Φύλλο Εργασίας 1. Μετρήσεις Μήκους - Η Μέση Τιμή

Transcript

1 Φύλλο Εργασίας 1 Μετρήσεις Μήκους - Η Μέση Τιμή Στη φύση γύρω µας παρατηρούµε ότι τα πάντα µεταβάλλονται. Τα αυτοκίνητα κινούνται, τα χιόνια στα βουνά λιώνουν, τα φυτά και τα ζώα αναπτύσσονται, τα πετρώµατα διαβρώνονται. Αυτές τις µεταβολές τις ονοµάζουµε φαινόµενα. Οι επιστήµες οι οποίες ασχολούνται µε την έρευνα και τη µελέτη των µεταβολών που συµβαίνουν στη φύση ονοµάζονται φυσικές επιστήµες και είναι η φυσική, η χηµεία, η βιολογία, η γεωλογία κ.ά. Τα φαινόµενα στη φύση χωρίζονται σε δυο µεγάλες κατηγορίες: στα φυσικά και στα χηµικά φαινόµενα: Φυσικά φαινόµενα ονοµάζονται εκείνα κατά τα οποία δεν µεταβάλλεται η σύσταση των σωµάτων, όπως για παράδειγµα το σκίσιµο ενός χαρτιού ή το σπάσιµο ενός ξύλου. Χηµικά φαινόµενα ονοµάζονται εκείνα κατά τα οποία η σύσταση των σωµάτων µεταβάλλεται ριζικά, όπως για παράδειγµα η καύση ενός κεριού ή ξύλου, η σκουριά του σιδήρου κ.ά. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 1

2 Για την έρευνα των διαφόρων φαινοµένων ιδιαίτερη σηµασία έχουν τα φυσικά µεγέθη και οι µετρήσεις. Μέγεθος ονοµάζουµε κάθε ποσότητα που µπορεί να µετρηθεί, για παράδειγµα το µέγεθος µιας πλατείας ή ενός σπιτιού, το πλήθος των ατόµων που υπάρχουν σε µια διαδήλωση, το µέγεθος ενός σεισµού, τη θερµοκρασία κ.ά. Ως µέτρηση ενός µεγέθους ονοµάζουµε τη διαδικασία σύγκρισης οµοειδών µεγεθών. Τα µεγέθη τα οποία χρησιµοποιούµε για την περιγραφή ενός φυσικού φαινοµένου ονοµάζονται φυσικά µεγέθη. Παραδείγµατα φυσικών µεγεθών είναι το µήκος, το εµβαδόν, ο όγκος, ο χρόνος, η µάζα, η ταχύτητα, η πυκνότητα. Τα µεγέθη αυτά είναι φυσικά µεγέθη διότι µπορούν να µετρηθούν µε ακρίβεια µε τη χρήση συγκεκριµένων οργάνων. Από την άλλη, η χαρά, ο φόβος, η λύπη, η αγάπη είναι συναισθήµατα τα οποία µπορεί να είναι λιγότερο ή περισσότερο έντονα, αλλά δεν αποτελούν φυσικά µεγέθη αφού δεν µπορεί να προσδιοριστεί µε ακρίβεια το µέγεθός τους. Για να µπορέσουµε να µετρήσουµε ένα φυσικό µέγεθος, πρέπει να το συγκρίνουµε µε ένα άλλο οµοειδές, το οποίο ονοµάζουµε µονάδα µέτρησης. Για να µετρήσουµε το µήκος ενός σώµατος, για παράδειγµα ενός θρανίου, το συγκρίνουµε µε ένα ορισµένο µήκος, το οποίο έπειτα από συµφωνία το θεωρούµε ως µονάδα µέτρησης όπως είναι το 1 µέτρο (m). Μονάδες μέτρησης μήκους Η θεµελιώδης µονάδα µέτρησης του µήκους είναι το µέτρο (meter), το οποίο συµβολίζεται µε το λατινικό γράµµα m. 2 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

3 Για πάρα πολλούς αιώνες ως µονάδες µέτρησης του µήκους χρησιµοποιούνταν αποστάσεις οι οποίες είχαν σχέση µε το ανθρώπινο σώµα. Για παράδειγµα, ως οργιά ορίσθηκε το µήκος ανοίγµατος των χεριών ενός ενήλικα και ως µια ίντσα ορίσθηκε το πλάτος του αντίχειρα ενός άντρα. Μια άλλη µονάδα µέτρησης µήκους, την οποία χρησιµοποιούσαν κυρίως οι αρχαίοι Έλληνες, ήταν το στάδιο, η οποία ήταν ίση µε το µήκος ενός αθλητικού σταδίου. Αρχαίο Στάδιο Ολυµπίας Όσο όµως η επιστήµη αναπτυσσόταν, οι απαιτήσεις για µετρήσεις µε όλο και µεγαλύτερη ακρίβεια συνεχώς και αυξανόταν. Γι αυτό και το 1983 το 1m ορίστηκε µε ακρίβεια ως το µήκος που διανύει το φως στο κενό σε χρόνο 1/ δευτερόλεπτα. Για να εξασφαλίσουν οι επιστήµονες ότι το 1m θα αντιστοιχεί στο ίδιο µήκος για όλους τους ανθρώπους, κατασκευάστηκε ως πρότυπο µια ράβδος από ιριδιούχο λευκόχρυσο πάνω στο οποίο χάραξαν δυο εγκοπές. Η απόσταση µεταξύ των δυο εγκοπών ορίστηκε ως το 1 µέτρο. Το πρότυπο αυτό φυλάσσεται στο Μουσείο µέτρων και Σταθµών στις Σέβρες, κοντά στο Παρίσι. Για να µετρήσουµε µήκη τα οποία είναι µικρότερα του ενός µέτρου χρησιµοποιούµε υποπολλαπλάσια του µέτρου όπως είναι το εκατοστό (cm), το χιλιοστό (mm) και άλλα, ενώ για τη µέτρηση µηκών πολύ µεγαλύτερων του 1m χρησιµοποιούµε πολλαπλάσια όπως το χιλιόµετρο (km). Στην αστρονοµία, όπου µετράµε πολύ µεγάλα µήκη, εκτός από το χιλιόµετρο χρησιµοποιούνται η αστρονοµική µονάδα, η οποία ισούται µε m, αλλά και το έτος φωτός, το οποίο ισούται περίπου µε 9,5 τρισεκατοµµύρια χιλιόµετρα ( ,8 km). Τα πιο συνηθισµένα όργανα µέτρησης του µήκους είναι: Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 3

4 το πτυσσόµενο µέτρο η µετροταινία, το υποδεκάµετρο (βαθµονοµηµένος χάρακας) κ.ά. Πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια του μέτρου Για τη µέτρηση µήκους µικρότερο του ενός µέτρου χρησιµοποιούµε το δεκατόµετρο (dm), το εκατοστόµετρο (cm), το χιλιοστόµετρο (mm), το µικρόµετρο (µm), το νανόµετρο (nm) κ.ά. Για τη µέτρηση µήκους µεγαλύτερου του 1m χρησιµοποιούµε τα πολλαπλάσια του µέτρου όπως το χιλιόµετρο (km). 1km = 1000m 1m = 10dm 1m = 100cm 1m = 1000mm 1m = = 10 6 µm 1m = = 10 9 nm Για να µετατρέψουµε µια µονάδα µέτρησης µήκους σε µικρότερη, πολλαπλασιάζουµε µε το 10, 100, 1000 κ.ο.κ, ενώ για να µετατρέψουµε µια µονάδα µέτρησης µήκους σε µεγαλύτερη, διαιρούµε µε το 10, 100, 1000 κ.ο.κ. 4 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

5 Παράδειγμα 5km = 5 x 1000m = 5000m 15dm = 15: 10 = 1,5m 7m = 7 x 1000 = 7000mm 800cm = 800 : 100 = 8m Μέση τιμή πλήθους αριθμών Για να υπολογίσουµε τη µέση τιµή ενός πλήθους αριθµών, διαιρούµε το άθροισµά τους µε το πλήθος αυτών των αριθµών. Έστω για παράδειγµα ότι θέλουµε να υπολογίσουµε τη µέση τιµή του µήκους τεσσάρων ράβδων. Τα µήκη τους είναι: 2m, 6m, 8m, 3m. Αρχικά προσθέτουµε τα µήκη των ράβδων: 2m + 6m + 8m + 3m = 19m Κι έπειτα διαιρούµε το άθροισµα αυτό µε το πλήθος των ράβδων που είναι 4. Άρα: Μέση τιµή = = = 4,75m Σε µετρήσεις µήκους, ο υπολογισµός της µέσης τιµής µας βοηθάει στην καλύτερη εκτίµηση της τιµής του µήκους. Πολλές φορές κατά τη διάρκεια της µέτρησης προκύπτουν σφάλµατα. Τα σφάλµατα αυτά µπορεί να οφείλονται είτε στα όργανα µέτρησης, τα οποία πολλές φορές δεν είναι αξιόπιστα, είτε σε λανθασµένους χειρισµούς καθώς και υποκειµενικές εκτιµήσεις που µπορεί να γίνουν κατά τη διάρκεια του πειράµατος, όπως λάθος τοποθέτηση των οργάνων µέτρησης ή εσφαλµένη ανάγνωση της µετρούµενης τιµής. Για να περιορίσουµε όσο µπορούµε αυτά τα σφάλµατα ώστε να επηρεάζουν λιγότερο τους υπολογισµούς µας, πραγµατοποιούµε πολλές µετρήσεις και λαµβάνουµε τη µέση τιµή τους. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 5

6 Φύλλο Εργασίας 2 Μετρήσεις Χρόνου - Η Ακρίβεια Ο άνθρωπος ξεκίνησε να αντιλαµβάνεται την έννοια του χρόνου από την προϊστορική ακόµα εποχή, παρατηρώντας τις διάφορες αλλαγές που συνέβαιναν στο περιβάλλον, όπως για παράδειγµα την εναλλαγή µέρας-νύχτας, την εναλλαγή των εποχών, τις φάσεις της Σελήνης και άλλα. Για τη µέτρηση του χρόνου χρησιµοποιούµε τα περιοδικά φαινόµενα. Περιοδικά ονοµάζονται τα φαινόµενα τα οποία επαναλαµβάνονται µε τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήµατα. Τέτοια φαινόµενα είναι η εναλλαγή της ηµέρας µε τη νύχτα (ηµερονύκτιο), οι κτύποι της καρδιάς ενός ανθρώπου, η κίνηση του εκκρεµούς. Η θεµελιώδης µονάδα µέτρησης του χρόνου είναι το δευτερόλεπτο (second). Συµβολίζεται µε το γράµµα s. Το δευτερόλεπτο ορίζεται έτσι ώστε το ηµερονύκτιο να διαρκεί 86400s. Το 1967 το δευτερόλεπτο ορίστηκε ξανά µε µεγαλύτερη ακρίβεια µε βάση το ατοµικό ρολόι καισίου ως εξής: ένα δευτερόλεπτο είναι η χρονική διάρκεια µέσα στην οποία συµβαίνουν καθορισµένες περιοδικές ενεργειακές µεταβολές στο άτοµο του καισίου (Cs 133 ). Άλλες µονάδες µέτρησης του χρόνου είναι το λεπτό (min) και η ώρα (h). Επίσης, για να µετρήσουµε το χρόνο χρησιµοποιούµε την ηµέρα, την εβδοµάδα, τον µήνα, το έτος, τον αιώνα κ.ο.κ. Η µέτρηση του χρόνου για πολλούς αιώνες γινόταν µε όργανα όπως η κλεψύδρα και το ηλιακό ρολόι. Τα όργανα αυτά φυσικά δεν ήταν τόσο ακριβή. Τον 17 ο αιώνα καθιερώθηκε το µηχανικό ρολόι, το οποίο χρησιµοποιούσε το απλό εκκρεµές για τη µέτρηση του χρόνου. Η µέτρηση του χρόνου σήµερα γίνεται µε: ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά ρολόγια, τα οποία είναι αναλογικά ή ψηφιακά το µηχανικό ρολόι, το οποίο εκµεταλλεύεται την περιοδική κίνηση ενός εκκρεµούς ρολόγια που περιέχουν κρύσταλλο χαλαζία (quartz) που ταλαντώνεται ατοµικά ρολόγια καισίου µε τα οποία εξασφαλίζεται η µεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια 6 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

7 Μονάδες µέτρησης χρόνου Ένα ηµερονύκτιο διαρκεί δευτερόλεπτα (s). 1 1s = ηµερονύκτια Άλλες µονάδες µέτρησης χρόνου είναι η ώρα (h), το λεπτό (min) και το µιλισεκόντ (ms). Ισχύουν: 1min = 60s, 1h = 60min = 3600s, 1ms = 10 3 s Άλλες µονάδες µέτρησης του χρόνου είναι το λεπτό (min) και η ώρα (h) Ισχύουν: Για το λεπτό: Για την ώρα: 1min = 60s, οπότε 1 1 s = min h = 60min = 60x60 = 3600s, οπότε 1 s= 3600 h Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 7

8 Υποπολλαπλάσια του δευτερολέπτου είναι: Το µιλισεκόντ (1ms). Ισχύουν: και Το µικροσεκόντ (1µs). Ισχύουν: και 1ms = 1µ s= s= s= s = 1000ms = 10 3 ms s= s= s 6 1s = µs = 10 6 µs s 8 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

9 Φύλλο Εργασίας 3 Μετρήσεις Μάζας Τα Διαγράμματα Η µάζα είναι η «ποσότητα της ύλης» που περιέχεται σε ένα σώµα. Όσο περισσότερη ύλη περιέχεται σε ένα σώµα, τόσο µεγαλύτερη είναι η µάζα του. Η µάζα συµβολίζεται µε το γράµµα m, είναι χαρακτηριστική ιδιότητα ενός σώµατος και δεν µεταβάλλεται όπου κι αν βρίσκετε το σώµα. Η θεµελιώδης µονάδα µέτρησης της µάζας είναι το χιλιόγραµµο ή κιλό και συµβολίζεται µε kg. Το πρότυπο χιλιόγραµµο είναι ένας κύλινδρος από ιριδιούχο λευκόχρυσο µε µάζα 1kg και φυλάσσεται στο Μουσείο Μέτρων και Σταθµών που βρίσκεται στις Σέβρες κοντά στο Παρίσι. Υποπολλαπλάσιο του κιλού είναι το γραµµάριο (g). Το ένα κιλό αποτελείται από 1000g (1kg=1000g). Πολλαπλάσιο του κιλού είναι ο τόνος (tn). Ο ένας τόνος αποτελείται από 1000 κιλά (1tn = 1000kg). Το όργανο το οποίο χρησιµοποιούµε για τη µέτρηση της µάζας ονοµάζεται ζυγός. (ζυγαριά) σύγκρισης. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ζυγών, όπως είναι ο ζυγός ισορροπίας (όπου η µάζα του σώµατος µετράται αν τη συγκρίνουµε µε σώµατα που έχουν γνωστή µάζα και ονοµάζονται σταθµά) και ο ηλεκτρονικός ζυγός. Η µάζα ενός σώµατος φαίνεται να συνδέεται µε την κίνησή του. Όλοι µπορούµε να παρατηρήσουµε ότι ένα γεµάτο κιβώτιο σπρώχνεται πιο δύσκολα από ένα άδειο. Η εµπειρία λοιπόν µας δείχνει ότι όσο πιο δύσκολα ένα σώµα αρχίζει να κινείται ή σταµατά, τόσο µεγαλύτερη Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 9

