ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 1 ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων Καθημερινά, βιώνουμε πολλά φαινόμενα που οφείλονται στην ηλέκτριση ή στην ηλεκτρική φόρτιση διαφόρων σωμάτων. Για παράδειγμα, σε όλους μας σχεδόν έχει τύχει να νιώσουμε ένα μικρό «τίναγμα» από τον σπινθήρα που δημιουργείται, καθώς βγαίνουμε από το αυτοκίνητό μας, ή να ακούσουμε ήχους και να αισθανθούμε μικρά τσιμπήματα καθώς βγάζουμε το μάλλινό μας πουλόβερ. Με ένα πλαστικό μπαλόνι μπορούμε να προκαλέσουμε αρκετά «περίεργα» φαινόμενα, αν το τρίψουμε με ένα μάλλινο ύφασμα ή με ένα νάιλον σακούλι. Μπορούμε, για παράδειγμα, να «τραβήξουμε» μικρά κομματάκια χαρτιού από μικρή απόσταση ή να κάνουμε κόκκους ζάχαρης να αναπηδούν. Μπορούμε, ακόμη, να κάνουμε τα μαλλιά μας να ανασηκωθούν ή να αλλάξουμε την πορεία μιας λεπτής φλέβας νερού που τρέχει από μια βρύση. Όλα αυτά συμβαίνουν, γιατί με την τριβή του πλαστικού μπαλονιού με ένα νάιλον σακούλι, το πλαστικό μπαλόνι ηλεκτρίζεται (φορτίζεται ηλεκτρικά, δηλαδή αποκτά ηλεκτρικό φορτίο, q). Εκτός από το πλαστικό μπαλόνι, με την τριβή φορτίζεται και το νάιλον σακούλι. Αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε αν φέρουμε το σακούλι κοντά στα μαλλιά μας ή κοντά σε μικρά κομματάκια χαρτιού. Εικόνα 1 1: Έλξη λεπτής φλέβας νερού από ένα φορτισμένο μπαλόνι. Εικόνα 1 2: Μικρά κομμάτια χαρτιού έλκονται από ένα φορτισμένο νάιλον σακούλι. Παρόμοιες παρατηρήσεις χρονολογούνται από τον 6 ο π.χ. αιώνα στην Ελλάδα. Συγκεκριμένα, ο Θαλής ο Μιλήσιος είχε παρατηρήσει ότι, όταν έτριβε με ύφασμα ή δέρμα ζώου ένα κομμάτι ήλεκτρον (ήλεκτρο ονομάζεται το κεχριμπάρι, το οποίο είναι απολιθωμένη ρητίνη κωνοφόρων δέντρων), τότε αυτό αποκτούσε μια ασυνήθιστη ιδιότητα την οποία ονομάζουμε ηλέκτριση. Μπορούσε να έλκει ελαφριά αντικείμενα, όπως άχυρα, κομματάκια φτερού και ξερά φύλλα. Εικόνα 1 3: Θαλής ο Μιλήσιος (624546 π.χ.).
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 2 Είδη ηλεκτρικού φορτίου Αλληλεπίδραση μεταξύ δύο φορτισμένων σωμάτων Εικόνα 1 4:. Το φορτισμένο καλαμάκι και το νάιλον σακούλι έλκονται. Εικόνα 1 5: Τα δύο φορτισμένα καλαμάκια απωθούνται. Η διπλανή εικόνα (Εικόνα 14), δείχνει μια διάταξη που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε, για να διερευνήσουμε πιο συστηματικά τα φαινόμενα που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων σωμάτων. Τρίβουμε ένα καλαμάκι με ένα νάιλον σακούλι και ακολούθως το πιάνουμε με ένα μανταλάκι που είναι αναρτημένο κατακόρυφα με νήμα και μπορεί να περιστρέφεται. Αν φέρουμε κοντά στο καλαμάκι το νάιλον σακούλι που χρησιμοποιήσαμε, παρατηρούμε ότι το καλαμάκι κινείται προς το σακούλι, δηλαδή έλκεται από αυτό. Αν τρίψουμε ένα δεύτερο καλαμάκι, επίσης με ένα νάιλον σακούλι, και το φέρουμε κοντά στο καλαμάκι που είναι ήδη πιασμένο στο μανταλάκι, παρατηρούμε ότι το καλαμάκι που είναι πιασμένο στο μανταλάκι κινείται μακριά από το άλλο καλαμάκι, δηλαδή απωθείται από αυτό. Οι πιο πάνω παρατηρήσεις, της άπωσης και της έλξης μεταξύ των σωμάτων, μας οδηγούν στο να σκεφτούμε ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη ηλεκτρικών φορτίων. Εκείνο που εμφανίζεται πάνω στα καλαμάκια και εκείνο που εμφανίζεται πάνω στο σακούλι. Τα δύο καλαμάκια φορτίστηκαν με ακριβώς την ίδια διαδικασία (με την τριβή τους στο νάιλον σακούλι) και απέκτησαν το ίδιο είδος ηλεκτρικού φορτίου. Το σακούλι φορτίστηκε με ηλεκτρικό φορτίο διαφορετικού είδους από αυτό που απέκτησαν τα καλαμάκια. Συμπεραίνουμε λοιπόν, ότι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικών φορτίων: θετικά και αρνητικά φορτία. Τα δύο καλαμάκια, που φορτίζονται με το ίδιο είδος φορτίου (π.χ. αρνητικά φορτισμένα), απωθούνται μεταξύ τους. Δηλαδή μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα όμοια, ή όπως λέγονται τα ομώνυμα φορτία, απωθούνται. Το νάιλον σακούλι, που φορτίζεται με διαφορετικό είδος φορτίου από αυτό με το οποίο φορτίζεται το καλαμάκι (π.χ. θετικά φορτισμένο), έλκει το καλαμάκι. Δηλαδή μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα ανόμοια, ή όπως λέγονται τα ετερώνυμα φορτία, έλκονται. Εικόνα 1 6: Αλληλεπίδραση ανάμεσα στα δύο είδη ηλεκτρικών φορτίων.