Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού

Transcript

1 Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο Γνωριμία με την ηλεκτρική δύναμη Ηλεκτρισμένα σώματα: Τα σώματα που όταν τα τρίψουμε πάνω σε κάποιο άλλο σώμα αποκτούν την ιδιότητα να ασκούν δύναμη σε ελαφρά αντικείμενα (χαρτάκια, τρίχες, ξερά φύλλα, κομμάτια φελισόλ κλπ). Σίγουρα όλοι έχετε παρατηρήσει τέτοια φαινόμενα, όπως να τρίβετε ένα στυλό σε μια ζακέτα και μετά αυτός να έλκει μικρά χαρτιά ή να τρίβετε ένα μπαλόνι σε ένα πουλόβερ και μετά αυτό να έλκεται (να «κολλάει») στο πουλόβερ ή στο μπαλόνι. Πειραματιστείτε! (πραγματικά η ψηφιακά: Μπορούμε να ελέγξουμε πειραματικά αν ένα σώμα είναι φορτισμένο: με ηλεκτρικό εκκρεμές ή με ηλεκτροσκόπιο. Ηλεκτρική δύναμη: ονομάζεται η δύναμη μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων. Πρόκειται για δύναμη εξ αποστάσεως. Μπορεί να είναι ελκτική ή μπορεί να είναι απωστική. Το ηλεκτρικό φορτίο Για να μελετήσουμε ποσοτικά τον ηλεκτρισμό εισάγουμε ένα νέο μέγεθος που το λέμε ηλεκτρικό φορτίο (το φανταζόμαστε ως μια ιδιότητα που μπορεί νε έχει η ύλη). Συμβολισμός: q (κάποιες φορές συναντάται και ως Q). Μονάδες S.I.: 1C (Coulomb) Σώματα που έχουν ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται ηλεκτρικά φορτισμένα και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ηλεκτρικές δυνάμεις. Συσχετισμός των απωστικών ή ελκτικών ηλεκτρικών δυνάμεων με την αναγκαιότητα ύπαρξης δύο είδη φορτίων: τα ονομάζουμε θετικό και αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα ομόσημα φορτισμένα σώματα απωθούνται και τα ετερόσημα έλκονται. Το ολικό φορτίο δύο ή περισσοτέρων φορτισμένων σωμάτων ισούται με το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων τους. Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Σελίδα 1 από 6

2 Όταν το συνολικό φορτίο δύο ή περισσοτέρων σωμάτων είναι ίσο με μηδέν, τότε το σώμα ή το σύνολο των σωμάτων ονομάζεται ηλεκτρικά ουδέτερο. Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου Δομή του ατόμου (πλανητικό μοντέλο): <εικόνα> - Το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. - Στο κέντρο του ατόμου υπάρχει ο θετικά φορτισμένος πυρήνας (το σύνολο σχεδόν της μάζας του ατόμου/πολύ μικρές διαστάσεις - αντιστοίχηση: πυρήνας-μπαλάκι τένις στο ολυμπιακό στάδιοάτομο) - Αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιές γύρο από την πυρήνα (δίνουν τη διάσταση του ατόμου). Το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων είναι σε απόλυτη τιμή ίσο με το θετικό φορτίο του πυρήνα, οπότε και το ολικό φορτίο του ατόμου είναι μηδέν. - Δομή πυρήνα: Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια. Το φορτίου του πρωτονίου είναι κατ απόλυτη τιμή ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου,q e =-1, C Επομένως, για να είναι ουδέτερο το άτομο σημαίνει ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων. Η μάζα του πρωτονίου είναι περίπου ίση με τη μάζα του νετρονίου και πολύ μεγαλύτερη της μάζας του ηλεκτρονίου. Ατομικός αριθμός (Ζ) του ατόμου: ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα του ατόμου Μαζικός αριθμός (Α) του ατόμου: Α=Ζ+Ν, όπου Ν: ο αριθμός των νετρονίων Πως τα σώματα αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο; Ηλέκτριση με τριβή. Εξαιτίας της δυνατότητας απομάκρυνσης κάποιων εξωτερικών ηλεκτρονίων των ατόμων που αποτελούν ένα σώμα, όταν το τρίβουμε με ένα άλλο. Με αυτόν τον τρόπο δίνουμε αρκετή ενέργεια στα ηλέκτρόνια, ώστε να αποσπαστούν από το άτομο που ανήκουν (οπότε έχουμε μετατροπή του ατόμου αυτού σε ιόν) και να μεταφερθούν από το ένα σώμα στο άλλο. (Σκεφτείτε: (α) τα δύο σώματα αποκτούν έτσι διαφορετικό ίδιο είδος φορτίου, π.χ. και τα δύο θα έχουν αρνητικό φορτίο. Γιατί; (β) Γιατί έχουμε απομάκρυνση ηλεκτρονίων και όχι πρωτονίων;) Ηλέκτριση με επαφή. Εξαιτίας της δυνατότητας μεταφοράς κάποιων ηλεκτρονίων από ένα φορτισμένο σώμα σε ένα άλλο μη φορτισμένο (Σκεφτείτε: και τα δύο σώματα αποκτούν έτσι το ίδιο είδος φορτίου, π.χ. και τα δύο θα έχουν αρνητικό φορτίο. Γιατί;) Δύο σημαντικές ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου: - Το ολικό φορτίο διατηρείται (αρχή διατήρησης του ολικού ηλεκτρικού φορτίου). - Κβάντωση του ηλεκτρικού φορτίου: Η απόλυτη τιμή του ηλεκτρικού φορτίου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της απόλυτης τιμής του φορτίου του ηλεκτρονίου. Χαρακτηρισμός υλικών ως μονωτές και αγωγοί. - Αγωγός: ένα υλικό που επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων μέσα από το σώμα του. (π.χ. μέταλλα) - Μονωτής: ένα υλικό που δεν επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων μέσα από το σώμα του. (π.χ. πορσελάνη, πλαστικό) Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Σελίδα 2 από 6