10 είναι η µάζα του. Όση περισσότερη ύλη περιέχεται δηλαδή σε ένα σώµα, τόσο µεγαλύτερη είναι η µάζα του. Η µάζα αποτελεί το µέτρο της αδράνειας του σώµατος, δηλαδή όσο µεγαλύτερη είναι η µάζα ενός σώµατος τόσο δυσκολότερα µπορούµε να το µετακινήσουµε, δηλαδή να του αλλάξουµε ταχύτητα. ΜΑΖΑ ΚΑΙ ΒΑΡΟΣ Πολλές φορές στην καθηµερινή µας ζωή η έννοια της µάζας και του βάρους συγχέονται. Αυτό συµβαίνει διότι η µέτρηση της µάζας ενός σώµατος γίνεται µέσω του βάρους του. Επίσης, συνηθίζουµε να χρησιµοποιούµε χωρίς διάκριση τη µονάδα κιλό και για τη µάζα και για το βάρος. Παρόλα αυτά, οι δυο αυτές έννοιες είναι διαφορετικές αν και συνδέονται µεταξύ τους. Η µάζα, όπως έχουµε πει, είναι η ποσότητα της ύλης που περιέχεται σε ένα σώµα και είναι σταθερή σε κάθε τόπο. Το βάρος, το οποίο συµβολίζεται µε w, είναι δύναµη. Για την ακρίβεια είναι η ελκτική δύναµη που ασκεί η Γη σε όλα τα σώµατα και µεταβάλλεται από τόπο σε τόπο. Για παράδειγµα ένα σώµα θα έχει την ίδια µάζα στη γη και στη σελήνη αλλά το βάρος του θα είναι διαφορετικό στη γη από ότι στη σελήνη. Πιο συγκεκριµένα: Βάρος (w) είναι η δύναµη που ασκεί η Γη σε κάθε σώµα είτε αυτό είναι ακίνητο είτε κινείται. Μονάδα µέτρησης του βάρους είναι το 1Ν (Νιούτον). Η διεύθυνση του βάρους σε έναν τόπο συµπίπτει µε την ακτίνα της Γης στον συγκεκριµένο τόπο (την ονοµάζουµε και κατακόρυφο του τόπου). Η φορά του βάρους είναι πάντοτε προς το κέντρο της Γης. Το βάρος ενός σώµατος εξαρτάται από δυο παράγοντες: α) Από το ύψος που βρίσκεται το σώµα από την επιφάνεια της θάλασσας (υψόµετρο). Σε όσο µεγαλύτερο ύψος είµαστε, τόσο µικρότερο θα είναι το βάρος µας. β) Από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου όπου βρίσκεται το σώµα. Η Γη δεν έχει σχήµα ακριβώς σφαιρικό. Συγκεκριµένα, η ακτίνα της Γης στους Πόλους είναι µικρότερη από την αντίστοιχη ακτίνα στον Ισηµερινό). Κατά συνέπεια, ένα σώµα έχει µεγαλύτερο βάρος στους πόλους από ότι στον Ισηµερινό. 10 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

11 Το βάρος ενός σώµατος το µετράµε µε το δυναµόµετρο. Η λειτουργία του στηρίζεται στον νόµο του Hooke σύµφωνα µε τον οποίο: Η επιµήκυνση ενός ελατηρίου είναι ανάλογη µε τη δύναµη που ασκείται σε αυτό, δηλαδή ισχύει F ελ = k x, όπου x η επιµήκυνση και k µια σταθερά η οποία χαρακτηρίζει τη σκληρότητα του ελατηρίου. Όταν στην ελεύθερη άκρη του ελατηρίου δεν ασκείται καµία δύναµη, το ελατήριο έχει το φυσικό του µήκος (επιµήκυνση µηδέν). Όταν κρεµάσουµε ένα σώµα βάρους w 1, η επιµήκυνσή του θα είναι x 1, όταν κρεµάσουµε ένα σώµα 2w 1 θα είναι 2x 1 κ.ο.κ. Το δυναµόµετρο είναι ένα ελατήριο στο οποίο έχει προσαρµοστεί µια κλίµακα βαθµολογηµένη σε Νιούτον. Η ένδειξη του δυναµόµετρου ισούται µε το βάρος του σώµατος που κρεµάµε στην ελεύθερη άκρη του ελατηρίου. Η σχέση η οποία συνδέει το βάρος ενός σώµατος µε τη µάζα του είναι η παρακάτω: w = m g όπου g η επιτάχυνση της βαρύτητας, η τιµή της οποίας για την Ελλάδα και στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας είναι g=9,8m/s 2, ενώ όσο το υψόµετρο µεγαλώνει, τόσο το g µικραίνει. (στις ασκήσεις για λόγους απλοποίησης χρησιµοποιούµε g=10m/s 2 ) Όπως παρατηρούµε, το βάρος (w) ενός σώµατος είναι ανάλογο µε τη µάζα (m) του σώµατος. Επίσης, συµπεραίνουµε ότι στον ίδιο τόπο και στο ίδιο ύψος σώµατα µε ίσες µάζες έχουν ίσα βάρη. Όταν η µάζα µας δίνεται σε kg, χρησιµοποιώντας τη σχέση w = m g βρίσκουµε το βάρος σε Nιούτον. ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΒΑΡΟΥΣ Οι διαφορές µάζας και βάρους είναι οι παρακάτω: 1. Η µάζα είναι η ποσότητα της ύλης που περιέχεται σε ένα σώµα, ενώ το βάρος είναι η δύναµη που δέχεται το σώµα από τη Γη. 2. Η µάζα είναι µονόµετρο µέγεθος, ενώ το βάρος είναι διανυσµατικό, δηλαδή περιγράφεται µε ένα διάνυσµα. 3. Η µάζα µετριέται µε τον ζυγό, ενώ το βάρος µε το δυναµόµετρο. 4. Μονάδα µέτρησης της µάζας στο S.I είναι το 1kg, ενώ του βάρους το 1Ν. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 11

12 5. Η µάζα ενός σώµατος είναι ίδια και σταθερή σε όλο το Σύµπαν, ενώ το βάρος ενός σώµατος µεταβάλλεται από τόπο σε τόπο. 12 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

13 Φύλλο Εργασίας 4 Μετρήσεις Θερμοκρασίας - Η Βαθμονόμηση Στην καθηµερινή µας ζωή συχνά λέµε ότι ένα σώµα είναι ζεστό, ενώ ένα άλλο είναι κρύο. Για παράδειγµα, το τσάι που πίνουµε το χειµώνα λέµε ότι είναι ζεστό, ενώ για το νερό που θα πάρουµε από το ψυγείο λέµε ότι είναι κρύο. Αυτές οι εκτιµήσεις δεν είναι πολύ ακριβείς. Για να περιγράψουµε µε ακρίβεια πόσο θερµό (ζεστό) ή ψυχρό (κρύο) είναι ένα σώµα, χρησιµοποιούµε ένα φυσικό µέγεθος το οποίο το ονοµάζουµε θερµοκρασία. ηλαδή η θερµοκρασία είναι ένα φυσικό µέγεθος που εκφράζει το πόσο θερµό ή ψυχρό είναι ένα σώµα. Όταν ένα σώµα είναι θερµό λέµε ότι έχει υψηλή θερµοκρασία, ενώ όταν ένα σώµα είναι ψυχρό λέµε ότι έχει χαµηλή θερµοκρασία. Πολλές φορές όταν ακουµπήσουµε ένα σώµα, µπορούµε να το χαρακτηρίσουµε ζεστό ή κρύο, θερµότερο ή ψυχρότερο από κάποιο άλλο. Ωστόσο οι αισθήσεις µας - η αφή σε αυτή την περίπτωση - πολλές φορές µας παραπλανούν και καταλήγουµε σε λανθασµένα συµπεράσµατα για την εκτίµηση της θερµοκρασίας ενός σώµατος. Για παράδειγµα, πολλές φορές έχουµε ακουµπήσει το χέρι στο µέτωπο ενός φίλου µας για να καταλάβουµε αν έχει πυρετό ή όχι. Η εκτίµησή µας αυτή δεν είναι πάντα σωστή. Αν προηγουµένως είχαµε το χέρι µας πάνω από τη σόµπα ή το καλοριφέρ, το µέτωπό του θα µας φανεί πολύ πιο κρύο από ότι είναι πραγµατικά. Από την άλλη, αν προηγουµένως είχαµε κρατήσει ένα παγωµένο µπουκάλι µε νερό, το µέτωπό του θα µας φανεί πολύ πιο ζεστό από ότι είναι πραγµατικά. Συµπεραίνουµε λοιπόν ότι µε τις αισθήσεις µας µπορούµε απλώς να διακρίνουµε αν ένα σώµα είναι πιο ζεστό ή πιο κρύο από ένα άλλο σώµα, αλλά δεν µπορούµε να προσδιορίσουµε ακριβώς πόσο ζεστό ή πόσο πιο κρύο είναι. Επίσης, για πολύ υψηλές ή πολύ χαµηλές θερµοκρασίες είναι αδύνατο να χρησιµοποιήσουµε την αφή µας γιατί είναι πολύ επικίνδυνο να αγγίξουµε αυτά τα σώµατα. εν µπορούµε για παράδειγµα να βάλουµε το χέρι µας πάνω στο µάτι της κουζίνας όταν αυτό είναι αναµµένο, για να εκτιµήσουµε τη θερµοκρασία του, γιατί πολύ απλά θα καούµε. Επειδή λοιπόν µε τις αισθήσεις µας δεν µπορούµε να εκτιµήσουµε µε ακρίβεια τη θερµοκρασία, χρησιµοποιούµε τα θερµόµετρα. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 13

14 Τα θερµόµετρα είναι ειδικά όργανα µε τα οποία µπορούµε να µετρήσουµε µε επιστηµονικό τρόπο, δηλαδή αντικειµενικά και µε ακρίβεια τη θερµοκρασία ενός σώµατος. Η λειτουργία των θερµοµέτρων στηρίζεται στα εξής: α) Στο ότι κάποιες ιδιότητες ορισµένων υλικών, µεταβάλλονται αναλογικά µε τη θερµοκρασία και τη µεταβολή αυτή µπορούµε να τη µετρήσουµε, όπως για παράδειγµα στο θερµόµετρο υδραργύρου, όταν η θερµοκρασία αυξάνεται, το µήκος της στήλης του υδραργύρου µεγαλώνει. β) Στην αποκατάσταση της θερµικής ισορροπίας µετά την πάροδο κάποιου χρόνου µεταξύ του θερµοµέτρου και του σώµατος του οποίου θέλουµε να µετρήσουµε τη θερµοκρασία. Είδη θερμομέτρων: Σήµερα, υπάρχουν διάφορα είδη θερµοµέτρων, τα οποία διαφέρουν ως προς τον τρόπο λειτουργίας τους, αλλά και ως προς τις περιπτώσεις στις οποίες τα χρησιµοποιούµε. Μερικά είδη θερµοµέτρων είναι: Θερµόµετρα που περιέχουν υγρό (υδράργυρο ή οινόπνευµα) Ηλεκτρονικά θερµόµετρα Μεταλλικά θερµόµετρα ή θερµόµετρα ελατηρίου Υδροθερµόµετρα Θερµόµετρα µε διµεταλλικό έλασµα (δηλαδή έλασµα το οποίο αποτελείται από δυο κοµµάτια διαφορετικών µετάλλων) Θερµόµετρα που µετρούν την ηλεκτρική αγωγιµότητα ενός µετάλλου (κοινά ψηφιακά θερµόµετρα) Θερµόµετρο αερίου Θερµόµετρα ακτινοβολίας ή πυρόµετρα, µε τα οποία µετράµε πολύ υψηλές θερµοκρασίες όπως τη θερµοκρασία στο κέντρο της Γης και στο κέντρο του Ήλιου Θερµόµετρο Γαλιλαίου το οποίο λειτουργεί µετρώντας την πυκνότητα ενός υγρού 14 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

15 Εκτός από τα συµβατικά θερµόµετρα, χρησιµοποιούνται πλέον ευρέως οι «αισθητήρες θερµοκρασίας», οι οποίοι λαµβάνουν αυτόµατα τις τιµές της θερµοκρασίας και τις καταγράφουν απευθείας στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Μπορούν να µετρήσουν µε µεγάλη ακρίβεια θερµοκρασίες από 25 ο C έως 125 ο C και το πλεονέκτηµά τους είναι ότι λειτουργούν και σε αντίξοες συνθήκες. Λειτουργία θερμόμετρου υγρού: Τα θερµόµετρα υγρού αποτελούνται από: 1) ένα µικρό γυάλινο δοχείο στο οποίο περιέχεται το υγρό 2) ένα πολύ λεπτό γυάλινο σωληνάκι (το τριχοειδές) το οποίο είναι συνέχεια του γυάλινου δοχείου στο οποίο ανεβοκατεβαίνει το υγρό 3) µια κατάλληλη κλίµακα θερµοκρασίας Όταν αυξάνεται η θερµοκρασία, αυξάνεται και ο όγκος του υγρού. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα η στάθµη του υγρού µέσα στο σωληνάκι να ανεβαίνει. Για να είναι η µέτρησή µας ακριβής, πρέπει κατά τη θερµοµέτρηση του σώµατος το θερµόµετρο να βρίσκεται σε επαφή µε το σώµα για αρκετό χρονικό διάστηµα, ώστε να σταθεροποιηθεί η ένδειξή του. Όταν η στάθµη σταθεροποιηθεί, το µόνο που έχουµε να κάνουµε είναι να διαβάσουµε στην κλίµακα την τιµή της θερµοκρασίας. Μονάδες μέτρησης θερμοκρασίας Υπάρχουν διάφορες κλίµακες µέτρησης της θερµοκρασίας. Στην Ευρώπη έχει καθιερωθεί η κλίµακα Κελσίου, µε µονάδα µέτρησης τους βαθµούς Κελσίου ( ο C). Άλλες κλίµακες είναι η κλίµακα Φαρενάιτ, µε µονάδα µέτρησης τους βαθµούς Φαρενάιτ ( ο F) και η κλίµακα Κέλβιν, µε µονάδα µέτρησης το 1 Κέλβιν (Κ). Κλίμακα Κελσίου Η κλίµακα Κελσίου προσδιορίζεται από δυο σταθερές θερµοκρασίες: Το 0 της κλίµακας Κελσίου, δηλαδή 0 βαθµοί Κελσίου (0 ο C), αντιστοιχεί στη θερµοκρασία που λιώνει ο καθαρός πάγος. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 15

16 Το 100 της κλίµακας Κελσίου, δηλαδή 100 βαθµοί Κελσίου (100 ο C), αντιστοιχεί στη θερµοκρασία στην οποία βράζει το καθαρό νερό, δηλαδή το αποσταγµένο, στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας. Το ενδιάµεσο διάστηµα χωρίζεται σε 100 ίσα τµήµατα, καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε έναν βαθµό Κελσίου (1 ο C). Η κλίµακα Κελσίου περιλαµβάνει και θερµοκρασίες µεγαλύτερες από 100 ο C αλλά και µικρότερες από 0 ο C (αρνητικές). Κλίμακα Φαρενάιτ Ο Φαρενάιτ όρισε ως µηδέν της κλίµακας θερµοκρασιών τη χαµηλότερη θερµοκρασία που είχε καταφέρει να πετύχει στο εργαστήριό του, η οποία ήταν η θερµοκρασία ενός µίγµατος ίσων ποσοτήτων από πάγο νερό και θαλασσινό αλάτι. Τη θερµοκρασία του υγιούς ανθρωπίνου σώµατος την όρισε ως το 96 της κλίµακας. Έτσι, η θερµοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος είναι οι 32 βαθµοί Φαρενάιτ (32 ο F) και η θερµοκρασία στην οποία βράζει το καθαρό νερό στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας αντιστοιχεί στους 212 ο F. Μεταξύ της θερµοκρασίας σε βαθµούς Φαρενάιτ (T F ) και της θερµοκρασίας σε βαθµούς Κελσίου (T C ), ισχύει η σχέση: T F = 32 ο + 1,8T C Απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών (κλίμακα Kelvin) και απόλυτο μηδέν Η χαµηλότερη θερµοκρασία στην οποία µπορεί να ψυχθεί οποιοδήποτε υλικό είναι 273 ο C. Η θερµοκρασία αυτή ορίσθηκε από τους επιστήµονες ως το απόλυτο µηδέν. Η βαθµονόµηση της απόλυτης κλίµακας στηρίχθηκε στη θερµοκρασία του απολύτου µηδενός. Το µηδέν δηλαδή της απόλυτης κλίµακας αντιστοιχεί στους 273 ο C. Ο «βαθµός» της απόλυτης κλίµακας θερµοκρασιών, είναι το Kelvin (Κ). Η µεταβολή θερµοκρασίας κατά 1Κ ισούται µε τη µεταβολή θερµοκρασίας κατά 1 ο C. Μεταξύ της θερµοκρασίας στην κλίµακα Κέλβιν (Τ) και της θερµοκρασίας στην κλίµακα Κελσίου (θ), ισχύει η σχέση: Τ = θ Άρα, ο καθαρός πάγος λιώνει στους 0 ο C, δηλαδή στους 273 Κ και το καθαρό νερό, στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας, βράζει στους 100 ο C, δηλαδή τους 373 Κ. 16 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

17 Βαθμονόμηση θερμομέτρου στην κλίμακα Κελσίου Για να βαθµονοµήσουµε ένα θερµόµετρο, αρχικά το βυθίζουµε σε πάγο που λιώνει και την ένδειξη του θερµοµέτρου την ορίζουµε ως 0 ο C. Έπειτα, βυθίζουµε το θερµόµετρο σε νερό που βράζει και την ένδειξη αυτή την ορίζουµε ως 100 ο C. Τέλος, χωρίζουµε το διάστηµα µεταξύ αυτών των δυο τιµών σε 100 ίσα διαστήµατα. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 17

