ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΒΡΕΝΤΖΟΥ ΤΙΝΑ 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 2
3 1.1-1.2 Γνωριμία με την ηλεκτρική δύναμη- ηλεκτρικό φορτίο Λέξεις κλειδιά: Το ήλεκτρο, ηλεκτρισμένα σώματα, ηλεκτρική δύναμη, ηλεκτρικό εκκρεμές, είδη ηλεκτρικών δυνάμεων, ηλεκτρικό φορτίο, είδη ηλεκτρικού φορτίου, μέτρηση, συνολικό φορτίο. 1.1 Ποια φαινόμενα ονομάστηκαν ηλεκτρικά; Τον 6ο αιώνα π.χ. ο Θαλής ο Μιλήσιος παρατήρησε ότι το ήλεκτρο (κεχριμπάρι), όταν τριβόταν με ένα μάλλινο ύφασμα, αποκτούσε μια παράξενη ιδιότητα να έλκει μικρά, ελαφρά αντικείμενα, όπως τρίχες, μικρά φτερά, πούπουλα, ξερά φύλλα, κλωστές κτλ. Τα φαινόμενα αυτά, επειδή είχαν ως αιτία εμφάνισης τους το ήλεκτρο, ονομάστηκαν ηλεκτρικά και το αντίστοιχο κομμάτι της φυσικής που τα εξετάζει ηλεκτρισμός. Ποιά σώματα ονομάζονται ηλεκτρισμένα; Διαπιστώθηκε πειραματικά ότι η ίδια παράξενη ιδιότητα του ήλεκτρου εκδηλώνεται και σε άλλα σώματα, όπως το γυαλί, το πλαστικό κτλ. Αν, για παράδειγμα, πάρουμε ένα πλαστικό στυλό και το τρίψουμε με μάλλινο ύφασμα, μπορεί να έλκει μικρά χαρτάκια. Όλα τα υλικά τα οποία, όταν τα τρίψουμε με κάποιο άλλο σώμα, συμπεριφέρονται όπως το ήλεκτρο (δηλαδή ασκούν δύναμη σε ελαφρά αντικείμενα) θα λέγονται ηλεκτρισμένα. Τι είναι η ηλεκτρική δύναμη; Ηλεκτρική δύναμη λέγεται η δύναμη που ασκείται μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων. 3
4 Πώς μπορούμε να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο; Χρησιμοποιώντας το ηλεκτρικό εκκρεμές. Αποτελείται από ένα ελαφρύ αντικείμενο, μη ηλεκτρισμένο (για παράδειγμα, ένα μπαλάκι από φελιζόλ ή από χαρτί), το οποίο κρέμεται με τη βοήθεια ενός νήματος από ένα σταθερό σημείο. Όταν θέλουμε να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο, τότε το πλησιάζουμε κοντά στο μπαλάκι του εκκρεμούς: Αν το σώμα είναι ηλεκτρισμένο, το μπαλάκι του εκκρεμούς έλκεται από αυτό και εκτρέπεται από την αρχική του θέση. Αν το σώμα δεν είναι ηλεκτρισμένο, το μπαλάκι του εκκρεμούς παραμένει στην αρχική του θέση. Οι ηλεκτρικές δυνάμεις είναι δυνάμεις επαφής ή δυνάμεις από απόσταση; Ένα ηλεκτρισμένο σώμα, όπως η χτένα του παρακάτω σχήματος, έλκει τα κομματάκια χαρτιού χωρίς να χρειάζεται να έλθει σε επαφή με αυτό. Συμπεραίνουμε λοιπόν οι ηλεκτρικές δυνάμεις είναι δυνάμεις από απόσταση. Ένας μαγνήτης ασκεί ηλεκτρική δύναμη; Αν πλησιάσουμε στο μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμούς ένα μαγνήτη, διαπιστώνουμε ότι το μπαλάκι παραμένει στη θέση του και δεν έλκεται από το μαγνήτη. Η ηλεκτρική δύναμη είναι διαφορετική από τη μαγνητική. Ο μαγνήτης 4
5 έλκει μόνο αντικείμενα που είναι κατασκευασμένα από σιδηρομαγνητικά υλικά, δηλαδή αντικείμενα που περιέχουν σίδηρο, νικέλιο ή κοβάλτιο. Τι είδους δυνάμεις εμφανίζονται μεταξύ των ηλεκτρισμένων σωμάτων; Αν τρίψουμε σε μεταξωτό ύφασμα δύο γυάλινες ράβδους και τις πλησιάσουμε μεταξύ τους, θα παρατηρήσουμε ότι απωθούνται. Ομοίως, αν τρίψουμε σε μάλλινο ύφασμα δύο πλαστικές ράβδους και τις πλησιάσουμε μεταξύ τους, θα παρατηρήσουμε ότι απωθούνται. Αν όμως τρίψουμε σε μεταξωτό ύφασμα μια γυάλινη ράβδο και σε μάλλινο ύφασμα μια πλαστική ράβδο και τις πλησιάσουμε μεταξύ τους, θα παρατηρήσουμε ότι οι δύο ράβδοι έλκονται. Οι δυνάμεις που εμφανίζονται μεταξύ των ηλεκτρισμένων σωμάτων μπορεί να είναι είτε ελκτικές είτε απωστικές. Απωστική δύναμη Ελκτική δύναμη - 5
6 1.2 Το ηλεκτρικό φορτίο Τι γνωρίζετε για το ηλεκτρικό φορτίο; Για να μπορέσουμε, ορίσαμε ένα καινούριο Με το μονόμετρο φυσικό μέγεθος που ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο ( Q ή q) μπορούμε να εξηγήσουμε την ιδιότητα των ηλεκτρισμένων σωμάτων να έλκουν ελαφρά αντικείμενα καθώς και την προέλευση των ηλεκτρικών δυνάμεων Έτσι λοιπόν δύο σώματα που έχουν ηλεκτρικό φορτίο αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ηλεκτρικές δυνάμεις και λέμε ότι είναι ηλεκτρικά φορτισμένα. Πόσα είδη ηλεκτρικού φορτίου υπάρχουν; Δύο ηλεκτρισμένα σώματα μπορούν είτε να έλκονται είτε να απωθούνται μεταξύ τους. Ο Βενιαμίν Φραγκλίνος (1709-1790), που έκανε τα πρώτα καταγραμμένα πειράματα, ονόμασε τα ηλεκτρικά φορτία στο γυαλί θετικά (+) και εκείνα στον εβονίτη αρνητικά (-). Αν και ουσιαστικά ήταν μια αυθαίρετη ονοματοδοσία που διατηρείται ως τις μέρες μας. Έτσι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου: Αυτό που εμφανίζεται σε μια γυάλινη ράβδο, όταν την τρίψουμε με μεταξωτό ύφασμα, το οποίο το ονομάζουμε θετικό (+Q). Όσα σώματα είναι όμοια φορτισμένα με τη γυάλινη ράβδο ανήκουν στην κατηγορία των θετικά φορτισμένων σωμάτων. Αυτό που εμφανίζεται σε μια πλαστική ράβδο, όταν την τρίψουμε με μάλλινο ύφασμα, το οποίο το ονομάζουμε αρνητικό (-Q). Όσα σώματα είναι όμοια φορτισμένα με την πλαστική ράβδο ανήκουν στην κατηγορία των αρνητικά φορτισμένων σωμάτων.( Ένα σώμα είναι θετικά φορτισμένο όταν έχει έλλειψη από ηλεκτρόνια ενώ είναι αρνητικά φορτισμένο όταν έχει παραπάνω ηλεκτρόνια.). 6
7 Τι είδους δυνάμεις εμφανίζονται μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων; Αν δύο ηλεκτρισμένα σώματα απωθούνται μεταξύ τους, είναι όμοια φορτισμένα. Αν δύο ηλεκτρισμένα σώματα έλκονται μεταξύ τους, τότε είναι αντίθετα φορτισμένα. Οι δυνάμεις μεταξύ ομώνυμων φορτίων είναι απωστικές και οι δυνάμεις μεταξύ ετερώνυμων φορτίων είναι ελκτικές. Δύο θετικά ή αρνητικά ηλεκτρικά φορτία ονομάζονται ομώνυμα φορτία. Ένα θετικό και ένα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται ετερώνυμα φορτία. Ποια σχέση συνδέει την ηλεκτρική δύναμη που ασκεί ή δέχεται ένα φορτισμένο σώμα με το ηλεκτρικό του φορτίο; Αν πάρουμε μια χτένα, την τρίψουμε σε ένα μάλλινο ύφασμα και την πλησιάσουμε σε μικρά χαρτάκια, θα παρατηρήσουμε ότι ορισμένα από τα μικρά χαρτάκια «κολλάνε» στο χάρακα. Αν τρίψουμε ξανά με μεγαλύτερη ένταση θα δούμε ότι «κολλάνε» περισσότερα χαρτάκια. Ασκείται τώρα μεγαλύτερη ηλεκτρική δύναμη αφού απέκτησε η χτένα περισσότερο ηλεκτρικό φορτίο. Η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί ή δέχεται ένα φορτισμένο σώμα είναι μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό φορτίο του. Ποιά είναι η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου; Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο διεθνές σύστημα μονάδων (S.I.) είναι το 1 C (κουλόμπ) Συχνά χρησιμοποιούμε μικρότερες μονάδες μέτρησης του φορτίου, οι οποίες είναι: 7
