ΤΡΟΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΗΣ ΚΑΙ Η ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΟΥΣ

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.

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

3 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. 3

4 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 4

5 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 5

6 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 - - - - 6

7 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 7

8 «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. 8

9 ΕΒΟΝΙΤΗΣ 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 δυναμικά. 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. 9

10 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. 10

11 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. http://www.youtube.com/watch?v=t0g r_otjyeq&feature=player_embedded 11

0 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. 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). 0

1 Γι αυτό το αλουμινόχαρτο έλκεται από το καλαμάκι. (αρνητικά ηλεκτρισμένο καλαμάκι τοπικά θετικά ηλεκτρισμένο αλουμινόχαρτο = έλξη) 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. 1

2 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. 2

3 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. 3