ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΔYΝΑΜΗ ΚΑΙ ΦΟΡΣΙΟ

ΑΠΟ ΣΟ ΚΕΧΡΙΜΠΑΡΙ ΣΟΝ ΗΛΕΚΣΡΟΝΙΚΟ YΠΟΛΟΓΙΣΗ

Σο 16ο αιϊνα ο Γουίλιαμ Γκίλμπερτ(William Gilbert), φυςικόσ καιγιατρόσ που ζηθςε ςτθν Αγγλίαάρχιςε να μελετά ςυςτθματικά ταθλεκτρικά φαινόμενα. Με τονΓκίλμπερτ αρχίηει ουςιαςτικά θιςτορία του θλεκτριςμοφ. Μιαιςτορία που ςυνδζεται άμεςα μεμερικά από τα πιο μεγαλειϊδθτεχνολογικά επιτεφγματα τουςφγχρονου πολιτιςμοφ.

1.1 Γνωριμία με τθν θλεκτρικι δφναμθ

Ζχεισ παρατθριςει ότι πολλζσ φορζσ οι τρίχεσ ζλκονται από τθν χτζνα κακϊσ χτενίηεισ τα ςτεγνά μαλλιά ςου;

ϊματα, όπωσ ο πλαςτικόσ χάρακασ ι το ιλεκτρο, που αποκτοφντθν ιδιότθτα να αςκοφν δφναμθ ςε ελαφρά αντικείμενα, όταν τατρίψουμε με κάποιο άλλο ςϊμα, λζμε ότι είναι θλεκτριςμζνα. Ηδφναμθ που αςκείται μεταξφ των θλεκτριςμζνων ςωμάτωνονομάηεται θλεκτρικι.

Πϊσ μποροφμε να διαπιςτϊςουμε αν ζνα ςϊμα είναι θλεκτριςμζνο;

Για να ελζγξουμε αν ζνα ςϊμα είναι θλεκτριςμζνο, χρθςιμοποιοφμε το θλεκτρικό εκκρεμζσ.

1.1 Γνωριμία με τθν θλεκτρικι δφναμθ

Παρατιρθςε ότι ο θλεκτριςμζνοσχάρακασ ζλκει το μπαλάκι τουεκκρεμοφσ χωρίσ να ζρχεται ςεεπαφι μαηί του. Η θλεκτρικιδφναμθ που αςκεί ο χάρακασ ςτομπαλάκι δρα από απόςταςθ.υνεπϊσ οι θλεκτρικζσ δυνάμεισαςκοφνται από απόςταςθ.

Ζνασ μαγνιτθσ αςκεί θλεκτρικι δφναμθ;

Η θλεκτρικι δφναμθαςκείται ςε διαφορετικάςϊματα από ότι θμαγνθτικι.

1.1 Γνωριμία με τθν θλεκτρικι δφναμθ

Οι θλεκτρικζσ δυνάμεισ είναι πάντοτε ελκτικζσ;

Σρίψε δφο γυάλινεσράβδουσ μεμεταξωτό φφαςμα.Αν τισ πλθςιάςεισ, καπαρατθριςεισ ότιαπωκοφνται

Σο ίδιο κα ςυμβεί ανπλθςιάςεισ δφοπλαςτικζσ ράβδουσ ιλουρίδεσ που ζχειστρίψει με μάλλινοφφαςμα

Αν όμωσ τρίψεισ μιαγυάλινθ ράβδο με μεταξωτόφφαςμα και μια πλαςτικιμε μάλλινο και ςτθςυνζχεια τισ πλθςιάςεισ, καδεισ ότι οι δφο ράβδοιζλκονται

1.1 Γνωριμία με τθν θλεκτρικι δφναμθ

υμπεραίνουμε λοιπόν ότι οι θλεκτρικζσ δυνάμεισ με τισοποίεσ αλλθλεπιδροφν δφο θλεκτριςμζνα ςϊματα άλλοτεείναι ελκτικζσ και άλλοτε απωςτικζσ .

