ΤΡΟΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΗΣ

ΤΡΟΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΗΣ

ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

  Στην καθημερινότητα παρατηρούμε γύρω μας πολλά φαινόμενα που οφείλονται στην ηλέκτριση των σωμάτων που μας περιβάλλουν.

Όταν πιάνουμε ένα μεταλλικό χερούλι μιας πόρτας μερικές φορές αισθανόμαστε ένα τίναγμα 

  Αν τρίψουμε ένα μπαλόνι πάνω σ' ένα μάλλινο ρούχο,αυτό μπορεί να κολλήσει σε έναν κατακόρυφο τοίχο.Όταν πιάνουμε ένα μεταλλικό χερούλι μιας πόρτας μερικές φορές αισθανόμαστε ένα τίναγμα.

Παραδείγματα ηλέκτρισης είναι ο κεραυνός και η αστραπή

 Άλλα παραδείγματα ηλέκτρισης είναι ο κεραυνός και η αστραπή.Ένα ουδέτερο σώμα μπορεί να ηλεκτριστεί,δηλαδή μπορεί να αποκτήσει ηλεκτρικό φορτίο με τρεις τρόπους:
α) με επαφή,
β) με τριβή και 
γ) με επαγωγή.

ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ ΜΕ ΤΡΙΒΗ

  Ο Έλληνας σοφός Θαλής ο Μιλήσιος τον 6ο π. Χ. αιώνα παρατήρησε ότι το ήλεκτρο  (κεχριμπάρι)  όταν  τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα,αποκτά  την ιδιότητα να  έλκει τρίχες,φτερά, κ.ά.Την ιδιότητα  αυτή ονομάζουμε ηλέκτριση με τριβή.Την ιδιότητα αυτή εμφανίζουν  και άλλα υλικά όταν συμβαίνει ηλέκτριση με τριβή.Η ερμηνεία της ηλέκτρισης με τριβή γίνεται με τις σύγχρονες επιστημονικές απόψεις της δομής της ύλης. 

ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ ΜΕ ΤΡΙΒΗ

 Η ύλη αποτελείται από άτομα.Τα άτομα αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια,τα πρωτόνια,τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια.Στον πυρήνα του ατόμου υπάρχουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενώ γύρω από τον πυρήνα περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια,τα οποία έλκονται από τον  πυρήνα.

Με την τριβή τα ηλεκτρόνια ορισμένων υλικών αποσπώνται από τα  άτομα  τους

 Το φορτίο του πρωτονίου είναι θετικό ενώ το ηλεκτρόνιο έχει ίσο και αντίθετο φορτίο από το φορτίο του  πρωτονίου.Το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.Στη φυσική τους κατάσταση τα άτομα είναι ουδέτερα,εφ' όσον ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων.Με την τριβή όμως τα ηλεκτρόνια ορισμένων υλικών αποσπώνται από τα  άτομα  τους.

Τα μαλλιά έλκονται από τα μπαλόνια

  Έτσι  αν  τρίψουμε  μια πλαστική ράβδο με  ένα  κομμάτι γούνας τότε τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τη γούνα στο πλαστικό.Αν τρίψουμε ένα πλαστικό καλαμάκι με χαρτομάντιλο τα ηλεκτρόνια από τα άτομα του χαρτομάντιλου αποσπώνται και μεταφέρονται στο καλαμάκι.Το καλαμάκι έχει τώρα πλεόνασμα ηλεκτρονίων δηλαδή είναι αρνητικά φορτισμένο,ενώ το χαρτομάντιλο έχει έλλειψη ηλεκτρονίων δηλαδή είναι θετικά φορτισμένο και τα  άτομα που έχασαν τα ηλεκτρόνια τους είναι θετικά ιόντα. 

Αν τρίψουμε μια ράβδο από γυαλί ή πλαστικό με μεταξωτό ύφασμα,τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τη ράβδο στο μετάξι έτσι η ράβδος φορτίζεται θετικά και το μετάξι αρνητικά

 Αν τρίψουμε μια ράβδο από γυαλί ή πλαστικό με μεταξωτό ύφασμα,τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τη ράβδο στο μετάξι έτσι η ράβδος φορτίζεται θετικά και το μετάξι αρνητικά.Το ποια  ηλεκτρόνια  αποσπώνται από τα  άτομα των  σωμάτων έχει σχέση με την  έλξη των  εξωτερικών  ηλεκτρονίων των ατόμων από τον πυρήνα τους.Η έλξη αυτή διαφέρει από άτομο σε άτομο.Στην περίπτωση της πλαστικής ράβδου και της γούνας η έλξη των εξωτερικών ηλεκτρονίων  των  ατόμων της πλαστικής  ράβδου  είναι μεγαλύτερη από την έλξη των εξωτερικών ηλεκτρονίων της γούνας με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια από τα άτομα της γούνας να μεταφέρονται στη ράβδο.

