ΓΓ/Μ1 05-06 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ Τεύχος 1ο: Ηλεκτρική δύναμη & φορτίο
ΕΚΔΟΤΙΚΕΣ ΤΟΜΕΣ ΟΡΟΣΗΜΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΗ ΕΚΔΟΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΚΑΙ ΤΟ ΛΥΚΕΙΟ Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α Φυσική για την Γ' Τάξη του Γυμνασίου 1. Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο - Το ηλεκτρικό φορτίο - Το ηλεκτρονικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου σελ. 3 2. Τρόποι ηλέκτρισης σελ. 11 3. Ηλεκτρική δύναμη - Ο νόμος του Κουλόμπ σελ. 22 4. Ηλεκτρικό πεδίο σελ. 23
Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο - Το ηλεκτρικό φορτίο - Το ηλεκτρονικό φορτίο - Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου Ποια σώματα χαρακτηρίζονται ηλεκτρισμένα; Ηλεκτρισμένα χαρακτηρίζονται τα σώματα που μετά από τριβή αποκτούν την ιδιότητα να έλκουν ελαφρά αντικείμενα. Για παράδειγμα: Όταν χτενιζόμαστε, η χτένα τρίβεται στα στεγνά μαλλιά και τόσο αυτή όσο και τα μαλλιά μας ηλεκτρίζονται. Την ύπαρξη του ηλεκτρισμού παρατήρησε πρώτος ο Θαλής ο Μιλήσιος, ο οποίος γνώριζε ότι όταν τρίβουμε κεχριμπάρι (ήλεκτρο) με μάλλινα υφάσματα, τότε το κεχριμπάρι έλκει ελαφρά αντικείμενα όπως πούπουλα και κλωστές. Πότε αρχίζει ουσιαστικά η ιστορία του ηλεκτρισμού; Η ιστορία του ηλεκτρισμού αρχίζει ουσιαστικά τον 16ο αιώνα μ.χ., όταν ο Άγγλος φυσικός Τζίλμπερτ παρατήρησε ότι εκτός από το κεχριμπάρι και άλλα υλικά όπως το γυαλί και το θειάφι, όταν τα τρίβουμε με ύφασμα έλκουν ελαφρά αντικείμενα. Να αναφέρετε ορισμένα ηλεκτρικά φαινόμενα. Ορισμένα ηλεκτρικά φαινόμενα που παρατηρούμε στην καθημερινή μας ζωή είναι: α. Όταν περπατάμε επάνω σε μάλλινο χαλί, τα παπούτσια μας τρίβονται με αυτό και ηλεκτριζόμαστε. Για αυτό, μόλις αγγίξουμε ένα μεταλλικό αντικείμενο αισθανόμαστε ένα τίναγμα. β. Όταν βγάζουμε το πουλόβερ, αυτό τρίβεται με το συνθετικό πουκάμισο, ηλεκτρίζεται και ακούμε τριξίματα ενώ στο σκοτάδι βλέπουμε μικρούς σπινθήρες. γ. Ο κεραυνός είναι ένας τεράστιος ηλεκτρικός σπινθήρας, που συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρισμένο σύννεφο πλησιάζει κοντά στη Γη.
4 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Τι είναι το ηλεκτροσκόπιο; Ηλεκτροσκόπιο είναι το όργανο με το οποίο διαπιστώνουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο. Το απλούστερο ηλεκτροσκόπιο είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές, το οποίο αποτελείται από ένα πολύ ελαφρύ, μη ηλεκτρισμένο αντικείμενο, που είναι κρεμασμένο σε μία κλωστή. Για να ελέγξουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο, πλησιάζουμε το κρεμασμένο αντικείμενο. Αν το σώμα έλξει το κρεμασμένο αντικείμενο, συμπεραίνουμε ότι είναι ηλεκτρισμένο. Τι γνωρίζετε για την ηλεκτρική δύναμη; Ηλεκτρική δύναμη ονομάζεται η δύναμη που ασκείται μεταξύ των ηλεκτρισμένων σωμάτων. Τα κύρια χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής δύναμης είναι: Δρα από απόσταση, δηλαδή ασκείται χωρίς τα σώματα να έρθουν σε επαφή. Άλλοτε είναι ελκτική και άλλοτε απωστική. Τι είναι το ηλεκτρικό φορτίο; Το ηλεκτρικό φορτίο το χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε πόσο ηλεκτρισμένο είναι ένα σώμα. Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το κουλόμπ, το οποίο συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα C. Να τονίσουμε ότι το 1C είναι πολύ μεγάλη ποσότητα φορτίου.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 5 Για παράδειγμα: Όταν τρίβουμε μία γυάλινη ράβδο, το φορτίο που αποκτά είναι λίγα δισσεκατομυριοστά του κουλόμπ. Ποιες ομάδες ηλεκτρισμένων σωμάτων μπορούμε να διακρίνουμε; Τα ηλεκτρισμένα σώματα μπορούμε να τα διακρίνουμε στα θετικά ηλεκρισμένα και στα αρνητικά ηλεκτρισμένα. Τα θετικά ηλεκτρισμένα σώματα έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ τα αρνητικά ηλεκτρισμένα σώματα έχουν αρνητικό φορτίο. Πότε η ηλεκτρική δύναμη είναι ελκτική και πότε είναι απωστική; Η ηλεκτρική δύναμη είναι ελκτική μεταξύ σωμάτων με διαφορετικό είδος φορτίου και απωστική μεταξύ σωμάτων με όμοιο είδος φορτίου. Η ηλεκτρική δύναμη είναι ελκτική μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων με διαφορετικό είδος ηλεκτρικού φορτίου (θετικό - αρνητικό ή αρνητικό - θετικό). Η ηλεκτρική δύναμη είναι απωστική μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων με ίδιο είδος ηλεκτρικού φορτίου (θετικό - θετικό ή αρνητικό - αρνητικό).
