BIBΛΙΟ ΜΑΘΗΤΗ ΦυσικήB ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ
ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΦΥΣΙΚΗ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ i
Φυσική Β Γυμνασίου: Βιβλίο Μαθητή ΤΑΞΗ Β Συγγραφή: Συντονισμός: Ιωάννης Καρμιώτης, Φυσικός Δημήτριος Φιλίππου, Φυσικός Μαρία Ιακώβου, Φυσικός Δρ Γιώργος Ασπρομάλλης, ΕΜΕ Φυσικής Επιμέλεια έκδοσης: Γλωσσική επιμέλεια: Ιωάννης Καρμιώτης, Φυσικός Δημήτριος Φιλίππου, Φυσικός Μαρία Ιακώβου, Φυσικός Μαριάννα Χριστόφια, Λειτουργός Υπηρεσίας Ανάπτυξης Προγραμμάτων Ηλεκτρονική σελίδωση: Σχεδιασμός εξωφύλλου: Συντονισμός έκδοσης: Ιωάννης Καρμιώτης, Φυσικός Δημήτριος Φιλίππου, Φυσικός Μαρία Ιακώβου, Φυσικός Φωτογραφία: Παρασκευάς Παπαδόπουλος, Φυσικός Επεξεργασία: Έλενα Ηλιάδου, Λειτουργός Υπηρεσίας Ανάπτυξης Προγραμμάτων Χρίστος Παρπούνας, Συντονιστής Υπηρεσίας Ανάπτυξης Προγραμμάτων A Έκδοση 2013 Εκτύπωση: Printco Ltd ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΚΥΠΡΟΥ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ISBN: 978-9963-0-4694-2 Στο εξώφυλλο χρησιμοποιήθηκε ανακυκλωμένο χαρτί σε ποσοστό τουλάχιστον 50%, προερχόμενο από διαχείριση απορριμμάτων χαρτιού. Το υπόλοιπο ποσοστό προέρχεται από υπεύθυνη διαχείριση δασών. ii
ΠΡΟΛΟΓΟΣ H διασφάλιση της ποιότητας ζωής στον αιώνα που διανύουμε, βασίζεται ολοένα και περισσότερο στην επιστημονική και τεχνολογική πρόοδο. Η απόκτηση εκπαίδευσης και δεξιοτήτων στην επιστήμη είναι απαραίτητη για την επίτευξη βιώσιμης ανάπτυξης και εδραίωσης της πραγματικής δημοκρατίας. Με ιδιαίτερη χαρά προλογίζω την έκδοση του βιβλίου «Φυσική Β Γυμνασίου». Το βιβλίο αυτό γράφτηκε με τη σκέψη ότι εσείς, οι σημερινοί μαθητές και οι αυριανοί πολίτες, θα πρέπει να δομήσετε ένα συνεκτικό σώμα γνώσεων, να αναπτύξετε τις αναγκαίες δεξιότητες και ικανότητες για συμμετοχή σε μια κοινωνία ενεργών και κριτικά σκεπτόμενων ανθρώπων και να διαμορφώσετε θετικές στάσεις και συμπεριφορές έναντι της επιστήμης. Γι αυτό το λόγο σε αυτό το βιβλίο τα θέματα της Φυσικής συνδέονται με την καθημερινή ζωή, τη φύση και την εξέλιξη της επιστήμης. Επιθυμώ να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στους εκπαιδευτικούς της ομάδας, Ιωάννη Καρμιώτη, Δημήτριο Φιλίππου και Μαρία Ιακώβου που ασχολήθηκαν με τη συγγραφή του βιβλίου. Ιδιαίτερα θέλω να ευχαριστήσω τον Επιθεωρητή της Φυσικής, Δρα Γιώργο Ασπρομάλλη, που είχε τον συντονισμό της ομάδας, καθώς και την Υπηρεσία Ανάπτυξης Προγραμμάτων που είχε την ευθύνη για την έκδοση του βιβλίου αυτού. Δρ Ζήνα Πουλλή Διευθύντρια Μέσης Εκπαίδευσης iii
iv
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ... 1 ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ... 3 Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων... 3 Είδη ηλεκτρικού φορτίου... 4 Δομή του ατόμου... 5 Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων με τριβή... 6 Έλξη ανάμεσα σε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο και ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα: Ηλεκτρική «φόρτιση» από απόσταση.... 7 Ηλεκτρική φόρτιση σωμάτων με επαφή...10 Αγωγοί και μονωτές...12 Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός...13 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ...15 Ηλεκτρικές συσκευές...15 Διακόπτες...16 Αγωγοί και μονωτές...16 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ...18 Αγωγιμότητα στα στερεά...18 Αγωγιμότητα στα υγρά...20 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ ΣΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ...21 Ηλεκτρικό ρεύμα και ηλεκτρική ενέργεια...21 Έννοιες, μετρήσεις και ποιοτικές σχέσεις στο ηλεκτρικό κύκλωμα...23 Τάση στους πόλους μπαταρίας...23 Χρήση του βολτομέτρου...24 Σύνδεση μπαταριών...24 Ένθετο 1: Μπαταρίες και επιπτώσεις στο περιβάλλον...26 Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος...27 Συνδεσμολογία κυκλωμάτων...29 Συνέπειες του ηλεκτρισμού στον άνθρωπο...33 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΣΧΥΣ...36 ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ...38 Σύνδεση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού...38 Μόνιμοι μαγνήτες...39 Μαγνητικά υλικά και τρόποι μαγνήτισης...39 Ένθετο 2: Ιστορική Αναδρομή: Ηλεκτρομαγνήτης...41 Ένθετο 3: Ο Μαγνητισμός στη φύση...42 v
