1 Ηλεκτρικές δυνάμεις

Transcript

1 1 Ηλεκτρικές δυνάμεις Ας εξετάσουμε μια δύναμη παγκόσμια, όπως η βαρύτητα, που μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα προς το τετράγωνο της απόστασης, αλλά είναι δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων φορές ισχυρότερη της βαρύτητας. Αν υπήρχε μια τέτοια δύναμη κι αν ήταν ελκτική όπως αυτή όλο το Σύμπαν θα συγκεντρωνόταν σε μια συμπαγή σφαίρα, με όλη του την ύλη συσπειρωμένη όσο γίνεται πιο κοντά. Ας υποθέσουμε όμως πως η δύναμη αυτή ήταν απωστική. οπότε κάθε σωμάτιο θα απωθούσε οποιοδήποτε άλλο. Τι θα συνέβαινε τότε; Το Σύμπαν θα ήταν ένα αέρινο σύννεφο αενάως διαστελλόμενο. Ας υποθέσουμε, τέλος, πως το Σύμπαν αποτελούνταν από σωμάτια που και έλκονταν και απωθούνταν, ας πούμε, από σωμάτια θετικά και αρνητικά. Ας υποθέσουμε πως τα θετικά απωθούσαν τα θετικά, αλλά τραβούσαν τα αρνητικά' και ότι τα αρνητικά απωθούσαν τα αρνητικά, αλλά τραβούσαν τα θετικά.

2 Τα ομώνυμα απωθούνται και τα ετερώνυμα έλκονται. Κι ας υποθέσουμε ακόμη πως υπήρχε ίσος αριθμός σωματίων κάθε είδους. Με τι θα έμοιαζε το Σύμπαν; Η απάντηση είναι απλή: θα ήταν σαν αυτό όπου ζούμε. Γιατί υπάρχει μια τέτοια δύναμη: Η ηλεκτρική δύναμη. Ομάδες θετικών και αρνητικών σωματίων έχουν ενωθεί εξαιτίας τη; τεράστιας έλξης της ηλεκτρικής δύναμης. Έτσι οι τεράστιες δυνάμεις εξισορροπούνται μεταξύ τους σχεδόν πλήρως με τον σχηματισμό συμπαγών ομάδων από ομοιόμορφα κατανεμημένα πλήθη θετικών και αρνητικών σωματίων. Επιπλέον, μεταξύ δύο χωριστών ομάδων τέτοιων αναμίξεων δεν υπάρχει πρακτικά καμμιά ηλεκτρική έλξη ή άπωση. Οποιαδήποτε ηλεκτρική δύναμη μεταξύ Γη; και Σελήνης, λόγου χάρη, έχει εξουδετερωθεί. Με τον τρόπο αυτόν ανάμεσα στα δύο σώματα επικρατεί η πολύ ασθενέστερη δύναμη της βαρύτητας, η οποία μόνο έλκει. Οι όροι θετικό και "αρνητικό" αναφέρονται στο ηλεκτρικό φορτίο, αυτό το θεμελιώδες μέγεθος που βρίσκεται πίσω από όλα τα ηλεκτρικά φαινόμενα. Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα και τα ηλεκτρόνια αρνητικά. Η έλξη μεταξύ πρωτονίων και ηλεκτρονίων συγκροτεί τα άτομα. Μερικές φορές τα αρνητικά ηλεκτρόνια ενός ατόμου βρίσκονται πιο κοντά στον θετικό πυρήνα ενός γειτονικού ατόμου, οπότε η μεταξύ τους ελκτική δύναμη υπερβαίνει την απωστική, με αποτέλεσμα τα άτομα να συνδέονται και να σχηματίζουν ένα μόριο. Πραγματικά, σε όλους τους χημικούς δεσμούς οι δυνάμεις που συγκρατούν μεταξύ τους τα άτομα για να σχηματίσουν μόρια είναι ηλεκτρικές που δρουν σε μικρές περιοχές, όπου η εξουδετέρωση των ελκτικών και των απωστικών δυνάμεων δεν είναι τέλεια. Όποιος λοιπόν σχεδιάζει να σπουδάσει χημεία, πρέπει πρώτα να μάθει κάτι για τον ηλεκτρισμό, και πριν τον μελετήσει, πρέπει να μάθει κάτι για τα άτομα. 2