6 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Ανακεφαλαίωση: Τα σώματα που μετά την τριβή αποκτούν την ιδιότητα να έλκουν ελαφρά αντικείμενα, ονομάζονται ηλεκτρισμένα. Ηλεκτροσκόπιο είναι το όργανο με το οποίο διαπιστώνουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο. Η δύναμη που ασκείται μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων ονομάζεται ηλεκτρική δύναμη. Το ηλεκτρικό φορτίο το χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε πόσο ηλεκτρισμένο είναι ένα σώμα. Υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου, το θετικό και το αρνητικό. Η ηλεκτρική δύναμη είναι ελκτική μεταξύ σωμάτων με διαφορετικό είδος φορτίου και απωστική μεταξύ σωμάτων με όμοιο είδος φορτίου.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 7 1. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Με το... διαπιστώνουμε αν είναι ηλεκτρισμένο ένα σώμα. β. Τα ηλεκτρισμένα σώματα... μία τρίχα. γ. Ο κεραυνός είναι ένας τεράστιος...... δ. Υπάρχουν... διαφορετικές καταστάσεις ηλεκτρισμένων σωμάτων. Λύση α. ηλεκτροσκόπιο β. έλκουν γ. ηλεκτρικός σπινθήρας δ. δύο 2. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Η ύπαρξη του ηλεκτρισμού είναι γνωστή τα τελευταία 100 χρόνια. β. Το απλούστερο ηλεκτροσκόπιο είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές. γ. Ο μαγνήτης έλκει το ηλεκτρικό εκκρεμές. δ. Η ηλεκτρική δύναμη είναι άλλοτε ελκτική και άλλοτε απωστική. Λύση Λυμένες ασκήσεις: α. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί η ύπαρξη του ηλεκτρισμού είναι γνωστή από την αρχαιότητα. β. Η πρόταση είναι σωστή. γ. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί ο μαγνήτης δεν έλκει το ηλεκτρικό εκκρεμές. δ. Η πρόταση είναι σωστή.
8 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Ασκήσεις για λύση: 1. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Ο... ο... παρατήρησε ότι όταν τρίβουμε το κεχριμπάρι με ένα μάλλινο ύφασμα, το κεχριμπάρι έλκει ελαφρά α- ντικείμενα. β. Η δύναμη που ασκείται μεταξύ των ηλεκτρισμένων σωμάτων ονομάζεται... γ. Η ηλεκτρική δύναμη δρα από... δ. Δύο... ηλεκτρισμένα σώματα απωθούνται. 2. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Όταν τρίβουμε μία γυάλινη ράβδο με ένα κομμάτι μάλλινο ύφασμα, τότε ηλεκτρίζεται μόνο η ράβδος. β. Ένα ηλεκτρισμένο σώμα απωθεί το ηλεκτρικό εκκρεμές. γ. Η ηλεκτρική δύναμη εμφανίζεται μόνο όταν τα ηλεκτρισμένα σώματα έρθουν σε επαφή μεταξύ τους. δ. Οι δύο καταστάσεις ηλέκτρισης είναι η θετική και η αρνητική.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 9 Θέμα 1 ο 1 Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: α. Ποια σώματα χαρακτηρίζουμε ηλεκτρισμένα; β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Η δύναμη μεταξύ των... σωμάτων ονομάζεται ηλεκτρική. Η ηλεκτρική δύναμη άλλοτε είναι... και άλλοτε... Θέμα 2 ο α. Τι είναι το ηλεκτροσκόπιο; β. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; 1. Ο πρώτος άνθρωπος που παρατήρησε τα ηλεκτρικά φαινόμενα ήταν ο Τζίλμπερτ. 2. Το ηλεκτρικό εκκρεμές είναι ένα ηλεκτροσκόπιο. 3. Δύο όμοια ηλεκτρισμένα σώματα απωθούνται. Θέμα 3 ο α. Να αναφέρετε δύο ηλεκτρικά φαινόμενα. β. Αν πλησιάσουμε δύο ράβδους από εμβονίτη, τις οποίες έχουμε τρίψει με μάλλινο ύφασμα, τότε αυτές: 1. Έλκονται 2. Απωθούνται 3. Δεν αλλάζουν