18 Φύλλο Εργασίας 5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Η Θερμική Ισορροπία ΘΕΩΡΙΑ 5 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Κάθε σώµα, είτε είναι υγρό, είτε στερεό, είτε αέριο, αποτελείται από πολλά µικροσκοπικά σωµατίδια. Τα σωµατίδια αυτά, στα περισσότερα σώµατα είναι τα µόρια. Τα µόρια αυτά κινούνται αδιάκοπα και τυχαία. Έχουν δηλαδή κινητική ενέργεια. Τη συνολική κινητική ενέργεια των µορίων ενός σώµατος λόγω της τυχαίας κίνησής τους, την ονοµάζουµε θερµική ενέργεια του σώµατος. Τη θερµική ενέργεια ενός σώµατος, την αντιλαµβανόµαστε από τη θερµοκρασία του. Όσο µεγαλύτερη είναι η θερµοκρασία ενός σώµατος, τόσο περισσότερη θερµική ενέργεια έχει. Όταν προσφέρουµε σε ένα σώµα θερµότητα, η θερµική του ενέργεια θα αυξηθεί. ηλαδή, όταν αυξάνεται η θερµοκρασία ενός σώµατος, αυξάνεται και η συνολική κινητική ενέργεια των µορίων του (αυξάνεται δηλαδή η ταχύτητά τους). Αντιθέτως, αν µειώνεται η θερµοκρασία ενός σώµατος, µειώνεται και η κινητική ενέργεια των µορίων του (µειώνεται η ταχύτητά τους). Η θερµική ενέργεια ενός σώµατος εξαρτάται και από τη µάζα του. ηλαδή, δυο σώµατα, τα οποία έχουν την ίδια θερµοκρασία, αλλά έχουν διαφορετικές µάζες, θα έχουν και διαφορετικές θερµικές ενέργειες. Για παράδειγµα, αν συγκρίνουµε τη θερµική ενέργεια του νερού ενός ποτηριού µε την θερµική ενέργεια του νερού µιας λεκάνης της ίδιας θερµοκρασίας, το νερό του ποτηριού έχει πολύ µικρότερη θερµική ενέργεια από αυτό της λεκάνης. 18 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

19 Θερµότητα είναι µια µορφή ενέργειας, η οποία ρέει από ένα σώµα σε ένα άλλο όταν µεταξύ τους υπάρχει διαφορά θερµοκρασίας. Η θερµότητα µεταφέρεται αυθόρµητα από το σώµα µεγαλύτερης θερµοκρασίας προς το σώµα µικρότερης θερµοκρασίας, δηλαδή από το θερµότερο προς το ψυχρότερο σώµα. ε ρέει ποτέ µόνη της από ένα ψυχρό σε ένα θερµό σώµα. εν πρέπει να µπερδεύουµε τη θερµική ενέργεια µε τη θερµότητα. εν είναι σωστή η διατύπωση «Το σώµα περιέχει θερµότητα». Η θερµότητα είναι η ενέργεια που ρέει από ένα σώµα σε ένα άλλο επειδή έχουν διαφορετικές θερµοκρασίες. Όταν η θερµότητα µεταφερθεί στο σώµα, δεν είναι πλέον θερµότητα, αλλά θερµική ενέργεια. Τα σώµατα λέµε ότι έχουν διάφορες µορφές ενέργειας, όπως για παράδειγµα κινητική, δυναµική και άλλες. Αλλά δεν έχει θερµότητα. Η θερµότητα είναι µια µορφή ενέργειας η οποία απλά µεταφέρεται. εν αποθηκεύεται. Βασική µονάδα µέτρησης της θερµότητας είναι το 1 Joule (1J). Στην καθηµερινή µας ζωή πολλές φορές χρησιµοποιούµε και το 1 calorie (1cal) ως µονάδα µέτρησης θερµότητας. Η σχέση που συνδέει αυτές τις δυο µονάδες, είναι: 1cal=4,2J Θερμική Ισορροπία υο σώµατα λέµε ότι βρίσκονται σε θερµική επαφή, όταν είναι δυνατό να µεταφερθεί αυθόρµητα θερµότητα από το ένα σώµα στο άλλο, όσο αυτά έχουν διαφορετικές θερµοκρασίες. Όταν δυο σώµατα, τα οποία έχουν διαφορετικές θερµοκρασίες, έρθουν σε θερµική επαφή, έχουµε ροή θερµότητας από το πιο θερµό προς το πιο ψυχρό σώµα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα, η θερµοκρασία του αρχικά θερµότερου σώµατος να µειώνεται και του αρχικά ψυχρότερου, να αυξάνεται. Κάποια στιγµή τα δυο αυτά σώµατα θα αποκτήσουν την ίδια θερµοκρασία. Από κει και πέρα, η θερµοκρασία του παύει να µεταβάλλεται και λέµε ότι τα δυο αυτά σώµατα βρίσκονται σε θερµική ισορροπία. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 19

20 Για παράδειγµα, αν ρίξουµε καυτό νερό σε µια κρύα µεταλλική κατσαρόλα, θα παρατηρήσουµε ότι σιγά-σιγά η κατσαρόλα ζεσταίνεται, ενώ το νερό κρυώνει. Μετά από πολύ ώρα, θα διαπιστώσουµε ότι το νερό και η κατσαρόλα έχουν την ίδια θερµοκρασία, βρίσκονται δηλαδή σε θερµική ισορροπία. Στη θερµική ισορροπία βασίζεται και η αρχή λειτουργίας του θερµοµέτρου. Για να µετρήσουµε σωστά τη θερµοκρασία ενός σώµατος, πρέπει το θερµόµετρο να βρίσκεται σε θερµική επαφή µε το σώµα, του οποίου τη θερµοκρασία µετράµε, µέχρι να σταθεροποιηθεί η ένδειξή του. Όταν το θερµόµετρο έρθει σε θερµική ισορροπία µε το σώµα, η ένδειξή του σταθεροποιείται και µας δείχνει τη θερµοκρασία του σώµατος. Συνοψίζοντας: υο σώµατα που είναι σε θερµική επαφή, βρίσκονται σε θερµική ισορροπία όταν δεν υπάρχει ροή θερµότητας από το ένα στο άλλο, δηλαδή όταν τα σώµατα έχουν την ίδια θερµοκρασία. Το θερµόµετρο δείχνει τη θερµοκρασία ενός σώµατος όταν βρίσκεται σε θερµική ισορροπία µε αυτό. 20 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

21 Φύλλο Εργασίας 6 Οι Αλλαγές Κατάστασης του Νερού Ο «Κύκλος» του Νερού ΘΕΩΡΙΑ 6 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Οι καταστάσεις της ύλης είναι η στερεή, η υγρή και η αέρια. Τα υλικά σώµατα λοιπόν, µπορούν να βρίσκονται σε τρεις διαφορετικές φυσικές καταστάσεις: Τη στερεή (s) π.χ. ξύλο, πάγος Την υγρή (l) π.χ. νερό, λάδι Την αέρια (g) π.χ. υδρατµοί, οξυγόνο ηλαδή, τα υλικά σώµατα διακρίνονται σε στερεά, υγρά και αέρια και έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Στερεά (s) Υγρά (l) Αέρια (g) Μάζα Ορισµένη Ορισµένη Ορισµένη Όγκος Ορισµένος Ορισµένος Μεταβαλλόµενος Σχήµα Ορισµένο Μεταβαλλόµενο Μεταβαλλόµενο Οι παράγοντες οι οποίοι καθορίζουν τη φυσική κατάσταση ενός υλικού είναι η θερµοκρασία και η πίεση, δηλαδή ένα υλικό µπορεί να µετατραπεί από τη µια κατάσταση στην άλλη αν αλλάξουµε τη θερµοκρασία ή την πίεση ή και τα δυο. Για παράδειγµα, το βουτάνιο, που περιέχεται µέσα στα γκαζάκια, είναι αέριο. Μέσα στα γκαζάκια όµως, βρίσκεται σε υψηλή πίεση κι έτσι είναι υγρό. Όταν ανοίγουµε τη στρόφιγγα διαφεύγει από τη φιάλη στην ατµόσφαιρα, όπου υπάρχει µικρότερη πίεση και µετατρέπεται σε αέριο. Το νερό από την άλλη, συναντάται στη φύση και στις τρεις καταστάσεις. Σε θερµοκρασίες κάτω των 0 o C βρίσκεται σε στερεή κατάσταση και ονοµάζεται πάγος. Σε θερµοκρασίες άνω των 100 ο C το νερό βρίσκεται σε αέρια κατάσταση και µιλάµε για υδρατµούς. Τέλος, µεταξύ των 0 ο C και 100 ο C το νερό βρίσκεται στην υγρή του µορφή. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 21

22 Μια ματιά στο μικρόκοσμο. Όλα τα υλικά σώµατα, είτε είναι στερεά, είτε υγρά, είτε αέρια, συγκροτούνται από µικροσκοπικά σωµατίδια-δοµικοί λίθοι όπως ονοµάζονται-και τα οποία είναι τα µόρια. Κάθε µόριο αποτελείται από ένα ή περισσότερα άτοµα. Το κάθε άτοµο έχει έναν πυρήνα θετικά φορτισµένο, γύρω από τον οποίο κινούνται τα αρνητικά φορτισµένα ηλεκτρόνια. Ο αριθµός των ηλεκτρονίων είναι τέτοιος ώστε το συνολικό αρνητικό φορτίο να αντισταθµίζεται µε το συνολικό θετικό φορτίο του πυρήνα και το άτοµο να είναι ουδέτερο, δηλαδή αφόρτιστο. Όταν από ένα άτοµο φύγουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, το άτοµο έχει πλέον ηλεκτρικό φορτίο και το ονοµάζουµε ιόν. Τα µόρια στα µέταλλα συνήθως αποτελούνται από ένα άτοµο, από το οποίο έχουν ξεφύγει µερικά ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια που έφυγαν από τα άτοµα των µετάλλων κυκλοφορούν ανάµεσα στα υπόλοιπα άτοµα και ονοµάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι θέσεις και οι κινήσεις των µορίων είναι αυτές που καθορίζουν τις καταστάσεις και τις ιδιότητες των υλικών σωµάτων. Στα στερεά τα µόρια βρίσκονται πάρα πολύ κοντά µεταξύ τους. Παρότι κινούνται άτακτα προς όλες τις κατευθύνσεις, η κίνηση αυτή είναι ελάχιστη λόγω της σχεδόν µόνιµης θέσης τους. Για αυτό το λόγο λέµε ότι ταλαντώνονται γύρω από τις συγκεκριµένες αυτές θέσεις. Έτσι, ούτε πλησιάζουν πολύ το ένα στο άλλο, αλλά ούτε και αποµακρύνεται πολύ ρο ένα από το άλλο. Για αυτό το λόγο τα στερεά έχουν συγκεκριµένο σχήµα και όγκο και είναι ασυµπίεστα. Στα υγρά λόγω των έντονων ταλαντώσεων των µορίων, αυτά εγκαταλείπουν τις θέσεις τους και αρχίζουν να «γλιστρούν» το ένα πάνω στο άλλο, χωρίς όµως να αλλάζει η µεταξύ τους απόσταση. Τα µόρια δηλαδή αν και αλλάζουν συνεχώς θέση, δεν αποµακρύνονται πολύ το ένα από το άλλο, 22 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

23 αλλά ούτε και πλησιάζει πολύ το ένα στο άλλο. Έτσι εξηγείται γιατί τα υγρά έχουν ορισµένο όγκο, είναι ασυµπίεστα, αλλά παίρνουν το σχήµα του δοχείου µέσα στο οποίο βρίσκονται. Στα αέρια τα µόρια κινούνται ελεύθερα και αλλάζουν συνεχώς θέσεις. εν πλησιάζουν πολύ το ένα το άλλο, αλλά αποµακρύνονται το ένα από το άλλο όσο είναι δυνατό και γεµίζουν το χώρο που τους διατίθεται. Για αυτό το λόγο, το σχήµα και ο όγκος των αερίων µεταβάλλεται και παίρνουν το σχήµα και τον όγκο του δοχείου µέσα στο οποίο βρίσκονται. Τήξη ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο ένα στερεό σώµα µετατρέπεται σε υγρό. Για παράδειγµα, όταν ο πάγος λιώνει και µετατρέπεται σε υγρό, έχουµε τήξη του πάγου. Πήξη ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο ένα υγρό σώµα µετατρέπεται σε στερεό. Για παράδειγµα, όταν το νερό µετατρέπεται σε πάγο, έχουµε πήξη του νερού. Τη θερµοκρασία στην οποία γίνεται η τήξη ενός σώµατος την ονοµάζουµε θερµοκρασία τήξης ή σηµείο τήξης. Τη θερµοκρασία στην οποία γίνεται πήξη ενός σώµατος την ονοµάζουµε θερµοκρασία πήξης ή σηµείο πήξης. Για κάθε σώµα η θερµοκρασία τήξης συµπίπτει µε τη θερµοκρασία πήξης. Κατά τη διάρκεια της τήξης και της πήξης ενός σώµατος, η θερµοκρασία του σώµατος παραµένει σταθερή. Για το καθαρό νερό η θερµοκρασία τήξης και πήξης είναι οι 0 ο C. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 23

24 Η τήξη και η πήξη στο μικρόκοσμο. Χρησιµοποιώντας τα µόρια µπορούµε εύκολα να ερµηνεύσουµε τις αλλαγές κατάστασης των σωµάτων, όπως για παράδειγµα την τήξη και την πήξη. Στα στερεά σώµατα τα µόρια βρίσκονται πάρα πολύ κοντά µεταξύ τους, έχουν µόνιµες θέσεις και ταλαντώνονται γύρω από τις θέσεις αυτές. Καθώς θερµαίνουµε το στερεό, τα µόριά του ταλαντώνονται όλο και πιο έντονα κι έτσι η θερµοκρασία του αυξάνεται. Σε µια συγκεκριµένη θερµοκρασία (θερµοκρασία τήξης) οι ταλαντώσεις των µορίων είναι πλέον τόσο έντονες που τα µόρια εγκαταλείπουν τις θέσεις τους και αρχίζουν να «γλιστρούν» το ένα πάνω στο άλλο χωρίς να αλλάζει η µεταξύ τους απόσταση. Το στερεό έχει γίνει πλέον υγρό. Το ακριβώς αντίθετο συµβαίνει κατά την ψύξη ενός υγρού. Καθώς το υγρό ψύχεται (αποβάλλει θερµότητα), οι κινήσεις των µορίων γίνονται ολοένα και λιγότερο έντονες, µε αποτέλεσµα τα µόρια να «παγιδεύονται» σε συγκεκριµένες θέσεις ισορροπίας και απλά να ταλαντώνονται πλέον γύρω από αυτές. Το υγρό λοιπόν έχει γίνει πια στερεό. Εξάτμιση - Πτητικά υγρά Εξάτµιση ονοµάζουµε το φαινόµενο της αργής µετατροπής ενός υγρού σε αέριο µόνο από την ελεύθερη επιφάνειά του. Η εξάτµιση πραγµατοποιείται σε όλες τις θερµοκρασίες. Η εξάτµιση ενός υγρού πραγµατοποιείται µε απορρόφηση θερµότητας. Κάποια από τα µόρια της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού, αποκτούν πολύ µεγάλες ταχύτητες, οι οποίες είναι ικανές να υπερνικήσουν τις ελκτικές δυνάµεις που δέχονται αυτά τα µόρια της επιφάνειας από τα άλλα µόρια του υγρού, και έτσι καταφέρνουν και ελευθερώνονται. Η εξάτµιση είναι µια διαδικασία 24 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