3 Σκεφτείτε: Με τι κατασκευάζουμε τα καλώδια; Με τι κατασκευάζουμε το εξωτερικό των ασφαλειών, των διακοπτών και των κατσαβιδιών των ηλεκτρολόγων; Νόμος του Coulomb Μελετά την ηλεκτρική δύναμη ανάμεσα σε δύο ακίνητα σημειακά φορτία (Δύναμη αλληλεπίδρασης των δύο ακίνητων σημειακών φορτίων). Η διεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης είναι η ευθεία που περνά από τα δύο φορτία. Η φορά των ηλεκτρικών δυνάμεων είναι απωστική αν τα φορτία είναι ομόσημα και ελκτική αν τα φορτία είναι ετερόσημα. Οι δυνάμεις στα δύο φορτία είναι αντίθετες (αρχή δράσης-αντίδρασης) Νόμος του Coulomb Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης που ασκεί ένα ακίνητο σημειακό ηλεκτρικό φορτίο σε ένα άλλο είναι ανάλογο της απόλυτης τιμής του γινομένου των δύο ηλεκτρικών φορτίων και αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. q1q2 Η μαθηματική έκφραση του νόμου είναι: F c K 2 r Η τιμή της σταθεράς αναλογίας, K, εξαρτάται από το υλικό μέσα στο οποίο βρίσκονται τα φορτισμένα σώματα και από το σύστημα μονάδων που χρησιμοποιούμε. Για το κενό, στο SI, είναι K= Ν m 2 /C 2. Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Σελίδα 3 από 6

4 Ηλεκτρικό ρεύμα Το ηλεκτρικό ρεύμα Ορισμός ηλεκτρικού ρεύματος. Ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων. Ηλεκτρική πηγή, πεδίο και ρεύμα. Η ηλεκτρική πηγή δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί η πηγή στο εσωτερικό του αγωγού προκαλεί την ηλεκτρική δύναμη που ασκείται στα ηλεκτρόνια του αγωγού ώστε να έχουμε την προσανατολισμένη κίνησή τους και μακροσκοπικά το ηλεκτρικό ρεύμα. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. - Ορίζουμε ως ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό ως το φορτίο (q) που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού σε χρονικό διάστημα (Δt) προς το χρονικό αυτό q διάστημα. t - Μονάδα έντασης ηλεκτρικού ρεύματος στο SI: 1 Α (Ampere, ελληνικά: Αμπέρ). (*) Θεμελιώδης μονάδα στο SI 1A= 1C/1 s (=> 1C=1A*1s) - Όργανα μέτρησης έντασης ηλεκτρικού ρεύματος: Αμπερόμετρα. Για να μπορέσουμε να μετρήσουμε το ρεύμα σε έναν αγωγό θα πρέπει να παρεμβάλουμε το αμπερόμετρο έτσι ώστε το προς μέτρηση ρεύμα να περάσει μέσα από το όργανο. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης ονομάζεται σύνδεση σε σειρά. Η φορά του ρεύματος. Συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η φορά κίνησης των θετικών φορτίων ή ισοδύναμα η αντίθετη της φοράς κίνησης των αρνητικών φορτίων. Αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Θερμικά, Ηλεκτρομαγνητικά, φωτεινά, χημικά αποτελέσματα. Το ηλεκτρικό κύκλωμα Ορισμός ηλεκτρικού κυκλώματος. Ονομάζουμε ηλεκτρικό κύκλωμα κάθε διάταξη που αποτελείται από κλειστούς αγώγιμους «δρόμους», μέσω των οποίων μπορεί να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα. Ανοικτό και κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα Το κύκλωμα (γενικά μια ηλεκτρική διαδρομή) είναι κλειστή όταν τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται μέσα σε αυτή με την εφαρμογή μιας ηλεκτρικής τάσης. Το κύκλωμα (γενικά μια ηλεκτρική διαδρομή) είναι ανοιχτή όταν τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινούνται μέσα σε αυτή με την εφαρμογή μιας ηλεκτρικής τάσης καθώς ένα τμήμα της διαδρομής δεν είναι αγώγιμο (π.χ. το κύκλωμα διακόπτεται σε κάποιο σημείο-παρεμβάλλεται ο αέρας). (*) Για να ελέγχουμε πότε το κύκλωμα είναι ανοιχτό ή κλειστό παρεμβάλλουμε διακόπτες. Ηλεκτρικές πηγές Διάφορες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας και η μορφή της ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική σε κάθε μία από αυτές τις πηγές. Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Σελίδα 4 από 6