10 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Θέμα 4 ο Τα σώματα Α, Β, Γ, Δ, και Ε είναι ηλεκτρισμένα. Το Α έλκεται από το Β. Τα Β, Γ απωθούνται. Το Δ έλκεται από το Ε. Αν το Γ είναι αρνητικά ηλεκτρισμένο, να βρείτε το είδος ηλέκτρισης των υπολοίπων σωμάτων.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 11 Τρόποι ηλέκτρισης Ποιους τρόπους ηλέκτρισης γνωρίζετε; Ένα σώμα μπορεί να ηλεκτριστεί με τρείς τρόπους: α. Με τριβή β. Με επαφή γ. Με επαγωγή Τι γνωρίζετε για την ηλέκτριση με επαφή; Αν αγγίξουμε σε ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα ένα ηλεκτρισμένο, τότε και αυτό ηλεκτρίζεται. Στην περίπτωση αυτή αναπτύσσεται ηλέκτριση λόγω επαφής. Αν ηλεκτρίσουμε με επαφή ένα μεταλλικό σώμα, μετά την επαφή κάθε περιοχή του είναι ηλεκτρισμένη. Αντίθετα, αν ηλεκτρίσουμε με επαφή ένα γυάλινο σώμα, τότε ηλεκτρίζεται μόνο η περιοχή του σώματος που ήρθε σε επαφή με το ηλεκτρισμένο σώμα. Ποια υλικά χαρακτιρίζονται αγώγιμα και ποια μονωτικά; Αγώγιμα χαρακτηρίζονται τα υλικά τα οποία ηλεκτρίζονται με επαφή σε όλη την έκτασή τους. Αγώγιμα υλικά είναι τα μέταλλα. Μονωτικά χαρακτηρίζονται τα υλικά τα οποία ηλεκτρίζονται με επαφή μόνο τοπικά. Μονωτικά υλικά είναι το γυαλί και τα πλαστικά. Τι γνωρίζετε για την ηλέκτριση με επαγωγή; Ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα είναι δυνατό να ηλεκτριστεί αν πλησιάσουμε κοντά σε αυτό ένα ηλεκτρισμένο σώμα, χωρίς τα δύο σώματα να έρθουν σε επαφή.
12 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Στην περίπτωση αυτή έχουμε ηλέκτριση με επαγωγή. Με επαγωγή ηλεκτρίζονται τόσο οι αγωγοί όσο και οι μονωτές, όμως οι αγωγοί ηλεκτρίζονται με επαγωγή εντονότερα από τους μονωτές. Για παράδειγμα: Αν στο άκρο μίας μεταλλικής μη ηλεκτρισμένης ράβδου πλησιάσουμε μία η- λεκτρισμένη γυάλινη ράβδο, τότε το ένα άκρο της μεταλλικής ράβδου φορτίζεται θετικά και το άλλο αρνητικά. Έπισης, η μεταλλική ράβδος παραμένει ηλεκτρισμένη όσο η γυάλινη ράβδος παραμένει κοντά της. Από τι αποτελείται και πως λειτουργεί το ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα; Το ηλεκτροσκόπιο αυτό αποτελείται από ένα σταθερό μεταλλικό στέλεχος και ένα ή δύο κινητά μεταλλικά φύλλα. Αν με ένα ηλεκτρισμένο σώμα αγγίξουμε το επάνω μέρος του μεταλλικού στελέχους, τότε αυτό καθώς και τα κινητά φύλλα ηλεκτρίζονται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα κινητά φύλλα να απωθούνται και να ανοίγουν. Για να κλείσουν τα φύλλα, αρκεί να αγγίξουμε το δάκτυλό μας στο άκρο του στελέχους. Με ποιο τρόπο τα μόρια σχετίζονται με τις ηλεκτρικές ιδιότητες των σωμάτων; Αν τεμαχίσουμε μία ηλεκτρισμένη ράβδο, παρατηρούμε ότι κάθε φορά προκύπτουν όλο και μικρότερα ηλεκτρισμένα κομμάτια. Άρα μπορούμε να φανταστούμε ότι κάθε ηλεκτρισμένο σώμα περιέχει μικροσκοπικά σωματίδια, θετικά ή αρνητικά φορτισμένα. Τα ηλεκτρισμένα σωματίδια σχετίζονται με τα μόρια. Αν ηλεκτρίσουμε με επαγωγή μία μεταλλική ράβδο και την τεμαχίσουμε, προκύπτουν δύο κομμάτια αντίθετα ηλεκτρισμένα. Αυτό συμβαίνει όσο μικρή και αν είναι η ράβδος.