3 3 Παραθέτουμε εδώ μερικά σημαντικά σχετικά στοιχεία: 1. Κάθε άτομο αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα γύρω από τον οποίο κατανέμονται αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. 2. Τα ηλεκτρόνια όλων των ατόμων είναι πανομοιότυπα. Όλα έχουν την ίδια ποσότητα αρνητικού φορτίου και την ίδια μάζα. 3. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. (Το κοινό υδρογόνο, που δεν έχει νετρόνια, είναι η μοναδική εξαίρεση). Τα πρωτόνια έχουν μάζα σχεδόν φορές μεγαλύτερη από τη μάζα των ηλεκτρονίων, αλλά το ποσό του θετικού φορτίου που φέρουν είναι ίσο με το αρνητικό των ηλεκτρονίων. Τα νετρόνια έχουν ελαφριάς μεγαλύτερη μάζα από τα πρωτόνια, αλλά δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. 4. Όλα τα κανονικά άτομα έχουν τόσα ακριβώς ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα, όσα πρωτόνια υπάρχουν μέσα στον πυρήνα. Κατά συνέπεια, ένα κανονικό άτομο δεν είναι φορτισμένο. Γιατί τα πρωτόνια δεν έλκουν μέσα στον πυρήνα τα αντίθετα φορτισμένα ηλεκτρόνια; πριν από 65 χρόνια δινόταν η απάντηση ότι τα ηλεκτρόνια δεν πέφτουν στον πυρήνα από την ηλεκτρική δύναμη για τον ίδιο λόγο που η Γη δεν πέφτει στον Ήλιο λόγω της βαρυτικής δύναμης: τα ηλεκτρόνια συγκροτούνται σε τροχιά εξαιτίας της έλξης των πρωτονίων. Αυτή η υπεραπλουστευμένη εξήγηση

4 είναι χρήσιμη για να αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε την ηλεκτρική φύση του ατόμου, πρέπει όμως να τροποποιηθεί με ευρύτερη μελέτη. Γιατί τα πρωτόνια μέσα στον πυρήνα δεν απωθούνται αμοιβαία και δεν απομακρύνονται: Τι ακριβώς συγκρατεί τον πυρήνα; Η απάντηση είναι ότι, εκτός από τις ηλεκτρικές δυνάμεις, στον πυρήνα δρουν ακόμη μεγαλύτερες, μη ηλεκτρικές, οι πυρηνικές δυνάμεις, που μπορούν να συγκρατήσουν τα πρωτόνια μαζί. παρά την ηλεκτρική άπωση. Ο νόμος τον Κουλόμπ Η ηλεκτρική δύναμη, όπως και η βαρυτική ελαττώνεται αντίστροφα προς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των φορτίων. Η συγκεκριμένη σχέση ανακαλύφθηκε από τον Τσαρλς Κουλόμπ (Charles Coulomb) τον 19ο αιώνα και ονομάστηκε νόμος τον Κουλόμπ. Σύμφωνα μ' αυτόν, για φορτισμένα αντικείμενα που το μέγεθος τους είναι πολύ μικρότερο από την απόσταση που τα χωρίζει, η δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο φορτίων μεταβάλλεται ανάλογα προς το γινόμενο των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογα προς το τετράγωνο της απόστασής τους. Η δύναμη εφαρμόζεται κατά την ευθεία γραμμή, που ενώνει τα δύο φορτία. Ο νόμος του Κουλόμπ εκφράζεται με τη σχέση F ~ qq'/d 2 όπου q η ποσότητα του φορτίου του ενός σωματίου, q' η ποσότητα του φορτίου του άλλου σωματίου και d η μεταξύ τους απόσταση. Η δύναμη μεταξύ όμοιων φορτίων είναι απωστική και μεταξύ ανόμοιων ελκτική. Παρατηρήστε την ομοιότητα του νόμου του Κουλόμπ με το νόμο του Νεύτωνος για τη βαρύτητα (F~ mm'/d 2 ). Η προφανής διαφορά των βαρυτικών δυνάμεων από τις ηλεκτρικές είναι ότι, ενώ η βαρύτητα μόνον έλκει, οι ηλεκτρικές δυνάμεις και έλκουν και απωθούν. Ηλεκτρική θωράκιση Μια άλλη διαφορά μεταξύ ηλεκτρικών και βαρυτικών δυνάμεων είναι ότι τα σώματα μπορούν να θωρακιστούν απέναντι στις ηλεκτρικές δυνάμεις με διάφορα υλικά, όχι όμως στις βαρυτικές. Ο βαθμός θωράκισης είναι χαρακτηριστικός του μέσου που υπάρχει ανάμεσα στα ηλεκτρικά φορτία. Ο αέρας, λόγου χάρη, ελαττώνει τη δύναμη μεταξύ δύο φορτίων λίγο περισσότερο από το κενό, ενώ αν βάλουμε λάδι ανάμεσα στα φορτία η δύναμη θα ελαττωθεί περίπου στο 1/81. Τα μέταλλα θωρακίζουν τέλεια τις ηλεκτρικές δυνάμεις. Ας εξετάσουμε, λόγου χάρη ένα ηλεκτρικό φορτίο πάνω σε μεταλλικό σφαιρικό κέλυφος. Επειδή υπάρχει αμοιβαία άπωση, τα φορτία θα απλωθούν ομοιόμορφα πάνω στην εξωτερική επιφάνεια του κελύφους. Δεν είναι δύσκολο να αντιληφθούμε ότι, αν βάλουμε μέσα στο κέλυφος και ακριβώς στο κέντρο του ένα 4