5 Ηλεκτρικά δίπολα Τάση ή διαφορά δυναμικού - Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής το πηλίκο της ενέργειας (E ηλ. ) που προσφέρεται από την πηγή σε ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q όταν διέρχονται από αυτή, προς το φορτίο q. - Μονάδα της τάσης στο SI είναι το Joule/Coulomb=1 Volt (1V= 1J/1C). - Ονομάζουμε ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού (V) μεταξύ των δύο άκρων του καταναλωτή το πηλίκο της ενέργειας (E ηλ. ) που μεταφέρουν στον καταναλωτή ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q όταν διέρχονται από αυτόν, προς το φορτίο q. - Όργανο που μετράμε την τάση: Βολτόμετρο. Σύνδεση: παράλληλα με το στοιχείο. Προέλευση των ηλεκτρονίων σε ένα κύκλωμα Η πηγή δεν τα δημιουργεί, απλά δημιουργεί το κατάλληλο ηλεκτρικό πεδίο και τα θέτει σε (προσανατολισμένη) κίνηση. Αναπαραστάσεις διπόλων ηλεκτρικών κυκλωμάτων V E. q Ορισμός ηλεκτρικού δίπολου. - Ονομάζουμε ηλεκτρικό δίπολο κάθε ηλεκτρική συσκευή που διαθέτει δύο άκρα με τα οποία συνδέεται στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Ορισμός αντίστασης δίπολου. - Ηλεκτρική αντίσταση (R) ενός ηλεκτρικού δίπολου ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης (V) που εφαρμόζεται στους πόλους του δίπολου προς την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος V που το διαρρέει. Μαθηματική έκφραση: R I (*) Μονάδα στο SI: το Ω (Ohm, ελληνικά Ωμ). 1Ω=1V/1A. (*) Όργανο μέτρησης: Ωμόμετρο (συνήθως ενσωματωμένο σε πολύμετρο-μετρά τάση & ρεύμα, άρα και αντίσταση) Προσοχή: γενικά η αντίσταση ενός διπόλου δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβάλλεται ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση στα άκρα του.υπάρχει μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται αντιστάτες, στους οποίους η αντίσταση R είναι σταθερή. Νόμος του Ohm Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (Ι) που διαρρέει έναν μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού (V) που εφαρμόζεται στα άκρα του με σταθερά αναλογίας το 1/R. Μαθηματική έκφραση: Ι=V/R (*) Ο νόμος του Ohm δεν ισχύει για κάθε ηλεκτρικό δίπολο. Δίπολα για τα οποία ισχύει ο νόμος του Ohm ονομάζονται αντιστάτες ( ή ωμικές αντιστάσεις). Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Σελίδα 5 από 6

6 Εφαρμογές αρχών διατήρησης στη μελέτη απλών ηλεκτρικών κυκλωμάτων Ορισμός ισοδύναμου κυκλώματος και ισοδύναμης (ή ολικής) αντίστασης. Δίνουμε τον ορισμό του ισοδύναμου κυκλώματος και σχεδιάζουμε για το προηγούμενο κύκλωμα το ισοδύναμο κύκλωμα. Η μοναδική αντίσταση του ισοδύναμου κυκλώματος είναι η ισοδύναμη (ή ολική) αντίσταση. ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΕΣ Εξίσωση της ισοδύναμης (ή ολικής) αντίστασης για απλό κύκλωμα δύο αντιστατών σε σειρά. Ισχύει: V=V 1 +V 2 (αρχή διατήρησης της ενέργειας) Ι = Ι 1 = Ι 2 (αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου) R= R 1 + R 2 Εξίσωση της ισοδύναμης (ή ολικής) αντίστασης για απλό κύκλωμα δύο αντιστατών σε παράλληλη σύνδεση. Ισχύει: V = V 1 = V 2 (αρχή διατήρησης της ενέργειας) Ι = Ι 1 + Ι 2 (αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου) R R R 1 2 Πειραματιστείτε ψηφιακά: Βασικά στοιχεία Ηλεκτρισμού Σελίδα 6 από 6