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 3 Ο Γάλλος χημικός Σαρλ Ντιφέ (16981739) ανακάλυψε τη διαφορά μεταξύ των δύο ειδών ηλεκτρισμού. Τα ονόμασε υαλώδη και ρητινώδη, γιατί εμφανίζονταν με την τριβή του γυαλιού ή του κεχριμπαριού, αντίστοιχα. Αργότερα, ο Τζον Κάντον (17181772) ανακάλυψε ότι μπορούν να παραχθούν και τα δύο είδη ηλεκτρισμού από την ίδια γυάλινη ράβδο, αρκεί να την τρίψει κανείς με διαφορετικό υλικό κάθε φορά. Δομή του ατόμου Το καλαμάκι, όπως και όλα τα σώματα που μας περιβάλλουν (στερεά, υγρά και αέρια), αποτελούνται από τρισεκατομμύρια άτομα ίδιων ή διαφορετικών χημικών στοιχείων. Κάθε άτομο αποτελείται από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια (e), από θετικά φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια (p), και από ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια, τα νετρόνια (n). Εικόνα 1 7: Σαρλ Ντιφέ (16981739). Ηλεκτρονικό νέφος Τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρίσκονται στην περιοχή του ατόμου που ονομάζεται πυρήνας, ενώ τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα στην περιοχή που ονομάζεται ηλεκτρονικό νέφος. Το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι ίσο και αντίθετο με το φορτίο ενός πρωτονίου. Τα άτομα που αποτελούν ένα υλικό είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, διότι, ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε αυτά είναι ίσος. Αν με κάποιο τρόπο μεταφερθούν από ή προς ένα άτομο ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, τότε η ισορροπία μεταξύ των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων στο άτομο αλλάζει. Με τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό γίνεται μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων και το άτομο γίνεται θετικά φορτισμένο. Ένα τέτοιο άτομο ονομάζεται θετικό ιόν. Αντιθέτως, με τη μεταφορά ηλεκτρονίων προς το άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο άτομο γίνεται μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων και το άτομο γίνεται αρνητικά φορτισμένο. Σε αυτή την περίπτωση το άτομο ονομάζεται αρνητικό ιόν. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι μόνο τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από ή προς ένα άτομο και ποτέ τα πρωτόνια, αφού αυτά βρίσκονται στον πυρήνα του ατόμου και δεν μπορούν να μετακινηθούν. Εικόνα 1 ατόμου. 8: Μοντέλο του Πυρήνας
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 4 Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων με τριβή Γιατί όταν τρίψουμε ένα πλαστικό καλαμάκι σε ένα νάιλον σακούλι τα σώματα αυτά φορτίζονται; Εικόνα 1 9: Η ηλεκτρική φόρτιση με τριβή οφείλεται στη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα σώμα στο άλλο. Πριν τρίψουμε το πλαστικό καλαμάκι στο νάιλον σακούλι, υπάρχει στα δύο αντικείμενα ίσος αριθμός θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων (ίσος αριθμός ηλεκτρονίων και πρωτονίων). Ως αποτέλεσμα, τα δύο αντικείμενα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τρίβοντας το καλαμάκι με το νάιλον σακούλι, η ισορροπία ηλεκτρονίων και πρωτονίων στα άτομα που αποτελούν τα δύο αντικείμενα διαταράσσεται, γιατί μεταφέρονται ηλεκτρόνια από τα άτομα που αποτελούν το νάιλον σακούλι στο πλαστικό καλαμάκι. Οπότε, το καλαμάκι αποκτά πλεόνασμα ηλεκτρονίων και φορτίζεται αρνητικά, ενώ, ταυτόχρονα, στο νάιλον σακούλι δημιουργείται έλλειμμα ηλεκτρονίων (ή ισοδύναμα πλεόνασμα πρωτονίων) και φορτίζεται θετικά. Γιατί η μεταφορά των ηλεκτρονίων γίνεται από το νάιλον σακούλι προς το καλαμάκι και όχι το αντίθετο; Τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων του καλαμακιού, δέχονται μεγαλύτερη έλξη από τους πυρήνες των ατόμων που ανήκουν, σε σχέση με την έλξη που δέχονται τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων που αποτελούν το νάιλον σακούλι. Αυτό κάνει την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα που αποτελούν το νάιλον σακούλι ευκολότερη παρά την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα που αποτελούν το καλαμάκι. Εικόνα 1 10: Ανεφοδιασμός αεροσκάφους με καύσιμα. Εφαρμογή: Πώς αποφεύγεται το ξέσπασμα πυρκαγιών κατά τον ανεφοδιασμό αεροσκαφών με καύσιμα; Όταν ένα υγρό ρέει σε έναν μεταλλικό σωλήνα, μπορεί το υγρό και ο σωλήνας να φορτιστούν λόγω της μεταξύ τους τριβής. Η φόρτιση του σωλήνα και του υγρού μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία σπινθήρων μεταξύ τους, όπως ακριβώς συμβαίνει όταν βγάζουμε το μάλλινό μας πουλόβερ. Στην περίπτωση, όμως, που το υγρό είναι εύφλεκτο, η δημιουργία σπινθήρα μπορεί να οδηγήσει σε ανάφλεξη των καυσίμων και σε έκρηξη! Γι αυτό τον λόγο, κατά τη διάρκεια του εφοδιασμού των αεροπλάνων με καύσιμα, ο υπεύθυνος συνδέει πάντα τον σωλήνα εφοδιασμού με τη γη (το έδαφος), μέσω ενός μεταλλικού καλωδίου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται γείωση και, όπως θα δούμε αργότερα, με αυτό τον τρόπο τα καύσιμα και ο σωλήνας αποφορτίζονται.