25 ψύξης. Στην καθηµερινότητά µας συναντάµε πολύ συχνά το φαινόµενο της εξάτµισης. Για παράδειγµα, όταν απλώνουµε ένα βρεγµένο ρούχο, το νερό που αυτό περιέχει σιγά-σιγά εξατµίζεται κι έτσι το ρούχο στεγνώνει. Άλλο παράδειγµα εξάτµισης παρατηρούµε όταν ρίξουµε στα χέρια µας οινόπνευµα. Το οινόπνευµα, το οποίο είναι υγρό, παίρνει τη θερµότητα από το χέρι µας (γι αυτό και το νιώθουµε να κρυώνει) και εξατµίζεται. Η ταχύτητα µε την οποία εξατµίζεται ένα υγρό εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: 1. Από το είδος του υγρού. Ορισµένα υγρά εξατµίζονται γρηγορότερα από κάποια άλλα. Για παράδειγµα το οινόπνευµα εξατµίζεται πιο γρήγορα από το νερό. 2. Από τη θερµοκρασία του υγρού. Όσο πιο µεγάλη είναι η θερµοκρασία, τόσο µεγαλύτερη είναι η ταχύτητα εξάτµισης. 3. Από το µέγεθος της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού. Όσο πιο µεγάλη είναι η ελεύθερη επιφάνεια του υγρού, τόσο µεγαλύτερη είναι η ταχύτητα εξάτµισης. Για παράδειγµα αν αφήσουµε ένα ποτήρι µε νερό και µια λεκάνη µε νερό στον ήλιο, θα παρατηρήσουµε ότι το νερό που βρίσκεται στη λεκάνη θα εξατµιστεί πιο γρήγορα. 4. Από την ταχύτητα του αέρα πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού. Όσο πιο γρήγορα κινείται ο αέρας πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του νερού, τόσο πιο γρήγορα θα γίνει η εξάτµιση, δηλαδή είναι µεγαλύτερη η ταχύτητα εξάτµισης. Γι αυτό και τα ρούχα στεγνώνουν πιο εύκολα όταν φυσάει αέρας, παρά όταν επικρατεί άπνοια. Πτητικά ονοµάζονται τα υγρά τα οποία εξατµίζονται πολύ εύκολα στις συνηθισµένες συνθήκες περιβάλλοντος. Ένα από τα πιο πτητικά υγρά είναι το οινόπνευµα. Άλλα πτητικά υγρά είναι η βενζίνη, το ασετόν και ο αιθέρας. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 25

26 Το φαινόμενο του βρασμού Όταν σε ένα υγρό προσφέρουµε θερµότητα, η θερµοκρασία του καθώς και ο ρυθµός εξάτµισής του αυξάνεται. Όταν η θερµοκρασία φτάσει σε µια συγκεκριµένη (χαρακτηριστική για κάθε υγρό) τιµή, η αλλαγή της φυσικής κατάστασης από υγρό σε αέριο, αρχίζει να γίνεται σε όλη τη µάζα του υγρού µε τη δηµιουργία φυσαλίδων. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται βρασµός. Βρασµό ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο ένα υγρό σώµα µετατρέπεται σε αέριο µε τη δηµιουργία φυσαλίδων σε όλη τη µάζα του υγρού. Κατά τη διάρκεια του βρασµού, η θερµοκρασία παραµένει σταθερή µέχρι όλη η ποσότητα του υγρού να µετατραπεί σε αέριο και ονοµάζεται θερµοκρασία βρασµού ή σηµείο ζέσης. Η θερµοκρασία αυτή είναι χαρακτηριστική για κάθε ουσία. Η θερµοκρασία βρασµού ενός υλικού εξαρτάται από τις συνθήκες πίεσης. Για παράδειγµα, σε ατµοσφαιρική πίεση µιας ατµόσφαιρας (είναι η πίεση στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας) το καθαρό νερό βράζει στους 100 ο C. Στην κορυφή ενός πολύ ψηλού βουνού, όπου η πίεση είναι µικρότερη, το καθαρό νερό βράζει σε θερµοκρασία µικρότερη των 100 ο C. Το φαγητό µαγειρεύεται πιο γρήγορα µέσα στη χύτρα γιατί η πίεση που υπάρχει µέσα στη χύτρα είναι πολύ µεγαλύτερη από την ατµοσφαιρική και το νερό βράζει σε θερµοκρασία υψηλότερη από τους 100 ο C. 26 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

27 Διαφορές βρασμού και εξάτμισης: Στον βρασµό, όπως και στην εξάτµιση, ένα υγρό που απορροφά θερµότητα µετατρέπεται σε αέριο. Οι βασικές όµως διαφορές που υπάρχουν µεταξύ αυτών των δυο είναι οι παρακάτω: 1. Κατά το βρασµό το υγρό µετατρέπεται σε αέριο από όλη τη µάζα του υγρού, ενώ κατά την εξάτµιση η µετατροπή γίνεται µόνο από την επιφάνεια του υγρού. 2. Κατά τη διάρκεια του βρασµού η θερµοκρασία παραµένει σταθερή, ενώ κατά τη διάρκεια της εξάτµισης η θερµοκρασία του υγρού µεταβάλλεται. 3. Ο βρασµός πραγµατοποιείται σε µια χαρακτηριστική για το υγρό θερµοκρασία, ενώ η εξάτµιση µπορεί να πραγµατοποιηθεί σε οποιαδήποτε θερµοκρασία. Συμπύκνωση ή υγροποίηση: Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 27

28 Συµπύκνωση ή υγροποίηση ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο ένα αέριο σώµα µετατρέπεται σε υγρό. Κατά τη διάρκεια της υγροποίησης η θερµοκρασία παραµένει σταθερή. Η θερµοκρασία υγροποίηση ενός σώµατος είναι ίδια µε τη θερµοκρασία βρασµού του σώµατος. Η υγροποίηση ενός αερίου πραγµατοποιείται µε δυο τρόπους: i) µε ελάττωση της θερµοκρασίας (ψύξη) ii) µε αύξηση της πίεσης (συµπίεση) Παραδείγµατα υγροποίησης παρατηρούµε καθηµερινά τριγύρω µας. Για παράδειγµα, κάποιες νύχτες που έχει κρύο, οι υδρατµοί που περιέχονται στην ατµόσφαιρα, έρχονται σε επαφή µε το έδαφος και υγροποιούνται. Γι αυτό ο δρόµος και τα αυτοκίνητα φαίνονται βρεγµένα ενώ δεν έχει βρέξει. Άλλο χαρακτηριστικό παράδειγµα συµπύκνωσης είναι ο σχηµατισµός υδρατµών στα τζάµια, τον χειµώνα, όταν έξω έχει κρύο. Αυτό συµβαίνει διότι ο αέρας έξω από το σπίτι είναι πολύ κρύος, ενώ ο αέρας µέσα στο σπίτι είναι αρκετά πιο ζεστός. Τα τζάµια των παραθύρων είναι και αυτά κρύα αφού έρχονται σε επαφή µε τον εξωτερικό αέρα. Καθώς ο θερµός αέρας του δωµατίου έρχεται σε επαφή µε τα τζάµια, ψύχεται (δηλαδή µεταφέρεται θερµότητα από τον ζεστό αέρα στο κρύο τζάµι) και ένα µέρος των υδρατµών που περιέχει, συµπυκνώνεται, δηµιουργώντας έτσι τις σταγόνες του νερού πάνω στο τζάµι. Ο βρασμός και η υγροποίηση στον μικρόκοσμο Στα υγρά, τα µόρια δεν έχουν συγκεκριµένες θέσεις όπως στα στερεά. Μετακινούνται συνεχώς, χωρίς όµως να αποµακρύνονται πολύ µεταξύ τους. Όταν προσφέρουµε θερµότητα σε ένα υγρό, η θερµοκρασία του αυξάνεται. Αυτή η αύξηση της θερµοκρασίας έχει ως αποτέλεσµα τα µόρια να κινούνται ακόµα γρηγορότερα. Οι αποστάσεις µεταξύ των µορίων αρχίζουν να αυξάνονται, αλλά συνεχίζουν να κινούνται µέσα στον περιορισµένο χώρο που καταλαµβάνει το υγρό. Θερµαίνοντας 28 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

29 κι άλλο το υγρό, φτάνουµε σε µια θερµοκρασία (χαρακτηριστική του υγρού) στην οποία τα µόρια κινούνται τόσο έντονα που οι δυνάµεις οι οποίες ασκούνται µεταξύ τους δεν µπορούν πλέον να τα συγκρατήσουν κοντά το ένα στο άλλο. Έτσι, τα µόρια κινούνται ελεύθερα από όλη τη µάζα του υγρού, δηµιουργώντας φυσαλίδες µέσα σε αυτό, κι έτσι σιγά-σιγά το υγρό αρχίζει να µετατρέπεται σε αέριο. Το φαινόµενο αυτό είναι το φαινόµενο του βρασµού. Κατά το φαινόµενο της υγροποίησης, συµβαίνει το αντίστροφο. Το αέριο αποβάλλει θερµότητα και µειώνεται η θερµοκρασία του. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα οι ταχύτητες των µορίων να γίνονται ολοένα και µικρότερες. Έτσι, τα µόρια πλησιάζουν περισσότερο το ένα το άλλο και οι µεταξύ τους δυνάµεις µεγαλώνουν. Όταν η θερµοκρασία πέσει κι άλλο, τα µόρια του αερίου πλησιάζουν τόσο πολύ ώστε σχηµατίζουν σταγόνες υγρού. Εξάχνωση ονοµάζεται η µετατροπή ενός στερεού απευθείας σε αέριο, χωρίς να περάσει από τη υγρή κατάσταση. Χαρακτηριστικό παράδειγµα εξάχνωσης είναι η ναφθαλίνη που βάζουµε στα µάλλινα ρούχα για να τα προστατέψουµε από τον σκώρο. Απόθεση ονοµάζεται η µετατροπή ενός αερίου απευθείας σε στερεό, χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση. Χαρακτηριστικό παράδειγµα απόθεσης αποτελεί η πάχνη που παρατηρούµε κάποια πρωινά κατά τους χειµερινούς µήνες. Η πάχνη δεν είναι τίποτα άλλο από στερεός πάγος που σχηµατίστηκε µε απόθεση από τους υδρατµούς της ατµόσφαιρας. Ο κύκλος του νερού στη φύση: Η συνολική ποσότητα του νερού που υπάρχει στον πλανήτη µας, παραµένει σχεδόν σταθερή τα τελευταία δισεκατοµµύρια χρόνια. Ο λόγος για τον οποίο συµβαίνει αυτό είναι ο κύκλος του νερού που πραγµατοποιείται στη φύση. Το νερό των λιµνών και των θαλασσών ζεσταίνεται από τον Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 29

30 Ήλιο και εξατµίζεται, µετατρέπεται δηλαδή σε υδρατµούς. Οι υδρατµοί αυτοί ανεβαίνουν στα ψηλότερα στρώµατα της ατµόσφαιρας, όπου η θερµοκρασία είναι πολύ χαµηλή, ψύχονται και συµπυκνώνονται δηµιουργώντας τα σύννεφα. Αν τα σύννεφα αυτά ψυχθούν ακόµα περισσότερο, τότε τα σταγονίδια αυτά γίνονται µεγαλύτερες σταγόνες και πέφτουν στο έδαφος ως βροχή. Αν οι σταγόνες αυτές κατά τη διαδροµή τους προς το έδαφος συναντήσουν ψυχρότερα στρώµατα αέρα, ψύχονται ακόµα περισσότερο και σχηµατίζουν χιόνι ή χαλάζι. Από το νερό που πέφτει στο έδαφος είτε ως βροχή, είτε ως χιόνι, είτε ως χαλάζι, ένα µέρος του θα τροφοδοτήσει τα ποτάµια, ένα άλλο µέρος του θα απορροφηθεί από τις ρίζες των φυτών κι ένα άλλο µέρος του θα εξατµιστεί και πάλι. Τελικά το νερό των ποταµών καταλήγει στις θάλασσες και ο κύκλος επαναλαµβάνεται. Ο κύκλος του νερού είναι πολύ σηµαντικός για τη ζωή. Συντηρεί τη ζωή των φυτών, των ανθρώπων και των ζώων και συµβάλλει στη διατήρηση της βιοποικιλότητας γιατί µεταφέρει το νερό από τις λίµνες ή τις θάλασσες στα ψηλότερα βουνά και εµπλουτίζει την ατµόσφαιρα µε υγρασία. 30 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

31 Φύλλο Εργασίας 7 H Διαστολή και Συστολή του Νερού Μια φυσική «Ανωμαλία» ΘΕΩΡΙΑ 7 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Όταν ένα σώµα απορροφά θερµότητα, η θερµοκρασία του αυξάνεται. Αυτό έχει σαν συνέπεια να αυξάνεται και ο όγκος του σώµατος. Το φαινόµενο της αύξησης του όγκου ενός σώµατος µε την αύξηση της θερµοκρασίας του το ονοµάζουµε διαστολή ή θερµική διαστολή. Από την άλλη, όταν ένα σώµα αποβάλλει θερµότητα, ψύχεται και ο όγκος του ελαττώνεται. Το φαινόµενο της ελάττωσης του όγκου ενός σώµατος µε την ελάττωση της θερµοκρασίας το ονοµάζουµε συστολή ή θερµική συστολή. Η µάζα των σωµάτων δεν µεταβάλλεται κατά τη συστολή και τη διαστολή τους. Λόγω όµως του ότι µεταβάλλεται ο όγκος, θα µεταβάλλεται και η πυκνότητα του σώµατος. Έτσι, κατά τη διαστολή η πυκνότητα ελαττώνεται, ενώ κατά τη συστολή αυξάνεται. Συνοψίζοντας: Θερµική διαστολή ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο τα υλικά σώµατα (στερεά, υγρά, αέρια), διαστέλλονται όταν αυξάνεται η θερµοκρασία τους, δηλαδή αυξάνεται ο όγκος τους. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 31

32 Θερµική συστολή ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο τα υλικά σώµατα (στερεά, υγρά, αέρια), συστέλλονται όταν ελαττώνεται η θερµοκρασία τους, δηλαδή ελαττώνεται ο όγκος τους. Υπάρχουν σώµατα, τα οποία όταν τα θερµάνουµε, το µήκος τους αυξάνεται πολύ περισσότερο συγκριτικά µε τις άλλες διαστάσεις τους (πλάτος και πάχος). Τέτοια σώµατα είναι τα σύρµατα και οι ράβδοι. Η διαστολή που συµβαίνει σε αυτά τα σώµατα ονοµάζεται γραµµική διαστολή ή διαστολή κατά µήκος. Η µεταβολή του όγκου ενός στερεού µε τη µεταβολή της θερµοκρασίας του εξαρτάται: 1. Από τον αρχικό όγκο του στερεού. Όσο µεγαλύτερος είναι ο αρχικός όγκος, τόσο µεγαλύτερη είναι και η µεταβολή του στην ίδια µεταβολή θερµοκρασίας. 2. Από το υλικό από το οποίο αποτελείται το στερεό. ιαφορετικά υλικά, τα οποία αρχικά έχουν τις ίδιες διαστάσεις, διαστέλλονται και συστέλλονται σε διαφορετικό βαθµό στην ίδια µεταβολή της θερµοκρασίας τους. 3. Από τη µεταβολή της θερµοκρασίας. Όσο µεγαλύτερη είναι η µεταβολή της θερµοκρασίας, τόσο µεγαλύτερη είναι και η µεταβολή του όγκου του στερεού σώµατος. Στα υγρά σώµατα, συµβαίνει ότι και στα στερεά. ιαστέλλονται µε την αύξηση της θερµοκρασίας και συστέλλονται µε τη µείωσή της. Η µεταβολή του όγκου ενός υγρού µε τη µεταβολή της θερµοκρασίας του, εξαρτάται: 1. Από τον αρχικό όγκο του υγρού. Όσο µεγαλύτερος είναι ο αρχικός όγκος του υγρού, τόσο µεγαλύτερη είναι και η µεταβολή του στην ίδια µεταβολή θερµοκρασίας. 2. Από το είδος του υγρού. Ίσες ποσότητες διαφορετικών υγρών διαστέλλονται και συστέλλονται σε διαφορετικό βαθµό κατά την ίδια µεταβολή της θερµοκρασίας. 3. Από τη µεταβολή της θερµοκρασίας. Όσο µεγαλύτερη είναι η µεταβολή της θερµοκρασίας, τόσο µεγαλύτερη είναι και η µεταβολή του όγκου του υγρού σώµατος. 32 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

33 Ένα παράδειγµα εφαρµογής της διαστολής των υγρών, είναι το υδραργυρικό θερµόµετρο. Όταν η θερµοκρασία αυξάνεται, ο υδράργυρος διαστέλλεται µε αποτέλεσµα να ανεβαίνει η στάθµη στο σωλήνα του θερµοµέτρου. Η «Ανώμαλη» Συστολή και Διαστολή του Νερού Τα περισσότερα υγρά όταν αυξηθεί η θερµοκρασία τους διαστέλλονται. Το νερό αποτέλεί την εξαίρεση στον κανόνα αυτό. Κατά τη θερµική συστολή και θερµική διαστολή του νερού, παρατηρείται η εξής «ανωµαλία». Όταν το νερό θερµαίνεται από τους 0 ο C έως τους 4 ο C, ο όγκος του ελαττώνεται. Το φαινόµενο αυτό το ονοµάζουµε ανώµαλη συστολή. Παρόλα αυτά, πάνω από τους 4 ο C και µέχρι τη θερµοκρασία βρασµού (100 ο C), το νερό διαστέλλεται κανονικά. Τέλος, όταν το νερό ψύχεται από τους 4 ο C έως τους 0 ο C, ο όγκος του αυξάνεται. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται ανώµαλη διαστολή. Συσχέτιση όγκου-πυκνότητας: m Από τον τύπο που µας δίνει τον ορισµό της πυκνότητας: ρ= (πυκνότητα = µάζα V όγκος ), παρατηρούµε ότι ο όγκος και η πυκνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογα µεγέθη, δηλαδή όταν ελαττώνεται ο όγκος αυξάνεται η πυκνότητα, ενώ όταν αυξάνεται ο όγκος ελαττώνεται η πυκνότητα. Μια ορισµένη µάζα (m) νερού στους 4 ο C έχει το µικρότερο δυνατό όγκο (V) και εποµένως τη µεγαλύτερη δυνατή πυκνότητα (ρ). Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 33

