωγή;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Το επιχείρημα στηρίζεται σε ΣΥΓΚΡΙΣΗ με τους φούρνους αντίστασης. Το κλειδί: πού παράγεται η θερμότητα — μέσα στο υλικό ή έξω από αυτό;

Λύση:

1. Στους επαγωγικούς φούρνους η απαιτούμενη θερμότητα αναπτύσσεται ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ μέσα στη μάζα του προς θέρμανση αντικειμένου, και η θερμοκρασία λαμβάνει υψηλές τιμές.
2. Αντίθετα, στους φούρνους με αντιστάσεις η θερμότητα μεταδίδεται με αγωγή, μεταφορά και ακτινοβολία — γεγονός που συνεπάγεται μεγάλες απώλειες ισχύος και περιορισμούς στη χρήση τους.
3. Οι επαγωγικοί φούρνοι έχουν μικρότερες διαστάσεις σε σύγκριση με τους φούρνους με αντίσταση.
4. Οι πυρίμαχες επενδύσεις τους υφίστανται μικρότερες θερμοκρασιακές επιβαρύνσεις και παρουσιάζουν μικρή θερμική αδράνεια.

Ενδεικτική απάντηση: 1) Η θερμότητα αναπτύσσεται απευθείας μέσα στη μάζα του αντικειμένου και η θερμοκρασία λαμβάνει υψηλές τιμές — ενώ στους φούρνους με αντιστάσεις μεταδίδεται με αγωγή, μεταφορά και ακτινοβολία, με μεγάλες απώλειες ισχύος και περιορισμούς στη χρήση. 2) Έχουν μικρότερες διαστάσεις. 3) Οι πυρίμαχες επενδύσεις τους υφίστανται μικρότερες θερμοκρασιακές επιβαρύνσεις και παρουσιάζουν μικρή θερμική αδράνεια.

Πρόσεξε:

• «Μικρή θερμική αδράνεια» σημαίνει ότι ο φούρνος ζεσταίνεται και κρυώνει γρήγορα — άρα ελέγχεται εύκολα και δεν σπαταλά ενέργεια στο ζέσταμα του ίδιου του θαλάμου.
• Δες τη σελίδα 377 του βιβλίου.

Ερώτηση 9 (σελ. 384)

Ποια είδη ηλεκτροσυγκόλλησης με αντίσταση διακρίνουμε;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Το βιβλίο απαντά ξεκινώντας από τη γενική αρχή της συγκόλλησης και καταλήγοντας στα δύο είδη ηλεκτροσυγκόλλησης.

Λύση:

1. Για τη συγκόλληση δύο σωμάτων γίνεται τοπική θέρμανση στα σημεία συνένωσης, μέχρι τα σώματα να πλαστικοποιηθούν ή και να λειώσουν, με ταυτόχρονη συνήθως άσκηση πίεσης. Η απαιτούμενη θερμότητα παράγεται με ηλεκτρικό ρεύμα.
2. Διακρίνουμε δύο είδη ηλεκτροσυγκολλήσεων:
3. 1. Την ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΕ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ: τα σημεία θερμαίνονται με το πέρασμα ηλεκτρικού ρεύματος μέχρι να αποκτήσουν πλαστικότητα, και συμπιέζονται για να κολλήσουν.
4. 2. Την ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΕ ΤΟΞΟ: τα σημεία συγκόλλησης θερμαίνονται μέχρι του σημείου τήξης με τη βοήθεια ηλεκτρικού τόξου.

Ενδεικτική απάντηση: Διακρίνουμε δύο είδη ηλεκτροσυγκολλήσεων: 1) την ηλεκτροσυγκόλληση με αντίσταση, όπου τα σημεία θερμαίνονται με το πέρασμα ηλεκτρικού ρεύματος μέχρι να αποκτήσουν πλαστικότητα και συμπιέζονται για να κολλήσουν, και 2) την ηλεκτροσυγκόλληση με τόξο, όπου τα σημεία θερμαίνονται μέχρι του σημείου τήξης με τη βοήθεια ηλεκτρικού τόξου.

Πρόσεξε:

• Στη συγκόλληση με αντίσταση, η ΠΙΕΣΗ είναι απαραίτητη: τα υλικά δεν λιώνουν, μόνο μαλακώνουν — και ενώνονται επειδή τα σπρώχνουμε.
• Δες τις σελίδες 377 και 378 του βιβλίου.

Ερώτηση 10 (σελ. 384)

Με ποιους τρόπους είναι δυνατό να συγκολλήσουμε με τόξο μεταλλικά τεμάχια;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Τέσσερις κατηγορίες. Οι δύο τελευταίες είναι διεθνή ακρωνύμια — να ξέρεις τι σημαίνουν.

Λύση:

1. Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις με ηλεκτρικό τόξο διακρίνονται σε:
2. α) Αυτογενείς συγκολλήσεις.
3. β) Ετερογενείς συγκολλήσεις.
4. γ) Συγκολλήσεις MIG (Metal-Inert Gas: Μέταλλο-Αδρανές Αέριο).
5. δ) Συγκολλήσεις TIG (Tungsten-Inert Gas: Βολφράμιο-Αδρανές Αέριο).

Ενδεικτική απάντηση: Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις με ηλεκτρικό τόξο διακρίνονται σε: α) αυτογενείς, β) ετερογενείς, γ) MIG (Metal-Inert Gas: Μέταλλο-Αδρανές Αέριο) και δ) TIG (Tungsten-Inert Gas: Βολφράμιο-Αδρανές Αέριο).

Πρόσεξε:

• Πρόσεξε τη διαφορά MIG/TIG: στο MIG το ηλεκτρόδιο είναι το ίδιο ΜΕΤΑΛΛΟ που αναλώνεται, στο TIG είναι ΒΟΛΦΡΑΜΙΟ που δεν αναλώνεται.
• Το «αδρανές αέριο» και στις δύο περιπτώσεις προστατεύει το λιωμένο μέταλλο από την οξείδωση.