8 1 mc = 10-3 C (χιλιοστοκουλόμπ) 1 μc = 10-6 C (μικροκουλόμπ) 1 nc = 10-9 C (νανοκουλόμπ) 1 pc = 10-12 C (πικοκουλόμπ) Πώς υπολογίζεται το συνολικό φορτίο δύο ή περισσότερων σωμάτων; Όταν θέλουμε να υπολογίσουμε το συνολικό φορτίο δύο ή περισσότερων σωμάτων, προσθέτουμε αλγεβρικά τα φορτία τους. Έστω φορτίο Q 1 =+4μC και Q 2 = -3μC το συνολικό φορτίο δύο θα είναι : Q 1 +Q 2 = +4μC+(-3μC)=+1μC. Πότε ένα σώμα ή ένα σύνολο σωμάτων είναι ηλεκτρικά ουδέτερο; Όταν το συνολικό φορτίο ενός σώματος ή ενός συνόλου σωμάτων είναι ίσο με το μηδέν, τότε λέμε ότι το σώμα ή το σύνολο των σωμάτων είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Αν ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων δεν είναι ο ίδιος, τότε το άτομο αποκτά φορτίο ίσο με τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια. Το όργανο που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο για να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι φορτισμένο ή όχι λέγεται ηλεκτροσκόπιο. Πώς γίνεται η φόρτιση των σωμάτων με βάση τη μικροσκοπική δομή της ύλης; Η φόρτιση των σωμάτων μπορεί να γίνει με τη μεταφορά των ηλεκτρονίων από ένα σώμα σε ένα άλλο. Μετακινούνται τα ηλεκτρόνια και όχι τα πρωτόνια εξαιτίας: α) μικρότερης μάζας, και β) λόγω απόστασης από τον πυρήνα του ατόμου, άρα μπορούν να αποσπώνται πιο εύκολα από τα πρωτόνια. 8
9 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. 9
10 10
11 1.3 Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου. Λέξεις κλειδιά: μικροσκοπική δομή της ύλης, ιδιότητες φορτίου, πρωτόνια, ηλεκτρόνια. 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. 11
12 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. 12
13 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. 13
14 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 14
15 15
16 1.4 ΤΡΟΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΗΣ ΚΑΙ Η ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΟΥΣ Λέξεις κλειδιά: Τρόποι ηλέκτρισης, ηλεκτρόνια, τριβή, επαγωγή, επαφή, ηλεκτρικοί αγωγοί, μονωτές Πόσους τρόπους ηλέκτρισης ενός σώματος γνωρίζετε; Ποιοι είναι αυτοί; α) με τριβή, β) με επαφή και γ) με επαγωγή. Ερμηνεύονται με βάση το μοντέλο της μικροσκοπικής δομής της ύλης. Ποια ηλεκτρόνια ονομάζονται εξωτερικά; Γιατί αυτά είναι σημαντικά; Τα ηλεκτρόνια που είναι πιο απομακρυσμένα από τον πυρήνα ονομάζονται εξωτερικά. Είναι σημαντικά γιατί αυτά τα ηλεκτρόνια θα μπορούν να μεταφέρονται από το ένα σώμα σε ένα άλλο προκαλώντας τη φόρτισή τους. Αυτό συμβαίνει γιατί η δύναμη που ασκείται πάνω τους από τον πυρήνα είναι ασθενέστερη από τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια λόγω της μεγαλύτερης απόστασης που έχουν από αυτόν. Έτσι μπορούν πιο εύκολα να μεταφέρονται από ένα σώμα σε ένα άλλο. 16
17 Τι γνωρίζετε για την ηλέκτριση δύο σωμάτων με τριβή; Στην ηλέκτριση με τριβή τα πιο απομακρυσμένα ηλεκτρόνια που λέγονται εξωτερικά ηλεκτρόνια μπορούν να αποσπαστούν και να περάσουν από το ένα αντικείμενο στο άλλο. Αυτό που παίρνει ηλεκτρόνια αποκτά αρνητικό φορτίο ενώ το άλλο που χάνει τα ηλεκτρόνια αποκτά ίσο θετικό φορτίο λόγω της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Στην ηλέκτριση μέσω τριβής τα δύο αντικείμενα αποκτούν ετερώνυμα φορτία. Θυμίζουμε ότι σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου, το συνολικό φορτίο στα δύο σώματα παραμένει σταθερό. http://phet.colorado.edu/sims/travoltage/t ravoltage_el.jar 17
18 Πώς εξηγείται η ηλέκτριση ενός σώματος με επαφή με τη βοήθεια των ηλεκτρονίων; Στην ηλέκτριση με επαφή συμμετέχουν ένα φορτισμένο σώμα Α και ένα αφόρτιστο σώμα Β. Αν το φορτισμένο σώμα Α έχει αρνητικό φορτίο ένας αριθμός ηλεκτρονίων λόγω απωστικών δυνάμεων μεταξύ τους, μεταφέρεται στο Β το οποίο αποκτά αρνητικό φορτίο. Αν το φορτισμένο σώμα Α έχει θετικό φορτίο τότε έλκει ηλεκτρόνια από το αφόρτιστο σώμα Β και έτσι το τελευταίο λόγω έλλειψης ηλεκτρονίων αποκτά θετικό φορτίο. Στην ηλέκτριση με επαφή τα σώματα που συμμετέχουν αποκτούν ομώνυμα φορτία. Το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα δύο σώματα τελικά είναι ίσο με το φορτίο που αρχικά είχε το ένα. 18
19 http://phet.colorado.edu/sims/balloons/balloons_el.jnlp Ποια σώματα ονομάζονται αγωγοί και ποια μονωτές; Αναφέρετε μερικά παραδείγματα. Ηλεκτρίζονται με τριβή μόνο όταν βρίσκονται σε μονωτική βάση Ηλεκτρικοί αγωγοί ονομάζονται τα σώματα που επιτρέπουν την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο εσωτερικό τους. Αγωγοί είναι όλα τα μέταλλα, όπως ο σίδηρος, ο χαλκός, το αλουμίνιο, υγρός αέρας (Γι αυτό και ένα φορτισμένο σώμα εκφορτίζεται προς το περιβάλλον μέσω του υγρού αέρα), τα διαλύματα ηλεκτρολυτών και ο υδράργυρος. Τα σώματα στα οποία το φορτίο δε διασκορπίζεται σε όλη την έκτασή τους αλλά παραμένει εντοπισμένο στην περιοχή του σώματος που φορτίσαμε ονομάζονται μονωτές ή διηλεκτρικά. Παραδείγματα μονωτών αποτελούν το ξύλο, το κερί, ο βακελίτης, το πλαστικό, το γυαλί, ξηρός αέρας,το καουτσούκ, όπως και το καθαρό νερό. Ηλεκτρίζονται με τριβή 19