ΕΝΟΤΗΤΑ 2 ΚΙΝΗΣΕΙΣ...43 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ...45 Εισαγωγή...45 Μονόμετρα και διανυσματικά μεγέθη...47 Μεγέθη και έννοιες που απαιτούνται για την περιγραφή της κίνησης...48 ΜΕΣΗ ΚΑΙ ΣΤΙΓΜΙΑΙΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑ...54 Μέση Ταχύτητα...55 Στιγμιαία ταχύτητα...57 ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΗ ΟΜΑΛΗ ΚΙΝΗΣΗ...57 ΕΝΟΤΗΤΑ 3 ΔΥΝΑΜΕΙΣ...63 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΗΣ...65 Αναγνώριση δυνάμεων...65 Η δύναμη ως διάνυσμα...69 ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΑΠΟ ΕΠΑΦΗ...70 ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΑΠΟ ΑΠΟΣΤΑΣΗ (ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ)...73 Ηλεκτροστατικές δύναμεις...73 Μαγνητική δύναμη...73 Βαρύτητα...74 ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΟΥ ΑΝΤΙΤΙΘΕΝΤΑΙ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ...77 Τριβή...77 Αντίσταση Αέρα...78 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΣΤΑ ΣΩΜΑΤΑ...80 Παραμόρφωση ελατηρίου...80 ΕΝΟΤΗΤΑ 4 ΦΩΣ...85 ΦΩΣ...87 Εισαγωγή...87 Η φύση του φωτός...87 Αυτόφωτα και ετερόφωτα σώματα...87 Πώς γίνονται ορατά τα σώματα;...88 Μοντέλο της διάδοσης του φωτός: οι ακτίνες φωτός...88 Η διάδοση του φωτός...90 Αποτελέσματα της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός...92 Σκιά και παρασκιά...92 Ο Θαλής και η μέτρηση του ύψους των πυραμίδων: τελικά το μόνο που χρειάστηκε ήταν ένα ραβδί!...93 Εκλείψεις...93 Ανάκλαση του φωτός...96 vi
Νόμοι της ανάκλασης...96 Διάχυση του φωτός...97 Φωτορύπανση...98 Είδωλο σε επίπεδο καθρέφτη...100 Διάθλαση του φωτός...103 Νόμοι της διάθλασης...103 Η διάθλαση στην καθημερινή ζωή...104 Η χρήση της διάθλασης στην εξιχνίαση εγκλημάτων...106 ΦΩΣ ΚΑΙ ΧΡΩΜΑ ΤΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ...108 Ηλεκτρομαγνητική ενέργεια...108 Το λευκό φως...108 Ανάλυση του λευκού φωτός...109 Σύνθεση του λευκού φωτός...110 Ο σχηματισμός του ουράνιου τόξου...110 Ανάμειξη έγχρωμων ακτινοβολιών: προσθετική ανάμειξη...113 Εφαρμογές της προσθετικής ανάμειξης ακτινοβολιών...114 Φίλτρα...115 Το χρώμα των σωμάτων...115 Ανάμειξη χρωστικών ουσιών: αφαιρετική ανάμειξη...117 ΠΗΓΕΣ ΕΙΚΟΝΩΝ...121 vii
viii
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ 1
2
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων Καθημερινά, βιώνουμε πολλά φαινόμενα που οφείλονται στην ηλέκτριση ή στην ηλεκτρική φόρτιση διαφόρων σωμάτων. Για παράδειγμα, σε όλους μας σχεδόν έχει τύχει να νιώσουμε ένα μικρό «τίναγμα» από τον σπινθήρα που δημιουργείται, καθώς βγαίνουμε από το αυτοκίνητό μας, ή να ακούσουμε ήχους και να αισθανθούμε μικρά τσιμπήματα καθώς βγάζουμε το μάλλινό μας πουλόβερ. Με ένα πλαστικό μπαλόνι μπορούμε να προκαλέσουμε αρκετά «περίεργα» φαινόμενα, αν το τρίψουμε με ένα μάλλινο ύφασμα ή με ένα νάιλον σακούλι. Μπορούμε, για παράδειγμα, να «τραβήξουμε» μικρά κομματάκια χαρτιού από μικρή απόσταση ή να κάνουμε κόκκους ζάχαρης να αναπηδούν. Μπορούμε, ακόμη, να κάνουμε τα μαλλιά μας να ανασηκωθούν ή να αλλάξουμε την πορεία μιας λεπτής φλέβας νερού που τρέχει από μια βρύση. Όλα αυτά συμβαίνουν, γιατί με την τριβή του πλαστικού μπαλονιού με ένα νάιλον σακούλι, το πλαστικό μπαλόνι ηλεκτρίζεται (φορτίζεται ηλεκτρικά, δηλαδή αποκτά ηλεκτρικό φορτίο, q). Εκτός από το πλαστικό μπαλόνι, με την τριβή φορτίζεται και το νάιλον σακούλι. Αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε αν φέρουμε το σακούλι κοντά στα μαλλιά μας ή κοντά σε μικρά κομματάκια χαρτιού. Εικόνα 1-1: Έλξη λεπτής φλέβας νερού από ένα φορτισμένο μπαλόνι. Εικόνα 1-2: Μικρά κομμάτια χαρτιού έλκονται από ένα φορτισμένο νάιλον σακούλι. Παρόμοιες παρατηρήσεις χρονολογούνται από τον 6 ο π.χ. αιώνα στην Ελλάδα. Συγκεκριμένα, ο Θαλής ο Μιλήσιος είχε παρατηρήσει ότι, όταν έτριβε με ύφασμα ή δέρμα ζώου ένα κομμάτι ήλεκτρον (ήλεκτρο ονομάζεται το κεχριμπάρι, το οποίο είναι απολιθωμένη ρητίνη κωνοφόρων δέντρων), τότε αυτό αποκτούσε μια ασυνήθιστη ιδιότητα την οποία ονομάζουμε ηλέκτριση. Μπορούσε να έλκει ελαφριά αντικείμενα, όπως άχυρα, κομματάκια φτερού και ξερά φύλλα. Εικόνα 1-3: Θαλής ο Μιλήσιος (624-546 π.χ.). 3
