Ηλεκτρισμός: Το φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου TINA ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 «Ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις -Ηλεκτρικό φορτίο» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο «Απλά ηλεκτρικά κυκλώματα» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο «Ηλεκτρική ενέργεια»
1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ - ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ - ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Σκοπός Στο πρώτο κεφάλαιο θα εισαχθεί η βασική έννοια του ηλεκτρικού φορτίου και του ηλεκτρικού πεδίου και θα μελετηθούν τα φαινόμενα που οφείλονται σε ακίνητα φορτία, καθώς οι νόμοι που τα διέπουν. Προσδοκώμενα αποτελέσματα Όταν θα έχετε ολοκληρώσει την μελέτη του κεφαλαίου θα μπορείτε να: Να περιγράφετε απλά φαινόμενα στα οποία αναπτύσσονται ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις Να περιγράφετε απλές ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας την έννοια του ηλεκτρικού φορτίου Να συσχετίζετε το μέτρο του ηλεκτρικού φορτίου με το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης που προκαλεί και να αναφέρετε τις ιδιότητες του Να περιγράφετε τους τρόπους ηλέκτρισης και να διακρίνετε αγωγούς και να διακρίνετε αγωγούς και μονωτές Να διατυπώνετε τον ορισμό του ηλεκτρικού πεδίου και να εφαρμόζετε το νόμο Coulomb 1
2 1.3 Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου. Λέξεις κλειδιά: μικροσκοπική δομή της ύλης, ιδιότητες φορτίου, πρωτόνια, ηλεκτρόνια. Τι γνωρίζετε για τη δομή του ατόμου; Τα σώματα που συναντάμε στη φύση αποτελούνται από άτομα, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Με κατάλληλα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν από τα μέσα του 19ου αιώνα ως τις αρχές του 20ού αιώνα, προέκυψε ότι το άτομο αποτελείται από απλούστερα σωματίδια. Κάθε άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα, γύρω από τον οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας έχει θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια αρνητικό. Επομένως μεταξύ πυρήνα και ηλεκτρονίων εμφανίζονται ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις ενώ μεταξύ των ηλεκτρονίων απωστικές δυνάμεις. Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν ίδια μάζα και ίδια n 0 τιμή ηλεκτρικού φορτίου. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια τα οποία έχουν ίδια μάζα. Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα. Όλα τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο έχουν αντίθετα φορτία, ίδιας τιμής. Το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι -1.6 10 19 C, ενώ το φορτίο του πρωτονίου είναι + 1.6 10 19 C. Το φορτίο του ηλεκτρονίου και το φορτίο του πρωτονίου είναι τα πιο μικρά φορτία που έχουν παρατηρηθεί ελεύθερα στη φύση. Επειδή σε ένα άτομο ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων, το συνολικό φορτίο ενός ατόμου είναι μηδέν, πράγμα που σημαίνει ότι είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Αν για οποιονδήποτε λόγο φύγουν ή έρθουν e - τότε το άτομο μετατρέπεται σε ιόν. 2
3 3
4 Πώς ένα σώμα αποκτά ηλεκτρικό φορτίο; Επειδή όλα τα σώματα αποτελούνται από άτομα που είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, είναι και αυτά ηλεκτρικά ουδέτερα. Πώς λοιπόν αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο; Το άτομο αποκτά ηλεκτρικό φορτίο μέσω κατάλληλης διαδικασίας. Η διαδικασία αυτή οδηγεί σε διαταραχή της ισορροπίας ανάμεσα στα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Επειδή όμως τα πρωτόνια του πυρήνα έχουν μεγάλη μάζα και είναι παγιδευμένα μέσα στον πυρήνα, δεν μπορούν να μετακινηθούν. Επομένως αυτό που μπορεί να συμβεί, για να αποκτήσει ένα άτομο ηλεκτρικό φορτίο, είναι: Είτε να φύγουν ηλεκτρόνια, οπότε τα πρωτόνια γίνονται περισσότερα από τα ηλεκτρόνια (έλλειμμα ηλεκτρονίων) και το άτομο φορτίζεται θετικά. Είτε να έρθουν ηλεκτρόνια, οπότε τα πρωτόνια γίνονται λιγότερα από τα ηλεκτρόνια (πλεόνασμα ηλεκτρονίων) και το άτομο φορτίζεται αρνητικά. Αν από ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα φύγουν ή έρθουν ηλεκτρόνια, το σώμα θα αποκτήσει θετικό ή αρνητικό φορτίο αντίστοιχα. Για να απομακρυνθούν τα ηλεκτρόνια από ένα σώμα, θα πρέπει σε αυτό να προσφερθεί ενέργεια (με τριβή, επίδραση ακτινοβολίας κτλ.), έτσι ώστε να υπερνικηθεί η έλξη που δέχονται από τον πυρήνα. Ποιες είναι οι ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου; Στη φύση απαντούν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου. Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, ενώ τα ετερώνυμα έλκονται. Το ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται (αρχή διατήρησης του φορτίου). Δηλαδή το φορτίο δε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται αλλά μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο. Η δύναμη ανάμεσα σε ηλεκτρικά φορτία είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης τους. Το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισμένο. 4
5 παράδειγμα ΠΡΙΝ ΕΠΑΦΗ ΜΕΤΑ +4μC +6μC +3μC + 6μC +5μC +5μC Το ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται. +4μC +4μC +2 μc +2 μc Οι σφαίρες, που είναι απόλυτα ίδιες και είναι τοποθετημένες συμμετρικά στον χώρο, θα αποκτήσουν ίσα φορτία που θα έχουν άθροισμα όσο το αρχικό. 5
6 Το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντωμένο. Κατά τη διαδικασία της φόρτισης ενός σώματος μεταφέρονται ηλεκτρόνια. Επειδή όμως τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να διαιρεθούν, ούτε και η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου μπορεί να διαιρεθεί. Αυτό σημαίνει ότι: Η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου Q ενός σώματος δεν μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή, παρά μόνο ορισμένη τιμή. Η τιμή του ηλεκτρικού φορτίου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου. Δηλαδή ισχύει: Q = Ν q e Ν ο αριθμός των e - q e η απόλυτη τιμή του ηλεκτρικού φορτίου του ηλεκτρονίου (q e = -1,6 10-19 C). Π.χ. το φορτίο ενός σώματος μπορεί να είναι ίσο με το φορτίο 3 ηλεκτρονίων (3 1,6 10-19 = 4,8 10-19 C). Δεν θα μπορούσε όμως το φορτίο ενός σώματος να είναι 3 10-19 C. Τα φυσικά μεγέθη που δεν μπορούν να πάρουν οποιαδήποτε τιμή παρά μόνο συγκεκριμένες ονομάζονται κβαντωμένα. Επομένως μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρικό φορτίο είναι ένα κβαντωμένο φυσικό μέγεθος. Το ηλεκτρικό φορτίο απαντά στη φύση μόνο σε κεχωρισμένες ποσότητες 6