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Σι προκαλεί τισ θλεκτρικζσ δυνάμεισ;Σι ςυμβαίνει ςτον πλαςτικό χάρακα, ςτθ γυάλινθ ράβδο ι ςτοκεχριμπάρι όταν τα τρίβουμε με το χαρτί ι το φφαςμα καιθλεκτρίηονται;

Για να εξθγιςουμε τθν προζλευςθ και τισ ιδιότθτεσ τωνθλεκτρικϊν δυνάμεων, δεχόμαςτε ότι θ φλθ ζχει μια ιδιότθτα πουτθ ςυνδζουμε με ζνα φυςικό μζγεκοσ: το θλεκτρικό φορτίο.

Όταν δφο ςϊματα ζχουν θλεκτρικό φορτίο, τότε αλλθλεπιδροφνμε θλεκτρικζσ δυνάμεισ και λζμε ότι είναι θλεκτρικά φορτιςμζνα.

Σο θλεκτρικό φορτίο ςυμβολίηεται με το γράμμα ι Q.

Είδαμε ότι δφο φορτιςμζνα ςϊματα, όπωσ οι παραπάνωράβδοι, άλλοτε ζλκονται και άλλοτε απωκοφνται.

Σο γεγονόσ αυτό μασ αναγκάηει να δεχκοφμε ότι υπάρχουντουλάχιςτον δφο διαφορετικά είδθ φορτίου.

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Όταν δφο (ι περιςςότερα) θλεκτρικάφορτιςμζνα ςϊματα απωκοφνταιμεταξφ τουσ, τότε λζμε ότι ζχουνφορτίο ίδιου είδουσ (ι ότι είναι όμοιαφορτιςμζνα).

Ενϊ, όταν ζλκονται μεταξφ τουσ, λζμεότι ζχουν φορτία διαφορετικοφείδουσ (ι ότι είναι αντίκεταφορτιςμζνα).

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Ο Αμερικανόσ πολιτικόσ και φυςικόσ Β. Φραγκλίνοσ πρότεινε ταςϊματα που ανικουν ςτθν πρϊτθ ομάδα να τα ονομάηουμε κετικάφορτιςμζνα και να λζμε ότι ζχουν κετικό φορτίο.

Αυτά δε που ανικουν ςτθ δεφτερθ ομάδα να τα ονομάηουμεαρνθτικά φορτιςμζνα και να λζμε ότι ζχουν αρνθτικό φορτίο

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Πϊσ μετράμε το θλεκτρικό φορτίο

Γενικά δεχόμαςτε ότι θ θλεκτρικι δφναμθ που αςκεί (ι αςκείται ςε)ζνα φορτιςμζνο ςϊμα είναι ανάλογθ του θλεκτρικοφ φορτίου του.

Η μονάδα του θλεκτρικοφ φορτίου ςτο Διεκνζσφςτθμα Μονάδων (S.I.) ονομάηεται Κουλόμπ(Coulomb), προσ τιμιν του Γάλλου φυςικοφ Κουλόμπ οοποίοσ μελζτθςε τισ ιδιότθτεσ των θλεκτρικϊνδυνάμεων μεταξφ των φορτιςμζνων ςωμάτων.υμβολίηεται με το γράμμα C.

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Σο 1 C είναι πολφ μεγάλθ μονάδα φορτίου.

Αν μποροφςαμε να φορτίςουμε δφο μικρζσ ςφαίρεσ με 1 C τθν κακεμιάκαι τισ τοποκετοφςαμε ζτςι ϊςτε τα κζντρα τουσ να απζχουν ζναμζτρο, τότε θ θλεκτρικι δφναμθ που κα αςκοφςε θ μια ςτθν άλλθ καιταν 109 Ν (ςχεδόν ζνα εκατομμφριο φορζσ μεγαλφτερθ από το βάροσενόσ ενιλικα)!!

Γι’ αυτό ςτισ εφαρμογζσ χρθςιμοποιοφμε υποπολλαπλάςια του 1 C:

το 1 μC (ζνα μικροκουλόμπ) με 1 μC=10-6 C ιτο 1 nC (ζνα νανοκουλόμπ) με 1 nC=10-9 C.

Ζτςι, αν για παράδειγμα το φορτίο τθσ ράβδου είναι 3nC, γράφουμε: q=+3 nC.Αντίκετα θ πλαςτικι ράβδοσ αποκτά αρνθτικό φορτίο. Αν το φορτίοτθσ είναι 3 nC, γράφουμε: q=–3 nC.