5 δοκιμαστικό φορτίο για έλεγχο, η ηλεκτρική δύναμη πάνω του θα είναι μηδενική, επειδή δρουν αντίθετες δυνάμεις σε όλες τις κατευθύνσεις και αλληλοεξουδετερώνονται. Αλλά και οπουδήποτε στο εσωτερικό του κελύφους οι δυνάμεις θα εξουδετερώνονται, πράγμα πολύ ενδιαφέρον. Πάντως δεν χρειάζεται να είναι ο αγωγός σφαιρικό κέλυφος, για να έχουμε τέλεια θωράκιση στο εσωτερικό του- μπορεί να έχει οποιοδήποτε σχήμα. 5 Αγωγοί και μονωτές Τα μέταλλα απομονώνουν καλά τον ηλεκτρισμό, επειδή τα ηλεκτρόνια τους κινούνται ελεύθερα υπό την επίδραση των ηλεκτρικών δυνάμεων. Όλα τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την ικανότητά τους να άγουν τα ηλεκτρικά φορτία. Το αυτοκίνητο χτυπιέται από κεραυνό, αλλά ο άνθρωπος μέσα σ' αυτό είναι θωρακισμένος από τον ηλεκτρισμό. Τα ηλεκτρόνια της εκκένωσης του κεραυνού απωθούνται μεταξύ τους και απλώνονται στην εξωτερική επιφάνεια του αυτοκινήτου. Στη συνέχεια δημιουργούν ηλεκτρικό τόξο με το έδαφος στο εμπρός μέρος του αυτοκινήτου.

6 6 Όλα σχεδόν τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί και τα περισσότερα αμέταλλα είναι κακοί. Η αγωγιμότητα ενός μετάλλου μπορεί να είναι τουλάχιστον κατά ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την αγωγιμότητα ενός μονωτή, όπως το γυαλί. Σε μια γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος το φορτίο ρέει πολύ ευκολότερα στα εκατοντάδες χιλιόμετρα του μεταλλικού σύρματος παρά στα λίγα εκατοστόμετρα του μονωτικού υλικού, το οποίο χωρίζει το σύρμα από τον πύργο που το κρατεί. Στο καλώδιο μιας συνηθισμένης ηλεκτρικής συσκευής τα φορτία προτιμούν να κινηθούν μέσα σε κάμποσα μέτρα σύρμα ως τη συσκευή, ύστερα μέσα στο ηλεκτρικό της κύκλωμα και να γυρίσουν με το σύρμα επιστροφής, παρά να περάσουν κατευθείαν από το ένα σύρμα στο άλλο μέσα από το λαστιχένιο μονωτικό, που τα χωρίζει και έχει πάχος ένα μικρό κλάσμα του εκατοστομέτρου. Ένα υλικό κατατάσσεται στους αγωγούς ή τους μονωτές ανάλογα με τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων του και με το πόσο στερεά τα άτομα που αποτελούν το υλικό συγκρατούν τα ηλεκτρόνια τους. Σε ένα μέταλλο, κάθε άτομο προσφέρει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια σε μια γενική "θάλασσα" ηλεκτρονίων, τα οποία δεν είναι συνδεδεμένα με κανένα συγκεκριμένο άτομο. Αυτά τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας περιπλανιούνται ελεύθερα διασχίζοντας μεγάλες αποστάσεις μέσα στο υλικό. Αντίθετα, όλα τα ηλεκτρόνια ενός μονωτικού υλικού συνδέονται με ορισμένα άτομα. Μικρές διαφορές στη σύνδεση των ατόμων μεταξύ τους προκαλούν πολύ μεγάλες διαφορές στην αγωγιμότητα. Μερικά μέταλλα γίνονται υπεραγωγοί σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν και παρουσιάζουν σχεδόν άπειρη αγωγιμότητα (περίπου μηδενική αντίσταση) στη ροή του ηλεκτρικού φορτίου. Άπαξ και εγκατασταθεί ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν υπεραγωγό, αυτό θα ρέει επ άπειρον. Το γιατί ακριβώς ορισμένα υλικά γίνονται υπεραγωγοί σε χαμηλές θερμοκρασίες σχετίζεται με την κβαντική φύση της ύλης και ερευνάται ακόμη. Ημιαγωγοί Οι ατομικοί δεσμοί σε ορισμένα υλικά, όπως το γερμάνιο και το πυρίτιο, είναι ενδιάμεσοι, ανάμεσα στον ετεροπολικό και τον μεταλλικό δεσμό. Τα συγκεκριμένα υλικά ονομάζονται ημιαγωγοί. Στην καθαρή κρυσταλλική μορφή τους είναι καλοί μονωτές, αλλά όταν έστω και ένα άτομο μέσα στα 10 εκατομμύρια αντικατασταθεί από μια πρόσμιξη που προσθέτει ή αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από την κρυσταλλική δομή, τότε η αγωγιμότητά τους αυξάνεται τρομακτικά. Λεπτά στρώματα ημιαγωγών υλικών συσκευασμένα μαζί συνθέτουν

