ΕΝΟΤΗΤΑ 1η ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ

- \ 2012 ΕΝΟΤΗΤΑ 1η ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 «Ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις - Ηλεκτρικό φορτίο» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο «Απλά ηλεκτρικά κυκλώματα» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο «Ηλεκτρική ενέργεια» ΒΡΕΝΤΖΟΥ ΤΙΝΑ

2 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

Email 3 : stvrentzou@gmail.com 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.

4 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.

5 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.

6 Απωστική δύναμη Ελκτική δύναμη -

7 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.).

8 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.

9 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)

10 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.

11 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 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. 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.

12

13 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.

14 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). Δηλαδή το φορτίο δε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται αλλά μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο. Η δύναμη ανάμεσα σε ηλεκτρικά φορτία είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης τους. Το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισμένο.

15 παράδειγμα ΠΡΙΝ ΕΠΑΦΗ ΜΕΤΑ +4μC +6μC +3μC + 6μC +5μC +5μC Το ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται. +4μC +4μC +2 μc +2 μc Οι σφαίρες, που είναι απόλυτα ίδιες και είναι τοποθετημένες συμμετρικά στον χώρο, θα αποκτήσουν ίσα φορτία που θα έχουν άθροισμα όσο το αρχικό.

16 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). Π.χ. το φορτίο ενός σώματος μπορεί να είναι ίσο με το φορτίο 3 ηλεκτρονίων (3 1,6 10-19 = 4,8 10-19 C). Δεν θα μπορούσε όμως το φορτίο ενός σώματος να είναι 3 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 16

17 17

18 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. 18

19 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/travoltag e_el.jar 19

20 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. http://phet.colorado.edu/sims/balloons/balloons_el.jnlp 20

21 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 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 21

22 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 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 +++ 22

23 ξύ λο πλεξιγλάς βουλοκέρι κεχριμπάρι πολυστυρένιο, καλαμάκι μπαλόνι ρητίνη σκληρό καουτσούκ νικέλιο 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 23

24 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 «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. 24

25 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. 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 25

26 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. 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. 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 26

27 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. 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 27

28 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). 28

29 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. 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. 29

30 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. 30

31

32

33