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Είδη ηλεκτρικού φορτίου Αλληλεπίδραση μεταξύ δύο φορτισμένων σωμάτων Εικόνα 1-4:. Το φορτισμένο καλαμάκι και το νάιλον σακούλι έλκονται. Εικόνα 1-5: Τα δύο φορτισμένα καλαμάκια απωθούνται. + - + - + + - - - - - - - - - Η διπλανή εικόνα (Εικόνα 1-4), δείχνει μια διάταξη που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε, για να διερευνήσουμε πιο συστηματικά τα φαινόμενα που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων σωμάτων. Τρίβουμε ένα καλαμάκι με ένα νάιλον σακούλι και ακολούθως το πιάνουμε με ένα μανταλάκι που είναι αναρτημένο κατακόρυφα με νήμα και μπορεί να περιστρέφεται. Αν φέρουμε κοντά στο καλαμάκι το νάιλον σακούλι που χρησιμοποιήσαμε, παρατηρούμε ότι το καλαμάκι κινείται προς το σακούλι, δηλαδή έλκεται από αυτό. Αν τρίψουμε ένα δεύτερο καλαμάκι, επίσης με ένα νάιλον σακούλι, και το φέρουμε κοντά στο καλαμάκι που είναι ήδη πιασμένο στο μανταλάκι, παρατηρούμε ότι το καλαμάκι που είναι πιασμένο στο μανταλάκι κινείται μακριά από το άλλο καλαμάκι, δηλαδή απωθείται από αυτό. Οι πιο πάνω παρατηρήσεις, της άπωσης και της έλξης μεταξύ των σωμάτων, μας οδηγούν στο να σκεφτούμε ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη ηλεκτρικών φορτίων. Εκείνο που εμφανίζεται πάνω στα καλαμάκια και εκείνο που εμφανίζεται πάνω στο σακούλι. Τα δύο καλαμάκια φορτίστηκαν με ακριβώς την ίδια διαδικασία (με την τριβή τους στο νάιλον σακούλι) και απέκτησαν το ίδιο είδος ηλεκτρικού φορτίου. Το σακούλι φορτίστηκε με ηλεκτρικό φορτίο διαφορετικού είδους από αυτό που απέκτησαν τα καλαμάκια. Συμπεραίνουμε λοιπόν, ότι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικών φορτίων: θετικά και αρνητικά φορτία. Τα δύο καλαμάκια, που φορτίζονται με το ίδιο είδος φορτίου (π.χ. αρνητικά φορτισμένα), απωθούνται μεταξύ τους. Δηλαδή μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα όμοια, ή όπως λέγονται τα ομώνυμα φορτία, απωθούνται. Το νάιλον σακούλι, που φορτίζεται με διαφορετικό είδος φορτίου από αυτό με το οποίο φορτίζεται το καλαμάκι (π.χ. θετικά φορτισμένο), έλκει το καλαμάκι. Δηλαδή μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα ανόμοια, ή όπως λέγονται τα ετερώνυμα φορτία, έλκονται. Εικόνα 1-6: Αλληλεπίδραση ανάμεσα στα δύο είδη ηλεκτρικών φορτίων. 4
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Ο Γάλλος χημικός Σαρλ Ντιφέ (1698-1739) ανακάλυψε τη διαφορά μεταξύ των δύο ειδών ηλεκτρισμού. Τα ονόμασε υαλώδη και ρητινώδη, γιατί εμφανίζονταν με την τριβή του γυαλιού ή του κεχριμπαριού, αντίστοιχα. Αργότερα, ο Τζον Κάντον (1718-1772) ανακάλυψε ότι μπορούν να παραχθούν και τα δύο είδη ηλεκτρισμού από την ίδια γυάλινη ράβδο, αρκεί να την τρίψει κανείς με διαφορετικό υλικό κάθε φορά. Δομή του ατόμου Το καλαμάκι, όπως και όλα τα σώματα που μας περιβάλλουν (στερεά, υγρά και αέρια), αποτελούνται από τρισεκατομμύρια άτομα ίδιων ή διαφορετικών χημικών στοιχείων. Κάθε άτομο αποτελείται από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια (e), από θετικά φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια (p), και από ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια, τα νετρόνια (n). Εικόνα 1-7: Σαρλ Ντιφέ (1698-1739). Ηλεκτρονικό νέφος Τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρίσκονται στην περιοχή του ατόμου που ονομάζεται πυρήνας, ενώ τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα στην περιοχή που ονομάζεται ηλεκτρονικό νέφος. Το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι ίσο και αντίθετο με το φορτίο ενός πρωτονίου. Τα άτομα που αποτελούν ένα υλικό είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, διότι, ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε αυτά είναι ίσος. Αν με κάποιο τρόπο μεταφερθούν από ή προς ένα άτομο ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, τότε η ισορροπία μεταξύ των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων στο άτομο αλλάζει. Με τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό γίνεται μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων και το άτομο γίνεται θετικά φορτισμένο. Ένα τέτοιο άτομο ονομάζεται θετικό ιόν. Αντιθέτως, με τη μεταφορά ηλεκτρονίων προς το άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο άτομο γίνεται μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων και το άτομο γίνεται αρνητικά φορτισμένο. Σε αυτή την περίπτωση το άτομο ονομάζεται αρνητικό ιόν. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι μόνο τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από ή προς ένα άτομο και ποτέ τα πρωτόνια, αφού αυτά βρίσκονται στον πυρήνα του ατόμου και δεν μπορούν να μετακινηθούν. Εικόνα 1- ατόμου. 8: Μοντέλο του Πυρήνας 5