Όταν τρίβoυμε μια γυάλινη ράβδο με μεταξωτό ύφασμα,ηλεκτρόνια μετακινούνται από τη ράβδο στο ύφασμα.Τώρα η ράβδος έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων και το ύφασμα περίσσεια.Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που απέβαλε η ράβδος είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που προσέλαβε το ύφασμα.Το φορτίο της ράβδου είναι ίσο και αντίθετο με το φορτίο του υφάσματος.

 Έτσι η πλαστική ράβδος φορτίζεται αρνητικά και η γούνα θετικά.Από τα παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ένα σώμα που έχει άνισο αριθμό ηλεκτρονίων και πρωτονίων είναι ηλεκτρικά φορτισμένο.Αν πλεονάζουν  τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένο ενώ εάν υπάρχει έλλειψη ηλεκτρονίων είναι θετικά φορτισμένο.

Στην περίπτωση της πλαστικής ράβδου και της γούνας η έλξη των εξωτερικών ηλεκτρονίων  των  ατόμων  της πλαστικής  ράβδου  είναι μεγαλύτερη από την  έλξη των  εξωτερικών  ηλεκτρονίων  της  γούνας με  αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια από τα άτομα της γούνας να μεταφέρονται στη ράβδο

   Δεχόμαστε ότι το γυαλί αποκτά με την τριβή σε μάλλινο ύφασμα, θετικό φορτίο (+) ενώ το ήλεκτρο,ο εβονίτης κ.ά. αποκτούν αρνητικό φορτίο (-­).Το πλαστικό καλαμάκι ή η πλαστική σακούλα  όταν τα  τρίψουμε με μάλλινο ύφασμα ή χαρτομάντιλο αποκτούν αρνητικό φορτίο.Το ύφασμα αποκτά  ισοδύναμο θετικό φορτίο.Επειδή το καλαμάκι και το ύφασμα είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού,τα ηλεκτρικά  φορτία  που αναπτύσσονται με  την  τριβή παραμένουν  στη θέση τους  δηλαδή είναι στατικά και τις ιδιότητες τους τις μελετά ο στατικός ηλεκτρισμός.

Κατά την τριβή δύο σωμάτων εξωτερικά ηλεκτρόνια μετακινούνται από το ένα σώμα στο άλλο με αποτέλεσμα τα δύο σώματα να αποκτούν φορτίο

 Στα άτομα,γύρω από τον πυρήνα υπάρχουν τα ηλεκτρόνια.Τα πιο απομακρυσμένα καλούνται εξωτερικά ηλεκτρόνια και είναι αυτά που μπορούν να αποσπαστούν πιο εύκολα από τα άτομα.Κατά την ηλέκτριση με τριβή,εξωτερικά ηλεκτρόνια από τα άτομα του ενός σώματος μεταφέρονται στα άτομα του άλλου σώματος.Κατά την τριβή δύο σωμάτων εξωτερικά ηλεκτρόνια μετακινούνται από το ένα σώμα στο άλλο με αποτέλεσμα τα δύο σώματα να αποκτούν φορτίο.

Κατά την ηλέκτριση με τριβή,τα σώματα που τρίβονται αποκτούν ίσα και αντίθετα φορτία λόγω της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού πεδίου

  Κατά την ηλέκτριση με τριβή,τα σώματα που τρίβονται αποκτούν ίσα και αντίθετα φορτία λόγω της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού πεδίου.

  Τρίβουμε τη πλαστική ράβδο σε μάλλινο ύφασμα,οπότε εξωτερικά ηλεκτρόνια από άτομα του υφάσματος μεταφέρονται στη γυάλινη ράβδο.Έτσι,το ύφασμα φορτίζεται με θετικό φορτίο ενώ η ράβδος με αρνητικό φορτίο.Τρίβουμε τη γυάλινη ράβδο στο μεταξωτό ύφασμα,οπότε εξωτερικά ηλεκτρόνια από άτομα του γυαλιού μεταφέρονται στο ύφασμα.Έτσι,το γυαλί φορτίζεται με θετικό φορτίο ενώ το ύφασμα με αρνητικό φορτίο.

ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ ΜΕ ΕΠΑΦΗ

  Κατά τη ηλέκτριση με επαφή φορτισμένο σώμα έρχεται σε επαφή με ένα άλλο ηλεκτρικά ουδέτερο,το δεύτερο σώμα αποκτά φορτίο ίδιου είδους με το πρώτο και το αρχικό φορτίο κατανέμεται στα δύο σώματα.