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 13 Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι και τα μόρια αποτελούνται από μικρότερα θετικά και αρνητικά ηλεκτρισμένα σωματίδια. Πότε ένα σώμα δεν είναι ηλεκτρισμένο; Ένα σώμα δεν είναι ηλεκτρισμένο όταν περιέχει τον ίδιο αριθμό θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων. Μεταξύ των μη ηλεκτρισμένων σωμάτων δεν αναπτύσσονται ηλεκτρικές δυνάμεις. Πότε ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα ηλεκτρίζεται; Ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα ηλεκτρίζεται αν προσθέσουμε ή αφαιρέσουμε από αυτό ηλεκτρισμένα σωματίδια. Πιο συγκεκριμένα: Φορτίζεται θετικά όταν προστεθούν σε αυτό θετικά φορτισμένα σωματίδια ή αφαιρεθούν από αυτό αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Φορτίζεται αρνητικα όταν προστεθούν σε αυτό αρνητικά φορτισμένα σωματίδια ή αφαιρεθούν από αυτό θετικά φορτισμένα σωματίδια. Ποια ηλεκτρισμένα σωματίδια μπορούν να κινηθούν στο εσωτερικό των στερεών σωμάτων; Στα στερεά σώματα, μόνο τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια μπορούν να κινηθούν από μία περιοχή του σώματος σε μία άλλη, ή από ένα στερεό σώμα σε ένα άλλο. Τα θετικά φορτισμένα σωματίδια των στερεών σωμάτων δεν κινούνται ελεύθερα, αλλά κάνουν μικρές κινήσεις γύρω από συγκεκριμένες θέσεις. Από το γεγονός ότι οι αγωγοί ηλεκτρίζονται σε όλη την έκτασή τους ενώ οι μονωτές όχι, συμπεραίνουμε ότι στους αγωγούς, τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια κινούνται με ευκολία, ενώ στους μονωτές όχι.
14 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Η διάκριση αγωγών και μονωτών δεν είναι απόλυτη. Μεγάλες ηλεκτρικές δυνάμεις διασπούν τα μόρια και μετατρέπουν τους αγωγούς σε μονωτές. Έτσι παράγονται οι σπινθήρες και οι κεραυνοί. Να δώσετε την ερμηνεία της ηλέκτρισης με τριβή, με τη βοήθεια της μετακίνησης των αρνητικών σωματιδίων. Όταν τρίβουμε δύο μη ηλεκτρισμένα σώματα, αρνητικά φορτισμένα σωματίδια μετακινούνται από το ένα στο άλλο και αυτά ηλεκτρίζονται αντίθετα. Για παράδειγμα: Αν τρίψουμε μία γυάλινη ράβδο με ένα κομμάτι μάλλινο ύφασμα, τα αρνητικά σωματίδια μετακινούνται από τη ράβδο στο ύφασμα. Αποτέλεσμα είναι η ράβδος να φορτίζεται θετικά και το μάλλινο ύφασμα αρνητικά. Να δώσετε την ερμηνεία της ηλέκτρισης με επαφή με τη βοήθεια της μετακίνησης των αρνητικών σωματιδίων. Κατά την ηλέκτριση με επαφή, αρνητικά σωματίδια μετακινούνται από το ένα σώμα στο άλλο. Για παράδειγμα: Αν αγγίξουμε σε ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα ένα θετικά ηλεκτρισμένο, τότε αρνητικά σωματίδια μετακινούνται από το πρώτο στο δεύτερο. Αποτέλεσμα είναι το μη ηλεκτρισμένο σώμα να φορτίζεται θετικά. Να δώσετε την ερμηνεία της ηλέκτρισης με επαγωγή με τη βοήθεια της μετακίνησης των αρνητικών σωματιδίων. Όταν στο ένα άκρο μίας μη ηλεκτρισμένης μεταλλικής ράβδου πλησιάσουμε ένα θετικά ηλεκτρισμένο σώμα, το σώμα έλκει τα αρνητικά σωματίδια