20 Αγωγός, με ηλεκτρικό φορτίο στο ένα άκρο (φόρτιση) Αγωγός, με ηλεκτρικό φορτίο στο ένα άκρο (εκφόρτιση) Μονωτής με ηλεκτρικό φορτίο στο ένα άκρο ίδιος πριν και μετά Το πιο ωραίο φαινόμενο και παράδειγμα εκκένωσης στατικού ηλεκτρισμού είναι οι αστραπές. Οι συνθήκες κάτω από τις οποίες αυτές δημιουργούνται, είναι οι ίδιες που είναι υπεύθυνες για εκατοντάδες σπινθήρες που είναι δυνατόν να είναι θανατηφόροι και συμβαίνουν ή μπορούν να συμβούν γύρω μας.. Έχετε σκεφτεί ποτέ τι γίνεται τη στιγμή που ένας κεραυνός (στατικός ηλεκτρισμός) χτυπάει ένα αεροσκάφος; Δείτε στη διεύθυνση: http://microkosmos.uoa.gr/gr/magazine/ergasies_foititon/ekptech/electric/strange001.htm 20
21 Η τριβοηλεκτρική κλίμακα (Τα «πάνω» δίνουν ηλεκτρόνια στα «από κάτω τους». Αέρας ανθρώπινο χέρι δέρματα γούνα κουνελιού γυαλί χαλαζίας, quartz ανθρώπινη τρίχα μίκα νάιλον μαλλί μόλυβδος γούνα γάτας μετάξι αλουμίνιο χαρτί +++ βαμβάκι ατσάλι ξύ λο πλεξιγλάς βουλοκέρι κεχριμπάρι πολυστυρένιο, καλαμάκι μπαλόνι ρητίνη σκληρό καουτσούκ νικέλιο - - - - 21
22 χαλκός θειάφι ασήμι ορείχαλκος συνθετικό καουτσούκ χρυσάφι ρεγιόν, τεχνητό μετάξι πολυεστέρας ζελατίνα, celluloid Polystyrene ορλόν, ακρυλικές ίνες πολυουρεθάνη σελοφάν αφρολέξ πολυαιθυλένιο, σελοτέιπ πολυπροπυλένιο βινύλιο, PVC σιλικόνη τεφλόν εβονίτης το πάνω μέρος ο αέρας, το ανθρώπινο χέρι, το δέρματα ζώων, η γούνα κουνελιού και το γυαλί, υλικά καθένα από οποία αν τριφτεί με κάποιο από τα «κάτω από αυτό στην κλίμακα» - εκδηλώνει ΘΕΤΙΚΟ φορτίο. Καθώς κατεβαίνουμε συναντάμε τα υλικά μέχρι και το χαρτί τα οποία -τριβόμενα με τα κάτω από αυτά - εκδηλώνουν, όλο και πιο δύσκολα -καθώς «κατηφορίζουμε» - ΘΕΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ. Τα κάτω από το βαμβάκι ατσάλι και πλεξιγκλάς υλικά - τριβόμενα με κάποιο από τα υπερκείμενα στην κλίμακα - εκδηλώνουν δύσκολα ΑΡΝΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ. Καθώς 22
23 «κατηφορίζουμε» συναντάμε υλικά τα οποία -τριβόμενα με τα με κάποιο από τα υπερκείμενα εκδηλώνουν, όλο και πιο εύκολα, ΑΡΝΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ. Το κεχριμπάρι είναι απολιθωμένο ρετσίνι δέντρων. Για πολλούς αιώνες, οι Έλληνες το έλεγαν ΗΛΕΚΤΡΟΝ. Άρχισαν να το λένε «κεχριμπάρι» τότε που ζούσαν στην Οθωμανική αυτοκρατορία και υιοθέτησαν την τουρκική ονομασία KEHRIBAR. Κάτι ανάλογο βέβαια έκαναν με το καρπούζι, με το φουντούκι, με το ταβάνι, με το ντουβάρι, με το καζάνι και με ένα σωρό λέξεις της καθημερινής ζωής. Αντίστοιχα και οι Τούρκοι δανείστηκαν λέξεις από τους Έλληνες. ΚΕΧΡΙΜΠΑΡΙ Όταν τρέχει το αυτοκίνητο, φορτίζεται από την επαφή με τον αέρα. Το ηλεκτρικό φορτίο στην επιφάνεια του αυτοκινήτου είναι πάντα ΑΡΝΗΤΙΚΟ. Στη βάση της κλίμακας βρίσκεται ο ΕΒΟΝΙΤΗΣ. Είναι σαν σκληρό καουτσούκ. Με αυτόν φτιάχνουν τις μπάλες του μπόουλινγκ καθώς και τα επιστόμια στα σαξόφωνα. Με οποιοδήποτε υλικό εκτός από βαμβάκι - και να τον τρίψουμε τον εβονίτη εκδηλώνει εύκολα αρνητικό φορτίο. Εκδηλώνει έντονη προθυμία να δεχθεί ηλεκτρόνια. Στο σχολικά εργαστήρια υπάρχουν συνήθως ράβδοι εβονίτη που προσφέρονται για την εκδήλωση αρνητικού φορτίου. Κάτι ανάλογο ισχύει και με το τεφλόν. 23
24 ΕΒΟΝΙΤΗΣ δυναμικά. Κατά το τρίψιμο, καθώς τα δύο σώματα έρχονται σε επαφή, σε τμήματα των δύο επιφανειών, δημιουργείται χημικός δεσμός. Πρόκειται για τη λεγόμενη «συνάφεια» κατά την οποία ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο ώστε να βρεθούν σε ισορροπία τα ηλεκτροχημικά Εξηγήστε πού οφείλεται η μεγάλη αγωγιμότητα των μετάλλων. Τι είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια; Τα μέταλλα εμφανίζουν όλα ηλεκτρική αγωγιμότητα Η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα οφείλεται στο ότι διαθέτουν ένα τεράστιο αριθμό «ελευθέρων ηλεκτρονίων», τα οποία μόλις το μέταλλο συνδεθεί με την ηλεκτρική πηγή κινούνται προσανατολισμένα προς το θετικό πόλο της. Όλα τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί ρεύματος. Όμως, μερικά εξ αυτών άγουν τον ηλεκτρισμό καλύτερα από κάποια άλλα. Έτσι, τα μέταλλα της 11 ης ομάδας (IB) δηλαδή τα Cu, Ag και Au εμφανίζουν τη μέγιστη αγωγή ρεύματος ακολουθούμενα από τα Al και Be. Τα πετρελαιοειδή επειδή έχουν χαμηλή αγωγιμότητα και συσσωρεύουν εύκολα στατικά φορτία και για αυτό υπάρχει πάντα ο κίνδυνος ανάφλεξης από στατικό ηλεκτρισμό. Σε αντίθεση με τους ηλεκτρολυτικούς αγωγούς (διαλύματα οξέων, βάσεων, αλάτων ή τήγματα βάσεων, αλάτων), η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων γίνεται χωρίς μεταφορά μάζας και χωρίς χημικές μεταβολές. Επίσης η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων, σε αντίθεση με την περίπτωση των ηλεκτρολυτών, μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. 24
25 ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η αγωγιμότητα όμως των διαλυμάτων αυτών δεν οφείλεται σε «ελεύθερα ηλεκτρόνια», αλλά σε φορτισμένα συγκροτήματα τα ιόντα, που υπάρχουν στα διαλύματα. Περιγράψτε τη συμπεριφορά των μονωτών κατά την ηλέκτρισή τους. Στους μονωτές τα ηλεκτρόνια είναι ισχυρά συνδεδεμένα στους πυρήνες των ατόμων. Έτσι, αν προσβληθούν λόγω φόρτισης τα ηλεκτρόνια αυτά θα παραμείνουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή και θα τη φορτίσουν αρνητικά. Επίσης αν με κάποιον τρόπο αποβληθούν ηλεκτρόνια, τότε τα υπόλοιπα θα παραμένουν στις θέσεις τους και θα φορτίσουν την περιοχή του ελλείμματος ηλεκτρονίων θετικά, σε αντίθεση με τους αγωγούς, όπου θα συνέβαινε ροή φορτίων από περιοχή σε περιοχή. Έλλειμμα ηλεκτρονίων εμφανίζεται στις περιοχές που φορτίζονται θετικά λόγω των περισσότερων θετικών φορτίων. Πώς μπορεί να γίνει η ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου; Η ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου μπορεί να γίνει στο εργαστήριο με όργανα που ονομάζονται ηλεκτροσκόπια. Ένα παράδειγμα ηλεκτροσκοπίου είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές. Αποτελείται από ένα μεταλλικό στέλεχος και από ένα ή δύο ελαφρά μεταλλικά ελάσματα που μπορούν να ανοίγουν. Όσο περισσότερο ανοίγουν τα φύλλα τόσο περισσότερο φορτίο έχει το ηλεκτροσκόπιο. 25