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων με τριβή Γιατί όταν τρίψουμε ένα πλαστικό καλαμάκι σε ένα νάιλον σακούλι τα σώματα αυτά φορτίζονται; - + + + + + - - - + - Εικόνα 1-9: Η ηλεκτρική φόρτιση με τριβή οφείλεται στη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα σώμα στο άλλο. Πριν τρίψουμε το πλαστικό καλαμάκι στο νάιλον σακούλι, υπάρχει στα δύο αντικείμενα ίσος αριθμός θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων (ίσος αριθμός ηλεκτρονίων και πρωτονίων). Ως αποτέλεσμα, τα δύο αντικείμενα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τρίβοντας το καλαμάκι με το νάιλον σακούλι, η ισορροπία ηλεκτρονίων και πρωτονίων στα άτομα που αποτελούν τα δύο αντικείμενα διαταράσσεται, γιατί μεταφέρονται ηλεκτρόνια από τα άτομα που αποτελούν το νάιλον σακούλι στο πλαστικό καλαμάκι. Οπότε, το καλαμάκι αποκτά πλεόνασμα ηλεκτρονίων και φορτίζεται αρνητικά, ενώ, ταυτόχρονα, στο νάιλον σακούλι δημιουργείται έλλειμμα ηλεκτρονίων (ή ισοδύναμα πλεόνασμα πρωτονίων) και φορτίζεται θετικά. Γιατί η μεταφορά των ηλεκτρονίων γίνεται από το νάιλον σακούλι προς το καλαμάκι και όχι το αντίθετο; Τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων του καλαμακιού, δέχονται μεγαλύτερη έλξη από τους πυρήνες των ατόμων που ανήκουν, σε σχέση με την έλξη που δέχονται τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων που αποτελούν το νάιλον σακούλι. Αυτό κάνει την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα που αποτελούν το νάιλον σακούλι ευκολότερη παρά την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα που αποτελούν το καλαμάκι. Εικόνα 1-10: Ανεφοδιασμός αεροσκάφους με καύσιμα. Εφαρμογή: Πώς αποφεύγεται το ξέσπασμα πυρκαγιών κατά τον ανεφοδιασμό αεροσκαφών με καύσιμα; Όταν ένα υγρό ρέει σε έναν μεταλλικό σωλήνα, μπορεί το υγρό και ο σωλήνας να φορτιστούν λόγω της μεταξύ τους τριβής. Η φόρτιση του σωλήνα και του υγρού μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία σπινθήρων μεταξύ τους, όπως ακριβώς συμβαίνει όταν βγάζουμε το μάλλινό μας πουλόβερ. Στην περίπτωση, όμως, που το υγρό είναι εύφλεκτο, η δημιουργία σπινθήρα μπορεί να οδηγήσει σε ανάφλεξη των καυσίμων και σε έκρηξη! Γι αυτό τον λόγο, κατά τη διάρκεια του εφοδιασμού των αεροπλάνων με καύσιμα, ο υπεύθυνος συνδέει πάντα τον σωλήνα εφοδιασμού με τη γη (το έδαφος), μέσω ενός μεταλλικού καλωδίου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται γείωση και, όπως θα δούμε αργότερα, με αυτό τον τρόπο τα καύσιμα και ο σωλήνας αποφορτίζονται. 6
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Εργασία «Όταν ένα μπαλόνι τρίβεται με μάλλινο ύφασμα, το μπαλόνι φορτίζεται αρνητικά». (α) Να εξηγήσετε γιατί φορτίζεται το μπαλόνι. (β) Ποιο είδος φορτίου αποκτά το μάλλινο ύφασμα κατά τη διάρκεια της τριβής; (γ) Πώς μπορούμε να δείξουμε ότι το μπαλόνι φορτίζεται αρνητικά με την τριβή του στο μάλλινο ύφασμα, αν ήδη γνωρίζουμε ότι τρίβοντας ένα καλαμάκι σε μάλλινο ύφασμα το καλαμάκι φορτίζεται αρνητικά; Έλξη ανάμεσα σε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο και ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα: Ηλεκτρική «φόρτιση» από απόσταση. Όπως είδαμε προηγουμένως, ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο έλκει άλλα ηλεκτρικά ουδέτερα αντικείμενα. Για παράδειγμα, ένα καλαμάκι και ένα μάλλινο ύφασμα που φορτίζονται μέσω τριβής έλκουν από κάποια απόσταση μικρά κομματάκια χαρτιού ή μια λεπτή φλέβα νερού που τρέχει από μια βρύση. Επίσης, όταν τρίψουμε ένα φουσκωμένο μπαλόνι στα ρούχα μας και το τοποθετήσουμε σε έναν κατακόρυφο τοίχο, παρατηρούμε ότι το ηλεκτρικά φορτισμένο μπαλόνι «κολλά» στον ηλεκτρικά ουδέτερο