34 Σε αυτό οφείλεται το γεγονός ότι τον χειµώνα, αν η επιφάνεια µιας λίµνης παγώσει, ο βυθός της θα παραµείνει σε υγρά µορφή. Αυτό συµβαίνει διότι µεταξύ δυο στρωµάτων νερού αυτό που έχει τη µεγαλύτερη πυκνότητα βυθίζεται, ενώ αυτό που έχει τη µικρότερη παραµένει στην επιφάνεια, δηλαδή επιπλέει. Το χειµώνα λοιπόν, η θερµοκρασία της επιφάνειας του νερού µειώνεται. Όταν η θερµοκρασία του φτάσει τους 4 ο C, έχει τη µεγαλύτερη δυνατή πυκνότητα. Το στρώµα αυτό µε τη µεγαλύτερη πυκνότητα, βυθίζεται. Όταν το νερό ψύχεται από τους 4 ο C έως τους 0 o C, αυξάνεται ο όγκος του και κατά συνέπεια µειώνεται η πυκνότητά του. Έτσι το νερό µε θερµοκρασία κάτω από 4 ο C και έως τους 0 C, έχει µικρότερη πυκνότητα από αυτή του νερού στους 4 ο C και έτσι επιπλέει. Έτσι, στην επιφάνεια της λίµνης σχηµατίζεται πάγος (0 ο C), ενώ στο βυθό το νερό παραµένει σε υγρή µορφή. Η ανώµαλη συστολή του νερού είναι πολύ σηµαντική για το οικοσύστηµα, καθώς είναι πολύ σηµαντική για την επιβίωση των οργανισµών που ζουν στο νερό των θαλασσών και των λιµνών. Λόγω αυτής της ανωµαλίας, την περίοδο του χειµώνα, το νερό των θαλασσών και των λιµνών δεν παγώνει µέχρι το βυθό, µε αποτέλεσµα οι οργανισµοί που ζουν σε αυτούς τους υδροβιότοπους να µπορούν να επιβιώνουν. 34 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

35 Μια ματιά στον μικρόκοσμο Όταν σε ένα υλικό σώµα προσφέρουµε θερµότητα, η ταχύτητα κίνησης (ταλάντωσης) των µορίων του αυξάνεται. Επίσης, αυξάνεται η θερµοκρασία του και τα µόρια αποµακρύνονται όλο και περισσότερο από τις µόνιµες θέσεις τους. Κατά συνέπεια αυξάνονται και οι διαστάσεις του σώµατος, οπότε µιλάµε για θερµική διαστολή. Άρα, κατά τη διαστολή δεν αυξάνονται οι διαστάσεις των µορίων αλλά οι µεταξύ τους αποστάσεις. ηλαδή, δεν διαστέλλονται τα µόρια, αλλά τα σώµατα. Αντίστροφα τώρα, όταν ένα υλικό σώµα αποβάλλει θερµότητα, δηλαδή όταν ψύχουµε ένα σώµα, µειώνεται η ταχύτητα κίνησης των µορίων του, µειώνεται η θερµοκρασία του καθώς και οι αποστάσεις µεταξύ των µορίων του. Έτσι, ελαττώνονται οι διαστάσεις του σώµατος, και µιλάµε για θερµική συστολή. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 35

36 Φύλλο Εργασίας 8 Το φως θερμαίνει - «Ψυχρά» και «Θερμά» Χρώματα ΘΕΩΡΙΑ 8 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Το φως είναι µια µορφή ενέργειας, την οποία ονοµάζουµε φωτεινή ενέργεια. Η φωτεινή ενέργεια αποτελεί ειδική περίπτωση της ενέργειας ακτινοβολίας. Η ενέργεια ακτινοβολίας είναι ηλεκτροµαγνητική ενέργεια, όπως είναι η ακτινοβολία της κεραίας του κινητού τηλεφώνου ή της τηλεόρασης. Η ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο κενό ή στον αέρα είναι χιλιόµετρα το δευτερόλεπτο, αλλά όταν το φως διαδίδεται µέσα σε άλλα µέσα, η ταχύτητά του ελαττώνεται. Μέσα σε ένα οποιοδήποτε µέσο το φως διαδίδεται πάντα ευθύγραµµα. Όταν όµως πέσει πάνω σε ένα σώµα, είτε διαχέεται, είτε ανακλάται, είτε απορροφάται (κατά ένα µέρος ή όλο). Οι σκούρες επιφάνειες κυρίως απορροφούν το φως, ενώ οι ανοιχτόχρωµες το ανακλούν ή το διαχέουν. Έτσι, το µαύρο χρώµα απορροφά όλες τις ακτίνες του φωτός, ενώ το λευκό τις ανακλά και τις διαχέει. Ένα σώµα που απορροφά φως θερµαίνεται, διότι το φως περνώντας από το σώµα προκαλεί αύξηση της κινητικής ενέργειας των µορίων του και κατ επέκταση αύξηση της θερµικής του ενέργειας. Το φως διαδίδεται και στο κενό. Λόγω αυτής της ιδιότητάς του µπορούµε να βλέπουµε τον ήλιο την ηµέρα και τα διάφορα αστέρια τη νύχτα. Το φως του Ήλιου για να φτάσει στη Γη διανύει 150 εκατοµµύρια χιλιόµετρα και χρειάζεται µόνο 8,3 λεπτά! Ανάλογα µε το φαινόµενο που µελετάµε, το φως συµπεριφέρεται είτε ως σωµατίδια είτε ως (ηλεκτροµαγνητικά) κύµατα. Τα διάφορα αντικείµενα που υπάρχουν γύρω µας τα βλέπουµε λόγω του φωτός που φτάνει στα µάτια µας µετά τη διάχυσή του πάνω σε αυτά τα αντικείµενα. 36 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

37 Το φως εκπέµπεται από πηγές φωτός ή φωτεινές πηγές. Φωτεινή πηγή ονοµάζεται ένα σώµα ή µια συσκευή που εκπέµπει φως. Οι φωτεινές πηγές µπορεί να είναι φυσικές, όπως ο Ήλιος, ή τεχνητές, όπως ο ηλεκτρικός λαµπτήρας (λάµπα) και το κερί. Κάθε φωτεινή πηγή εκπέµπει φως προς όλες τις κατευθύνσεις. Το φως διαδίδεται ευθύγραµµα. Η σηµαντικότερη πηγή φωτός για τη Γη είναι ο Ήλιος. Χωρίς το φως και τη θερµότητα που εκπέµπεται από τον Ήλιο δεν θα µπορούσε να υπάρξει ζωή σε αυτόν τον πλανήτη. Υπάρχουν δυο ειδών φωτεινές πηγές. Οι θερµές φωτεινές πηγές, οι οποίες είναι σώµατα που εκπέµπουν φως λόγω της υψηλής τους θερµοκρασίας (Ήλιος) και οι ψυχρές φωτεινές πηγές, οι οποίες είναι σώµατα που εκπέµπουν φως και σε θερµοκρασία περιβάλλοντος (οθόνη τηλεόρασης). Μια ματιά στον μικρόκοσμο. Στο µικρόκοσµο θεωρούµε ότι το φως έχει δυο µορφές: Μορφή σωµατιδίων που ονοµάζονται φωτόνια. Μορφή ηλεκτροµαγνητικού κύµατος, φωτεινού κύµατος το οποίο µεταφέρει ενέργεια. Μπορούµε µάλιστα να θεωρούµε ότι το φως έχει ταυτόχρονα και τις δυο µορφές. Αυτόφωτα και ετερόφωτα σώματα Αυτόφωτα ονοµάζονται τα σώµατα τα οποία εκπέµπουν δικό τους φως, δηλαδή είναι φωτεινές πηγές. Για παράδειγµα ο Ήλιος είναι αυτόφωτο σώµα. Ετερόφωτα ονοµάζονται τα σώµατα τα οποία δεν εκπέµπουν δικό τους φως, αλλά επανεκπέµπουν ένα µέρος του φωτός (το οποίο προέρχεται από ένα αυτόφωτο σώµα) που πέφτει πάνω τους. Για παράδειγµα η Σελήνη είναι ετερόφωτο σώµα. Επανεκπέµπει το φως που προέρχεται από τον Ήλιο. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 37

38 Όταν το φως συναντά ένα σώμα Όταν το φως συναντά ένα σώµα, ανακλάται, διαχέεται ή απορροφάται. Αναλυτικότερα: Όταν µια δέσµη ακτινών φωτός συναντήσει µια λεία και στιλπνή επιφάνεια, για παράδειγµα έναν καθρέπτη, ανακλάται, δηλαδή αλλάζει πορεία. Η ανακλώµενη δέσµη έχει µια συγκεκριµένη διεύθυνση σε σχέση µε την κατεύθυνση της προσπίπτουσας δέσµης. Όταν µια δέσµη ακτινών φωτός συναντήσει µια τραχιά και ανώµαλη επιφάνεια, για παράδειγµα το έδαφος, οι ακτίνες ανακλώνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και διασκορπίζονται, διαχέονται. Όταν µια δέσµη ακτινών φωτός συναντήσει µια σκουρόχρωµη επιφάνεια, για παράδειγµα ένα µαύρο ρούχο, το µεγαλύτερο µέρος της φωτεινής ακτινοβολίας απορροφάται από την επιφάνεια αυτή. Όλα τα αντικείµενα γύρω µας απορροφούν ένα µέρος του φωτός και διαχέουν ένα άλλο. Ο άνθρωπος µπορεί να βλέπει τα αντικείµενα χάρη στο φως που φτάνει στα µάτια του µετά τη διάχυση. 38 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

39 Τα σκουρόχρωµα αντικείµενα απορροφούν το µεγαλύτερο µέρος του φωτός, ενώ τα ανοιχτόχρωµα διαχέουν το µεγαλύτερο µέρος του φωτός. Τι είναι η σκιά; Σκιά λέµε τον σκοτεινό χώρο που δηµιουργείται πίσω από ένα αδιαφανές σώµα όταν πάνω του πέσει φως. Σκιά σχηµατίζουν τα αδιαφανή σώµατα (δηλαδή τα σώµατα που δεν διαπερνά το φως), όταν αυτά φωτίζονται από µια φωτεινή πηγή. Σχηµατίζεται πίσω από το σώµα, στην περιοχή όπου δεν φτάνουν οι ακτίνες της φωτεινής πηγής. Η σκιά είναι αποτέλεσµα της ευθύγραµµης διάδοσης του φωτός. Η παρασκιά δηµιουργείται πίσω από ένα αδιαφανές σώµα, όταν αυτό φωτίζεται από µια φωτεινή πηγή η οποία έχει διαστάσεις, όπως για παράδειγµα µια λάµπα. Η παρασκιά, σχηµατίζεται γύρω από τη σκιά και οφείλεται στο ότι στον χώρο αυτό φτάνουν ακτίνες µόνο από ορισµένα σηµεία της φωτεινής πηγής. Φωτεινή Ενέργεια Το φως µεταφέρει φωτεινή ενέργεια, η οποία είναι µια ειδική περίπτωση ενέργειας ακτινοβολίας. Η φωτεινή ενέργεια µπορεί να µετατραπεί σε διάφορες µορφές, όπως: σε θερµική (ηλιακοί θερµοσίφωνες), σε χηµική (φωτοσύνθεση) και σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκά). Όταν το φως φτάνει στα µάτια µας, προκαλούνται χηµικές αντιδράσεις στα οπτικά κύτταρα, όπου η φωτεινή ενέργεια µετατρέπεται σε χηµική και έπειτα σε ηλεκτρική. Το ηλεκτρικό σήµα Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 39

40 µεταφέρεται µέσω του οπτικού νεύρου στον εγκέφαλο όπου δηµιουργείται το αίσθηµα της όρασης. Ανάλυση του λευκού φωτός: Όταν µια δέσµη λευκού φωτός (όπως είναι το ηλιακό) πέσει πλάγια πάνω σε ένα πρίσµα, διαχωρίζεται σε επιµέρους ακτινοβολίες µε συγκεκριµένα χρώµατα. Το φαινόµενο αυτό λέγεται ανάλυση του λευκού φωτός. 40 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

41 Το λευκό φως αποτελείται από πολλές ακτινοβολίες διαφορετικών χρωµάτων. Αναλύεται στα χρώµατα της ίριδας που είναι τα εξής: ιώδες, λουλακί, κυανό (µπλε), πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί, ερυθρό (κόκκινο). Το σύνολο αυτών των βασικών χρωµάτων αποτελεί το φάσµα του λευκού φωτός. Ακτινοβολίες υπάρχουν και πέρα από το ιώδες (υπεριώδης ακτινοβολία) αλλά και πέρα από το ερυθρό (υπέρυθρη ακτινοβολία). Οι ακτινοβολίες αυτές δεν είναι ορατές από το ανθρώπινο µάτι. Σκέδαση του Φωτός Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος Όταν µια δέσµη φωτός περάσει µέσα από έναν χώρο στον οποίο υπάρχουν πολλά µικρά σωµατίδια, αυτά απορροφούν κάποιες από τις φωτεινές ακτίνες και τις επανεκπέµπουν προς όλες τις διευθύνσεις. Το φαινόµενο αυτό το ονοµάζουµε σκέδαση του φωτός. εδοµένου ότι δεν µπορούµε να κοιτάξουµε απευθείας τον Ήλιο, το φως που φτάνει στα µάτια µας προέρχεται από την σκέδαση που υφίσταται το ηλιακό φως στα σωµατίδια της ατµόσφαιρας. Ο λόγος για τον οποίο βλέπουµε τον ουρανό γαλάζιο, οφείλεται στη σκέδαση του φωτός. Αν δεν υπήρχε σκέδαση ο ουρανός θα ήταν µαύρος. Επίσης, το φως το οποίο σκεδάζεται από τα σωµατίδια της γήινης ατµόσφαιρας περιέχει κυρίως γαλάζιες και ιώδεις ακτινοβολίες. Γι αυτό το λόγο ο ουρανός φαίνεται γαλάζιος αντί λευκός. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 41

42 Θερμά και ψυχρά χρώματα Χρώμα αδιαφανών αντικειμένων Τα αδιαφανή σώµατα είναι σώµατα τα οποία δεν επιτρέπουν στο φως να περνάει από µέσα τους. Μπορούµε να τα δούµε εξαιτίας του φωτός που ανακλούν ή διαχέουν. Για παράδειγµα, ένα σώµα ανακλά όλα τα χρώµατα και φαίνεται λευκό στο λευκό φως, πράσινο στο πράσινο, µπλε στο µπλε κ.ο.κ. Όταν φωτίσουµε ένα πράσινο σώµα µε λευκό φως, αυτό θα απορροφήσει όλα τα χρώµατα εκτός από το πράσινο, το οποίο θα υποστεί ανάκλαση. Έτσι το βλέπουµε πράσινο. Αν τώρα αυτό το πράσινο σώµα το φωτίσουµε µε φως άλλου χρώµατος, για παράδειγµα κόκκινο, θα φαίνεται µαύρο διότι απορροφά όλα τα υπόλοιπα χρώµατα. Τα χρώµατα τα χωρίζουµε σε «ψυχρά» και «θερµά». Θερµά ονοµάζουµε τα χρώµατα τα οποία είναι σκούρα, διότι απορροφούν περισσότερες φωτεινές ακτινοβολίες µε αποτέλεσµα να θερµαίνονται περισσότερο από τα ανοιχτά χρώµατα, τα οποία τα ονοµάζουµε ψυχρά. Το ιώδες (µοβ), το µπλε και το πράσινο είναι τα «ψυχρά» χρώµατα. Είναι τα χρώµατα του νερού, του ουρανού και της θάλασσας. ηµιουργούν µια αίσθηση δροσιάς στον άνθρωπο. Το κόκκινο, το πορτοκαλί και το κίτρινο είναι τα «θερµά» χρώµατα. Είναι τα χρώµατα του Ήλιου και της φωτιάς. ηµιουργούν µια αίσθηση ζέστης. Το λευκό και το µαύρο δεν είναι χρώµατα. Το λευκό προκύπτει από τη σύνθεση όλων των χρωµάτων, ενώ το µαύρο σηµαίνει απουσία όλων των χρωµάτων. ηλαδή, ένα σώµα που το βλέπουµε µαύρο, σηµαίνει ότι απορροφά όλες τις ακτινοβολίες που πέφτουν πάνω του, ενώ ένα λευκό σώµα το βλέπουµε λευκό διότι ανακλά ή διαχέει όλες τις ακτινοβολίες που πέφτουν πάνω του. 42 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

