2012 - \ ΕΝΟΤΗΤΑ 1η ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 «Ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις - Ηλεκτρικό φορτίο» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο «Απλά ηλεκτρικά κυκλώματα» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο «Ηλεκτρική ενέργεια» ΒΡΕΝΤΖΟΥ ΤΙΝΑ
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
1.1-1.2 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. 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 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 -
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. 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. 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: 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. 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.
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 P + 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. e - 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.
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.
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). Η δύναμη ανάμεσα σε ηλεκτρικά φορτία είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης τους. Το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισμένο. 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). 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