26 http://www.youtube.com/watch?v=t0g r_otjyeq&feature=player_embedded Πώς ερμηνεύετε την ηλέκτριση με επαγωγή; Πώς μπορεί μια ράβδος να είναι ηλεκτρισμένη αλλά όχι φορτισμένη; Ηλέκτριση με επαγωγή σημαίνει ηλέκτριση από απόσταση. Κατά την διαδικασία της ηλέκτρισης με επαγωγή ένα ηλεκτρισμένο υλικό σώμα ηλεκτρίζει ένα άλλο μη ηλεκτρισμένο σώμα, όταν βρεθούν σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Αν για παράδειγμα πλησιάζουμε ένα μη ηλεκτρισμένο πλαστικό καλαμάκι (μονωτή) κοντά σε ένα κομμάτι αλουμινόχαρτο (αγωγό). Παρατηρούμε ότι δεν συμβαίνει τίποτα. Ηλεκτρίζουμε το πλαστικό καλαμάκι τρίβοντάς το με χαρτί κουζίνας. Το καλαμάκι ηλεκτρίζεται αρνητικά καθώς μεταφέρονται ηλεκτρόνια σ αυτό από το χαρτί κουζίνας. 26
27 Πλησιάζουμε πάλι το αρνητικά ηλεκτρισμένο πλαστικό καλαμάκι στο αλουμινόχαρτο. Παρατηρούμε ότι το αλουμινόχαρτο έλκεται από το καλαμάκι. Γιατί συμβαίνει αυτό; Απωθεί προς τα πίσω τα ηλεκτρόνια του αλουμινόχαρτου που βρίσκονται κοντά στην περιοχή που βρίσκεται το καλαμάκι (τα όμοια απωθούνται). Έτσι προκαλείται διαχωρισμός των φορτίων στο αφόρτιστο σώμα (αλουμινόχαρτο) και έτσι ηλεκτρίζεται. οπότε στην άλλη πλευρά του αλουμινόχαρτου θα υπάρχει έλλειμμα ηλεκτρονίων. Έτσι τοπικά το αλουμινόχαρτο εμφανίζεται να έχει θετικό ηλεκτρισμό (πρωτόνια). Γι αυτό το αλουμινόχαρτο έλκεται από το καλαμάκι. (αρνητικά ηλεκτρισμένο καλαμάκι τοπικά θετικά ηλεκτρισμένο αλουμινόχαρτο = έλξη) 27
28 Το αλουμινόχαρτο στην περίπτωση αυτή είναι ηλεκτρισμένο αλλά όχι φορτισμένο, δηλαδή στο εσωτερικό της έχει διαχωριστεί το θετικό από το αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, συνολικά όμως το φορτίο της ράβδου είναι μηδέν. Ένα παράδειγμα φόρτισης με επαγωγή Ένα βυτιοφόρο όχημα μεταφοράς καυσίμων μπορεί πολύ αποτελεσματικά να γίνει μία πλάκα ενός συμπυκνωτή με δυνατότητα αποθήκευση χιλιάδων volt στατικού ηλεκτρισμού, που θα δημιουργηθούν είτε από τη τριβή των ελαστικών με το οδόστρωμα και άλλες επιφάνειες, όταν αυτό κινείται, είτε από την ηλεκτροστατική επαγωγή, όταν βρίσκεται σε ακινησία. Όταν οι τροχοί κινούνται με την συνεχή επαφή τους με το οδόστρωμα, τα αρνητικά φορτισμένα φορτία, σπρώχνουν τα υπάρχοντα στο βυτίο ηλεκτρόνια σε πιο απομακρυσμένες περιοχές του οχήματος. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, περιμένουν την ευκαιρία, εάν βρουν μία δίοδο, να ενωθούν με το έδαφος και να γίνει το κακό. 28
29 Συνοπτικά μπορούμε να πούμε για τους τρεις τρόπους ηλέκτρισης: Στην ηλέκτριση με τριβή το ένα σώμα αποκτά θετικό φορτίο ενώ το άλλο αρνητικό, όμως το συνολικό φορτίο είναι μηδέν πριν και μετά τη φόρτιση των σωμάτων. Στην ηλέκτριση με επαφή το τελικό άθροισμα των φορτίων θα είναι ίσο με τον αρχικό αριθμό των φορτίων του ηλεκτρισμένου σώματος. Στην ηλέκτριση με επαγωγή ο αριθμός των φορτίων δε μεταβάλλεται στα σώματα, εφόσον δεν έχουμε μετακίνηση ηλεκτρονίων από το ένα σώμα σε ένα άλλο. Ποια σώματα ονομάζονται πολωμένα και γιατί; Αν ένα θετικά ηλεκτρισμένο σώμα, πλησιάσει σε ένα μη ηλεκτρισμένο μονωτή, τα ηλεκτρικά φορτία δεν μπορούν να μετακινηθούν. Όμως μπορούν να στραφούν ελάχιστα ώστε τα αρνητικά σωματίδια να βρίσκονται πλησιέστερα προς το θετικά φορτισμένο σώμα, ενώ τα θετικά προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τότε λέμε ότι το σώμα είναι ηλεκτρικά πολωμένο. 29
1.5 Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ COULOMB Λέξεις κλειδιά: ηλεκτρική δύναμη, σημειακό φορτίο, δυναμικές γραμμές, πεδίο 30 1.5 Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ ΚΟΥΛΟΜΠ Ένα σημαντικό ερώτημα απασχόλησε τους ευρωπαίους ερευνητές του 18ου αιώνα. Ρωτούσαν: «Από τι εξαρτάται η τιμή της δύναμης;». Λίγο πριν ξεσπάσει η Γαλλική Επανάσταση, ο Charles Coulomb, αξιωματικός του γαλλικού στρατού επινόησε ένα ευφυή τρόπο για τη μέτρηση του ηλεκτρικού φορτίου. Κατασκεύασε έναν εξαιρετικό «ζυγό στρέψης», για τη μέτρηση της δύναμης και μετά από πολλές προσπάθειες, το έτος 1785, οδηγήθηκε στον πρώτο πειραματικό νόμο του Ηλεκτρισμού. Μετά από μια δεκαπενταετία, ο Άγγλος εφευρέτης James Wimshurst έφτιαξε μια εξαιρετική μηχανή η οποία έχει και το όνομα του μηχανή Βίμσχουρστ. Πενήντα περίπου χρόνια αργότερα, το έτος 1929, ένας νεαρός Αμερικανός φυσικός ο Robert Van de Graaf επινόησε, σχεδίασε και κατασκεύασε μια ηλεκτροστατική μηχανή η οποία μπορούσε να προσφέρει εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου. 30
31 Διατύπωση του Νόμου του Κουλόμπ Τα συμπεράσματα του Κουλόμπ τα ονομάζουμε νόμο του Κουλόμπ για την ηλεκτρική δύναμη. Ο νόμος του Coulomb ισχύει : για φορτισμένα σώματα των οποίων οι διαστάσεις είναι πολύ μικρές ώστε να θεωρούνται πολύ μικρότερες σε σχέση με τις απο στάσεις που απέχουν τα φορτισμένα σώματα μεταξύ τους. Τα σώματα αυτά ονομάζονται και σημειακά φορτία. για ομοιόμορφα φορτισμένες σφαίρες που το μέγεθος τους είναι μικρό σε σχέση με τη μεταξύ τους απόσταση. Έτσι συνοψίζοντας τα συμπεράσματα μπορούμε να διατυπώσουμε το νόμο του Κουλόμπ ως εξής: Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης (F) με την οποία αλληλεπιδρούν δύο σημειακά φορτία (q 1 και q 2 ) είναι ανάλογο του γινομένου των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης (r). Στη γλώσσα των Μαθηματικών γράφουμε: q1q2 F = K r 2 Συμπέρασμα: Όταν δύο φορτία βρίσκονται σε κάποια απόσταση, ασκείται ηλεκτρική δύναμη μεταξύ τους. Η δύναμη αυτή μεγαλώνει όσο τα φορτία έρχονται πιο κοντά το ένα στο άλλο. Η σταθερά Κ Το Κ είναι μια σταθερά αναλογίας και ονομάζεται ηλεκτρική σταθερά. Η τιμή της εξαρτάται από το υλικό μέσα στο οποίο βρίσκονται τα φορτισμένα σώματα και από το σύστημα των μονάδων που χρησιμοποιούμε. Η τιμή της στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) για το κενό και κατά προσέγγιση για τον αέρα είναι: Nm Κ = 9. 10 9 2 C 2 31