43 Αρχή λειτουργίας ηλιακού θερμοσίφωνα Ο ηλιακός θερµοσίφωνας αποτελείται από ένα µεταλλικό πλαίσιο, το οποίο στο εσωτερικό του έχει σωλήνες όπου κυκλοφορεί το νερό. Η κάτω επιφάνεια και τα πλαϊνά του πλαισίου είναι µονωµένα θερµικά ώστε να µην έχουµε απώλειες θερµότητας. Η επάνω του επιφάνεια είναι βαµµένη µαύρη και σκεπασµένη µε γυαλί. Η ακτινοβολία που προέρχεται από τον Ήλιο, περνά µέσα από το τζάµι του θερµοσίφωνα και θερµαίνει το νερό που υπάρχει µέσα στους σωλήνες. Το ζεστό νερό ανεβαίνει προς το δοχείο που είναι η δεξαµενή νερού, ενώ το ψυχρό νερό του δοχείου κατεβαίνει. Έτσι δηµιουργείται ροή από τον θερµοσίφωνα προς τη δεξαµενή νερού (το θερµό νερό έχει µικρότερη πυκνότητα από το ψυχρό και ανεβαίνει προς τα πάνω). Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται µέχρι οι θερµοκρασία του νερού του θερµοσίφωνα να γίνει ίση µε τη θερµοκρασία της δεξαµενής. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 43

44 Φύλλο Εργασίας 9 Το Φαινόμενο του Θερμοκηπίου υπερ-θερμαίνει ΘΕΩΡΙΑ 9 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) είναι µια χηµική ένωση, το µόριο της οποίας αποτελείται από ένα άτοµο άνθρακα και δυο άτοµα οξυγόνου. Είναι ένα αέριο άχρωµο, άοσµο και άγευστο. ιαλύεται πολύ λίγο στο νερό, δεν καίγεται και υπάρχει τον ατµοσφαιρικό αέρα σε ποσοστό 0,03%. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται από τις καύσεις των ορυκτών καυσίµων και κατά τη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής στα φυτά. Χρησιµοποιείται από τα φυτά για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Οι διαδικασίες της κυτταρικής αναπνοής και της φωτοσύνθεσης είναι πολύ σηµαντικές για τη διατήρηση της ισορροπίας της περιεκτικότητας του CO 2 στην επιφάνεια της Γης. Πως λειτουργεί ένα θερμοκήπιο Τα θερµοκήπια είναι κατασκευές από γυαλί ή πλαστικό, µέσα στις οποίες δηµιουργούνται συνθήκες οι οποίες επιταχύνουν τη βλάστηση και την ανθοφορία των φυτών. Έτσι είναι δυνατή η καλλιέργεια ορισµένων φυτών όλες τις εποχές του χρόνου, όπως για παράδειγµα της ντοµάτας. Στο εσωτερικό των θερµοκηπίων αναπτύσσεται θερµοκρασία αρκετά υψηλότερη από τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος, και αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα φυτά καρποφορούν πιο γρήγορα ακόµα και το χειµώνα. 44 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

45 Αλλά πως δηµιουργείται αυτή η αύξηση της θερµοκρασίας στο εσωτερικό του θερµοκηπίου; Η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στο εσωτερικό του θερµοκηπίου και απορροφάται κυρίως από το έδαφος. Το έδαφος θερµαίνεται και ακτινοβολεί θερµότητα µε τη µορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η υπέρυθρη ακτινοβολία όµως, δεν µπορεί να διαφύγει από τη γυάλινη (ή πλαστική) κατασκευή του θερµοκηπίου κι έτσι η θερµοκρασία µέσα στο θερµοκήπιο αυξάνεται. Έτσι η θερµοκρασία στο εσωτερικό του θερµοκηπίου είναι πολύ υψηλότερη από τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Το «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Φαινόµενο του θερµοκηπίου ονοµάζεται η αύξηση της µέσης θερµοκρασίας της Γης, η οποία οφείλεται στον εγκλωβισµό της υπέρυθρης ακτινοβολίας από τα αέρια της ατµόσφαιρας. Κατά τα διάρκεια της ηµέρας η Γη θερµαίνεται µε την ακτινοβολία του Ήλιου. Η επιφάνεια της γης απορροφά µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας και την υπόλοιπη την εκπέµπει ξανά προς την ατµόσφαιρα µε τη µορφή µη ορατών ακτίνων που ονοµάζονται υπέρυθρες και οι οποίες ζεσταίνουν. Το µεγαλύτερο µέρος αυτής της ακτινοβολίας διαφεύγει προς το διάστηµα. Ένα µέρος της ωστόσο, παγιδεύεται στην ατµόσφαιρα από αέρια, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, το µεθάνιο, το οξείδιο του αζώτου, οι υδροφθοράνθρακες και άλλα που ονοµάζονται αέρια του θερµοκηπίου. Η υπέρυθρη ακτινοβολία που δεν διαφεύγει το διάστηµα και παγιδεύεται στην ατµόσφαιρα, θερµαίνει τη γη. Έτσι, η µέση θερµοκρασία της γης διατηρείται σταθερή. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται φαινόµενο του θερµοκηπίου. Αν δεν υπήρχε το φαινόµενο του θερµοκηπίου, η γη θα ήταν ένας παγωµένος πλανήτης µε θερµοκρασία περίπου -18 ο C και δεν θα µπορούσαν να επιβιώσουν οι ζωντανοί οργανισµοί. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 45

46 Η ατµόσφαιρα λοιπόν, είναι για τη Γη ότι είναι η γυάλινη κατασκευή για το θερµοκήπιο. Επιτρέπει στην ηλιακή ακτινοβολία να τη διαπερνά, αλλά εµποδίζει να φύγει προς το διάστηµα όλη αυτή η ακτινοβολία που επανεκπέµπει η Γη. Ωστόσο, τις τελευταίες δεκαετίες, η αλόγιστη χρήση της ενέργειας, οι αυξανόµενες καύσεις κυρίως ορυκτών καυσίµων καθώς και η καταστροφή των δασών έχει οδηγήσει σε υπερβολική αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα. Έτσι, όλο και µεγαλύτερο µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας δεσµεύεται στην ατµόσφαιρα της γης, µε αποτέλεσµα το φαινόµενο του θερµοκηπίου να γίνεται όλο και πιο έντονο και η µέση θερµοκρασία του πλανήτη να αυξάνεται σταδιακά. Το φαινόµενο του θερµοκηπίου έχει πολύ σηµαντικές επιπτώσεις για τη ζωή στον πλανήτη µας αφού η µέση θερµοκρασία του πλανήτη συνεχώς αυξάνεται. Τα επόµενα χρόνια αναµένεται να αυξηθεί ακόµα περισσότερο. Μερικές από τις επιπτώσεις που έχει αυτή η άνοδος της θερµοκρασίας είναι η αλλαγή του κλίµατος τα Γης, η άνοδος της στάθµης των θαλασσών λόγω τήξης των πάγων στους πόλους καθώς αι η µείωση των υδάτινων πόρων. Έτσι, παρατηρούνται ακραία καιρικά φαινόµενα, τα οποία επηρεάζουν αρνητικά την υγεία των ανθρώπων, τις γεωργικές καλλιέργειες αλλά και τη ζωή των ανθρώπων, η οποία απειλείται από τη ρύπανση, τη ζέστη αλλά και τις πληµµύρες. Σύµφωνα µε τις εκτιµήσεις των επιστηµόνων, αν δεν ληφθούν δραστικά µέτρα, θα παρατηρούνται όλο και περισσότεροι καύσωνες, πληµµύρες, ερηµώσεις, είδη θα εξαφανιστούν, θα µειωθεί σηµαντικά το πόσιµο νερό και θα εµφανιστούν ασθένειες. Για να αντιµετωπισθεί το φαινόµενο της υπερθέρµανσης της Γης, πρέπει να µειωθεί η περιεκτικότητα του διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί κάνοντας τα παρακάτω: Μείωση της χρήσης των ορυκτών καυσίµων: Να καταναλώνουµε µε οικονοµία την ενέργεια που προέρχεται από ορυκτά καύσιµα. Μπορούµε να περιορίσουµε τη χρήση του αυτοκινήτου για κοντινές αποστάσεις, να κάνουµε οικονοµία στη χρήση ηλεκτρικού ρεύµατος. 46 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

47 Χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας: Να αξιοποιούµε τις ανανεώσιµες µορφές ενέργειας: την ηλιακή, την αιολική κ.α. Αύξηση του πρασίνου: Να πραγµατοποιούµε δεντροφυτεύεις και αναδασώσεις, για να περιορίζονται οι ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα. Ανακύκλωση: Να συµµετέχουµε στην ανακύκλωση προϊόντων όπως το χαρτί, το γυαλί και το αλουµίνιο. Γιατί το ονομάζουμε «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Το «φαινόµενο του θερµοκηπίου» στον πλανήτη µας, ονοµάστηκε έτσι γιατί εµφανίζει αντιστοιχίες µε τον τρόπο µε τον οποίο χρησιµοποιείται η ηλιακή ακτινοβολία σε ένα θερµοκήπιο. Ο Ήλιος εκπέµπει ακτινοβολία που διαπερνά τα γυάλινα τοιχώµατα του θερµοκηπίου και απορροφάται από το έδαφος. Ένα µέρος αυτής της ακτινοβολίας εκπέµπεται ξανά από το έδαφος ως υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτή η υπέρυθρη ακτινοβολία δεν µπορεί να διαφύγει έξω από το γυάλινο περίβληµα, µε αποτέλεσµα η θερµοκρασία µέσα στο θερµοκήπιο να αυξάνεται. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 47

48 Φύλλο Εργασίας 10 Το Ηλεκτρικό βραχυ-κύκλωμα Κίνδυνοι και «Ασφάλεια» ΘΕΩΡΙΑ 10 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Σε κάποια υλικά όπως είναι τα µέταλλα, τα ηλεκτρόνια τα οποία βρίσκονται πολύ µακριά από τον πυρήνα του ατόµου µπορούν να µετακινούνται ελεύθερα. Φαίνεται δηλαδή σαν να µην ανήκουν σε κάποιο συγκεκριµένο άτοµο. Τα ηλεκτρόνια αυτά τα ονοµάζουµε ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι κινήσεις αυτών των ηλεκτρονίων είναι τυχαίες και χαοτικές. Χρησιµοποιώντας όµως µια ηλεκτρική πηγή, όπως για παράδειγµα µια µπαταρία, µπορούµε να τα αναγκάσουµε να κινηθούν όλα προς µια συγκεκριµένη κατεύθυνση. Την προσανατολισµένη αυτή κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων την ονοµάζουµε ηλεκτρικό ρεύµα. Ηλεκτρικό ρεύµα ονοµάζουµε την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων προς µια συγκεκριµένη κατεύθυνση. Το ηλεκτρικό ρεύµα δεν µπορούµε να το δούµε, αλλά αντιλαµβανόµαστε την ύπαρξή του από τα αποτελέσµατά του. Για παράδειγµα, ένα σύρµα το οποίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύµα, θερµαίνεται και ένα λαµπάκι που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύµα φωτοβολεί. Τη φορά κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων την ονοµάζουµε πραγµατική φορά του ρεύµατος. Στην πράξη έχει επικρατήσει να θεωρούµε ως φορά ρεύµατος την αντίθετη από την πραγµατική, την οποία και ονοµάζουµε συµβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύµατος. Αγωγοί και μονωτές Αγωγοί ονοµάζονται τα υλικά µέσα από τα οποία ρέει εύκολα το ηλεκτρικό ρεύµα. Στα υλικά αυτά υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και είναι αυτά τα οποία µε την κατάλληλη εφαρµογή τάσης δηµιουργούν το ηλεκτρικό ρεύµα. Παραδείγµατα αγωγών είναι το νερό, το ανθρώπινο σώµα, ο σίδηρος κ.ά. Τους αγωγούς τους χρησιµοποιούµε οπουδήποτε επιθυµούµε να έχουµε ροή ηλεκτρικού ρεύµατος, όπως για παράδειγµα, στα καλώδια της ΕΗ, στα καλώδια των κυκλωµάτων, στην κατασκευή βυσµάτων κ.ά. Μονωτές ονοµάζονται τα υλικά τα οποία δεν επιτρέπουν να περάσει από µέσα τους το ηλεκτρικό ρεύµα. Στα υλικά αυτά δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια ώστε να δηµιουργηθεί 48 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

49 ηλεκτρικό ρεύµα. Παραδείγµατα µονωτών είναι το ξύλο, ο αέρας, το πλαστικό, το καουτσούκ κ.ά. Τους µονωτές τους χρησιµοποιούµε όταν θέλουµε να προστατευτούµε από το ηλεκτρικό ρεύµα. Για παράδειγµα µονωτές χρησιµοποιούµε στο περίβληµα των καλωδίων, στα φις και στις πρίζες, στις λαβές των εργαλείων των ηλεκτρολόγων κ.ά. Το ηλεκτρικό κύκλωμα Για να έχουµε ηλεκτρικό ρεύµα, δηλαδή ροή ελεύθερων ηλεκτρονίων, πρέπει να έχουµε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωµα. Τα κύρια µέρη ενός ηλεκτρικού κυκλώµατος είναι: Ηλεκτρική πηγή, η οποία προκαλεί την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων, δηλαδή δημιουργεί το ρεύμα στο κύκλωμα. Καλώδια σύνδεσης (αγωγοί) δια μέσω των οποίων ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα Διακόπτης με τον οποίο διακόπτουμε τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος όταν το επιθυμούμε. Ηλεκτρική συσκευή (καταναλωτής) την οποία θέλουμε να την τροφοδοτήσουμε με ηλεκτρικό ρεύμα για να λειτουργήσει. Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα λέμε ότι είναι κλειστό όταν διαρρέεται από ρεύμα, ενώ ένα ηλεκτρικό κύκλωμα λέμε ότι είναι ανοιχτό όταν δεν διαρρέεται από ρεύμα. Όταν στο κύκλωμά μας περιλαμβάνονται πάνω από δυο ηλεκτρικές συσκευές, αυτές μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με δυο μόνο τρόπους: είτε σε σειρά, είτε παράλληλα. Την σύνδεση σε σειρά και την παράλληλη σύνδεση θα τις μελετήσουμε παρακάτω. Ο ρόλος της πηγής σε ένα κύκλωμα: Η ηλεκτρική πηγή προκαλεί τη ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος σε ένα κύκλωµα. Αναγκάζει δηλαδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των αγωγών του κυκλώµατος να κινούνται προς µια κατεύθυνση. Οι ηλεκτρικές πηγές δεν παράγουν ηλεκτρόνια, αλλά θέτουν σε προσανατολισµένη κίνηση τα ήδη υπάρχοντα ελεύθερα ηλεκτρόνια του κυκλώµατος. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 49