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 5 Εργασία «Όταν ένα μπαλόνι τρίβεται με μάλλινο ύφασμα, το μπαλόνι φορτίζεται αρνητικά». (α) Να εξηγήσετε γιατί φορτίζεται το μπαλόνι. (β) Ποιο είδος φορτίου αποκτά το μάλλινο ύφασμα κατά τη διάρκεια της τριβής; (γ) Πώς μπορούμε να δείξουμε ότι το μπαλόνι φορτίζεται αρνητικά με την τριβή του στο μάλλινο ύφασμα, αν ήδη γνωρίζουμε ότι τρίβοντας ένα καλαμάκι σε μάλλινο ύφασμα το καλαμάκι φορτίζεται αρνητικά; Έλξη ανάμεσα σε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο και ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα: Ηλεκτρική «φόρτιση» από απόσταση. Όπως είδαμε προηγουμένως, ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο έλκει άλλα ηλεκτρικά ουδέτερα αντικείμενα. Για παράδειγμα, ένα καλαμάκι και ένα μάλλινο ύφασμα που φορτίζονται μέσω τριβής έλκουν από κάποια απόσταση μικρά κομματάκια χαρτιού ή μια λεπτή φλέβα νερού που τρέχει από μια βρύση. Επίσης, όταν τρίψουμε ένα φουσκωμένο μπαλόνι στα ρούχα μας και το τοποθετήσουμε σε έναν κατακόρυφο τοίχο, παρατηρούμε ότι το ηλεκτρικά φορτισμένο μπαλόνι «κολλά» στον ηλεκτρικά ουδέτερο τοίχο. Πώς μπορούμε να ερμηνεύσουμε τα πιο πάνω φαινόμενα; Έστω ότι το μπαλόνι μετά την τριβή του στο μάλλινο πουλόβερ καθίσταται θετικά φορτισμένο. Θα πρέπει, για να «κολλά» στον τοίχο, να έλκεται από τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) που υπάρχουν στον τοίχο. Ο τοίχος στο σύνολό του είναι ηλεκτρικά ουδέτερος, αλλά τα άτομα που τον αποτελούν, αποτελούνται από θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Όταν το θετικά φορτισμένο μπαλόνι κινηθεί προς τον τοίχο, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί, αρκετά από τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν κοντά στην επιφάνεια του τοίχου κινούνται προς την επιφάνεια του τοίχου λόγω έλξης (τα ετερώνυμα φορτία έλκονται). Συνεπώς, η επιφάνεια του τοίχου φορτίζεται αρνητικά για όσο βρίσκεται κοντά της το θετικά φορτισμένο μπαλόνι. Αποτέλεσμα αυτής της παροδικής φόρτισης της επιφάνειας του τοίχου, είναι η έλξη ανάμεσα στο θετικά φορτισμένο μπαλόνι και στον τοίχο. Εικόνα 1 11: Τα μπαλόνια και τα καλαμάκια παραμένουν «κολλημένα» στον τοίχο, αφού προηγουμένως τα τρίψαμε με ένα νάιλον σακούλι. Τοίχος Τοίχος Τοίχος
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 6 Θετικά φορτισμένα σταγονίδια μπογιάς Αρνητικά φορτισμένη μεταλλική επιφάνεια Εικόνα 1 12: Ηλεκτροστατική βαφή μεταλλικών επιφανειών Εφαρμογή: Ηλεκτροστατική βαφή Τα τελευταία χρόνια, το βάψιμο των μεταλλικών κατασκευών γίνεται με τη χρήση ηλεκτροστατικών πιστολιών. Το σημείο του πιστολιού, από το οποίο εξέρχονται τα μικροσκοπικά σταγονίδια μπογιάς (ακροφύσιο), είναι θετικά φορτισμένο με αποτέλεσμα τα σταγονίδια της μπογιάς που εξέρχονται από αυτό να φορτίζονται θετικά μέσω επαφής. Τα σταγονίδια μπογιάς που εξέρχονται από το ηλεκτροστατικό πιστόλι απωθούνται μεταξύ τους, γιατί είναι φορτισμένα με το ίδιο είδος φορτίου και δημιουργείται με αυτό τον τρόπο ένα «σύννεφο» σταγονιδίων μπογιάς. Λόγω του ότι τα σταγονίδια μπογιάς είναι θετικά φορτισμένα, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη μεταλλική κατασκευή κινούνται, λόγω έλξης, κοντά στην επιφάνεια του μετάλλου με αποτέλεσμα τα σταγονίδια μπογιάς να έλκονται και να «κολλούν» στη μεταλλική επιφάνεια. Με την εφαρμογή αυτής της μεθόδου, η ποσότητα της μπογιάς που χρησιμοποιείται είναι κατά πολύ λιγότερη από αυτήν που χρησιμοποιείται με τους πιο παραδοσιακούς τρόπους βαφής. Επιπλέον, λόγω του ότι τα σταγονίδια μπογιάς έλκονται από όλα τα σημεία της μεταλλικής επιφάνειας, το στρώμα μπογιάς που εναποτίθεται στη μεταλλική επιφάνεια είναι ομοιόμορφο σε όλα τα σημεία. Εφαρμογή: Ηλεκτροστατικός ψεκασμός φυτών Εικόνα 1 13: Ηλεκτροστατικός ψεκασμός φυτών Παρόμοια τεχνική εφαρμόζεται και στο ψέκασμα των φυτών και των δέντρων με τη χρήση ηλεκτροστατικών ψεκαστήρων. Η εφαρμογή αυτής της τεχνικής έχει ως αποτέλεσμα τον ψεκασμό των δέντρων σε όλα τους τα σημεία (ακόμα και κάτω από τα φύλλα) και την περιορισμένη ποσότητα φυτοφαρμάκων που χρησιμοποιούνται σε σχέση με την περίπτωση που εφαρμόζεται ο συνήθης ψεκασμός. Αυτό οδηγεί στον περιορισμό της ρύπανσης του εδάφους από τα φυτοφάρμακα που χρησιμοποιούνται.