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Σο ολικό φορτίο των ράβδων είναι ίςο με το αλγεβρικό άκροιςματων φορτίων τουσ.Αν για παράδειγμα θ μια ζχει φορτίο q1=+4 nC και θ άλλθ q2=–3nC, τότε το ολικό φορτίο και των δφο μαηί είναι:

q=q1+q2=(+4 nC)+(-3 nC)=1 nC

1.2 Σο θλεκτρικό φορτίο

Γενικά το ολικό φορτίο δφο ι περιςςοτζρων φορτιςμζνωνςωμάτων ιςοφται με το αλγεβρικό άκροιςμα των φορτίων τουσ.

Όταν το ςυνολικό φορτίο ενόσ ι περιςςοτζρων ςωμάτων είναι ίςομε το μθδζν, τότε το ςϊμα ι το ςφνολο των ςωμάτων ονομάηεταιθλεκτρικά ουδζτερο.

1.3 Σο θλεκτρικό φορτίο ςτο εςωτερικό του ατόμου

πουδαίοι φυςικοί των αρχϊν του 20οφαιϊνα όπωσ ο Νεοηθλανδόσ ΖρνεςτΡάδερφορντ (Ernest Rutherford) και οΔανόσ Νιλσ Μπορ (Niels Bohr) κατζλθξανςτθν περιγραφι του ατόμου μζςω ενόσπροτφπου, ςφμφωνα με το οποίο:

1. Κάκε άτομο αποτελείται από ζναν πυριναγφρω από τον οποίο περιφζρονται ταθλεκτρόνια. Ο πυρινασ και τα θλεκτρόνιαείναι φορτιςμζνα ςωματίδια: Ο πυρινασ ζχεικετικό φορτίο, ενϊ κάκε θλεκτρόνιοαρνθτικό. Ζτςι ο πυρινασ ζλκει κάκεθλεκτρόνιο, ενϊ τα θλεκτρόνια απωκοφνταιμεταξφ τουσ

2. Όλα τα θλεκτρόνια είναι όμοια. Ζχουν τθνίδια μάηα και το ίδιο θλεκτρικό φορτίο.

1.3 Σο θλεκτρικό φορτίο ςτο εςωτερικό του ατόμου

3. Οι πυρινεσ είναι ςφνκετα ςωματίδια.Αποτελοφνται από πρωτόνια και νετρόνια. Σοπρωτόνιο και το νετρόνιο ζχουν ςχεδόν ίςεσ μάηεσ.Όμωσ το πρωτόνιο είναι κετικά φορτιςμζνο, ενϊ τονετρόνιο δεν ζχει φορτίο, δθλαδι είναι θλεκτρικάουδζτερο. Όλα τα πρωτόνια είναι πανομοιότυπα.Ζχουν τθν ίδια μάηα και το ίδιο φορτίο.

4. Σο πρωτόνιο και το θλεκτρόνιο ζχουν αντίκεταφορτία ακριβϊσ ίδιου όμωσ μεγζκουσ: το φορτίοτου πρωτονίου είναι +1,6x10-19 C, ενϊ τουθλεκτρονίου είναι –1,6x10-19 C. Σα φορτία τουπρωτονίου και του θλεκτρονίου είναι τα πιο μικράφορτία που ζχουν παρατθρθκεί ελεφκερα ςτθφφςθ.

5. Ο αρικμόσ των πρωτονίων του άτομου είναι ίςοσμε τον αρικμό των θλεκτρονίων του. Επομζνωσ τοολικό φορτίο του ατόμου είναι ίςο με το μθδζν.Ώςτε τα άτομα είναι θλεκτρικά ουδζτερα. Ωςτόςοςε πολλζσ περιπτϊςεισ, όπωσ για παράδειγμαςυμβαίνει ςτθν θλζκτριςθ των ςωμάτων μετριβι, είναι δυνατόν ζνα άτομο να αποβάλει ζνα ιδφο θλεκτρόνια. Σότε παφει να είναι θλεκτρικάουδζτερο και ονομάηεται ιόν.