32 Οι δυνάμεις μεταξύ των ηλεκτρικών φορτίων Επειδή η δύναμη είναι διανυσματικό μέγεθος, σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας βέλη. Τα χαρακτηριστικά της δύναμης και επομένως του βέλους είναι: α) Διεύθυνση. Η διεύθυνση της ευθείας που ενώνει τα δύο φορτία. β) Φορά. Καθορίζεται από το είδος των φορτίων. Αν τα φορτία είναι ετερώνυμα, η δύναμη είναι ελκτική. Αν τα φορτία είναι ομώνυμα, η δύναμη είναι απωστική. Σχέση των Δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ δύο σημειακών φορτίων Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα: δυνάμεις έχουν αντίθετη φορά και ίσα μέτρα. δράση αντίδραση οι δύο αυτές Ερμηνεία της έλξης μεταξύ φορτισμένου και ουδέτερου σώματος σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ Όταν ένα φορτισμένο σώμα πλησιάζει ένα ουδέτερο, τότε το ηλεκτρίζει με επαγωγή με αποτέλεσμα η πλευρά που βρίσκεται το φορτισμένο σώμα να φορτίζεται με φορτίο αντίθετο από αυτό του φορτισμένου σώματος, ενώ η άλλη πλευρά με φορτίο όμοιο με αυτό του φορτισμένου σώματος. Η απόσταση όμως του φορτισμένου σώματος από την αντίθετα φορτισμένη πλευρά είναι μικρότερη από την απόσταση που απέχει από την ίδια φορτισμένη πλευρά. Έτσι η ελκτική δύναμη ανάμεσα στη ράβδο και τη σφαίρα που φαίνονται στο σχήμα θα είναι μεγαλύτερη από την απωστική. Δες την προσομοίωση: http://phet.colorado.edu/el/simulation/chargesand-fields 32
1.6 ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Λέξεις κλειδιά: δυναμικές γραμμές,πεδίο 33 1.6 ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Στο βρετανικό νόμισμα των είκοσι λιρών εμφανίζεται ο Άγγλος Michael Faraday παιδί της γενιάς του Γεώργιου Καραϊσκάκη, αυτοδίδακτος ερευνητής ο οποίος αναδείχθηκε στον μεγαλύτερο πειραματικό φυσικό όλων των εποχών. Ο Faraday ήταν εκείνος που πρότεινε στους φυσικούς την τελικά τόσο γόνιμη έννοια πεδίο. Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος μέσα στον οποίο αν φέρουμε ηλεκτρικό φορτίο αυτό δέχεται δύναμη Κουλόμπ. Δημιουργείται όταν σε μια περιοχή φέρνουμε ένα φορτισμένο σώμα. Το μέγεθος που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του πεδίου είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Η ένταση συμβολίζεται με το γράμμα Ε και δείχνει πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η ένταση Ε του πεδίου συνδέεται με τη δύναμη F na που ασκείται σε θετικό ηλεκτρικό φορτίο Q όταν αυτό βρεθεί μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο. Η άσκηση της ηλεκτρικής δύναμης περιγράφεται ως διαδικασία δύο βημάτων: 1) Αρχικά γύρω από κάθε φορτισμένο σώμα δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. 2) Έπειτα τα φορτισμένα σώματα αλληλεπιδρούν μέσω των ηλεκτρικών πεδίων που δημιουργούν. Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές Ένας τρόπος για να αισθητοποιήσουμε τη μορφή ενός ηλεκτρικού πεδίου είναι οι δυναμικές γραμμές που εισήχθησαν από το Michael Faraday, ο οποίος πίστευε ότι έχουν υλική υπόσταση και τις ονόμαζε "γραμμές δύναμης". Στη συνέχεια η έννοια 33
34 επεκτάθηκε από το James Clerk Maxwell, ο οποίος τις ονόμαζε "σωλήνες δύναμης", και τους απέδιδε την ιδιότητα να διέρχονται απ' αυτούς τους σωλήνες τα φορτία κάτω από την επίδραση άλλων φορτίων που βρίσκονταν στο χώρο. Σήμερα θεωρούμε ότι είναι φανταστικές γραμμές στις οποίες η ένταση του Ηλεκτρικού πεδίου σαν διάνυσμα είναι εφαπτομενική. Αυτές δείχνουν τη διεύθυνση και το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης που ασκεί το πεδίο. Σε περιοχές του πεδίου που το πεδίο είναι ισχυρό οι δυναμικές γραμμές είναι πιο πυκνές, ενώ σε περιοχές που το πεδίο είναι ασθενέστερο οι δυναμικές γραμμές είναι πιο αραιές. Έτσι δείχνουν και σε ποιο σημείο του πεδίου η ένταση παίρνει αντίστοιχα μεγάλες ή μικρές τιμές. Οι δυναμικές γραμμές έχουν φορά από τα θετικά προς τα αρνητικά φορτία. Δείτε κάποια ενδιαφέροντα βίντεο: Οι δυναμικές γραμμές γύρω από ένα θετικό φορτίο σε 3 διαστάσεις: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=a_ NcMQA5RQc Οι δυναμικές γραμμές γύρω από ένα ηλεκτρικό δίπολο (ηλεκτρικό δίπολο σημαίνει δύο ετερόσημα φορτία ίσου μέτρου δηλ. +Q και -Q, σε σταθερή απόσταση μεταξύ τους). Δείτε πώς σχεδιάζουμε τις δυναμικές γραμμές γύρω από δύο φορτία : Για να καταλάβετε την αγγλική ορολογία: polar=πολικός, polarized=πολωμένος, charge=φορτίο, dipole=δίπολο, field=πεδίο, force=δύναμη, intensity= ένταση, capacitor=πυκνωτής, uniform field=ομογενές πεδίο. http://www.youtube.com/watch?v=putzvhofpra Ομογενές ηλεκτρικό πεδίο Ομογενές ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται το πεδίο στο οποίο, σε κάθε σημείο του, το διάνυσμα της εντάσεως είναι σταθερό. Στο πεδίο αυτό οι δυναμικές γραμμές είναι παράλληλες και ισαπέχουν μεταξύ τους. Δηλαδή όταν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι σταθερή σε ολόκληρο το ηλεκτρικό πεδίο. Το ομογενές ηλεκτρικό πεδίο ασκεί την ίδια δύναμη σε ένα ηλεκτρικό φορτίο σε οποιοδήποτε σημείο του και αν το 34
35 τοποθετήσουμε. Δημιουργείται στο χώρο μεταξύ δύο αντίθετα φορτισμένων παράλληλων μεταλλικών πλακών, όπως είναι ένας επίπεδος πυκνωτής. Ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται το πεδίο στο οποίο η ένταση μεταβάλλεται από σημείο σε σημείο. Οι δυναμικές γραμμές δεν είναι παράλληλες. Ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου Η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Οφείλεται στη δύναμη που ασκείται σε ένα ηλεκτρικό φορτίο από το πεδίο όταν βρεθεί μέσα σε αυτό. Η προέλευση της ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας οφείλεται στο έργο της δύναμης που καταναλώνεται για να εισέλθει το ηλεκτρικό φορτίο μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο. Έτσι η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια αποθηκεύεται στο φορτισμένο σώμα ή στο ηλεκτρικό πεδίο που το ίδιο δημιουργεί. ΠΡΟΣΟΧΗ!! Μη συγχέετε την δυναμική ενέργεια με τη ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο φορτίων. Η δυναμική ενέργεια είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταξύ των δυο φορτίων και η δύναμη αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ των δυο φορτίων. 35