7 τις κρυσταλλοτριόδους (τρανζίστορ), που χρησιμοποιούνται για να ρυθμίζουν τη ροή των ρευμάτων στα κυκλώματα, να ανιχνεύουν και να ενισχύουν ραδιοσήματα και να παράγουν παλμούς στους πομπούς δρουν επίσης ως ψηφιακοί διακόπτες. Αυτά τα πολύ μικρά στερεά σώματα ήταν τα πρώτα στοιχεία ηλεκτρικών κυκλωμάτων στα οποία υλικά με διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά δεν συνδέθηκαν με σύρματα, αλλά ενώθηκαν με τρόπο φυσικό σε ενιαία δομή. Χρειάζονται πολύ μικρή ισχύ και, με κανονική χρήση, διαρκούν για πάντα. Ένας ημιαγωγός γίνεται καλός αγωγός και όταν φωτιστεί με φως κατάλληλου χρώματος. Μια πλάκα από καθαρό πυρίτιο είναι κανονικά καλός μονωτής, και κάθε ηλεκτρικό φορτίο που θα βρεθεί στην επιφάνεια του θα παραμείνει εκεί για πολύ χρόνο εφ' όσον ή πλάκα βρίσκεται στο σκοτάδι. Αν όμως η πλάκα εκτεθεί στο φως, το φορτίο θα φύγει σχεδόν αμέσως. Αν μια φορτισμένη πλάκα πυριτίου εκτεθεί σε ένα φωτεινό μοτίβο (σχέδιο) όπως λόγου χάρη, το σχήμα από φωτεινά και σκοτεινά σημεία που σχηματίζουν τη σελίδα αυτή, το φορτίο μπορεί να διαρρεύσει μόνο από τις περιοχές οι οποίες είναι εκτεθειμένες στο φως. Αν απλωθεί μαύρη πλαστική σκόνη πάνω στην επιφάνεια της πλάκας, η σκόνη θα κολλήσει μόνο πάνω στις φορτισμένες περιοχές, που δεν έχουν εκτεθεί στο φως. Αν βάλουμε ένα κομμάτι χαρτί πάνω στην πλάκα και ένα ηλεκτρικό φορτίο στην πίσω της επιφάνεια, η μαύρη πλαστική σκόνη θα πάει στο χαρτί για να σχηματίσει το ίδιο μοτίβο (σχέδιο), όπως. ας πούμε, το σχέδιο αυτί]; της σελίδας. Αν το χαρτί ζεσταθεί, ώστε να λειώσει η πλαστική σκόνη και να ενωθεί με το χαρτί, τότε θα δώσετε ίσως λίγα χρήματα και θα έχετε ένα φωτοαντίγραφο ζίροξ (Xerox). Φόρτιση με τριβή Φόρτιση Όλοι μας είμαστε εξοικειωμένοι με τα ηλεκτρικά φαινόμενα, που παράγονται με την τριβή: χαϊδεύουμε τη γούνα της γάτας μας και ακούμε τα τριξίματα που κάνουν οι σπινθήρες που παράγονται ή χτενίζουμε τα μαλλιά μας, ειδικά μπροστά στον καθρέφτη σε σκοτεινό δωμάτιο, και μπορούμε να δούμε όπως και να ακούσουμε τους ηλεκτρικούς σπινθήρες ή τρίβουμε τα παπούτσια μας στο χαλάκι και δημιουργούμε ένα σπινθήρα, όταν πιάνουμε το χέρι της πόρτας- το ίδιο γίνεται. όταν γλιστράμε πάνω στα πλαστικά καλύμματα του αυτοκινήτου. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις μεταφέρονται ηλεκτρόνια από ένα υλικό σε κάποιο άλλο με την τριβή στα σημεία επαφής. 7