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 7 Εργασίες 1. Να εξηγήσετε τα πιο κάτω φαινόμενα: (α) Ένα πλαστικό στυλό έλκει κομματάκια από χαρτί αφού το τρίψουμε με ένα νάιλον σακούλι. (β) Ένα πλαστικό καλαμάκι «συγκρατείται» στον τοίχο, αφού το τρίψουμε σε μάλλινο ύφασμα και το αφήσουμε να ακουμπήσει εκεί. 2. Το μπαλόνι Α που φαίνεται στα πιο κάτω σχήματα είναι αρνητικά φορτισμένο, ενώ το μπαλόνι Β είναι αφόρτιστο. Να επιλέξετε το σχήμα ή τα σχήματα που δείχνουν σωστά τη θέση των μπαλονιών Α και Β, όταν τα φέρουμε το ένα κοντά στο άλλο. α β γ δ ε Α Β Β Α Β Α Β Α Β 3. Πιο κάτω, φαίνονται οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα μπαλόνια Α, Β και Γ σε δύο περιπτώσεις. Σε κάθε περίπτωση είναι γνωστό ότι το μπαλόνι Β είναι αρνητικά φορτισμένο. Τι συμπέρασμα μπορείτε να βγάλετε για το φορτίο των μπαλονιών Α και Γ στην κάθε περίπτωση ξεχωριστά; Περίπτωση 1 Περίπτωση 2 Α Β Β Α Β Γ
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 8 Ηλεκτρική φόρτιση σωμάτων με επαφή Στα διάφορα φαινόμενα του στατικού ηλεκτρισμού, για να εξετάσουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο, χρησιμοποιούμε διάφορα όργανα. Ένα από αυτά είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές. Το ηλεκτρικό εκκρεμές αποτελείται από ένα ελαφρύ αντικείμενο (μικρή μεταλλική σφαίρα ή μπαλάκι από φελιζόλ/ πολυστερίνη) το οποίο είναι κολλημένο σε μια λεπτή νάιλον κλωστή, όπως φαίνεται στη διπλανή εικόνα (Εικόνα 114). Εικόνα 1 14: Φόρτιση μιας σφαίρας με επαφή. Όταν αγγίξουμε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο (π.χ. μια φορτισμένη γυάλινη ράβδο) σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο αντικείμενο (π.χ. μια ηλεκτρικά ουδέτερη σφαίρα ενός εκκρεμούς), παρατηρούμε ότι μετά την επαφή τα δύο σώματα απωθούνται. Αυτό σημαίνει ότι τα δύο αντικείμενα κατά την επαφή τους αποκτούν φορτίο ίδιου είδους. Πώς όμως εξηγείται η φόρτιση ενός σώματος με επαφή; Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε μια θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδο (ή γυάλινο δοκιμαστικό σωλήνα) είναι μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων. Κατά την επαφή της γυάλινης ράβδου με την αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερη σφαίρα του εκκρεμούς, μερικά από τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στη σφαίρα μετακινούνται προς τη θετικά φορτισμένη ράβδο λόγω έλξης. Έτσι, η σφαίρα του εκκρεμούς φορτίζεται θετικά, ενώ η γυάλινη ράβδος εμφανίζεται λιγότερο φορτισμένη (γιατί η διαφορά θετικών και αρνητικών σωματιδίων σε αυτήν ελαττώνεται), αλλά εξακολουθεί να είναι θετικά φορτισμένη. Έτσι, τα δύο αντικείμενα απωθούνται. Εικόνα 1 15: Σχηματική αναπαράσταση της μεταφοράς ηλεκτρικών φορτίων κατά τη φόρτιση μιας σφαίρας με επαφή. Ο Άγγλος Στίβεν Γκρέι (Stephen Grey, 16661736) ανακάλυψε την ηλέκτριση με επαφή. Παρατήρησε ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες μιας φορτισμένης γυάλινης ράβδου μπορούσαν να μεταφερθούν στον φελλό, στο ξύλο ή σε μια μεταξωτή κλωστή, αν αυτά έρχονταν σε επαφή με τη ράβδο. Εικόνα 1 16: Στίβεν Γκρέι, (16661736).
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 9 Εργασία Να εξηγήσετε, κάνοντας τα απαραίτητα σχήματα, τη φόρτιση της σφαίρας του εκκρεμούς, αφού έρθει σε επαφή με ένα αρνητικά φορτισμένο πλαστικό καλαμάκι. Εφαρμογή: Καθαρισμός αέρα από τα σωματίδια σκόνης. Για τον καθαρισμό του αέρα από τα σωματίδια σκόνης ή γύρης σε ένα κλειστό δωμάτιο, χρησιμοποιούνται συνήθως ηλεκτρικές συσκευές που ονομάζονται ιονιστές. Οι ιονιστές είναι συσκευές που αποτελούνται από μια σειρά θετικά φορτισμένων καλωδίων, γύρω από τα οποία υπάρχουν αρνητικά φορτισμένες μεταλλικές πλάκες. Καθώς περνά ο αέρας μέσα από το σύστημα των καλωδίων, τα σωματίδια σκόνης φορτίζονται θετικά (φόρτιση με επαφή). Ακολούθως, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια σκόνης απωθούνται από τα θετικά φορτισμένα καλώδια και ταυτόχρονα έλκονται από τις αρνητικά φορτισμένες μεταλλικές πλάκες πάνω στις οποίες και «κολλούν». Με αυτό τον τρόπο ο αέρας που εξέρχεται από αυτό το σύστημα είναι απαλλαγμένος από τα σωματίδια σκόνης. Έξοδος αέρα απαλλαγμένου από σωματίδια σκόνης ή γύρης Θετικά φορτισμένα καλώδια Αρνητικά φορτισμένη μεταλλική πλάκα Είσοδος αέρα που περιέχει σωματίδια σκόνης ή γύρης Εικόνα 1 17: Μέρη συσκευής καθαρισμού του αέρα από τα σωματίδια σκόνης.