36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Σκοπός Στο δεύτερο κεφάλαιο θα εισαχθεί η έννοια του ηλεκτρικού ρεύματος και της ηλεκτρικής τάσης,θα μελετηθεί ένα ηλεκτρικό κύκλωμα και θα εισαχθεί η έννοια της αντίστασης. Προσδοκώμενα αποτελέσματα Όταν θα έχετε ολοκληρώσει την μελέτη του κεφαλαίου θα μπορείτε να: Να ορίζετε το ηλεκτρικό ρεύμα και να προσδιορίζετε το ηλεκτρικό πεδίο ως την αιτία της διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος από μια ηλεκτρική συσκευή. Να συσχετίζετε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος με το αποτέλεσμα που προκαλεί όταν διαρρέει ένα λαμπτήρα. Να συνδέετε την ένταση και τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος με το πλήθος των φορτισμένων σωματιδίων που διέρχονται από μια διατομή του αγωγού ανά μονάδα χρόνου και να μετράτε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος με ένα αμπερόμετρο. Να ορίζετε την ηλεκτρική τάση και να την μετράτε με τη βοήθεια ενός αμπερόμετρου καθώς και να περιγράφετε τα χαρακτηριστικά ενός ηλεκτρικού διπόλου. Να περιγράφετε το νόμο του Ohm και να σχεδιάζετε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 36
2.1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Λέξεις κλειδιά: ηλεκτρική πηγή, ένταση ηλεκτρικού ρεύματος, φορά ηλεκτρικού ρεύματος 2.1 Ηλεκτρικό ρεύμα 37 Τα σώματα φέρουν στο εσωτερικό τους ηλεκτρικά φορτία. Σε ορισμένα υλικά τα φορτισμένα σωματίδια είναι ελεύθερα να κινηθούν (όπως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στους μεταλλικούς αγωγούς). Τα σωματίδια αυτά κινούνται άτακτα και τυχαία προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Όταν όμως το σώμα τοποθετηθεί μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο, τότε τα ελεύθερα αυτά σωματίδια κινούνται εξαναγκάζονται να κινηθούν προς την ίδια κατεύθυνση. Ηλεκτρικό ρεύμα λοιπόν, ονομάζεται η προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων. Στη γενική περίπτωση, τα κινούμενα φορτία που παράγουν το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να είναι θετικά ή αρνητικά. στους μεταλλικούς αγωγούς είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στα ιοντικά διαλύματα είναι τα θετικά και αρνητικά ιόντα. Σε αγωγούς μπορεί να δημιουργηθεί κίνηση προς συγκεκριμένη κατεύθυνση των φορτισμένων σωματιδίων. Αυτό δεν μπορεί να συμβεί στους μονωτές, στους οποίους τα ηλεκτρικά φορτία κινούνται με πολύ μεγαλύτερη δυσκολία. Υπάρχουν υλικά (πχ. 37
38 Πυρίτιο, Γερμάνιο) που συμπεριφέρονται άλλοτε σαν αγωγοί και άλλοτε σαν μονωτές και ονομάζονται ημιαγωγοί. Ταχύτητα των ηλεκτρονίων στο ηλεκτρικό κύκλωμα Η μέση ταχύτητα των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσω ενός καλωδίου είναι συνήθως πολύ μικρή 10 4 m/s. Αυτό οφείλεται στη σύγκρουσή τους με τα θετικά ακίνητα φορτία του αγωγού. Υπολόγισε, αν θες, σε πόσο χρόνο διανύουν μια απόσταση 1m; Έχεις αναρωτηθεί ποτέ γιατί το φως ανάβει αμέσως όταν πατάμε το διακόπτη; Γιατί το σήμα για να ξεκινήσουν να κινούνται όλα τα ηλεκτρόνια μεταδίδεται αστραπιαία (με την ταχύτητα του φωτός: 300.000 km/s) Π.χ. Αν είχαμε ένα καλώδιο που συνδέει ένα διακόπτη στην Αθήνα με μία λάμπα στη Ρόδο και πατούσαμε τον διακόπτη για να ξεκινήσει η κίνηση των ηλεκτρονίων: α) Τα ηλεκτρόνια από την Αθήνα θα έφταναν στη Ρόδο σε 16 χρόνια. β) Το σήμα για να ανάψει η λάμπα θα έφτανε στη Ρόδο σε 0,002 sec. Δές την προσομοίωση: http://phet.colorado.edu/el/simulation/signal-circuit Συγκεκριμένα συμμετέχουν τρείς ταχύτητες : Η ταχύτητα της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων η οποία διατηρείται, ως συνιστώσα, και μετά την εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου. Το μέγεθός της είναι της τάξης των 1000 m/s. Η πολύ μικρή ταχύτητα με μέγεθος της τάξης των mm/s με την οποία μετακινείται το ηλεκτρονικό αέριο και Η τρομακτική για τις εμπειρίες μας ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον αγωγό. 38
39 Το Ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται με τη βοήθεια μιας ηλεκτρικής πηγής(μπαταρία). Μια ηλεκτρική πηγή έχει δύο αντίθετα ηλεκτρισμένες περιοχές που ονομάζονται ηλεκτρικοί πόλοι. Μεταξύ των δύο πόλων δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. Μόλις συνδέσουμε τους πόλους μιας πηγής με μεταλλικό σύρμα, στο εσωτερικό του σύρματος δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που ασκεί δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του σύρματος και τα αναγκάζει να κινηθούν με κατεύθυνση από τον αρνητικό πόλο (χαμηλότερο δυναμικό) της πηγής προς το θετικό πόλο ( υψηλότερο δυναμικό). Τα θετικά ιόντα του μεταλλικού αγωγού συγκρατούνται και δεν κινούνται ελεύθερα όπως τα ηλεκτρόνια. Άρα η δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου δεν τα επηρεάζει. Σημείωση: Έχει επικρατήσει να αναφέρεται η φορά από το υψηλότερο δυναμικό, στο χαμηλότερο δηλαδή η φορά που είναι όμοια με τη φορά της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Δείτε μια μπαταρία από νεράτζια!! http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ikzvswomnng&list= UUs3ZjNcy1dKO5dMrDAm7cTg Ηλεκτρική θωράκιση Στο εσωτερικό των μεταλλικών αγωγών η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι μηδενικό. Με άλλα λόγια, οι αγωγοί θωρακίζουν το εσωτερικό τους από ηλεκτρικά πεδία. Για το λόγο αυτό αυτό είμαστε ασφαλείς από τους κεραυνούς, όταν βρισκόμαστε στο εσωτερικό ενός αυτοκινήτου. Παρακολουθήστε το βίντεο, όπου το φαινόμενο αυτό παρατηρείται πειραματικά με τη βοήθεια του κλωβού «Faraday». http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=zi4kxgdbfhw 39