Κατά τη ηλέκτριση με επαφή φορτισμένο σώμα έρχεται σε επαφή με ένα άλλο ηλεκτρικά ουδέτερο,το δεύτερο σώμα αποκτά φορτίο ίδιου είδους με το πρώτο και το αρχικό φορτίο κατανέμεται στα δύο σώματα

 Πιο συγκεκριμένα:Όταν θετικά φορτισμένο (που έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων),ακουμπά ένα άλλο ουδέτερο,τότε κάποια ηλεκτρόνια του ουδέτερου σώματος μεταφέρονται στο θετικά φορτισμένο σώμα.Αποτέλεσμα είναι το αρχικά ουδέτερο σώμα να φορτίζεται και αυτό θετικά.

Κατά τη ηλέκτριση με επαφή φορτισμένο σώμα έρχεται σε επαφή με ένα άλλο ηλεκτρικά ουδέτερο, το δεύτερο σώμα αποκτά φορτίο ίδιου είδους με το πρώτο και το αρχικό φορτίο κατανέμεται στα δύο σώματα

 Όταν αρνητικά φορτισμένο (που έχει περίσσεια ηλεκτρονίων) ακουμπά ένα ουδέτερο σώμα,τότε κάποια από τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο ουδέτερο σώμα.Αποτέλεσμα το αρχικά ουδέτερο σώμα να φορτίζεται και αυτό αρνητικά.

Κατά την ηλέκτριση με επαφή ισχύει η αρχή διατήρησης του φορτίου

 Κατά την ηλέκτριση με επαφή ισχύει η αρχή  διατήρησης του φορτίου,οπότε το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα δύο σώματα είναι ίσο με το φορτίο που αρχικά είχε το ένα.

AΓΩΓΟΙ ΚΑΙ ΜΟΝΩΤΕΣ

 Η ράβδος από εβονίτη,η γυάλινη ράβδος,το μάλλινο ύφασμα κτλ.,όταν φορτίζονται,διατηρούν τα φορτία ακίνητα στη θέση που πρωτοεμφανίζονται.Αντίθετα,το μεταλλικό στέλεχος του ηλεκτροσκοπίου,καθώς και το σώμα μας,επιτρέπουν στα φορτία να κινηθούν.Έτσι,αν αγγίσουμε ένα φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο με το δάχτυλο μας,το ηλεκτροσκόπιο εκφορτίζεται.

ΑΓΩΓΟΙ

  Αγωγοί ονομάζονται τα σώματα που επιτρέπουν το διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη την έκτασή τους.Παραδείγματα από αγωγούς είναι όλα τα μέταλλα.

Σε ένα μέταλλο,τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων συγκρατούνται τόσο χαλαρά από τους πυρήνες,ώστε διαφεύγουν και κινούνται ελεύθερα και τυχαία σε όλη την έκταση του μετάλλου

  Σε ένα μέταλλο,τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων συγκρατούνται τόσο χαλαρά από τους πυρήνες,ώστε διαφεύγουν και κινούνται ελεύθερα και τυχαία σε όλη την έκταση του μετάλλου.

Η αγωγιμότητα των μετάλλων οφείλεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια

 Γι αυτό,τα ηλεκτρόνια αυτά καλούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια.Τα άτομα του μετάλλου μετατρέπονται σε θετικά ιόντα σχηματίζοντας ένα πλέγμα μέσα στο μέταλλο.

  Αν το μέταλλο προσλάβει ή αποβάλλει ηλεκτρόνια σε μια περιοχή του,τότε λόγω της τυχαίας κίνησης των ηλεκτρονίων το πλεόνασμα ή το έλλειμμα των ηλεκτρονίων κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του αγωγού.

ΜΟΝΩΤΕΣ

 Μονωτές ονομάζονται τα σώματα που δεν επιτρέπουν το διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη την έκταση τους.Το φορτίο που αποκτούν παραμένει εντοπισμένο στην  περιοχή που φορτίσαμε.

Παραδείγματα από Μονωτές.Τα σώματα αυτά δεν επιτρέπουν την κίνηση των φορτίων

 Παραδείγματα από μονωτές είναι πλαστικό,γυαλί,καουτσούκ,εβονίτης,ξύλο, καθαρό νερό,ξηρός αέρας.

  Στους μονωτές,τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων συγκρατούνται ισχυρά από τους πυρήνες.Έτσι δε μπορούν να μετακινηθούν.

Μεταφορά θερμότητας στους αγωγούς και μονωτές

 Αν ένας μονωτής προσλάβει ηλεκτρόνια, αυτά παραμένουν παγιδευμένα στην περιοχή της φόρτισης,ενώ αν ο μονωτής αποβάλλει ηλεκτρόνια,πάλι το έλλειμμα παραμένει παγιδευμένο στο σημείο που δημιουργήθηκε.

Κακοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος

  Τα υλικά που περιέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος και είναι τα μέταλλα,το φυσικό νερό,ο γραφίτης κ.ά.