8 8 Αν και τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό των ατόμων συνδέονται πολύ στερεά με τον αντίθετα φορτισμένο πυρήνα, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια πολλών ατόμων συνδέονται χαλαρά και μπορεί να μετατοπιστούν εύκολα. Η δύναμη που συγκρατεί τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων δεν είναι η ίδια στα διάφορα υλικά. Λόγου χάρη, συγκροτούνται στερεότερα στο λάστιχο παρά στη γούνα, και όταν τρίψουμε μια ελαστική ράβδο με μια γούνα, τότε ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τη γούνα στο ελαστικό. Έτσι η ράβδος αποκτά επιπλέον ηλεκτρόνια και φορτίζεται αρνητικά. Η γούνα, αντίθετα, έχασε ηλεκτρόνια και φορτίζεται θετικά. Τα άτομα που έχασαν ηλεκτρόνια είναι ιόντα - θετικά ιόντα, επειδή το ολικό τους φορτίο είναι θετικό. (Αν το άτομο έχει ένα ή περισσότερα πρόσθετα ηλεκτρόνια, θα είναι αρνητικό ιόν). Αν τρίψουμε μια ράβδο από γυαλί ή πλαστικό με μεταξωτό πανί, βλέπουμε πως η ράβδος φορτίζεται θετικά. Άτομα στην επιφάνεια της ράβδου

9 έχουν γίνει θετικά ιόντα. Το μετάξι έχει μεγαλύτερη έλξη προς τα ηλεκτρόνια από όση το γυαλί ή το πλαστικό. Τα ηλεκτρόνια με την τριβή μετακινήθηκαν από τη ράβδο στο μετάξι. Μπορούμε να πούμε: Ένα αντικείμενο που έχει άνισο αριθμό ηλεκτρονίων και πρωτονίων είναι ηλεκτρικά φορτισμένο. Αν έχει περισσότερα ηλεκτρόνια παρά πρωτόνια, είναι αρνητικά φορτισμένο. Λ» τα ηλεκτρόνια τον είναι λιγότερα απ' τα πρωτόνια, είναι θετικά φορτισμένο. Βλέπουμε πως τα ηλεκτρόνια ούτε δημιουργούνται ούτε καταστρέφονται' απλώς μεταφέρονται από ένα υλικό σε κάποιο άλλο' γι αυτό λέμε πως το φορτίο διανοείται. Έχει βρεθεί πως η αρχή της διατήρησης τον φορτίου ισχύει παντού, και σε μεγάλη κλίμακα και σε ατομικό ή πυρηνικό επίπεδο. Δεν έχει παρατηρηθεί καμία περίπτωση δημιουργίας ή καταστροφής ηλεκτρικού φορτίου. Η διατήρηση τον φορτίου κατατάσσεται στη φυσική μαζί με τη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής. Όλα τα ηλεκτρικά φορτία που υπάρχουν στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια τον φορτίου τον ηλεκτρονίου. Δεν έχει βρεθεί κανένα φορτίο ίσο με 1,5 ή 1000,5 φορτία τον ηλεκτρονίου. Όλα είναι ίσα με κάποιο ακέραιο πολλαπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου (ή τον πρωτονίου). Το φορτίο είναι κοκκώδες" ή αποτελείται από στοιχειώδεις μονάδες, τα κβάντα. Λέμε πως το φορτίο είναι κβαντωμένο, με ελάχιστο κβάντο φορτίου το φορτίο τον ηλεκτρονίου (ή τον πρωτονίου). Δεν βρέθηκαν ποτέ μικρότερες μονάδες φορτίου. (Οι σύγχρονοι φυσικοί υψηλών ενεργειών και οι πυρηνικοί υποθέτουν πως, στην πραγματικότητα, υπάρχει ένα μικρότερο φορτίο. ίσο με το ένα τρίτο τον φορτίου τον ηλεκτρονίου. Το φορτίο αυτό συνδέεται με ένα υποατομικό σωμάτιο οποίο λέγεται κουάρκ). ΕΡΩΤΗΣΗ: Αν περπατάτε πάνω σε χαλί τρίβοντας τα πόδια σας, οπότε βγάζετε ηλεκτρόνια από αυτά, φορτίζεστε θετικά ή αρνητικά; ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Φορτίζεστε θετικά (και το χαλί αρνητικά). Φόρτιση με επαφή Ηλεκτρόνια μπορεί να μετακινηθούν από ένα υλικό σε κάποιο άλλο με απλό άγγιγμα. Μια φορτισμένη ράβδος, λόγου χάρη, που έρχεται σε επαφή με ουδέτερο σώμα θα τον μεταφέρει φορτίο. Αν το σώμα είναι καλός αγωγός, το φορτίο θα απλωθεί σε όλη την επιφάνειά τον, επειδή τα ομώνυμα φορτία απωθούνται. Αν το σώμα είναι κακός αγωγός, η ράβδος πρέπει να ακουμπήσει σε διάφορα σημεία του, για να έχουμε μια λίγο-πολύ ομοιόμορφη κατανομή του φορτίου. Αυτή η 9