τοίχο. Πώς μπορούμε να ερμηνεύσουμε τα πιο πάνω φαινόμενα; Έστω ότι το μπαλόνι μετά την τριβή του στο μάλλινο πουλόβερ καθίσταται θετικά φορτισμένο. Θα πρέπει, για να «κολλά» στον τοίχο, να έλκεται από τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) που υπάρχουν στον τοίχο. Ο τοίχος στο σύνολό του είναι ηλεκτρικά ουδέτερος, αλλά τα άτομα που τον αποτελούν, αποτελούνται από θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Όταν το θετικά φορτισμένο μπαλόνι κινηθεί προς τον τοίχο, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί, αρκετά από τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν κοντά στην επιφάνεια του τοίχου κινούνται προς την επιφάνεια του τοίχου λόγω έλξης (τα ετερώνυμα φορτία έλκονται). Συνεπώς, η επιφάνεια του τοίχου φορτίζεται αρνητικά για όσο βρίσκεται κοντά της το θετικά φορτισμένο μπαλόνι. Αποτέλεσμα αυτής της παροδικής φόρτισης της επιφάνειας του τοίχου, είναι η έλξη ανάμεσα στο θετικά φορτισμένο μπαλόνι και στον τοίχο. - - + + + + - + + - - + - - + + + + - + + - - + Εικόνα 1-11: Τα μπαλόνια και τα καλαμάκια παραμένουν «κολλημένα» στον τοίχο, αφού προηγουμένως τα τρίψαμε με ένα νάιλον σακούλι. - + - + + + - + - + - + Τοίχος 7 Τοίχος Τοίχος
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Θετικά φορτισμένα σταγονίδια μπογιάς Αρνητικά φορτισμένη μεταλλική επιφάνεια Εικόνα 1-12: Ηλεκτροστατική βαφή μεταλλικών επιφανειών Εφαρμογή: Ηλεκτροστατική βαφή Τα τελευταία χρόνια, το βάψιμο των μεταλλικών κατασκευών γίνεται με τη χρήση ηλεκτροστατικών πιστολιών. Το σημείο του πιστολιού, από το οποίο εξέρχονται τα μικροσκοπικά σταγονίδια μπογιάς (ακροφύσιο), είναι θετικά φορτισμένο με αποτέλεσμα τα σταγονίδια της μπογιάς που εξέρχονται από αυτό να φορτίζονται θετικά μέσω επαφής. Τα σταγονίδια μπογιάς που εξέρχονται από το ηλεκτροστατικό πιστόλι απωθούνται μεταξύ τους, γιατί είναι φορτισμένα με το ίδιο είδος φορτίου και δημιουργείται με αυτό τον τρόπο ένα «σύννεφο» σταγονιδίων μπογιάς. Λόγω του ότι τα σταγονίδια μπογιάς είναι θετικά φορτισμένα, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη μεταλλική κατασκευή κινούνται, λόγω έλξης, κοντά στην επιφάνεια του μετάλλου με αποτέλεσμα τα σταγονίδια μπογιάς να έλκονται και να «κολλούν» στη μεταλλική επιφάνεια. Με την εφαρμογή αυτής της μεθόδου, η ποσότητα της μπογιάς που χρησιμοποιείται είναι κατά πολύ λιγότερη από αυτήν που χρησιμοποιείται με τους πιο παραδοσιακούς τρόπους βαφής. Επιπλέον, λόγω του ότι τα σταγονίδια μπογιάς έλκονται από όλα τα σημεία της μεταλλικής επιφάνειας, το στρώμα μπογιάς που εναποτίθεται στη μεταλλική επιφάνεια είναι ομοιόμορφο σε όλα τα σημεία. Εφαρμογή: Ηλεκτροστατικός ψεκασμός φυτών Εικόνα 1-13: Ηλεκτροστατικός ψεκασμός φυτών Παρόμοια τεχνική εφαρμόζεται και στο ψέκασμα των φυτών και των δέντρων με τη χρήση ηλεκτροστατικών ψεκαστήρων. Η εφαρμογή αυτής της τεχνικής έχει ως αποτέλεσμα τον ψεκασμό των δέντρων σε όλα τους τα σημεία (ακόμα και κάτω από τα φύλλα) και την περιορισμένη ποσότητα φυτοφαρμάκων που χρησιμοποιούνται σε σχέση με την περίπτωση που εφαρμόζεται ο συνήθης ψεκασμός. Αυτό οδηγεί στον περιορισμό της ρύπανσης του εδάφους από τα φυτοφάρμακα που χρησιμοποιούνται. 8
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Εργασίες 1. Να εξηγήσετε τα πιο κάτω φαινόμενα: (α) Ένα πλαστικό στυλό έλκει κομματάκια από χαρτί αφού το τρίψουμε με ένα νάιλον σακούλι. (β) Ένα πλαστικό καλαμάκι «συγκρατείται» στον τοίχο, αφού το τρίψουμε σε μάλλινο ύφασμα και το αφήσουμε να ακουμπήσει εκεί. 2. Το μπαλόνι Α που φαίνεται στα πιο κάτω σχήματα είναι αρνητικά φορτισμένο, ενώ το μπαλόνι Β είναι αφόρτιστο. Να επιλέξετε το σχήμα ή τα σχήματα που δείχνουν σωστά τη θέση των μπαλονιών Α και Β, όταν τα φέρουμε το ένα κοντά στο άλλο. α β γ δ ε Α Β Β Α Β Α Β Α Β 3. Πιο κάτω, φαίνονται οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα μπαλόνια Α, Β και Γ σε δύο περιπτώσεις. Σε κάθε περίπτωση είναι γνωστό ότι το μπαλόνι Β είναι αρνητικά φορτισμένο. Τι συμπέρασμα μπορείτε να βγάλετε για το φορτίο των μπαλονιών Α και Γ στην κάθε περίπτωση ξεχωριστά; Περίπτωση 1 Περίπτωση 2 Α Β Β Α Β Γ 9