40 Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος εξηγεί ότι όσο περισσότερα ηλεκτρόνια διέρχονται από μια κάθετη διατομή σε ορισμένο χρόνο τόσο περισσότερο φορτίο θα περνά από αυτή, άρα θα υπάρχει και ισχυρότερο ηλεκτρικό ρεύμα. Οφείλεται στην διαφορά δυναμικού που υπάρχει στα άκρα του αγωγού. Ορίζουμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (I) που διαρρέει έναν αγωγό, ως το φορτίο (q) που διέρχεται από μία διατομή του αγωγού σε κάποιο χρονικό διάστημα προς το χρονικό διάστημα (t). Μονάδα έντασης ηλεκτρικού ρεύματος : 1 Ampere (A) (θεμελιώδες μέγεθος) 1mA = 10-3 A, 1μΑ = 10-6 Α Η σχέση που συνδέει το Αμπέρ με το Κουλόμπ είναι: 1 Coulomb = 1 Α s Σε ένα σύρμα που η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι 1 A μεταφέρονται περίπου 6.241.000.000.000.000.000 ηλεκτρόνια από μια διατομή του ανά δευτερόλεπτο. Όργανα μέτρησης ηλεκτρικού ρεύματος : Αμπερόμετρα (συνδέονται σε σειρά σε ένα κύκλωμα). 40
41 Αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει: Θερμικά αποτελέσματα: Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τη θέρμανση των σωμάτων τα οποία διαρρέει, π.χ. θερμοσίφωνας, ηλεκτρική κουζίνα. Ηλεκτρομαγνητικά αποτελέσματα: λόγω του μαγνητικού πεδίου που δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα στους αγωγούς που διαρρέει, π.χ. η μίζα του αυτοκινήτου, ηλεκτρομαγνητικοί γερανοί. Χημικά αποτελέσματα: Όταν ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται διαμέσου χημικών ουσιών, προκαλεί χημικές μεταβολές. π.χ. η παρασκευή χημικών στοιχείων όπως νατρίου-υδρογόνου. Φωτεινά αποτελέσματα: το ρεύμα προκαλεί εκπομπή φωτός, είτε λόγω αύξησης της θερμοκρασίας όπως συμβαίνει π.χ. στους λαμπτήρες πυρακτώσεως είτε λόγω της διέλευσής του από αέρια (λαμπτήρας φθορισμού). Σημείωση: Αξίζει να δώσουμε έμφαση στο ότι η αλληλεπίδραση με μαγνήτες είναι «αυτό που θα συμβαίνει οπωσδήποτε». Ενώ δηλαδή η θερμοκρασιακή αύξηση προϋποθέτει το σώμα να είναι μεταλλικός αγωγός και οι χημικές διαδικασίες προϋποθέτουν το σώμα να είναι ηλεκτρολύτης, η εκδήλωση της μαγνητικότητα θα συμβαίνει πάντοτε. Βέβαια η αρτιότερη διατύπωση γι αυτό που «συμβαίνει πάντα» πραγματοποιείται με τη βοήθεια της έννοιας ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ. Το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί οπωσδήποτε κάποιο μαγνητικό και συγχρόνως αποτελεί υπόθεμα για να επιδράσει πάνω του κάποιο προϋπάρχον μαγνητικό πεδίο. 41
2.2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Λέξεις κλειδιά: κλειστό και ανοικτό κύκλωμα, ενέργεια ηλεκτρικού ρεύματος,διαφορά δυναμικού 42 2.2 Ηλεκτρικό κύκλωμα Το ηλεκτρικό ρεύμα ξέρουμε ότι είναι η προσανατολισμένη κίνηση φορτίων, άρα όπως σε κάθε κίνηση είναι απαραίτητος ένας «δρόμος». Οποιοσδήποτε δρόμος μέσα από τον οποίο μπορεί να υπάρξει κίνηση ηλεκτρονίων ονομάζεται κύκλωμα. Στο επάνω μέρος του διπλανού σχήματος παρατηρούμε το πιο απλό κύκλωμα, που περιλαμβάνει ένα λαμπάκι, μια μπαταρία και σύρματα (αγωγούς). Συνδέοντας τα, παρατηρούμε τα λαμπάκι να φωτοβολεί, άρα μέσα από αυτό διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλεί τέτοια φαινόμενα! Παρατηρώντας τα δυο επόμενα τμήματα του σχήματος βλέπουμε ότι το λαμπάκι δεν φωτοβολεί. Η μόνη διαφορά μεταξύ των 3 κυκλωμάτων είναι ελάχιστη, μα καθοριστική: στα 2 κυκλώματα που δε φωτοβολούν υπάρχει χάσμα, δηλαδή ασυνέχεια, σε αυτά δεν σχηματίζεται συνεχής βρόχος, δεν υπάρχει «δρόμος» για την κίνηση των ηλεκτρονίων, άρα δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα! Το 1 ο κύκλωμα είναι κλειστό, τα δυο άλλα κυκλώματα είναι ανοιχτά. Ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει μόνο τα κλειστά κυκλώματα, ενώ δεν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα τα ανοιχτά κυκλώματα. Για να ανοιγοκλείνουμε τα κυκλώματα χρησιμοποιούμε τους διακόπτες, έτσι καθορίζουμε εμείς το χρόνο που ένα κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα. [Πρέπει να ξέρουμε ότι στη καθημερινή ζωή μας όταν λέμε «άνοιξε το φως» εν νοούμε να κλείσουμε το κύκλωμα, ώστε να φωτοβολήσει ο λαμπτήρας!]. 42
43 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΗΓΗ : Είναι κάθε συσκευή που μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε ηλεκτρική. Η πηγή δεν παράγει φορτία. Ανάλογα με το είδος της πηγής διαφέρουν και οι μετατροπές ενέργειας που συμβαίνουν: Τι είναι αυτό που προκαλεί την κίνηση των ηλεκτρονίων; Η ενέργεια που μεταβιβάζεται από την ηλεκτρική πηγή στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού είναι αυτή που προκαλεί την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων. Στην β γυμνασίου μάθαμε ότι αν σπρώξουμε ένα αντικείμενο και το μετατοπίσουμε α. ασκούμε δύναμη β. μεταβιβάζουμε ενέργεια Όπως κάποιος που ασκεί δύναμη σε ένα αντικείμενο και το μετατοπίζει, μεταβιβάζει ενέργεια από το σώμα του στο αντικείμενο εάν συνδέσουμε τους πόλους μιας μπαταρίας με μεταλλικό αγωγό η μπαταρία μεταβιβάζει ενέργεια στα ελεύθερα 43