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 15 της ράβδου, έτσι έχουμε συγκέντρωση αρνητικών σωματιδίων στο ένα άκρο της και αυτή η περιοχή της ηλεκτρίζεται αρνητικά. Ταυτόχρονα το άλλο άκρο της ράβδου ηλεκτρίζεται θετικά γιατί από εκεί φεύγουν αρνητικά σωματίδια. Στην περίπτωση που θα είχαμε πλησιάσει στη μεταλλική ράβδο ένα αρνητικά ηλεκτρισμένο σώμα, θα είχαμε το αντίθετο αποτέλεσμα, δηλαδή τα αρνητικά σωματίδια θα κινούνταν προς το αντίθετο άκρο. Όταν ένα θετικά ηλεκτρισμένο σώμα πλησιάσει σε ένα μη ηλεκτρισμένο μονωτή, τα ηλεκτρισμένα σωματίδια δε μετακινούνται, αλλά στρέφονται ώστε τα αρνητικά σωματίδιά τους να βρίσκονται πλησιέστερα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τι γνωρίζετε για τις ηλεκτρικές μηχανές; Σκοπός λειτουργίας των ηλεκτρικών μηχανών είναι η εμφάνιση μεγάλης ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου. Οι ηλεκτρικές μηχανές χρησιμοποιούνται σε πειράματα επίδειξης και μελέτης ηλεκτρικών φαινομένων. Οι γνωστότερες ηλεκτρικές μηχανές είναι: α. Η ηλεκτροστατική μηχανή Wimshurst. β. Η ηλεκτροστατική μηχανή Van de Graaf. Καταστρέφεται ποτέ το φορτίο; Θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε φορτίο από το μηδέν; Όταν ηλεκτρίζουμε μία γυάλινη ράβδο τρίβοντάς τη με ένα μάλλινο ύφασμα, τότε η ράβδος φορτίζεται θετικά και συγχρόνως το ύφασμα φορτίζεται αρνητικά. Όταν φορτίζουμε μία μεταλλική ράβδο με επαγωγή, το ένα άκρο της ράβδου φορτίζεται θετικά και το άλλο αρνητικά. Στις προηγούμενες περιπτώσεις ηλέκτρισης παρατητούμε ότι αρχικά δεν υπήρχε ηλεκτρικό φορτίο και τελικά εμφανίζεται θετικό και αρνητικό φορτίο.
16 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Όταν με ένα ηλεκτρισμένο σώμα αγγίξουμε ένα μη ηλεκτρισμένο, τότε το φορτίο του πρώτου ελαττώνεται ενώ ταυτόχρονα το δεύτερο αποκτά φορτίο. Δηλαδή στην περίπτωση αυτή έχουμε μεταφορά φορτίου από το ένα σώμα στο άλλο. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι: Το φορτίο δεν καταστρέφεται ούτε δημιουργείται από το μηδέν και το συνολικό φορτίο παραμένει σταθερό. Το παραπάνω συμπέρασμα ονομάζεται Αρχή Διατήρησης του Φορτίου. Τι εννοούμε με τη φράση το φορτίο εμφανίζεται σε πακετάκια ; Αν μετρήσουμε με ακρίβεια το φορτίο ενός ηλεκτρισμένου σώματος, παρατηρούμε ότι πάντα είναι ακέραιο πολλαπλάσιο των 1,6 10 19 C. Τα 1,6 10 19 C επίσης είναι η μικρότερη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που υπάρχει στη φύση. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι το φορτίο εμφανίζεται σε πακετάκια, τα οποία ονομάζουμε κβάντα. Κάθε κβάντο ηλεκτρικού φορτίου είναι 1,6 10 19 C. Όπως είναι λογικό, υπάρχουν δύο είδη στοιχειώδους φορτίου, το θετικό και το αρνητικό.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 17 Ανακεφαλαίωση: Ένα σώμα μπορεί να ηλεκτριστεί με τριβή, με επαφή και με επαγωγή. Τα μη ηλεκτρισμένα σώματα αποτελούνται από τον ίδιο αριθμό θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων. Στα στερεά σώματα, μόνο τα αρνητικά σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να κινηθούν από μία περιοχή σε άλλη. Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το 1 κουλόμπ (C). To φορτίο δεν καταστρέφεται ούτε δημιουργείται. Σε όλα τα ηλεκτρικά φαινόμενα, το συνολικό φορτίο διατηρείται σταθερό. Το φορτίο εμφανίζεται σε πακετάκια τα οποία ονομάζονται κβάντα.