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 10 Αγωγοί και μονωτές Αν τρίψουμε το μέσο μιας μεταλλικής ράβδου με ένα νάιλον σακούλι και την ακουμπήσουμε σε έναν ανιχνευτή ηλεκτρικού φορτίου, παρατηρούμε ότι δεν φορτίζεται μόνο η περιοχή της ράβδου που τρίβουμε αλλά ολόκληρη η ράβδος. Εικόνα 1 18: Η μεταλλική ράβδος φορτίζεται σε όλα της τα σημεία αφού την τρίψουμε με το νάιλον σακούλι στο μέσο της. Σε αντίθεση, αν τρίψουμε μόνο την άκρη μιας πλαστικής ράβδου με ένα νάιλον σακούλι, παρατηρούμε ότι φορτίζεται μόνο η περιοχή της ράβδου που τρίψαμε, ενώ τα υπόλοιπα σημεία της ράβδου παραμένουν αφόρτιστα. Εικόνα 1 19: Η πλαστική ράβδος φορτίζεται μόνο στην περιοχή που την τρίβουμε με το νάιλον σακούλι. Από τις πιο πάνω παρατηρήσεις, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα φορτία που απέκτησε η μεταλλική ράβδος με την τριβή, μετακινήθηκαν σε όλη της την επιφάνεια, ενώ τα φορτία που απέκτησε η πλαστική ράβδος δεν μετακινήθηκαν, αλλά παρέμειναν στην περιοχή που μεταφέρθηκαν αρχικά. Η συμπεριφορά της μεταλλικής ράβδου χαρακτηρίζει μια ομάδα υλικών, τα οποία ονομάζονται αγωγοί, ενώ η συμπεριφορά της πλαστικής ράβδου χαρακτηρίζει μια άλλη ομάδα υλικών, τα οποία ονομάζονται μονωτές. Εικόνα 1 20: Η μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων μέσω ενός αγωγού. Ο Άγγλος Στίβεν Γκρέι (Stephen Grey, 16661736), παρατήρησε αρχικά ότι η φόρτιση με επαφή δεν συμβαίνει σε μια μεταλλική κλωστή, όπως συμβαίνει σε μια μεταξωτή κλωστή. Παρόλα αυτά, μετά από αρκετή μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένα μεταλλικό αντικείμενο μπορούσε, επίσης, να φορτιστεί μόνο όταν το κρατούσε με κάποιο μονωτικό υλικό. Μέσα από αυτά τα πειράματα, ο Στίβεν Γκρέι ανακάλυψε τη διαφορά μεταξύ αγωγών και μονωτών του ηλεκτρισμού.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 11 Εφαρμογή: Γιατί τα εύφλεκτα υγρά πρέπει να μεταφέρονται μόνο σε μεταλλικά δοχεία και όχι σε πλαστικά; Κατά τη μεταφορά υγρών καυσίμων με ένα μπιτόνι (παγούρι) ή βυτιοφόρο είναι δυνατόν, λόγω της τριβής του υγρού με το μπιτόνι, το υγρό καύσιμο και το μπιτόνι να φορτιστούν. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία σπινθήρα και στην πρόκληση πυρκαγιάς. Αν το μπιτόνι είναι μεταλλικό, κάποιος θα μπορούσε να πετύχει την αποφόρτισή του, συνδέοντάς το με το έδαφος μέσω ενός καλωδίου, όπως και στην περίπτωση ανεφοδιασμού ενός αεροπλάνου με καύσιμα που μελετήσαμε προηγουμένως. Με αυτό τον τρόπο, αφού τα μέταλλα είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού, τα επιπλέον ηλεκτρικά φορτία (ηλεκτρόνια) μπορούν να μετακινηθούν μέσω του καλωδίου προς το έδαφος (ή από το έδαφος προς το μεταλλικό δοχείο, αν υπάρχει έλλειμμα ηλεκτρονίων). Έτσι, επιτυγχάνεται η αποφόρτιση του δοχείου και του περιεχομένου του και αποτρέπεται η δημιουργία σπινθήρα. Αν όμως το μπιτόνι είναι πλαστικό (μονωτικό υλικό) θα μπορούσε κάποιος να εφαρμόσει την ίδια τεχνική; Τα πλαστικά είναι μονωτές και όπως είδαμε πιο πάνω οι μονωτές δεν επιτρέπουν τη μετακίνηση ηλεκτρικών φορτίων από μια περιοχή τους σε κάποια άλλη. Συνεπώς, η αποφόρτιση ενός πλαστικού μπιτονιού, μέσω ενός καλωδίου προς το έδαφος δεν είναι δυνατή. Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός Η παρουσία αστραπών και κεραυνών είναι συνηθισμένο φαινόμενο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Οφείλονται στα ηλεκτρικά φορτισμένα σταγονίδια νερού που αποτελούν τα σύννεφα. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα σταγονίδια νερού είναι θετικά φορτισμένα και σε κάποιες άλλες περιπτώσεις αρνητικά φορτισμένα. Τα σταγονίδια νερού φορτίζονται λόγω της τριβής τους με τον αέρα. Όταν τα σύννεφα αυτά βρεθούν αρκετά κοντά το ένα στο άλλο, δημιουργείται ένας μεγάλος σπινθήρας μεταξύ των συννέφων, μια αστραπή, που συνοδεύεται από λάμψη και ήχο. Σε αρκετές περιπτώσεις, όμως, η παρουσία των νεφών κοντά στο έδαφος ή σε ψηλά κτήρια, προκαλεί τοπική φόρτιση της επιφάνειας του εδάφους ή των κτηρίων, λόγω της μετακίνησης των φορτισμένων σωματιδίων που την αποτελούν. Κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι δυνατό να Εικόνα 1 22: Δημιουργία αστραπής. δημιουργηθεί κεραυνός, δηλαδή ένας μεγάλος Εικόνα 1 21: Δημιουργία κεραυνού.