44 ηλεκτρόνια του αγωγού. Άρα η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος προέρχεται από το έργο της δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου της πηγής. Έτσι τη μετράμε σε Joule. Όταν μια μπαταρία είναι 6 βολτ μεταβιβάζει 6 J σε σωματίδια (ηλεκτρόνια) του μεταλλικού αγωγού με συνολικό φορτίο ενός coulomb, ή 12 J σε σωματίδια με συνολικό φορτίο 2 coulomb ή 48 J σε σωματίδια με φορτίο 8 coulomb. Δηλαδή κάθε φορά που διαιρείς την ενέργεια (σε J) την οποία μεταβιβάζει η συγκεκριμένη μπαταρία με το ηλεκτρικό φορτίο (σε coulomb) των σωματιδίων στα οποία μεταβιβάζεται θα βγαίνει το 6 βολτ. Αυτό το «6 βολτ», οι φυσικοί το λένε διαφορά δυναμικού. Για παράδειγμα, αν μια μπαταρία είναι έτσι ώστε να μεταβιβάζει 9 τζάουλ σε 6 coulomb ηλεκτρικού φορτίου ή 15 τζάουλ και σε 10 coulomb φορτίου των σωματιδίων σημαίνει ότι έχει διαφορά δυναμικού 1,5 βολτ. Διαφορά δυναμικού ή ηλεκτρική τάση (ν πηγής ) μεταξύ δύο πόλων μιας ηλεκτρικής πηγής (ΑΒ) ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής ενέργειας (Ε ηλεκτρική ) που προσφέρεται από την πηγή, όταν διέρχονται από αυτήν ηλεκτρόνια με συνολικό φορτίο q προς το φορτίο αυτό. Δηλαδή: V AB = W/q Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης είναι το Volt(V) = 1 Joule/ C Αν λοιπόν, συνδέσουμε τους πόλους Α και Β μιας μπαταρίας με αγωγό στους πόλους της μπαταρίας, η διαφορά δυναμικού είναι το «πόσα τζάουλ μεταβιβάζει σε κάθε κουλόμπ ηλεκτρικού φορτίου».ωστόσο λέμε «διαφορά δυναμικού» αφού Σε κάθε μπαταρία ο πόλος με το συν ( + ) θεωρείται ότι έχει μεγαλύτερο δυναμικό από τον πόλο με το πλην ( - ). Διαφορά δυναμικού μπορεί να υπάρχει και στα άκρα Γ και Δ ενός αγωγού ακόμα κι αν τα δύο αυτά άκρα δεν συνδέονται άμεσα με τους πόλους μιας μπαταρίας αλλά συνδέονται μέσω άλλων αγωγών. Διαφορά δυναμικού βέβαια προσφέρεται και από τη ΔΕΗ στις διάφορες πρίζες μέσα στο σπίτι. Τη διαφορά δυναμικού σε περίπτωση που σχετίζεται με ηλεκτρικό ρεύμα τη λέμε και «τάση» και θεωρείται αιτία ηλεκτρικού ρεύματος εφόσον βέβαια εμφανιστεί στα άκρα αγωγού. 44
45 Καταναλωτής ή μετατροπέας ονομάζεται κάθε συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια άλλης μορφής. Για παράδειγμα ο λαμπτήρας ο οποίος διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή. Ηλεκτρική τάση (ή διαφορά δυναμικού) μεταξύ δύο άκρων ενός καταναλωτή ονομάζουμε το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρεται στον καταναλωτή από τα ηλεκτρόνια συνολικού φορτίου q προς το φορτίο αυτό. Έτσι: 1Volt Για να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού συνδέουμε παράλληλα ένα βολτόμετρο. Η τάση στα άκρα μιας πηγής είναι πάντοτε διάφορη του μηδενός, ανεξάρτητα αν η πηγή τροφοδοτεί ένα κλειστό κύκλωμα ή όχι (δηλαδή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα), ενώ η τάση στα άκρα ενός καταναλωτή θα είναι μηδέν όταν από αυτόν δε διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. 45
46 Κόμβος λέγεται ένα σημείο του κυκλώματος, στο οποίο συναντιούνται τουλάχιστον τρεις αγωγοί. Κλάδος λέγεται ένα τμήμα του κυκλώματος που βρίσκεται μεταξύ δύο κόμβων (όλα τα στοιχεία ενός κλάδου διαρέονται από την ίδια ένταση Ι 46
2.3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΠΟΛΑ Λέξεις κλειδιά: δίπολο, ηλεκτρική αντίσταση, αντιστάτης, Νόμος του Ohm, αντίσταση Ηλεκτρικά δίπολα 47 Δίπολο ονομάζεται κάθε στοιχείο που περιέχεται σε ένα κύκλωμα. Το δίπολο μπορεί να είναι ένας αγωγός, ένας λαμπτήρας, ένας αντιστάτης, ένας πυκνωτής, ένα πηνίο, κ.τ.λ. Το κάθε δίπολο έχει δύο άκρα που λέγονται πόλοι. Αντίσταση ενός αγωγού ονομάζεται το μονόμετρο μέγεθος, που ισούται με το πηλίκο της τάσης V, που εφαρμόζεται στα άκρα του αγωγού, προς την ένταση του ρεύματος I που τον διαρρέει. Δηλαδή: R: Αντίσταση V: Τάση I: Ένταση ρεύματος Μονάδα αντίστασης στο S. I είναι το 1 Ω = Άρα 1 Ω είναι η αντίσταση εκείνου του αγωγού που όταν στα άκρα του εφαρμοστεί τάση 1 Volt, διαρρέετε από ρεύμα εντάσεως 1 Ambere. Στην περίπτωση που η τάση παραμένει σταθερή το δίπολο θα ονομάζεται αντιστάτης. Τα όργανα με τα οποία μετράμε την ηλεκτρική αντίσταση ονομάζονται ωμόμετρα και συνήθως είναι ενσωματωμένα σε πολύμετρα. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αντιστάτη (αγωγό) αυξάνεται όταν αυξάνεται η ηλεκτρική τάση (διαφορά δυναμικού) που εφαρμόζεται στα άκρα του αντιστάτη, και μειώνεται όταν μειώνεται η ηλεκτρική τάση. Η παραπάνω πρόταση αποτελεί το νόμο του Ωμ, ο οποίος επιβεβαιώθηκε πειραματικά. Σύμφωνα με τον Ωμ, η ηλεκτρική αντίσταση ενός αγωγού είναι ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του και της έντασης του ρεύματος που το διαρρέει. Δηλαδή η μαθηματική περιγραφή του νόμου του Ωμ είναι: 47
48 Η ένταση του ρεύματος I που διαρρέει έναν μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη με την τάση (V) που εφαρμόζεται στα άκρα του όταν η θερμοκρασία είναι σταθερή. Νόμος του Ohm, με R=σταθερή Ο νόμος του Ohm δεν είναι γενικός νόμος, πχ στα τρανζίστορ, στους ηλεκτρικούς κινητήρες δεν ισχύει. Καθώς αυξάνεται η τάση που εφαρμόζεται στον αγωγό, αυξάνεται και η ενέργεια που δέχονται τα ηλεκτρόνια, άρα αποκτούν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια και κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα με αποτέλεσμα την αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό. Η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού εκφράζει τη δυσκολία που συναντούν τα ηλεκτρόνια του αγωγού κατά την προσανατολισμένη κίνησή τους. Όταν τα άκρα ενός αγωγού συνδεθούν με πηγή, τότε η διαφορά δυναμικού θα δημιουργήσει ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του αγωγού. Το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια και έτσι αυτά επιταχύνονται. Κατά την κίνησή τους όμως συγκρούονται με τα θετικά ιόντα και επιβραδύνονται. Έπειτα, με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται ξανά. Το φαινόμενο αυτό συνεχίζεται διαρκώς μέχρι τελικά να θεωρήσουμε ότι όλα τα ηλεκτρόνια κινούνται με μια μέση ταχύτητα μέσα στο σύρμα του αγωγού. Όσο περισσότερα είναι τα θετικά ιόντα του αγωγού τόσο μεγαλύτερη αντίσταση συναντούν τα ηλεκτρόνια κατά την κίνησή τους. 48
49 49
55 55