18 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Λυμένες ασκήσεις: 3. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Όταν το υλικό ηλεκτρίζεται με επαφή σε όλη την έκτασή του, το ονομάζουμε... β. Όταν ένα σώμα ηλεκτρίζεται χωρίς να έρθει σε επαφή με το ηλεκτρισμένο σώμα, τότε έχουμε ηλέκτριση με... γ. Στα στερεά σώματα, μπορούν να κινηθούν μόνο τα... σωματίδια. δ. Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το... ε. Κάθε... φορτίου είναι ίσο με 1,6 10 19 C. Λύση α. αγώγιμο β. επαγωγή γ. αρνητικά δ. κουλόμπ ε. κβάντο 4. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Με επαγωγή ηλεκτρίζονται μόνο οι μονωτές. β. Στα μη ηλεκτρισμένα σώματα, ο αριθμός θετικών και αρνητικών ηλεκτρισμένων σωματιδίων είναι ίδιος. γ. Στην ηλέκτριση με τριβή, τα δύο σώματα ηλεκτρίζονται αντίθετα.. δ. Κατά την ηλέκτριση με τριβή, έχουμε δημιουργία ηλεκτρικού φορτίου. Λύση α. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί με επαγωγή ηλεκτρίζονται τόσο οι μονωτές όσο και οι αγωγοί. β. Η πρόταση είναι σωστή. γ. Η πρόταση είναι σωστή. δ. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί το φορτίο δεν καταστρέφεται, ούτε δημιουργείται.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 19 Ασκήσεις για λύση: 3. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Οι... ηλεκτρίζονται με επαγωγή εντονότερα από τους... β. Ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα, φορτίζεται θετικά όταν αφαιρέσουμε από αυτό...... γ. Τα... υλικά ηλεκτρίζονται με επαφή μόνο τοπικά. δ. Στους... τα αρνητικά φορτιμένα σωματίδια κινούνται με ευκολία από μία περιοχή σε άλλη. 4. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Μετά την ηλέκτριση με επαφή και τα δύο σώματα έχουν το ίδιο είδος φορτίου. β. Το 1 C είναι πολύ μικρή ποσότητα φορτίου. γ. Το γυαλί είναι μονωτικό υλικό. δ. Ένα ηλεκτρισμένο σώμα μπορεί να έχει φορτίο 2 10 19 C. 5. Μία μεταλλική σφαίρα έχει φορτίο 6 C. Τη σφαίρα αυτή τη φέρνουμε σε επαφή με μία αφόρτιστη μεταλλική σφαίρα και στη συνέχεια την απομακρύνουμε. Μετά την επαφή, οι σφαίρες θα έχουν φορτία: α. 6 C και 6 C β. 2 C και 2 C γ. 4 C και 2 C Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση. 6. Ένα ηλεκτρισμένο σώμα μπορεί να έχει φορτίο: α. 1,6 10 20 C β. 4 10 19 C γ. 8 10 19 C δ. 10 19 C
20 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Θέμα 1 ο 2 Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: α. Με ποιους τρόπους μπορούμε να ηλεκτρίσουμε ένα σώμα; β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Όταν τρίβουμε μία γυάλινη ρ άβδο με ένα μάλλιν ο ύφασμα,...... μετακινούνται από τη ράβδο στο ύφασμα. Η ράβδος ηλεκτρίζεται... και το μάλλινο ύφασμα... Θέμα 2 ο α. Από τι εξαρτάται το ποσό θερμότητας που απορροφά ένα σώμα; β. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; 1. Κάθε υλικό που ηλεκτρίζεται, είναι αγώγιμο. 2. Σε όλα τα σώματα υπάρχουν θετικά και αρνητικά ηλεκτρισμένα σωματίδια. 3. Η μικρότερη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου είναι 1,6 10 19 C. Θέμα 3 ο α. Τι είναι το ηλεκτρικό φορτίο και ποια είναι η μονάδα μέτρησής του; β. Ποιο από τα παρακάτω υλικά φορτίζεται με επαφή σε όλη την έκτασή του; 1. Πλαστικό 2. Ξύλο 3. Χαλκός 4. Γυαλί
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 21 Θέμα 4 ο Τρίβουμε μία γυάλινη ράβδο με ένα μάλλινο ύφασμα και η ράβδος αποκτά ηλεκτρικό φορτίο +16 10 17 C. α. Τι φορτίο απέκτησε το ύφασμα; β. Πόσα στοιχειώδη αρνητικά φορτία μετακινήθηκαν και προς ποια κατεύθυνση;
