Ηλεκτρισμός TINA 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 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. 2
3 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 3
4 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 - 4
5 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.). 5
6 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) 6
7 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. 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. 7
0 0