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 12 σπινθήρας μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους ή των κτηρίων. Εικόνα 1 23: Αλεξικέραυνο. Η προστασία των κτηρίων μπορεί να επιτευχθεί με την τοποθέτηση αλεξικέραυνων στην οροφή τους. Το πιο απλό αλεξικέραυνο αποτελείται από μεταλλική ράβδο που καταλήγει σε ακίδα (μυτερό άκρο). Η μεταλλική αυτή ράβδος συνδέεται με το έδαφος με παχύ χάλκινο καλώδιο που καταλήγει βαθιά μέσα σε αυτό. Όταν εκδηλωθεί ο κεραυνός, το αλεξικέραυνο οδηγεί το ηλεκτρικό φορτίο προς το έδαφος, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει κανένας κίνδυνος για το κτήριο ή του ενοίκους του.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 13 ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων Δραστηριότητα 1.1 1: «Ηλέκτριση των σωμάτων» Έχετε στη διάθεσή σας διάφορα αντικείμενα όπως καλαμάκια, μπαλόνια, γυάλινη ράβδο και κομματάκια από χαρτί. 1. Να φέρετε το καθένα από τα πιο πάνω αντικείμενα κοντά στα μικρά κομματάκια χαρτιού και να γράψετε κατά πόσο συμβαίνει κάτι. 2. Να τρίψετε τα πιο πάνω αντικείμενα (ένα κάθε φορά) με ένα νάιλον σακούλι και στη συνέχεια να τα φέρετε κοντά σε μικρά κομματάκια χαρτιού. Να γράψετε σε συντομία τις παρατηρήσεις σας στον πιο κάτω πίνακα. Καλαμάκι Μπαλόνι Γυάλινη ράβδος Μεταλλική ράβδος Κομματάκια χαρτιού 3. Ποια είναι η δική σας ερμηνεία για τις παρατηρήσεις που γράψατε πιο πάνω; Όταν ένα αντικείμενο έλκει κομματάκια χαρτιού ή άλλα μικρά και ελαφριά σώματα από μικρή απόσταση, λέμε συνήθως, ότι το αντικείμενο αυτό είναι «ηλεκτρικά φορτισμένο». Τα αντικείμενα που δεν έλκουν κομματάκια χαρτιού, λέμε ότι είναι ηλεκτρικά «ουδέτερα» ή «αφόρτιστα». Η έλξη που παρατηρείται μεταξύ των ηλεκτρικά φορτισμένων σωμάτων και των κομματιών χαρτιού οφείλεται στην ηλεκτρική αλληλεπίδραση.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 14 Είδη ηλεκτρικού φορτίου Πείραμα Υλικά Δραστηριότητα 1.1 2: «Θετικός και αρνητικός ηλεκτρισμός» Ορθοστάτης Κλωστή Μανταλάκι Πλαστικά καλαμάκια Νάιλον σακούλι Γυάλινος δοκιμαστικός σωλήνας 1. Να τρίψετε ένα καλαμάκι (για 10 περίπου δευτερόλεπτα) με ένα νάιλον σακούλι και ακολούθως να το πιάσετε με το μανταλάκι, όπως φαίνεται στην πιο πάνω εικόνα. 2. Να τρίψετε ένα δεύτερο καλαμάκι με το νάιλον σακούλι και να το φέρετε κοντά στο καλαμάκι που είναι πιασμένο στο μανταλάκι. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. 3. Να πλησιάσετε το νάιλον σακούλι κοντά στο καλαμάκι που είναι πιασμένο στο μανταλάκι. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. 4. Να τρίψετε ένα γυάλινο δοκιμαστικό σωλήνα με ένα νάιλον σακούλι και να τον φέρετε κοντά στο καλαμάκι που είναι πιασμένο στο μανταλάκι. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. Να συγκρίνετε τα αποτελέσματά του πειράματος πειραμάτων 2 και 3. Ποιο είναι το συμπέρασμά σας; 4 με τα αποτελέσματα των
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 15 Δομή του ατόμου Στα τέλη του 19 ου και στις αρχές του 20 ου αιώνα, οι επιστήμονες κατέληξαν σε σημαντικά συμπεράσματα σε σχέση με τη δομή του ατόμου. Τα άτομα, που αρχικά θεωρούνταν ως «στοιχειώδη» σωματίδια, βρέθηκαν ότι αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα νετρόνια. Δραστηριότητα 1.1 3: Δομή του ατόμου Στο πλαίσιο αυτής της Δραστηριότητας θα χρησιμοποιήσετε την προσομοίωση «Κατασκεύασε ένα άτομο» η οποία βρίσκεται στην ιστοσελίδα http://phet.colorado.edu/el/simulation/buildanatom. Στόχος είναι να αντλήσετε πληροφορίες για τη δομή των ατόμων, καθώς επίσης και για κάποιες από τις ηλεκτρικές ιδιότητες των σωματιδίων που τα αποτελούν. 1. Να σύρετε ένα πρωτόνιο και να το αφήσετε στον χώρο που καταλαμβάνει το άτομο. Τι παρατηρείτε; Δοκιμάστε αρκετές φορές την πιο πάνω διαδικασία μέχρι που να βρείτε τον ακριβή χώρο στον οποίο πρέπει να τοποθετήσετε ένα πρωτόνιο, ώστε να παραμείνει στον χώρο του ατόμου. Σημείωση: Η περιοχή του ατόμου στην οποία βρίσκονται τα πρωτόνια (p) ονομάζεται πυρήνας του ατόμου. 2. Αφού πιέσετε στην επιλογή «επαναφορά όλων», να πιέσετε στην επιλογή «ολικό φορτίο» και να τοποθετήσετε ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου. Το ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου που δημιουργήσατε είναι θετικό ή αρνητικό; Να τοποθετήσετε και άλλα πρωτόνια στον πυρήνα. Πώς αλλάζει το ολικό ηλεκτρικό φορτίο; Συμπέρασμα: Τα πρωτόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο (αρνητικό/ θετικό/ ουδέτερο). 3. Να πιέσετε στην επιλογή «επαναφορά όλων» και ακολούθως, στην επιλογή «ολικό φορτίο». Να σύρετε ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου και να γράψετε πώς μεταβάλλεται το ολικό φορτίο του ατόμου αν σύρετε στον πυρήνα ένα ή περισσότερα νετρόνια (n).