22 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Ηλεκτρική δύναμη - Ο νόμος του Κουλόμπ Πως εξαρτάται η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρισμένων σφαιρών από τη μεταξύ τους απόσταση; Ο Γάλλος φυσικός Κουλόμπ βρήκε ότι η ηλεκτρική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Δηλαδή, αν υποδιπλασιάσουμε την απόσταση μεταξύ των σφαιρών, η δύναμη αυξάνεται και πιο συγκεκριμένα τετραπλασιάζεται. Πως εξαρτάται η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρισμένων σφαιρών από το φορτίο της κάθε σφαίρας; Ο Κουλόμπ βρήκε ότι η ηλεκτρική δύναμη είναι ανάλογη του ηλεκτρικού φορτίου της κάθε σφαίρας. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε το φορτίο της μίας από τις δύο σφαίρες, τότε η ηλεκτρική δύναμη αυξάνεται και πιο συγκεκριμένα διπλασιάζεται. Να διατυπώσετε το νόμο του Κουλόμπ. Σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ: Η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρισμένων σφαιρών είναι α- νάλογη με το φορτίο της κάθε σφαίρας και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης. Πως μπορούμε αρχικά να υποδιπλασιάσουμε και στη συνέχεια να υποτετραπλασιάσουμε το φορτίο μίας σφαίρας; Για να υποδιπλασιάσουμε το φορτίο μίας σφαίρας, πρέπει να τη φέρουμε σε επαφή με μια όμοια αφόρτιστη. Φορτίο μεταφέρεται από τη φορτισμένη σφαίρα στην αφόρτιστη. Επειδή όμως οι σφαίρες είναι όμοιες, τελικά αποκτούν το ίδιο φορτίο, ίσο με το μισό φορτίο της αρχικής. Τελικά οι δύο σφαίρες α- ποκτούν ίδιο φορτίο, ίσο με το μισό του αρχικού.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 23 Αν φέρουμε πάλι την αρχική σφαίρα σε επαφή με μία τρίτη σφαίρα, η οποία είναι όμοια και αφόρτιστη, τότε η αρχική σφαίρα, με τον ίδιο τρόπο, αποκτά φορτίο ίσο με το ένα τέταρτο του αρχικού της φορτίου. Να ερμηνεύσετε την έλξη μεταξύ ηλεκτρισμένου και μη ηλεκτρισμένου σώματος. Αν πλησιάσουμε μία θετικά ηλεκτρισμένη ράβδο με ένα μη ηλεκτρισμένο μπαλάκι από αλουμινόχαρτο, το μπαλάκι ηλεκτρίζεται με επαγωγή. Η περιοχή από το μπαλάκι που βρίσκεται κοντά στη ράβδο φορτίζεται αρνητικά και έλκεται από αυτή, ενώ η περιοχή που βρίσκεται μακρυά φορτίζεται θετικά και απωθείται. Επειδή η ράβδος βρίσκεται πλησιέστερα στην αρνητική περιοχή, σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ, η ελκτική δύναμη είναι μεγαλύτερη από την απωστική, με αποτέλεσμα το μπαλάκι να έλκεται από τη ράβδο. Ηλεκτρικό πεδίο Τι είναι το ηλεκτρικό πεδίο; Ηλεκτρικό πεδίο είναι ο χώρος στον οποίο ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις. Τα ηλεκτρικά πεδία εμφανίζονται στο χώρο γύρω από τα ηλεκτρισμένα σώματα. Τι είναι οι δυναμικές γραμμές ενός ηλεκτρικού πεδίου; Οι δυναμικές γραμμές χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου και μας δείχνουν τη διεύθυνση και το μέγεθος της ηλεκτρικής δύναμης. Πιο συγκεκριμένα: Η ηλεκτρική δύναμη έχει τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών.
24 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Όσο πυκνότερες είναι οι δυναμικές γραμμές, τόσο ισχυρότερη είναι η ηλεκτρική δύναμη. Με ποιους τρόπους μπορούμε να περιγράψουμε τη διαδικασία με την οποία ασκείται η ηλεκτρική δύναμη; Η διαδικασία με την οποία ασκείται η ηλεκτρική δύναμη μπορεί να περιγραφεί με δύο τρόπους: α. Το ηλεκτρισμένο σώμα ασκεί τη δύναμη από απόσταση, χωρίς να επηρεάζεται ο χώρος γύρω από αυτό. β. Το ηλεκτρισμένο σώμα διαμορφώνει γύρω του ένα ηλεκτρικό πεδίο και η ηλεκτρική δύναμη ασκείται μέσω αυτού του πεδίου. Ανακεφαλαίωση: Η ηλεκτρική δύναμη μελετήθηκε από το Γάλλο φυσικό Κουλόμπ. Η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο φορτισμένων σφαιρών είναι ανάλογη του φορτίου της κάθε σφαίρας και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος στον οποίο δρουν ηλεκτρικές δυνάμεις. Οι δυναμικές γραμμές ενός ηλεκτρικού πεδίου μας δείχνουν τη διεύθυνση και την ένταση της ηλεκτρικής δύναμης.