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Ηλεκτρική φόρτιση σωμάτων με επαφή Στα διάφορα φαινόμενα του στατικού ηλεκτρισμού, για να εξετάσουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο, χρησιμοποιούμε διάφορα όργανα. Ένα από αυτά είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές. Το ηλεκτρικό εκκρεμές αποτελείται από ένα ελαφρύ αντικείμενο (μικρή μεταλλική σφαίρα ή μπαλάκι από φελιζόλ/ πολυστερίνη) το οποίο είναι κολλημένο σε μια λεπτή νάιλον κλωστή, όπως φαίνεται στη διπλανή εικόνα (Εικόνα 1-14). Εικόνα 1-14: Φόρτιση μιας σφαίρας με επαφή. Όταν αγγίξουμε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο (π.χ. μια φορτισμένη γυάλινη ράβδο) σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο αντικείμενο (π.χ. μια ηλεκτρικά ουδέτερη σφαίρα ενός εκκρεμούς), παρατηρούμε ότι μετά την επαφή τα δύο σώματα απωθούνται. Αυτό σημαίνει ότι τα δύο αντικείμενα κατά την επαφή τους αποκτούν φορτίο ίδιου είδους. Πώς όμως εξηγείται η φόρτιση ενός σώματος με επαφή; Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε μια θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδο (ή γυάλινο δοκιμαστικό σωλήνα) είναι μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων. Κατά την επαφή της γυάλινης ράβδου με την αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερη σφαίρα του εκκρεμούς, μερικά από τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στη σφαίρα μετακινούνται προς τη θετικά φορτισμένη ράβδο λόγω έλξης. Έτσι, η σφαίρα του εκκρεμούς φορτίζεται θετικά, ενώ η γυάλινη ράβδος εμφανίζεται λιγότερο φορτισμένη (γιατί η διαφορά θετικών και αρνητικών σωματιδίων σε αυτήν ελαττώνεται), αλλά εξακολουθεί να είναι θετικά φορτισμένη. Έτσι, τα δύο αντικείμενα απωθούνται. + - + + - + + + + + - - + - - + + + + -+ + - - + + + - - + + + + + + + - - - + - + Εικόνα 1-15: Σχηματική αναπαράσταση της μεταφοράς ηλεκτρικών φορτίων κατά τη φόρτιση μιας σφαίρας με επαφή. Ο Άγγλος Στίβεν Γκρέι (Stephen Grey, 1666-1736) ανακάλυψε την ηλέκτριση με επαφή. Παρατήρησε ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες μιας φορτισμένης γυάλινης ράβδου μπορούσαν να μεταφερθούν στον φελλό, στο ξύλο ή σε μια μεταξωτή κλωστή, αν αυτά έρχονταν σε επαφή με τη ράβδο. Εικόνα 1-16: Στίβεν Γκρέι, (1666-1736). 10
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Εργασία Να εξηγήσετε, κάνοντας τα απαραίτητα σχήματα, τη φόρτιση της σφαίρας του εκκρεμούς, αφού έρθει σε επαφή με ένα αρνητικά φορτισμένο πλαστικό καλαμάκι. Εφαρμογή: Καθαρισμός αέρα από τα σωματίδια σκόνης. Για τον καθαρισμό του αέρα από τα σωματίδια σκόνης ή γύρης σε ένα κλειστό δωμάτιο, χρησιμοποιούνται συνήθως ηλεκτρικές συσκευές που ονομάζονται ιονιστές. Οι ιονιστές είναι συσκευές που αποτελούνται από μια σειρά θετικά φορτισμένων καλωδίων, γύρω από τα οποία υπάρχουν αρνητικά φορτισμένες μεταλλικές πλάκες. Καθώς περνά ο αέρας μέσα από το σύστημα των καλωδίων, τα σωματίδια σκόνης φορτίζονται θετικά (φόρτιση με επαφή). Ακολούθως, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια σκόνης απωθούνται από τα θετικά φορτισμένα καλώδια και ταυτόχρονα έλκονται από τις αρνητικά φορτισμένες μεταλλικές πλάκες πάνω στις οποίες και «κολλούν». Με αυτό τον τρόπο ο αέρας που εξέρχεται από αυτό το σύστημα είναι απαλλαγμένος από τα σωματίδια σκόνης. Έξοδος αέρα απαλλαγμένου από σωματίδια σκόνης ή γύρης + + + + + Θετικά φορτισμένα καλώδια Αρνητικά φορτισμένη μεταλλική πλάκα Είσοδος αέρα που περιέχει σωματίδια σκόνης ή γύρης Εικόνα 1-17: Μέρη συσκευής καθαρισμού του αέρα από τα σωματίδια σκόνης. 11
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Αγωγοί και μονωτές Αν τρίψουμε το μέσο μιας μεταλλικής ράβδου με ένα νάιλον σακούλι και την ακουμπήσουμε σε έναν ανιχνευτή ηλεκτρικού φορτίου, παρατηρούμε ότι δεν φορτίζεται μόνο η περιοχή της ράβδου που τρίβουμε αλλά ολόκληρη η ράβδος. Εικόνα 1-18: Η μεταλλική ράβδος φορτίζεται σε όλα της τα σημεία αφού την τρίψουμε με το νάιλον σακούλι στο μέσο της. Σε αντίθεση, αν τρίψουμε μόνο την άκρη μιας πλαστικής ράβδου με ένα νάιλον σακούλι, παρατηρούμε ότι φορτίζεται μόνο η περιοχή της ράβδου που τρίψαμε, ενώ τα υπόλοιπα σημεία της ράβδου παραμένουν αφόρτιστα. Εικόνα 1-19: Η πλαστική ράβδος φορτίζεται μόνο στην περιοχή που την τρίβουμε με το νάιλον