10 μέθοδος ονομάζεται φόρτιση με επαφή. Φόρτιση με επαγωγή Μπορούμε να φορτίσουμε ένα σώμα με μια απλή διαδικασία, η οποία αρχίζει πλησιάζοντάς το μια φορτισμένη ράβδο. Ας δούμε την αφόρτιστη αγώγιμη σφαίρα, που κρέμεται από μονωτικό σπάγκο της. 10 Όταν την πλησιάζει η αρνητικά φορτισμένη ράβδος, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, που βρίσκονται στην μεταλλική επιφάνεια της σφαίρας, θα φύγουν στην πιο μακρινή της πλευρά- έτσι αυτή η πλευρά θα φορτιστεί αρνητικά, ενώ η κοντινή στη ράβδο θα φορτιστεί θετικά. Η σφαίρα κινείται προς τη ράβδο, επειδή η ελκτική δύναμη μεταξύ της κοντινής πλευράς τη; σφαίρας και της ράβδου είναι μεγαλύτερη (μικρότερη απόσταση, μεγαλύτερη δύναμη) από την απωστική δύναμη μεταξύ της μακρινής πλευράς της σφαίρας και της ράβδου. Βλέπουμε πως υπάρχει ολική ηλεκτρική δύναμη, μολονότι το ολικό φορτίο της σφαίρας, ώς άθροισμα, είναι μηδενικό. Υποθέτουμε τώρα πως ακουμπάμε για μια στιγμή το δάχτυλό μας στη μακρινή πλευρά της σφαίρας. Τα ηλεκτρόνια τότε θα απωθηθούν από τη ράβδο ακόμη μακρύτερα' μερικά θα περάσουν από την επιφάνεια του υγρού μας δέρματος και θα οδηγηθούν στο έδαφος, όπου πατάμε. Η σφαίρα έχει "γειωθεί" και διαθέτει τώρα ολικό θετικό φορτίο' έχει φορτιστεί με επαγωγή. Βλέπουμε πως η σφαίρα πλησιάζει περισσότερο στη ράβδο (γιατί;) και, αν την ακουμπήσει. θα αποκτήσει φορτίο από επαφή, καθώς θα μεταφερθούν ηλεκτρόνια από τη ράβδο στη σφαίρα. Γρήγορα τότε φορτίζεται αρνητικά και απωθείται από τη ράβδο.

11 11 Η φόρτιση με επαγωγή δεν περιορίζεται στους αγωγούς, αλλά μπορεί να συμβεί σε όλα τα υλικά. Σε έναν μονωτή ανακατανέμονται τα φορτία των ατόμων και των μορίων, αντί να συμβεί μετακίνηση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας. Στην κανονική κατάσταση τα ενεργά κέντρα του θετικού και του αρνητικού φορτίου συμπίπτουν σε ένα άτομο όπως και σε πολλά μόρια, με την παρουσία όμως κάποιου φορτισμένου σώματος τα κέντρα αυτά μετατοπίζονται ελαφρά. Λέμε ότι τα άτομα είναι ηλεκτρικώς πολωμένα. Τα πολωμένα άτομα ή μόρια του μονωτικού υλικού διατάσσονται σε σειρές έτσι που η κεφαλή του ενός να ακουμπά στην ουρά του προηγούμενου- και αυτό καταλήγει στην επαγωγή επιφανειακών φορτίων ίσου μεγέθους και αντίθετου πρόσημου στις δύο αντίθετες επιφάνειες του μονωτή. (Αυτό το επαγόμενο επιφανειακό φορτίο προκαλεί τη μερική θωράκιση των μονωτών).