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 25 Λυμένες ασκήσεις: 5. Δύο ηλεκτρισμένες σφαίρες βρίσκονται σε απόσταση 2 m. Αν η απόσταση μεταξύ των σφαιρών γίνει 6 m, τότε η ηλεκτρική δύναμη θα γίνει: α. εξαπλάσια β. διπλάσια γ. εννέα φορές μικρότερη δ. τρείς φορές μικρότερη Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. Λύση Παρατηρούμε ότι η απόσταση μεταξύ των σφαιρών τριπλασιάζεται. Γνωρίζουμε ότι η ηλεκτρική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης, συνεπώς θα γίνει εννέα φορές μικρότερη. Άρα σωστή απάντηση είναι η (γ). 6. Δύο ηλεκτρισμένες σφαίρες ασκούν ηλεκτρική δύναμη η μία στην άλλη. Τι θα συμβεί στην ηλεκτρική δύναμη αν: α. Διπλασιάσουμε το φορτίο της μίας σφαίρας. β. Τριπλασιάσουμε το φορτίο της μίας σφαίρας. γ. Υποδιπλασιάσουμε το φορτίο της μίας σφαίρας. Λύση Γνωρίζουμε ότι η ηλεκτρική δύναμη είναι ανάλογη του φορτίου της κάθε σφαίρας. α. Όταν διπλασιάσουμε το φορτίο της μίας σφαίρας, η δύναμη διπλασιάζεται. β. Όταν τριπλασιάσουμε το φορτίο της μίας σφαίρας, η δύναμη τριπλασιάζεται. γ. Όταν υποδιπλασιάσουμε το φορτίο της μίας σφαίρας, η δύναμη υποδιπλασιάζεται.
26 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Ασκήσεις για λύση: 7. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Η ηλεκτρική δύναμη είναι ανάλογη του... των ηλεκτρισμένων σωμάτων. β. Ο χώρος στον οποίο ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις ονομάζεται...... γ. Η ηλεκτρική δύναμη μελετήθηκε από το Γάλλο φυσικό... 8. Δύο θετικά φορτισμένες σφαίρες έχουν φορτία 8 C και 2 C και βρίσκονται σε ορισμένη απόσταση. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Η ηλεκτρικές δυνάμεις μεταξύ των σφαιρών είναι ελκτικές. β. Η πρώτη σφαίρα ασκεί στη δεύτερη μεγαλύτερη δύναμη από αυτή που ασκεί η δεύτερη στην πρώτη. γ. Αν αυξήσουμε τη μεταξύ τους απόσταση, η δύναμη θα μειωθεί. δ. Αν το φορτίο της πρώτης σφαίρας γίνει 4 C, η ηλεκτρική δύναμη θα υποδιπλασιαστεί. 9. Με ποιο τρόπο μπορούμε να κάνουμε το φορτίο μίας σφαίρας οκτώ φορές μικρότερο;
ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός 27 Θέμα 1 ο 3 Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: α. Να ερμηνεύσετε την έλξη μεταξύ ηλεκτρισμένου και μη ηλεκτρισμένου σώματος. β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Αν αυξήσουμε την απόσταση μεταξύ δύο ηλεκτρισμένων σφαιρών, η ηλεκτρική δύναμη... Πιο συγκεκριμένα, αν διπλασιάσουμε την απόσταση η δύναμη... Θέμα 2 ο α. Τι ονομάζουμε ηλεκτρικό πεδίο; β. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; 1. Κάθε ηλεκτρισμένο σώμα δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο. 2. Στο χώρο που οι δυνάμικές γραμμές ενός ηλεκτρικού πεδίου είναι πυκνές, ασκούνται ισχυρές δυνάμεις. 3. Η ηλεκτρική δύναμη μελετήθηκε ποιοτικά και ποσοτικά από τον Θαλή τον Μιλήσιο. Θέμα 3 ο α. Πως μπορούμε να υποδιπλασιάσουμε το φορτίο μίας φορτισμένης σφαίρας; β. Με ποιους τρόπους μπορούμε να περιγράψουμε τη διαδικασία με την οποία ασκείται η ηλεκτρική δύναμη;
28 ΦΥΣΙΚΗ: Ηλεκτρισμός Θέμα 4 ο Μεταξύ δύο φορτισμένων σφαιρών ασκείται ηλεκτρική δύναμη. Τι θα συμβεί στην ηλεκτρική δύναμη αν: α. Υποδιπλασιάσουμε τη μεταξύ τους απόσταση. β. Τριπλασιάσουμε το φορίο της μίας σφαίρας. γ. Διπλασιάσουμε το φορτίο και των δύο σφαιρών.