50 Ηλεκτρικές πηγές που χρησιµοποιούµε στην καθηµερινή µας ζωή είναι οι µπαταρίες, µε τις οποίες λειτουργούν πολλές ηλεκτρικές συσκευές. Επίσης, ηλεκτρικές πηγές είναι οι ηλεκτρικές γεννήτριες, όπως αυτές που χρησιµοποιούνται στα εργοστάσια της ΕΗ για την παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύµατος. Οι µπαταρίες αποτελούνται από δυο ηλεκτρόδια, το καθένα από τα οποία είναι φτιαγµένο µε διαφορετικό µέταλλο και από µια υγρή συνήθως ουσία (που ονοµάζεται ηλεκτρολύτης), η οποία υπάρχει ανάµεσα στα δυο ηλεκτρόδια. Σε κάθε µπαταρία υπάρχει ένας θετικός και ένας αρνητικός πόλος, στους οποίους συνδέονται τα άκρα όλου του υπόλοιπου κυκλώµατος. Όταν η µπαταρία είναι συνδεδεµένη σε ένα κύκλωµα, στο εσωτερικό της γίνεται µια χηµική αντίδραση η οποία έχει σαν αποτέλεσµα να πηγαίνουν ηλεκτρόνια στο ένα ηλεκτρόδιο και να αφαιρούνται από το άλλο. ηλαδή έχουµε ροή ηλεκτρονίων και άρα ηλεκτρικό ρεύµα. Στην µπαταρία λοιπόν η χηµική ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική. Υπάρχουν µπαταρίες, όπως αυτές των κινητών τηλεφώνων, οι οποίες µπορούν να επαναφορτιστούν. Αυτό που συµβαίνει όταν τις συνδέσουµε σε µια παροχή ρεύµατος είναι ότι η πορεία της χηµικής αντίδρασης αντιστρέφεται και πλέον η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται σε χηµική. Στις µπαταρίες αναγράφεται η ένδειξη 1,5V. Η ένδειξη αυτή δηλώνει τη διαφορά δυναµικού στους πόλους της µπαταρίας (θετικό - αρνητικό) ή την τάση της µπαταρίας. Η ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναµικού (V) µεταξύ των δυο πόλων µιας ηλεκτρικής πηγής είναι ένα µέγεθος που χαρακτηρίζει µια ηλεκτρική πηγή και δείχνει το ποσό της ενέργειας που προσφέρει η πηγή ανά µονάδα ηλεκτρικού φορτίου που περνάει από το εσωτερικό της. 50 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

51 Μονάδα µέτρησης της τάσης είναι το 1Volt (V). Για να µετρήσουµε την τάση µιας ηλεκτρικής πηγής, χρησιµοποιούµε το βολτόµετρο. Το βολτόµετρο είναι ένα όργανο µε το οποίο µετράµε την τάση (ή διαφορά δυναµικού) µεταξύ δυο σηµείων ενός κυκλώµατος. Η σύνδεσή του στο κύκλωµα γίνεται µε τέτοιο τρόπο ώστε οι δυο ακροδέκτες του βολτοµέτρου να συνδέονται µε τα δυο σηµεία µεταξύ των οποίων ζητάµε να υπολογίσουµε την τάση. Αυτή η σύνδεση του βολτοµέτρου ονοµάζεται παράλληλη σύνδεση. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 51

52 Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος Το ηλεκτρικό ρεύµα είναι η προσανατολισµένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων των αγωγών. Αν είχαµε τη δυνατότητα να µετρήσουµε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που περνούν, σε χρόνο t, από µια διατοµή ενός αγωγού ο οποίος διαρρέεται από ρεύµα, τότε θα ξέραµε και το ηλεκτρικό φορτίο q q που περνά στον χρόνο αυτό από τη διατοµή του αγωγού. Το πηλίκο ορίζεται ως ένταση του t ηλεκτρικού ρεύµατος. Η ένταση είναι ένα φυσικό µέγεθος που µας δείχνει πόσο ισχυρό είναι το ηλεκτρικό ρεύµα που διαρρέει έναν αγωγό. Ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύµατος που διαρρέει έναν αγωγό ορίζεται το φορτίο (q) που διέρχεται από µια διατοµή του αγωγού σε χρονικό διάστηµα (t) προς αυτό το χρονικό διάστηµα. q I= t Μονάδα µέτρησης του ρεύµατος στο ιεθνές Σύστηµα Μονάδων (S.I) είναι το 1 Ampere (1A). 52 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

53 Τα όργανα τα οποία µετράνε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος ονοµάζονται αµπερόµετρα. Το αµπερόµετρο είναι ένα όργανο το οποίο µετράει την ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος που διαρρέει έναν αγωγό. Το αµπερόµετρο παρεµβάλλεται στον αγωγό στον οποίο θέλουµε να µετρήσουµε την ένταση του ρεύµατος, ώστε το ρεύµα να περάσει µέσα από το αµπερόµετρο. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης του αµπεροµέτρου ονοµάζεται σύνδεση σε σειρά. Βραχυκύκλωμα Το ηλεκτρικό ρεύµα θέλει πάντοτε να ακολουθεί τον πιο εύκολο δρόµο, δηλαδή τον δρόµο που παρουσιάζει τη µικρότερη αντίσταση στην κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Όταν η διαδροµή που ακολουθεί το ρεύµα έχει ως αποτέλεσµα τη µεγάλη αύξηση της έντασης του ρεύµατος, λέµε ότι έχουµε βραχυκύκλωµα. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 53

54 Σε περίπτωση βραχυκυκλώµατος η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος που διαρρέει τον αγωγό είναι µεγάλη και αυξάνεται η θερµοκρασία του αγωγού. Ο αγωγός, δηλαδή, υπερθερµαίνεται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να λιώσουν τα καλώδια και η ηλεκτρική συσκευή να καταστραφεί. Επίσης, στα βραχυκυκλώµατα που προκαλούνται στο δίκτυο της ΕΗ, η θέρµανση των καλωδίων µπορεί να προκαλέσει πυρκαγιά. Το βραχυκύκλωµα µπορεί να οφείλεται σε βλάβη της ηλεκτρικής συσκευής ή σε τυχαίο γεγονός. Για να προστατευόµαστε από τα βραχυκυκλώµατα χρησιµοποιούµε τις ασφάλειες. Οι ασφάλειες είναι εξαρτήµατα που ανοίγουν το κύκλωµα και διακόπτουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος, όταν η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος γίνει πολύ µεγάλη. Κάθε ασφάλεια χαρακτηρίζεται από την τιµή της έντασης του ρεύµατος πάνω από την οποία προκαλείται η διακοπή της λειτουργίας του κυκλώµατος. Τα εξαρτήµατα αυτά, λοιπόν, ονοµάστηκαν «ασφάλειες», γιατί προσφέρουν στα ηλεκτρικά κυκλώµατα «ασφάλεια», προστατεύοντάς τα από τα βραχυκυκλώµατα και την υπερφόρτωση. 54 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

55 Υπάρχουν δυο βασικά είδη ασφαλειών που λειτουργούν µε διαφορετικό τρόπο: α. Οι τηκόµενες ασφάλειες. Αυτές έχουν στο εσωτερικό τους ένα σύρµα, µικρού µήκους, το οποίο τήκεται (λιώνει) πολύ εύκολα. Όταν η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος που διαρρέει το κύκλωµα και το συρµατάκι ξεπεράσει µια συγκεκριµένη τιµή, η οποία αναγράφεται πάνω στην ασφάλεια, και αυξηθεί η θερµοκρασία του αγωγού, το συρµατάκι αυτό λιώνει (τήκεται) και διακόπτεται η ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος στο κύκλωµα. Οι τηκόµενες ασφάλειες προσαρµόζονται συνήθως σε µια πορσελάνινη βάση. β. Οι αυτόµατες ασφάλειες. Αυτές αποτελούνται από δυο λεπτές µεταλλικές πλάκες κολληµένες µεταξύ τους (διµεταλλικό έλασµα). Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 55

56 Το διµεταλλικό αυτό έλασµα, όταν διαρρέεται από ρεύµα, θερµαίνεται και διαστέλλεται ανοµοιόµορφα, µε αποτέλεσµα να κάµπτεται. Όταν το ρεύµα υπερβεί τη χαρακτηριστική µέγιστη τιµή της ασφάλειας και η θερµοκρασία του κυκλώµατος ξεπεράσει ένα συγκεκριµένο ασφαλές όριο, η κάµψη του ελάσµατος γίνεται τόση ώστε να διακόπτεται η αγώγιµη επαφή, να ανοίγει το κύκλωµα και να διακόπτεται η ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος. Τρόποι σύνδεσης μιας συσκευής σε ένα κύκλωμα Υπάρχουν δυο τρόποι σύνδεσης µιας συσκευής σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα. Η σύνδεση σε σειρά. Οι ηλεκτρικές συσκευές συνδέονται η μια μετά την άλλη. Έτσι όλες οι ηλεκτρικές συσκευές διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Μια διακοπή σε ένα σημείο του κυκλώματος σταματά τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος σε όλες τις συσκευές που συνδέονται σε σειρά. Η ασφάλεια σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα συνδέεται πάντα σε σειρά με την ηλεκτρική συσκευή που θέλουμε να προστατέψουμε. Η παράλληλη σύνδεση. Κάθε ηλεκτρική συσκευή συνδέεται απευθείας με τους πόλους της πηγής. Έτσι, κάθε ηλεκτρική συσκευή δημιουργεί το δικό της, ανεξάρτητο ηλεκτρικό κύκλωμα με την πηγή. Οπότε, η 56 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

57 διακοπή της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα από αυτά τα ανεξάρτητα κυκλώματα δεν προκαλεί τη διακοπή και στα άλλα. Πόσο επικίνδυνο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα για τον άνθρωπο; Το ανθρώπινο σώµα αποτελείται κυρίως από νερό. Έτσι είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύµατος, δηλαδή επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύµα να το διαπεράσει όταν για κάποιο λόγο γίνει µέρος ενός ηλεκτρικού κυκλώµατος. Ηλεκτροπληξία ονοµάζουµε το φαινόµενο κατά το οποίο ισχυρό ηλεκτρικό ρεύµα περνά µέσα από το ανθρώπινο σώµα. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 57

58 Σε περίπτωση ηλεκτροπληξίας, είναι δυνατό να προκληθούν πολύ σοβαρές βλάβες όπως αναισθησία, διακοπή της λειτουργίας της καρδιάς, ακόµη και θάνατο. Επειδή λοιπόν η ηλεκτροπληξία µπορεί να έχει πολύ σοβαρές συνέπειες, είναι αναγκαίο να προσέχουµε κάποια πράγµατα, όπως: Όταν χρησιµοποιούµε ηλεκτρικές συσκευές, να είµαστε προσεχτικοί και να ακολουθούµε τις οδηγίες χρήσης και προφύλαξης που αναγράφονται σε αυτές. Να µη χρησιµοποιούµε ηλεκτρικές συσκευές κοντά σε νερό. Να µην χρησιµοποιούµε συσκευές στις οποίες τα καλώδια έχουν φθαρεί. Να µην πετάµε χαρταετό κοντά στα σύρµατα της ΕΗ. Να µην αγγίζουµε φις ή πρίζες µε βρεγµένα χέρια. Να µην τρυπάµε ποτέ ακριβώς κάθετα από µια πρίζα όπου ενδέχεται να περνάνε ηλεκτροφόρα καλώδια. 58 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

59 Φύλλο Εργασίας 11 Από τον Ηλεκτρισμό στο Μαγνητισμό Ένας Ηλεκτρικός (ιδιο-) Κινητήρας ΘΕΩΡΙΑ 11 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Μαγνήτες Μαγνήτης ονοµάζεται το σώµα το οποίο ασκεί ελκτική δύναµη σε ορισµένα υλικά όπως είναι ο σίδηρος, το νικέλιο και το κοβάλτιο. Τα υλικά αυτά ονοµάζονται σιδηροµαγνητικά. Υπάρχουν διάφορα µεγέθη και σχήµατα µαγνητών. Υπάρχουν µαγνήτες ραβδόµορφοι, οι οποίοι έχουν τη µορφή ράβδου, πεταλοειδείς, οι οποίοι έχουν το σχήµα πετάλου κ.ά. Υπάρχουν φυσικοί και τεχνητοί µαγνήτες. Οι φυσικοί µαγνήτες είναι ορυκτά υλικά τα οποία έχουν δηµιουργηθεί από τη φύση. Οι τεχνητοί µαγνήτες κατασκευάζονται από τον άνθρωπο από σιδηροµαγνητικά υλικά µε τη βοήθεια του ηλεκτρικού ρεύµατος. Οι µαγνητικές δυνάµεις είναι δυνάµεις οι οποίες ασκούνται και από απόσταση. ηλαδή δεν είναι ανάγκη οι δυο µαγνήτες ή ο µαγνήτης και το σιδηροµαγνητικό υλικό να έρθουν σε επαφή. Αν για παράδειγµα έχουµε µερικούς συνδετήρες πάνω στο βιβλίο µας και πλησιάσουµε ένα µαγνήτη, θα παρατηρούµε ότι πριν ακόµα ο µαγνήτης ακουµπήσει τους συνδετήρες, αυτοί θα ανυψωθούν και θα κολλήσουν στον µαγνήτη. Κάθε µαγνήτης έχει δυο περιοχές στις οποίες οι µαγνητικές του ιδιότητες είναι πιο έντονες. Οι περιοχές αυτές ονοµάζονται πόλοι του µαγνήτη. Ο ένας πόλος είναι ο Βόρειος και συµβολίζεται µε Ν (North) και ο δεύτερος είναι ο Νότιος και συµβολίζεται µε S (South). Ανάµεσα σε δυο µαγνήτες οι όµοιοι πόλοι τους απωθούνται, ενώ οι ανόµοιοι έλκονται µεταξύ τους. Το «παράξενο» µε τους µαγνήτες είναι ότι δεν µπορούµε να αποµονώσουµε τον έναν µόνο πόλο του µαγνήτη. Αν πάρουµε δηλαδή έναν µαγνήτη και τον κόψουµε σε µικρότερα κοµµάτια, καθένα από αυτά τα κοµµάτια θα είναι ένας νέος µαγνήτης µε έναν Βόρειο και έναν Νότιο πόλο. Όσο µικροσκοπικά κοµµάτια κι αν τον κόψουµε, ποτέ δεν θα µπορέσουµε να αποµονώσουµε τον έναν από τους δυο πόλους. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 59

60 Λειτουργία της πυξίδας Έστω ότι έχουµε έναν ραβδόµορφο µαγνήτη, οι πόλοι του οποίου βρίσκονται στα άκρα του. Αν τον κρεµάσουµε µε ένα σχοινί από το µέσον του και τον αφήσουµε να κρέµεται και να περιστραφεί ελεύθερα, όταν θα ηρεµήσει το ένα άκρο του θα δείχνει τον Βορρά και το άλλο τον Νότο. Αυτό συµβαίνει διότι η Γη συµπεριφέρεται σαν ένας µεγάλος µαγνήτης. Η γνωστή σε όλους µας πυξίδα, δεν είναι τίποτε άλλο από έναν απλό µαγνήτη (µαγνητική βελόνα). Γι αυτό και η πυξίδα παίρνει πάντα τη διεύθυνση Βορρά-Νότου. Το άκρο που δείχνει το Βορρά το ονοµάζουµε βόρειο µαγνητικό πόλο ενώ το άκρο που δείχνει το Νότο, νότιο µαγνητικό πόλο. Μαγνητικό Πεδίο Μάθε µαγνήτης σχηµατίζει γύρω του µαγνητικό πεδίο. Μαγνητικό πεδίο ονοµάζεται ο χώρος µέσα στον οποίο υπάρχουν µαγνητικές δυνάµεις. Η ένταση του µαγνητικού πεδίου µας δείχνει πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το µαγνητικό πεδίο σε ένα συγκεκριµένο σηµείο. 60 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

61 Μονάδα µέτρησης της έντασης του µαγνητικού πεδίου στο ιεθνές Σύστηµα Μονάδων (S.I) είναι το 1Tesla. Το 1820, ο ανός καθηγητής Φυσικής Έρστεντ ανακάλυψε µε πειράµατα ότι το ηλεκτρικό ρεύµα προκαλεί µαγνητικά φαινόµενα, δηλαδή ότι η αιτία των µαγνητικών φαινοµένων είναι το ηλεκτρικό ρεύµα. Με πειράµατα διαπίστωσε ότι µια µαγνητική βελόνα προσανατολίζεται σχεδόν κάθετα προς ένα ευθύγραµµο σύρµα που βρίσκεται κοντά της το οποίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύµα, ενώ παραµένει ανεπηρέαστη όταν το σύρµα δεν διαρρέεται από ρεύµα. Κατέληξε λοιπόν στο συµπέρασµα ότι όταν ένας αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύµα, αποκτά µαγνητικές ιδιότητες. Γύρω λοιπόν από κάθε ρευµατοφόρο αγωγό, ασκούνται µαγνητικές δυνάµεις, δηλαδή δηµιουργείται µαγνητικό πεδίο. Το πείραµα του Έρστεντ θεωρείται από τα πιο σηµαντικά πειράµατα στην ιστορία της φυσικής, γιατί άνοιξε το δρόµο για την ενοποίηση των ηλεκτρικών και των µαγνητικών φαινοµένων. Οι µαγνητικές ιδιότητες που προαναφέραµε, είναι πιο έντονες, όταν ο αγωγός όταν είναι τυλιγµένος σαν ελατήριο (πηνίο ή σωληνοειδές), γιατί τότε έχουµε πολλούς αγωγούς µαζί. Πηνίο ή σωληνοειδές Το πηνίο ή σωληνοειδές είναι ένα σύνολο από πολλούς παράλληλους όµοιους κυκλικούς αγωγούς, το οποίο µοιάζει µε σωλήνα µε διάµετρο πολύ µικρή σε σχέση µε το µήκος του. Ο καθένας µας µπορεί να κατασκευάσει ένα πηνίο απλά τυλίγοντας σφιχτά ένα σύρµα γύρω από ένα µονωτικό υλικό σε σχήµα κυλίνδρου, δηµιουργώντας µε αυτόν τον τρόπο σπείρες οι οποίες καλό θα ήταν να ισαπέχουν µεταξύ τους. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 61