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 16 Συμπέρασμα: Τα νετρόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο (αρνητικό/ θετικό/ ουδέτερο). 4. i) Να πιέσετε στην επιλογή «επαναφορά όλων» και ακολούθως, στην επιλογή «ολικό φορτίο». ii) Να σύρετε τρία (3) πρωτόνια και τρία (3) νετρόνια στον πυρήνα του ατόμου. iii) Να αρχίσετε να μεταφέρετε ηλεκτρόνια (e) γύρω από τον πυρήνα και να γράψετε πώς μεταβάλλεται το ολικό ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου. Συμπέρασμα: Τα ηλεκτρόνια έχουν ουδέτερο). ηλεκτρικό φορτίο (αρνητικό/ θετικό/ Σημείωση: Η περιοχή στην οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια (e) ονομάζεται ηλεκτρονικό νέφος. 5. Να συμπληρώσετε την πρόταση που ακολουθεί επιλέγοντας μια από τις λέξεις που βρίσκονται στην παρένθεση: «Σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο, ο αριθμός των πρωτονίων είναι τον αριθμό των ηλεκτρονίων (μικρότερος από, ίσος με, μεγαλύτερος από). Ερώτηση Αξιολόγησης Να γράψετε στα πλαίσια που βρίσκονται κάτω από τα διαγράμματα κατά πόσο τα άτομα που αναπαριστούνται είναι θετικά φορτισμένα, αρνητικά φορτισμένα ή ηλεκτρικά ουδέτερα. 1. 2. 3.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 17 Ηλεκτρική φόρτιση των σωμάτων με τριβή Δραστηριότητα 1.1 4: Ηλεκτρική φόρτιση με τριβή Στο πλαίσιο αυτής της Δραστηριότητας θα χρησιμοποιήσετε την προσομοίωση «Μπαλόνια και στατικός ηλεκτρισμός» η οποία βρίσκεται στην ιστοσελίδα http://phet.colorado.edu/el/simulation/balloons. 1. Να ανοίξετε την ιστοσελίδα και να πιέσετε στην επιλογή «απόκρυψη φορτίων». Ακολούθως, να πιέσετε στην επιλογή «τοίχος», ώστε να φύγει ο τοίχος από τη δεξιά πλευρά του παραθύρου της προσομοίωσης. Τέλος, να φροντίσετε ώστε η επιλογή «Δύο μπαλόνια» να μην είναι επιλεγμένη, ώστε στο παράθυρο της προσομοίωσης να υπάρχει μόνο ένα μπαλόνι. 2. Να τρίψετε αρκετές φορές το μπαλόνι πάνω στο μάλλινο πουλόβερ και στη συνέχεια να το μεταφέρετε στη δεξιά πλευρά του παραθύρου της προσομοίωσης. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. Να προτείνετε μια εξήγηση για τις παρατηρήσεις που γράψατε πιο πάνω. 3. Να πιέσετε στην επιλογή «επαναφορά» και ακολούθως στην επιλογή «εμφάνιση φορτίων». Να τρίψετε και πάλι αρκετές φορές το μπαλόνι στο μάλλινο πουλόβερ και στη συνέχεια να το μεταφέρετε στη δεξιά πλευρά του παραθύρου της προσομοίωσης. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. Να προτείνετε μια εξήγηση για τις παρατηρήσεις που γράψατε πιο πάνω. Διαφέρει η εξήγηση που δώσατε στα Ερωτήματα 2 και 3; Αν ναι, να συζητήσετε τις διαφορές με τα μέλη της ομάδας σας.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 18 4. Να πιέσετε στην επιλογή «επαναφορά» και ακολούθως στις επιλογές «Δύο μπαλόνια» και «Απόκρυψη φορτίων». Να τρίψετε για πολύ λίγο το κίτρινο μπαλόνι στο πουλόβερ, ώστε να αποκτήσει πολύ λίγα φορτία. Να απομακρύνετε το μπαλόνι από το πουλόβερ. Ακολούθως, να τρίψετε για πολύ λίγο το μπλε μπαλόνι στο πουλόβερ και να το μεταφέρετε κοντά στο κίτρινο μπαλόνι. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. (Σημείωση: Ίσως να χρειαστεί να επαναλάβετε τη διαδικασία αρκετές φορές). Να προτείνετε μια εξήγηση για τις παρατηρήσεις που γράψατε πιο πάνω. 5. Να πιέσετε στην επιλογή «επαναφορά» και ακολούθως στην επιλογή «εμφάνιση φορτίων». Να τρίψετε πολύ λίγο τα δύο μπαλόνια στο πουλόβερ, όπως κάνατε πιο πάνω. Να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. Διαφέρει η εξήγηση που δώσατε στο ερώτημα 4 με τις παρατηρήσεις που καταγράψατε πιο πάνω; Αν ναι, να συζητήσετε τις διαφορές με τα μέλη της ομάδας σας. Ερώτηση αξιολόγησης (για την τάξη) 1. Να συμπληρώσετε τις προτάσεις που ακολουθούν επιλέγοντας μια από τις λέξεις ή φράσεις που βρίσκονται στην παρένθεση: α) Δύο αρνητικά φορτισμένα σώματα όταν πλησιάσουν μεταξύ τους (έλκονται, απωθούνται, ούτε έλκονται ούτε απωθούνται). β) Ένα αρνητικά φορτισμένο σώμα και ένα θετικά φορτισμένο, όταν πλησιάσουν μεταξύ τους (έλκονται, απωθούνται, ούτε έλκονται ούτε απωθούνται). 2. Με ποιο τρόπο νομίζετε ότι θα αλληλεπιδράσουν δύο θετικά φορτισμένα σώματα, όταν πλησιάσουν μεταξύ τους; 3. Να επιλέξετε την ορθή απάντηση: Όταν τρίβουμε ένα πλαστικό καλαμάκι με ένα πλαστικό σακούλι, τότε το καλαμάκι φορτίζεται θετικά γιατί: α) Τα ηλεκτρόνια των ατόμων που το αποτελούν μετατρέπονται σε πρωτόνια.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 19 β) Μεταφέρονται πρωτόνια από το σακούλι στο καλαμάκι γ) Αφαιρούνται ηλεκτρόνια από τα άτομά του. δ) Μεταφέρονται θετικά φορτία από την ατμόσφαιρα στο καλαμάκι. 4. Να μελετήσετε προσεκτικά τη διπλανή γελοιογραφία και να γράψετε σε τι νομίζετε ότι αναφέρεται η συζήτηση μεταξύ του ζευγαριού. «Αγαπητέ μου από τη στιγμή που τοποθετήσαμε το καινούριο νάιλον χαλί κάτι παράξενο συμβαίνει στα μαλλιά μας! Ναι Τι να συμβαίνει άραγε;»