σακούλι. Από τις πιο πάνω παρατηρήσεις, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα φορτία που απέκτησε η μεταλλική ράβδος με την τριβή, μετακινήθηκαν σε όλη της την επιφάνεια, ενώ τα φορτία που απέκτησε η πλαστική ράβδος δεν μετακινήθηκαν, αλλά παρέμειναν στην περιοχή που μεταφέρθηκαν αρχικά. Η συμπεριφορά της μεταλλικής ράβδου χαρακτηρίζει μια ομάδα υλικών, τα οποία ονομάζονται αγωγοί, ενώ η συμπεριφορά της πλαστικής ράβδου χαρακτηρίζει μια άλλη ομάδα υλικών, τα οποία ονομάζονται μονωτές. Εικόνα 1-20: Η μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων μέσω ενός αγωγού. Ο Άγγλος Στίβεν Γκρέι (Stephen Grey, 1666-1736), παρατήρησε αρχικά ότι η φόρτιση με επαφή δεν συμβαίνει σε μια μεταλλική κλωστή, όπως συμβαίνει σε μια μεταξωτή κλωστή. Παρόλα αυτά, μετά από αρκετή μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένα μεταλλικό αντικείμενο μπορούσε, επίσης, να φορτιστεί μόνο όταν το κρατούσε με κάποιο μονωτικό υλικό. Μέσα από αυτά τα πειράματα, ο Στίβεν Γκρέι ανακάλυψε τη διαφορά μεταξύ αγωγών και μονωτών του ηλεκτρισμού. 12
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Εφαρμογή: Γιατί τα εύφλεκτα υγρά πρέπει να μεταφέρονται μόνο σε μεταλλικά δοχεία και όχι σε πλαστικά; Κατά τη μεταφορά υγρών καυσίμων με ένα μπιτόνι (παγούρι) ή βυτιοφόρο είναι δυνατόν, λόγω της τριβής του υγρού με το μπιτόνι, το υγρό καύσιμο και το μπιτόνι να φορτιστούν. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία σπινθήρα και στην πρόκληση πυρκαγιάς. Αν το μπιτόνι είναι μεταλλικό, κάποιος θα μπορούσε να πετύχει την αποφόρτισή του, συνδέοντάς το με το έδαφος μέσω ενός καλωδίου, όπως και στην περίπτωση ανεφοδιασμού ενός αεροπλάνου με καύσιμα που μελετήσαμε προηγουμένως. Με αυτό τον τρόπο, αφού τα μέταλλα είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού, τα επιπλέον ηλεκτρικά φορτία (ηλεκτρόνια) μπορούν να μετακινηθούν μέσω του καλωδίου προς το έδαφος (ή από το έδαφος προς το μεταλλικό δοχείο, αν υπάρχει έλλειμμα ηλεκτρονίων). Έτσι, επιτυγχάνεται η αποφόρτιση του δοχείου και του περιεχομένου του και αποτρέπεται η δημιουργία σπινθήρα. Αν όμως το μπιτόνι είναι πλαστικό (μονωτικό υλικό) θα μπορούσε κάποιος να εφαρμόσει την ίδια τεχνική; Τα πλαστικά είναι μονωτές και όπως είδαμε πιο πάνω οι μονωτές δεν επιτρέπουν τη μετακίνηση ηλεκτρικών φορτίων από μια περιοχή τους σε κάποια άλλη. Συνεπώς, η αποφόρτιση ενός πλαστικού μπιτονιού, μέσω ενός καλωδίου προς το έδαφος δεν είναι δυνατή. Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός Η παρουσία αστραπών και κεραυνών είναι συνηθισμένο φαινόμενο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Οφείλονται στα ηλεκτρικά φορτισμένα σταγονίδια νερού που αποτελούν τα σύννεφα. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα σταγονίδια νερού είναι θετικά φορτισμένα και σε κάποιες άλλες περιπτώσεις αρνητικά φορτισμένα. Τα σταγονίδια νερού φορτίζονται λόγω της τριβής τους με τον αέρα. Όταν τα σύννεφα αυτά βρεθούν αρκετά κοντά το ένα στο άλλο, δημιουργείται ένας μεγάλος σπινθήρας μεταξύ των συννέφων, μια αστραπή, που συνοδεύεται από λάμψη και ήχο. Σε αρκετές περιπτώσεις, όμως, η παρουσία των νεφών κοντά στο έδαφος ή σε ψηλά κτήρια, προκαλεί τοπική φόρτιση της επιφάνειας του εδάφους ή των κτηρίων, λόγω της μετακίνησης των φορτισμένων σωματιδίων που την αποτελούν. Κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι δυνατό να Εικόνα 1-22: Δημιουργία αστραπής. δημιουργηθεί κεραυνός, δηλαδή ένας μεγάλος Εικόνα 1-21: Δημιουργία κεραυνού. 13
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ σπινθήρας μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους ή των κτηρίων. Εικόνα 1-23: Αλεξικέραυνο. Η προστασία των κτηρίων μπορεί να επιτευχθεί με την τοποθέτηση αλεξικέραυνων στην οροφή τους. Το πιο απλό αλεξικέραυνο αποτελείται από μεταλλική ράβδο που καταλήγει σε ακίδα (μυτερό άκρο). Η μεταλλική αυτή ράβδος συνδέεται με το έδαφος με παχύ χάλκινο καλώδιο που καταλήγει βαθιά μέσα σε αυτό. Όταν εκδηλωθεί ο κεραυνός, το αλεξικέραυνο οδηγεί το ηλεκτρικό φορτίο προς το έδαφος, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει κανένας κίνδυνος για το κτήριο ή του ενοίκους του. 14