12 12 Βρίσκουμε πως υπάρχει μικρή έλξη μεταξύ του φορτισμένου σώματος και του μονωτή, επειδή το επαγόμενο επιφανειακό φορτίο στο μέρος του μονωτή που είναι πιο κοντά στο φορτισμένο σώμα έχει πάντα αντίθετο πρόσημο από εκείνο του φορτισμένου σώματος. Αυτό εξηγεί γιατί ένα φορτισμένο σώμα, όπως το χτένι που τραβήχτηκε μέσα στα μαλλιά, έλκει μικρά κομματάκια χαρτί χωρίς φορτίο και άλλα αντικείμενα. Μερικές φορές τα κομματάκια του χαρτιού κολλούν στο φορτισμένο χτένι και ξαφνικά πετούν μακριά. Αυτό συμβαίνει, επειδή το χαρτί που αγγίζει το χτένι αποκτά κάποια φορτία με επαφή, καθώς τα ηλεκτρόνια που απωθούνται μεταξύ τους στο χτένι μετακινούνται από το χτένι στο χαρτί. Τότε το χαρτί αποκτά φορτίο όμοιο με το χτένι και απωθείται. Όταν τρίψουμε ένα φουσκωμένο μπαλόνι στα μαλλιά μας, το φορτίζουμε με τριβή. Τραβούμε ηλεκτρόνια από τα μαλλιά πάνω στο μπαλόνι, το οποίο με αυτόν

13 το τρόπο, φορτίζεται αρνητικά. Βλέπουμε πως το φορτισμένο μπαλόνι κολλά εύκολα στον τοίχο ή σε άλλη μονωτική επιφάνεια, επειδή προκαλεί τη φόρτισή της με επαγωγή με αντίθετο φορτίο. Επειδή το μπαλόνι είναι καλός μονωτής, πολύ λίγα φορτία του μεταφέρονται στον τοίχο. 13 Στη διάρκεια των καταιγίδων σημειώνεται φόρτιση με επαγωγή. Το κάτω μέρος των αρνητικά φορτισμένων νεφών επάγει θετικά φορτία στην επιφάνεια της Γης. Πρώτος το επιβεβαίωσε ο Βενιαμίν Φραγκλίνος (Benjamin Franklin), όταν με το περίφημο πείραμά του με τον χαρταετό απέδειξε πως η αστραπή είναι ηλεκτρικό φαινόμενο. Ο κεραυνός είναι ηλεκτρική εκκένωση ανάμεσα στα σύννεφα και το αντίθετα φορτισμένο έδαφος, και η αστραπή ανάμεσα σε αντίθετα

14 φορτισμένα μέρη των νεφών. Ο Φραγκλίνος βρήκε επίσης, ότι το φορτίο διαρρέει εύκολα από αιχμηρά σημεία και κατασκεύασε το πρώτο αλεξικέραυνο. Αν το αλεξικέραυνο τοποθετηθεί σε μια οικοδομή και συνδεθεί με το έδαφος, το επαγόμενο από τα σύννεφα φορτίο διαρρέει από το αλεξικέραυνο και προλαμβάνεται έτσι μια μεγάλη ξαφνική ηλεκτρική εκκένωση. Αν για κάποιο λόγο δεν διαρρεύσει αρκετό φορτίο μέσω του αλεξικέραυνου και ο κεραυνός χτυπήσει οπωσδήποτε, τότε θα τον τραβήξει το αλεξικέραυνο και τα φορτία θα κατευθυνθούν μέσα από τον μεταλλικό δρόμο του στο έδαφος, προφυλάσσοντας έτσι την οικοδομή. 14 Ηλεκτρικό πεδίο Οι ηλεκτρικές δυνάμεις, όπως και οι βαρυτικές, δρουν μεταξύ σωμάτων που δεν βρίσκονται σε επαφή, όσο και μεταξύ σωμάτων που βρίσκονται σε επαφή. Για να περιγράφουμε τέτοιες δυνάμεις, βασιζόμαστε στην έννοια του πεδίου δυνάμεων. Μπορούμε να θεωρήσουμε πως οι ιδιότητες του χώρου που περιβάλλει κάποια μάζα μεταβάλλονται τόσο, ώστε σε μια άλλη μάζα που θα βρεθεί στην ίδια περιοχή θα ασκηθεί μια δύναμη. Η "αλλαγή στο χώρο" που δημιουργήθηκε από μια μάζα λέγεται το πεδίο βαρύτιμός της. Μπορούμε να φανταστούμε πως κάθε άλλη μάζα αλληλοεπιδρά με το πεδίο και όχι άμεσα με τη μάζα που το δημιούργησε. Όταν το μήλο πέφτει από το δέντρο, λέμε ότι αλληλοεπιδρά με τη μάζα της Γης, αλλά μπορούμε και να σκεφτούμε πως το μήλο αλληλοεπιδρά με το