62 Το πηνίο, όπως συµβαίνει και µε τον ευθύγραµµο αγωγό, όταν διαρρέεται από ρεύµα δηµιουργεί γύρω του µαγνητικό πεδίο. Συµπεριφέρεται δηλαδή σαν µαγνήτης. Να σηµειώσουµε εδώ ότι στο εσωτερικό του πηνίου οι µαγνητικές δυνάµεις που ασκούνται είναι πολύ ισχυρότερες από αυτές που ασκούνται στο εξωτερικό του πηνίου. Εποµένως, ένα πηνίο που διαρρέεται από ρεύµα ασκεί και δέχεται µαγνητικές δυνάµεις, γι αυτό ονοµάζεται ηλεκτροµαγνήτης. Ηλεκτρομαγνήτης Ο ηλεκτροµαγνήτης αποτελείται από ένα καλώδιο τυλιγµένο σαν ελατήριο (δηλαδή στην ουσία ένα πηνίο), στο εσωτερικό του οποίου υπάρχει µια ράβδος από σίδηρο. Όταν το πηνίο το συνδέσουµε µε µια µπαταρία, θα αρχίσει να διαρρέεται από ρεύµα. Όταν το πηνίο αρχίσει να διαρρέεται από ρεύµα, εµφανίζει έντονες µαγνητικές ιδιότητες, δηλαδή συµπεριφέρεται σαν µαγνήτης έχοντας στα άκρα του βόρειο και νότιο πόλο. Ο ηλεκτροµαγνήτης συµπεριφέρεται ως µαγνήτης µόνο όσο χρονικό διάστηµα διαρρέεται από ρεύµα. Μόλις παύσει να διαρρέεται από ρεύµα, χάνει αµέσως τις µαγνητικές του ιδιότητες. Οι ηλεκτροµαγνήτες χρησιµοποιούνται σε πολλές συσκευές αλλά και σε πολλά µηχανήµατα όπως στα ηλεκτρικά κουδούνια, στο τηλέφωνο και στους γερανούς που χρησιµοποιούνται για την ανύψωση βαριών σιδερένιων αντικειµένων. 62 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

63 Ο λόγος για τον οποίο χρησιµοποιούµε έναν ηλεκτροµαγνήτη και όχι έναν µόνιµο µαγνήτη για την ανύψωση βαριών σιδερένιων αντικειµένων είναι διότι επειδή ο µόνιµος µαγνήτης ασκεί συνεχώς ισχυρή ελκτική δύναµη, θα µπορούσαµε να σηκώσουµε τα σιδερένια αντικείµενα, αλλά δεν θα µπορούσαµε να τα ξεκολλήσουµε από αυτόν. Με τη χρήση του ηλεκτροµαγνήτη µπορούµε εύκολα να ξεκολλήσουµε τα σιδερένια αντικείµενα απλά διακόπτοντας την τροφοδοσία του ηλεκτροµαγνήτη. Όσο ο ηλεκτροµαγνήτης διαρρέεται από ρεύµα λειτουργεί όπως και ο µόνιµος µαγνήτης και σηκώνει τα βαριά σιδερένια αντικείµενα. Μόλις όµως διακόψουµε το ρεύµα, ο ηλεκτροµαγνήτης σταµατά να ασκεί µαγνητική έλξη και τα σίδερα ξεκολλούν αµέσως και πέφτουν. Ηλεκτρική Ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια ονοµάζουµε την ενέργεια που µεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύµα το οποίο διαρρέει ένα κλειστό κύκλωµα. Ειδικότερα, ηλεκτρική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων που κινούνται προς µια συγκεκριµένη κατεύθυνση. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 63

64 Στις διάφορες ηλεκτρικές συσκευές (καταναλωτές) η ηλεκτρική ενέργεια µπορεί να µετατρέπεται σε άλλες µορφές ενέργειας, όπως είναι η θερµική, η φωτεινή, η χηµική, η κινητική, η µηχανική και η ενέργεια µαγνητικού πεδίου. Για παράδειγµα, στον θερµοσίφωνα η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται σε θερµική, στους λαµπτήρες σε φωτεινή, στον ανεµιστήρα σε κινητική κ.ά. Ηλεκτρικός κινητήρας Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι µια µηχανή η οποία λειτουργεί µε ηλεκτρική ενέργεια και θέτει σε κίνηση τα τµήµατα διαφόρων συσκευών. Οι συσκευές οι οποίες µετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική ονοµάζονται ηλεκτρικοί κινητήρες. Για παράδειγµα, ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιµοποιούνται στον ηλεκτρικό ανεµιστήρα, στο ηλεκτρικό πλυντήριο, σε πολλά παιχνίδια, στο ηλεκτρικό τρυπάνι, στους ανελκυστήρες, στα κινητά τηλέφωνα µε δόνηση, στα τρόλεϊ, στη µίζα του αυτοκινήτου, στις κυλιόµενες σκάλες και σε πολλές άλλες συσκευές και µηχανές που χρησιµοποιούµε στην καθηµερινή ζωή. Η λειτουργία των ηλεκτρικών κινητήρων βασίζεται στις µαγνητικές ιδιότητες που αποκτούν οι αγωγοί, όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύµα. Η ηλεκτρική πηγή, η οποία µπορεί να είναι µια µπαταρία ή η επαφή της (φις) µε την πρίζα τροφοδοτεί µε ρεύµα το πηνίο του κινητήρα, το οποίο βρίσκεται ανάµεσα στους πόλους ενός µαγνήτη και είναι προσαρµοσµένο γύρω από έναν άξονα περιστροφής. Όταν το πηνίο διαρρέεται από ρεύµα, περιστρέφεται µετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική. Όπως αναφέραµε η λειτουργία ενός ηλεκτρικού κινητήρα βασίζεται στις δυνάµεις που ασκεί ένας µαγνήτης στους αγωγούς οι οποίοι διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύµα. Το πηνίο του κινητήρα βρίσκεται ανάµεσα στους πόλους ενός µαγνήτη και είναι προσαρµοσµένο γύρω από έναν άξονα περιστροφής. Ο αγωγός που διαρρέεται από ρεύµα (πηνίο ή πλαίσιο), δέχεται τέτοιες δυνάµεις από το µαγνήτη, που έχουν ως αποτέλεσµα την περιστροφή του αγωγού γύρω από έναν άξονα. 64 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

65 Το κινούµενο µέρος του κινητήρα (πηνίο-άξονας περιστροφής) ονοµάζεται δροµέας ή rotor, ενώ το σταθερό τµήµα του (µαγνήτης) ονοµάζεται στάτης ή stator. Τέλος, ο δροµέας περιστρέφεται µε τη βοήθεια δυο ακίνητων πάνω στον άξονα επαφών. Οι ακροδέκτες του αγώγιµου πλαισίου που ακουµπούν σε αυτές τις επαφές, και τον τροφοδοτούν µε ρεύµα, ονοµάζονται ψύκτρες. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έπαιξαν σηµαντικό ρόλο στη διαµόρφωση του σύγχρονου τεχνολογικού πολιτισµού καθώς και στη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ανθρώπων. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιµοποιήθηκαν για την κατασκευή µηχανηµάτων που βοήθησαν στην ανάπτυξη της βιοµηχανίας αλλά και των µεταφορικών µέσων. Για παράδειγµα, µε ηλεκτρικούς κινητήρες κινούνται µέσα όπως το τραµ, το µετρό και το τρόλεϊ. Επίσης, ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιµοποιούνται σε πολλές ηλεκτρικές συσκευές, όπως ο ηλεκτρικός ανεµιστήρας, το πλυντήριο ρούχων, το µίξερ κ.ά. Η χρήση των ηλεκτρικών κινητήρων είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον, γιατί δεν εκπέµπουν ρύπους στην ατµόσφαιρα και δεν προκαλούν έντονη ηχορύπανση καθώς κάνουν πολύ λιγότερο θόρυβο από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι οποίοι λειτουργούν καίγοντας βενζίνη ή πετρέλαιο. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 65

66 Φύλλο Εργασίας 12 Από το Μαγνητισμό στον Ηλεκτρισμό Μια Ηλεκτρική (ιδιο-) Γεννήτρια ΘΕΩΡΙΑ 12 ΟΥ ΦΥΛΛΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Μαγνητικό πεδίο ονοµάζεται ο χώρος µέσα στον οποίο εµφανίζονται µαγνητικές δυνάµεις. Το 1831 ο άγγλος επιστήµονας Μ. Φαραντέι, πραγµατοποιώντας πειράµατα, ανακάλυψε ότι όταν ένας µαγνήτης περιστρέφεται µέσα σε ένα πηνίο, τα άκρα του οποίου είναι συνδεδεµένα µεταξύ τους, στο πηνίο δηµιουργείται ηλεκτρικό ρεύµα. ηλαδή απέδειξε ότι ο µαγνητισµός µπορεί να δηµιουργήσει ηλεκτρικό ρεύµα. Άρα ισχύει και το αντίστροφο από αυτό που είχε αποδείξει ο Έρστεντ, ότι από τον ηλεκτρισµό δηµιουργούµε µαγνητισµό. Ηλεκτροµαγνητικά ονοµάζουµε τα φαινόµενα του ηλεκτρισµού και του µαγνητισµού. Το ηλεκτρικό ρεύµα προκαλεί µαγνητικά φαινόµενα (πείραµα Έρστεντ) και ο µαγνητισµός µπορεί να δηµιουργήσει ηλεκτρικό ρεύµα (πείραµα Φάραντεΐ). Τα ηλεκτρικά και τα µαγνητικά φαινόµενα λοιπόν, έχουν πολύ στενή σχέση και δεν µπορούµε να τα µελετήσουµε ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Οι συσκευές µε τις οποίες προκαλείται ροή ηλεκτρικού ρεύµατος ονοµάζονται γεννήτριες. Οι ηλεκτρικές γεννήτριες µετατρέπουν τις διάφορες µορφές ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Μια γεννήτρια αποτελείται από δυο βασικά τµήµατα: το πηνίο και τον µαγνήτη. Στις περισσότερες περιπτώσεις γεννητριών, το πηνίο είναι ακίνητο και στο εσωτερικό του περιστρέφεται ένας µαγνήτης. Υπάρχουν όµως και περιπτώσεις στις οποίες το πηνίο περιστρέφεται ανάµεσα στους πόλους µαγνητών. Και στις δυο περιπτώσεις στο πηνίο έχουµε τη δηµιουργία ρεύµατος. Η περιστροφή του µαγνήτη που βρίσκεται µέσα στο πεδίο της γεννήτριας µπορεί να γίνει µε διάφορους τρόπους. Έτσι, υπάρχουν διάφορα είδη ηλεκτρικών γεννητριών ανάλογα µε τον τρόπο περιστροφής του µαγνήτη. Ειδικότερα η περιστροφή του µαγνήτη µπορεί να επιτευχθεί µε τους παρακάτω τρόπους: 66 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

67 Ασκώντας µυΐκή δύναµη: όπως για παράδειγµα στο δυναµό του ποδηλάτου, όπου η περιστροφή του µαγνήτη επιτυγχάνεται µε την κίνηση της ρόδας, καθώς κάνουµε πεντάλ. Με µηχανές εσωτερικής καύσης (βενζίνης ή πετρελαίου): η περιστροφή του µαγνήτη επιτυγχάνεται µε την καύση βενζίνης ή πετρελαίου. Οι περισσότερες γεννήτριες γενικής χρήσης ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Χρησιµοποιούνται κυρίως σε περιοχές που δεν τροφοδοτούνται από το δίκτυο της.ε.η (π.χ. ηλεκτροδότηση µιας καντίνας σε παραλία που απέχει αρκετά από έναν ηλεκτροδοτούµενο από τη.ε.η οικισµό). Με την ενέργεια του ανέµου (ανεµογεννήτριες): η περιστροφή του µαγνήτη επιτυγχάνεται µε την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας, δηλαδή της ενέργειας του ανέµου. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 67

68 Με το νερό που πέφτει από κάποιο ύψος και περιστρέφει υδροστρόβιλους (στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια της.ε.η): η περιστροφή του µαγνήτη των γεννητριών επιτυγχάνεται µε τη χρήση νερού που πέφτει ορµητικά σε υδροστρόβιλους. Από τη θερµότητα που ελευθερώνεται από την καύση λιγνίτη, η οποία δηµιουργεί ατµό και στρέφει τους στροβίλους (στα ατµοηλεκτρικά/θερµοηλεκτρικά εργοστάσια της.ε.η): η περιστροφή του µαγνήτη των γεννητριών επιτυγχάνεται µε µεγάλους ατµοστρόβιλους. Ο ατµός δηµιουργείται από τον βρασµό του νερού για τον οποίο γίνεται καύση γαιάνθρακα (π.χ. λιγνίτη) ή και πετρελαίου. 68 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

69 Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο δυναμό του ποδηλάτου Το δυναµό του ποδηλάτου είναι µια απλή γεννήτρια, η οποία αποτελείται από έναν µόνιµο µαγνήτη, ένα πηνίο και έναν άξονα περιστροφής. Όταν γυρίζουµε τη ρόδα του ποδηλάτου, περιστρέφεται ο µαγνήτης και το πηνίο διαρρέεται από ρεύµα. Όσο πιο αργά περιστρέφουµε τη ρόδα, τόσο πιο αµυδρά φωτίζει το λαµπάκι. Όσο πιο γρήγορα περιστρέφουµε τη ρόδα, τόσο πιο έντονα φωτίζει το λαµπάκι. Όταν η ρόδα του ποδηλάτου σταµατήσει να γυρνά, το λαµπάκι σβήνει. Στο δυναµό του ποδηλάτου συµβαίνουν οι παρακάτω µετατροπές ενέργειας: Αρχικά η χηµική ενέργεια του ποδηλάτη (λόγω κούρασης) µετατρέπεται σε κινητική στον τροχό του ποδηλάτου, η οποία µε τη σειρά της µετατρέπεται σε ηλεκτρική µέσω του δυναµό. Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 69

70 Ηλεκτρική ανεμογεννήτρια Η ηλεκτρική ανεµογεννήτρια χρησιµοποιεί την αιολική ενέργεια, δηλαδή την ενέργεια του ανέµου. Αποτελείται από µια έλικα µε 2 ή 3 συνήθως πτερύγια τα οποία συνδέονται µε τον άξονα περιστροφής. Τα πτερύγια µετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέµου (αιολική) σε κινητική ενέργεια του άξονα. Επίσης, εσωτερικά υπάρχει ένα σύστηµα γραναζιών (στο κιβώτιο µετάδοσης κίνησης ή κιβώτιο ταχυτήτων) για να αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής. Ο περιστρεφόµενος άξονας καταλήγει σε µια ηλεκτρογεννήτρια, η οποία µετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική. Η ανεµογεννήτρια περιλαµβάνει, επίσης, το φρένο, έναν µηχανισµό που σταµατά τη γεννήτρια σε περίπτωση ανάγκης ή όταν η ταχύτητα του ανέµου είναι πολύ µεγάλη και η ανεµογεννήτρια κινδυνεύει να σπάσει. Όλος ο µηχανισµός της γεννήτριας στηρίζεται στον πύργο. 70 Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς

71 Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο υδροηλεκτρικό και στο ατμοηλεκτρικό εργοστάσιο Υδροηλεκτρικό εργοστάσιο: Στο υδροηλεκτρικό εργοστάσιο το νερό πέφτει ορµητικά από το φράγµα και θέτει σε κίνηση τον υδροστρόβιλο. Αυτός µε τη σειρά του περιστρέφει τον µόνιµο µαγνήτη της γεννήτριας, ο οποίος περιβάλλεται από ένα πηνίο, κι έτσι έχουµε την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε ένα υδροηλεκτρικό εργοστάσιο, η δυναµική ενέργεια που έχει αρχικά το νερό στο φράγµα µετατρέπεται σε κινητική στον υδροστρόβιλο και η κινητική ενέργεια του υδροστροβίλου και του µαγνήτης σε ηλεκτρική ενέργεια. Ατµοηλεκτρικό Εργοστάσιο: Εκπαιδευτικός Οργανισµός Ν. Ξυδάς 71