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 20 Έλξη ανάμεσα σε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο και ένα ηλεκτρικό ουδέτερο σώμα: Ηλεκτρική «φόρτιση» από απόσταση Δραστηριότητα 1.1 5: Γιατί ένα ηλεκτρικά φορτισμένο μπαλόνι «κολλά» στον τοίχο; Α. Πείραμα: Υλικά: Μπαλόνι ή πλαστικό καλαμάκι Νάιλον σακούλι 1. Να τρίψετε ένα φουσκωμένο μπαλόνι ή ένα πλαστικό καλαμάκι με ένα νάιλον σακούλι και ακολούθως να το τοποθετήσετε στον τοίχο. Να γράψετε τι παρατηρείτε. 2. Όταν τρίψατε ένα πλαστικό καλαμάκι με ένα νάιλον σακούλι και το φέρατε κοντά σε μικρά κομμάτια χαρτιού ή κοντά σε μια λεπτή «φλέβα» νερού, παρατηρήσατε ότι τα χαρτάκια και η «φλέβα» νερού έλκονταν από το φορτισμένο καλαμάκι. Γιατί νομίζετε ότι συμβαίνουν τα πιο πάνω φαινόμενα; 3. Να εξηγήσετε γιατί είναι λανθασμένη η πιο κάτω άποψη: «Τα χαρτάκια έλκονται από τη φορτισμένη γυάλινη ράβδο γιατί είναι φορτισμένα με φορτίο αντίθετου πρόσημου». Β. Ερμηνεία της ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός ηλεκτρικά φορτισμένου και ενός ηλεκτρικά ουδέτερου σώματος. Να ανοίξετε την ιστοσελίδα http://phet.colorado.edu/el/simulation/balloons και να πιέσετε στην επιλογή «εμφάνιση φορτίων». Να φροντίσετε ώστε η επιλογή «τοίχος» να είναι επιλεγμένη, ώστε να φαίνεται ο τοίχος στο παράθυρο στο παράθυρο της προσομοίωσης. 1. Να τρίψετε το μπαλόνι στο μάλλινο πουλόβερ και να γράψετε τι συμβαίνει με τα ηλεκτρικά φορτία που υπάρχουν στο μπαλόνι και στο πουλόβερ.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 21 2. Να μετακινήσετε το μπαλόνι προς τον τοίχο και μακριά από τον τοίχο και να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. 3. Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις σας, να συμπληρώσετε τα σχήματα που ακολουθούν με τα ηλεκτρικά φορτία, μετά την τριβή του μπαλονιού στο μάλλινο πουλόβερ. Τοίχος Τοίχος Τοίχος Διαφέρει η εξήγηση που γράψατε στο πείραμα το οποίο κάνατε με το πραγματικό μπαλόνι, από τις παρατηρήσεις που καταγράψατε μέσα από την προσομοίωση; Αν ναι, να συζητήσετε τις τυχόν διαφορές με τα μέλη της ομάδας σας.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 22 Ηλεκτρική φόρτιση σωμάτων με επαφή Δραστηριότητα 1.1 6: Φόρτιση με επαφή Πείραμα Υλικά Μικρή μπάλα από αλουμινόχαρτο (διαμέτρου περίπου 1cm) Γυάλινη ράβδος (ή γυάλινος δοκιμαστικός σωλήνας) Νάιλον σακούλι Πλαστικό νήμα (ή πολύ λεπτή μισίνα ψαρέματος) Στη διπλανή εικόνα φαίνεται μια μπάλα από αλουμινόχαρτο η οποία είναι αναρτημένη σε έναν ορθοστάτη μέσω ενός πλαστικού νήματος. 1. Να τρίψετε τη γυάλινη ράβδο με το νάιλον σακούλι. 2. Να φέρετε τη γυάλινη ράβδο κοντά στην μπάλα από αλουμινόχαρτο και να γράψετε τις παρατηρήσεις σας. 3. Να εξηγήσετε τις παρατηρήσεις σας σημειώνοντας στα πιο κάτω διαγράμματα τη μετακίνηση των ηλεκτρικών φορτίων από την μπάλα προς τη φορτισμένη ράβδο. 1. Η αφόρτιστη μπάλα έλκεται από τη γυάλινη ράβδο (θετικά φορτισμένη). 2. Η μπάλα ακουμπά στη γυάλινη ράβδο. 3. Η μπάλα απωθείται από τη γυάλινη ράβδο. 4. Τι είδος φορτίο αποκτά η μπάλα από αλουμινόχαρτο μετά την επαφή της με τον γυάλινο σωλήνα; Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 23 Αγωγοί και μονωτές Δραστηριότητα 1.1 7: Αγωγοί και μονωτές Πείραμα Υλικά Πλαστικό καλαμάκι Μεταλλική ράβδος Νάιλον σακούλι Ανιχνευτής ηλεκτρικού φορτίου (ηλεκτροσκόπιο) 1. Να τρίψετε μόνο την άκρη ενός πλαστικού καλαμακιού με ένα νάιλον σακούλι και να την φέρετε κοντά στον ανιχνευτή ηλεκτρικού φορτίου. Να γράψετε τι παρατηρείτε. Να πλησιάσετε το μέσο του καλαμακιού κοντά στον ανιχνευτή ηλεκτρικού φορτίου και να γράψετε τι παρατηρείτε. Να πλησιάσετε την άκρη του καλαμακιού, κοντά στο σημείο που το κρατάτε, κοντά στον ανιχνευτή ηλεκτρικού φορτίου και να γράψετε τι παρατηρείτε. 2. Να γράψετε ένα συμπέρασμα σε σχέση με τη δυνατότητα μετακίνησης των ηλεκτρικών φορτίων σε ένα πλαστικό καλαμάκι, βασιζόμενοι στα αποτελέσματα της πιο πάνω διερεύνησης. 3. Να επαναλάβετε το πείραμα που κάνατε στο μέρος 1 της Δραστηριότητας, χρησιμοποιώντας μια μεταλλική ράβδο. (Σημείωση: Κατά τη διάρκεια του πειράματος θα πρέπει να κρατάτε τη μεταλλική ράβδο από την πλαστική λαβή και να μην ακουμπήσετε σε αυτήν). Να γράψετε τι παρατηρείτε.
ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 24 4. Να γράψετε ένα συμπέρασμα σε σχέση με τη δυνατότητα μετακίνησης των ηλεκτρικών φορτίων σε μια μεταλλική ράβδο, βασιζόμενοι στα αποτελέσματα της πιο πάνω διερεύνησης. Συμπέρασμα: Όταν φορτίσουμε μια μικρή περιοχή ενός αγώγιμου (π.χ. μεταλλικού) και ενός μονωτικού (π.χ. πλαστικού) σώματος, το αποτέλεσμα είναι πολύ διαφορετικό. Μετά τη φόρτιση μιας περιοχής ενός αγώγιμου σώματος (π.χ. μεταλλικού σώματος), όλη η επιφάνεια του σώματος φορτίζεται. Δηλαδή οι αγωγοί είναι υλικά τα οποία επιτρέπουν τη μετακίνηση των ηλεκτρικών φορτίων σε όλα τα σημεία τους. Αντιθέτως, στα σώματα από μονωτικό υλικό φορτίζεται μόνο η περιοχή που τρίβεται στο νάιλον σακούλι. Δηλαδή, οι μονωτές είναι υλικά τα οποία δεν επιτρέπουν τη μετακίνηση των ηλεκτρικών φορτίων σε όλα τα σημεία τους.