15 15 γήινο πεδίο βαρύτητας. Το πεδίο παίζει μεσάζοντα ρόλο στις δυνάμεις μεταξύ των σωμάτων. Συνηθίζουμε να σκεφτόμαστε ότι οι μακρινοί πύραυλοι και τα παρόμοια αλληλοεπιδρούν μάλλον με τα πεδία βαρύτητας παρά με τις μάζες της Γης και των άλλων σωμάτων, που δημιουργούν τα πεδία. Με τον ίδιο τρόπο το ηλεκτρικό φορτίο δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο γύρω του, που αλληλοεπιδρά με όποιο άλλο φορτίο βρεθεί εκεί. Το ηλεκτρικό πεδίο έχει και μέτρο και διεύθυνση. Το μέτρο του σε κάθε σημείο είναι απλώς η δύναμη που ασκείται στη μονάδα του φορτίου. Αν ένα φορτίο q υφίσταται τη δύναμη F σε κάποιο σημείο του χώρου, τότε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο σημείο αυτό είναι: Ε =F/q Το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να παρασταθεί με διανυσματικά βέλη, όπως στην Εικόνα. Η διεύθυνση του πεδίου παριστάνεται με διανύσματα και ορίζεται ότι είναι η διεύθυνση, προς την οποία θα κινηθεί ένα μικρό, ακίνητο, θετικό δοκιμαστικό φορτίο'. Γι αυτό βλέπουμε στην εικόνα πως όλα τα διανύσματα κατευθύνονται προς το κέντρο της αρνητικά φορτισμένης σφαίρας. Αν η σφαίρα ήταν θετικά φορτισμένη, τα διανύσματα θα κατευθύνονταν αντίθετα (από το κέντρο προς τα έξω), επειδή το γειτονικό θετικό δοκιμαστικό φορτίο θα απωθούνταν.

16 Και στις δύο περιπτώσεις δεν υπάρχει επαφή μεταξύ των σωμάτων και οι δυνάμεις "δρουν από απόσταση". Έτσι. η δύναμη που ένα ηλεκτρικό φορτίο ασκεί σε ένα άλλο μπορεί να περιγράφει ως η αλληλεπίδραση ενός φορτίου με το πεδίο που δημιουργεί το άλλο φορτίο. Το δοκιμαστικό φορτίο είναι μικρό, έτσι ώστε το δικό του ηλεκτρικό πεδίο να είναι επίσης μικρό σε σύγκριση με το ήδη υπάρχον. Αν το φορτίο ήταν μεγάλο, θα μπορούσε να αλλοιώσει την κατανομή του φορτίου, που προκαλεί το πεδίο που μετράμε. Μια χρησιμότερη περιγραφή του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται με τη βοήθεια των ηλεκτρικών δυναμικών γραμμών. 16 Οι δυναμικές γραμμές απέχουν περισσότερο μεταξύ τους το πεδίο είναι ασθενέστερο. Σε απομονωμένο φορτίο οι γραμμές εκτείνονται στο άπειρο' για δύο ή περισσότερα φορτία, παριστάνουμε τις γραμμές σαν να βγαίνουν από ένα θετικό φορτίο και να καταλήγουν σε ένα αρνητικό Αν αυτό που μας ενδιαφέρει ως προς τον ηλεκτρισμό ήταν μόνο οι δυνάμεις μεταξύ απομονωμένων ακίνητων φορτίων, τότε η έννοια του ηλεκτρικού πεδίου δεν θα χρειαζόταν. Όμως τα φορτία κινούνται. Η κίνηση αυτή μεταδίδεται στα γειτονικά φορτία με τη μορφή μιας διαταραχής του πεδίου, που ξεκινά από το επιταχυνόμενο φορτίο και κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Θα μάθουμε πως το ηλεκτρικό πεδίο είναι μια αποθήκη ενέργειας, η οποία μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο, που μπορεί να κατευθύνεται και να οδηγείται με μεταλλικά σύρματα, ή μέσα στον κενό χώρο. ΑΠΟ ΤΟ ΒΙΒΛΙΟ: CONCEPTUAL PHYSICS PAUL. G. HEWITT