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Ηλεκτρικές συσκευές Ο ηλεκτρισμός είναι από τους πιο διαδεδομένους τρόπους μεταφοράς ενέργειας από ένα σημείο σε ένα άλλο. Η μεταφορά και η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλες μορφές ενέργειας γίνεται με τη χρήση ειδικών διατάξεων που ονομάζονται ηλεκτρικά κυκλώματα. Τα ηλεκτρικά κυκλώματα που βρίσκονται στις ηλεκτρικές συσκευές, διαφέρουν τόσο ως προς το μέγεθός τους, όσο και ως προς την πολυπλοκότητά τους. Για παράδειγμα, το ηλεκτρικό κύκλωμα ενός φακού (ηλεκτρικό φανάρι) ή ενός μικρού ατομικού ανεμιστήρα είναι πολύ απλό, σε σχέση με το ηλεκτρικό κύκλωμα που διαθέτει ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής. Το κύκλωμα του ηλεκτρικού φακού αποτελείται από έναν λαμπτήρα, καλώδια, μπαταρίες και διακόπτη. Σε αντίθεση, το ηλεκτρικό κύκλωμα ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή αποτελείται από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες τρανζίστορ (ενσωματωμένα στα τσιπ), καλώδια, πυκνωτές, λαμπτήρες κ.λπ. Οι λαμπτήρες, οι μπαταρίες, τα καλώδια, τα τρανζίστορ και ό,τι άλλο περιέχεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, ονομάζονται συσκευές του ηλεκτρικού κυκλώματος. Στον σχεδιασμό ενός ηλεκτρικού κυκλώματος παριστάνουμε τις συσκευές που αποτελούν το ηλεκτρικό κύκλωμα με εικόνες ή με σύμβολα. Στον πιο κάτω πίνακα δίνονται οι εικόνες κάποιων από τις συσκευές που χρησιμοποιούμε σε απλά ηλεκτρικά κυκλώματα και τα αντίστοιχα σύμβολά τους. Εικόνα 1-24: Ηλεκτρικός φακός και κύκλωμα ηλεκτρονικού υπολογιστή. Διαφέρουν πολύ ως προς την πολυπλοκότητά τους. Όνομα ηλεκτρικής συσκευής Εικόνα ηλεκτρικής συσκευής Σύμβολο ηλεκτρικής συσκευής Λαμπτήρας Διακόπτης Μπαταρία + - + - 15
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Το κύκλωμα ενός ηλεκτρικού φακού μπορεί να αναπαρασταθεί με τους εξής δύο τρόπους, όπως φαίνεται στα διπλανά διαγράμματα. + - Ερώτηση Ποιες προϋποθέσεις πρέπει να ισχύουν, για να φωτοβολεί ο λαμπτήρας στο διπλανό ηλεκτρικό κύκλωμα; Εικόνα 1-25: Σχηματική και συμβολική αναπαράσταση του κυκλώματος ενός ηλεκτρικού φακού. Ανοικτός διακόπτης Κλειστός διακόπτης Κενό Εικόνα 1-26: Ανοικτός και κλειστός διακόπτης. Διακόπτες Ένας τρόπος για να θέσουμε εκτός λειτουργίας τον λαμπτήρα στο πιο πάνω κύκλωμα, είναι να απομακρύνουμε ένα ή και τα δύο καλώδια από την μπαταρία ή από τον λαμπτήρα. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούμε ένα κενό στο κύκλωμα και ο λαμπτήρας σταματά να φωτοβολεί. Ένας πιο απλός τρόπος να ελέγχουμε τον ηλεκτρισμό που διαρρέει το κύκλωμα, είναι να συμπεριλάβουμε στο κύκλωμα έναν διακόπτη. Με το άνοιγμα του διακόπτη δημιουργείται στο κύκλωμα ένα κενό, με αποτέλεσμα το κύκλωμα να μη διαρρέεται από ηλεκτρισμό. Αντιθέτως, με το κλείσιμο του διακόπτη το κενό σταματά να υπάρχει, το κύκλωμα αρχίζει να διαρρέεται από ηλεκτρισμό και ο λαμπτήρας φωτοβολεί. + - Αγωγοί και μονωτές Εικόνα 1-27: Κύκλωμα για διαχωρισμό των υλικών σε αγωγούς και μονωτές. Όταν αντικείμενα από γυαλί, ξύλο, πλαστικό, κ.λπ., περιληφθούν σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα με έναν λαμπτήρα, μια μπαταρία και καλώδια, ο λαμπτήρας σταματά να φωτοβολεί. Τα υλικά που δεν επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρισμού σε ένα κύκλωμα ονομάζονται μονωτές ή κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Αντιθέτως, αν περιληφθούν στο ίδιο κύκλωμα μεταλλικά αντικείμενα, η λειτουργία του λαμπτήρα επηρεάζεται πολύ λίγο. Τέτοια υλικά, που επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρισμού στο κύκλωμα, ονομάζονται καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού ή αγωγοί. 16
ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Ερωτήσεις 1. Η διπλανή εικόνα δείχνει έναν ρευματολήπτη (πρίζα). Ο ρευματολήπτης αποτελείται από αγώγιμα και μονωτικά μέρη. α) Να σημειώσετε στο διπλανό σχήμα κατά πόσο τα μέρη που υποδεικνύονται είναι μονωτές ή αγωγοί του ηλεκτρισμού. β) Να γράψετε σε συντομία τη χρησιμότητα των αγώγιμων και των μονωτικών μερών του ρευματολήπτη. 2. Γιατί οι πυροσβέστες φοράνε πλαστικά καπέλα και όχι μεταλλικά; 3. Να σχεδιάσετε μια αφίσα με θέμα την ασφαλή χρήση του ηλεκτρισμού στο σχολείο ή /και στο σπίτι. 17