Οι μονωτές δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια

   Υπάρχουν και υλικά που δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και έτσι δεν μπορεί να υπάρξει ροή ηλεκτρονίων συνεπώς  ηλεκτρικό ρεύμα.Αυτά  τα  υλικά ονομάζονται κακοί αγωγοί του  ηλεκτρικού ρεύματος ή μονωτές και είναι το πλαστικό,το γυαλί,το στεγνό ξύλο.

Ο χαλκός είναι ένας από τους καλύτερους αγωγούς του ηλεκτρικού ρεύματος σε σχέση με τα άλλα μέταλλα

  Ο χαλκός είναι ένας από τους καλύτερους αγωγούς του ηλεκτρικού ρεύματος σε σχέση με τα  άλλα  μέταλλα.Έτσι δικαιολογείται η χρήση του χαλκού για τη κατασκευή των καλωδίων,των ρευματοληπτών και των  ρευματοδοτών.

Ο χαλκός περιβάλλεται από πλαστικό περίβλημα που είναι μονωτικό υλικό

  Ο χαλκός περιβάλλεται από πλαστικό περίβλημα που  είναι μονωτικό υλικό ώστε να  αποφεύγεται ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας και να προστατεύεται ο χαλκός από την οξείδωση.

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ

ΗΛΕΚΤΡΟΣΚΟΠΙΟ

  Το ηλεκτροσκόπιο είναι ένα επιστημονικό όργανο που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει την παρουσία και το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου σε ένα σώμα.Ήταν το πρώτο ηλεκτρικό όργανο μέτρησης.

Το ηλεκτροσκόπιο είναι ένα όργανο που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει την παρουσία και το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου σε ένα σώμα

 Το πρώτο ηλεκτροσκόπιο,μια περιστρεφόμενη βελόνα εφευρέθηκε από τον βρετανικό γιατρό William Gilbert γύρω στο 1600.

Ένα από τα πρώτα ηλεκτροσκόπια που κατασκευάστηκαν

  Είναι συσκευή που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και τον καθορισμό του είδους των ηλεκτρικών φορτίων.Ένα από τα πιο διαδεδομένα είναι εκείνο με κινητά φύλλα.

Είναι συσκευή που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και τον καθορισμό του είδους των ηλεκτρικών φορτίων

 Αποτελείται από δύο λεπτά φύλλα από χρυσό ή αλουμίνιο,κατάλληλα προσαρμοσμένα στην άκρη του μετάλλινου στελέχους,το οποίο στην άλλη άκρη καταλήγει σε μεταλλικό δίσκο ή σφαίρα.Το στέλεχος είναι μονωμένο ηλεκτρικά από το περίβλημα του οργάνου μέσα στο οποίο βρίσκονται τα μετάλλινα φύλλα σε κατακόρυφη θέση το ένα δίπλα στο άλλο.

Ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα

  Αν πλησιάσουμε μία ράβδο φορτισμένη θετικά χωρίς να ακουμπήσουμε το δίσκο,τότε αυτός φορτίζεται από επαγωγή αρνητικά και τα φύλλα θετικά,οπότε τα απωθούμενα αποκλίνουν.Το ίδιο θα γίνει αν πλησιάσουμε μία ράβδο φορτισμένη αρνητικά,μόνο που τώρα τα φύλλα θα αποκτήσουν (πάλι από επαγωγή) αρνητικό φορτίο.

Αν πλησιάσουμε μία ράβδο φορτισμένη θετικά χωρίς να ακουμπήσουμε το δίσκο,τότε αυτός φορτίζεται από επαγωγή αρνητικά και τα φύλλα θετικά,οπότε τα απωθούμενα αποκλίνουν

 Και στις δύο περιπτώσεις, απομακρύνοντας τη ράβδο,ξανάρχονται τα φύλλα στην κατακόρυφη θέση τους,γιατί τα φορτία του συστήματος δίσκος-φύλλα εξουδετερώνονται μεταξύ τους.Έτσι βλέπουμε πως ένα αρχικά αφόρτιστο η. φανερώνει την παρουσία ηλεκτρικού φορτίου.Αν η θετικά φορτισμένη ράβδος ακουμπήσει στο δίσκο,μέρος του θετικού φορτίου πηγαίνει στα φύλλα που παραμένουν σε απόκλιση και όταν ακόμα απομακρύνουμε τη ράβδο.Πλησιάζοντας τώρα μία ράβδο με αρνητικό φορτίο στο δίσκο του θετικά φορτισμένου,θα παρατηρήσουμε προσέγγιση των φύλλων.Ενώ,αν κάνουμε το ίδιο με τη θετική ράβδο,παρατηρούμε ότι τα φύλλα αποκλίνουν ακόμα περισσότερο.Έτσι μ' ένα φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο μπορούμε να διαπιστώσουμε το είδος του ηλεκτρικού φορτίου που έχει ένα σώμα.