1.3 Σο θλεκτρικό φορτίο ςτο εςωτερικό του ατόμου

Πϊσ τα ςϊματα αποκτοφν θλεκτρικό φορτίο;

Είναι όμωσ δυνατόν ζνα ςϊμα να προςλάβει ινα αποβάλει θλεκτρόνια. τθν περίπτωςθ πουτο ςϊμα ζχει προςλάβει θλεκτρόνια αποκτάπλεόναςμα θλεκτρονίων, οπότε παφει να είναιθλεκτρικά ουδζτερο και αποκτά αρνθτικόφορτίο. Αν ζχει αποβάλλει θλεκτρόνια, τότεζχει ζλλειμμα θλεκτρονίων, οπότε υπεριςχφειτο κετικό φορτίο των πρωτονίων και το ςϊμαζχει ολικό φορτίο κετικό

Δφο σημαντικζς ιδιότητες του ηλεκτρικοφ φορτίου

1.3 Σο θλεκτρικό φορτίο ςτο εςωτερικό του ατόμου

Η φόρτιςθ των ςωμάτων οφείλεται ςεμετακίνθςθ θλεκτρονίων. Σα θλεκτρόνια οφτεπαράγονται οφτε καταςτρζφονται. Απλϊσμεταφζρονται.

Επομζνωσ ο ςυνολικόσ αρικμόσ τωνθλεκτρονίων δεν μεταβάλλεται, μεαποτζλεςμα ςε οποιαδιποτε διαδικαςία, είτεαυτι ςυμβαίνει ςτο μικρόκοςμο είτε ςτομακρόκοςμο, το ολικό φορτίο να διατθρείταιςτακερό. Η αρχι αυτι είναι γνωςτι ωσ αρχιδιατιρθςθσ του θλεκτρικοφ φορτίου.

Η αρχι διατιρθςθσ του θλεκτρικοφφορτίου, είναι από τισ πιο ςθμαντικζσ αρχζστθσ ςφγχρονθσ φυςικισ όπωσ, και θ αρχιδιατιρθςθσ τθσ ενζργειασ.

1.3 Σο θλεκτρικό φορτίο ςτο εςωτερικό του ατόμου

Κάκε θλεκτρικά φορτιςμζνο ςϊμα ζχειπερίςςεια ι ζλλειμμα θλεκτρονίων. Ζναθλεκτρόνιο δεν είναι δυνατόν να διαιρεκεί.

Σο θλεκτρικό φορτίο εμφανίηεται ςε«πακετάκια» τα οποία ονομάηουμε κβάντα καιαυτι του τθν ιδιότθτα τθν ονομάηουμεκβάντωςθ.

1.4 Σρόποι θλζκτριςθσ και θ μικροςκοπικι ερμθνεία

Ηλζκτριση με τριβή

Όταν τρίβεισ τθ γυάλινθ ράβδο ςτο μεταξωτό φφαςμα, εξωτερικά θλεκτρόνιααπό άτομα του γυαλιοφ μετακινοφνται ςτο φφαςμα. Ζτςι θ γυάλινθ ράβδοσφορτίηεται κετικά και το φφαςμα αρνθτικά.Γιατί δεν ςυμβαίνει το αντίκετο; Γιατί δεν μετακινοφνται εξωτερικά

θλεκτρόνια από το φφαςμα ςτο γυαλί;

1.4 Σρόποι θλζκτριςθσ και θ μικροςκοπικι ερμθνεία

Σα άτομα διαφορετικϊν υλικϊν είναι διαφορετικά μεταξφ τουσ. Σα εξωτερικάθλεκτρόνια των ατόμων του υφάςματοσ ςυγκρατοφνται με ιςχυρότερεσδυνάμεισ απ’ ότι εκείνα του γυαλιοφ. Ζτςι απαιτείται λιγότερθ ενζργεια για ναφφγουν θλεκτρόνια από το γυαλί προσ το φφαςμα απ’ ότι αντίςτροφα.

Κατά τθν θλζκτριςθ με τριβι λόγω τθσ ιςχφοσ τθσ αρχισ διατιρθςθσ του θλεκτρικοφ φορτίουπροκφπτει ότι τα δφο ςϊματα που τρίβονται αποκτοφν ίςα και αντίκετα φορτία

1.4 Σρόποι θλζκτριςθσ και θ μικροςκοπικι ερμθνεία

Ηλζκτριςθ με επαφι

Όταν αγγίξουμε με ζνα φορτιςμζνοςϊμα ζνα άλλο θλεκτρικάουδζτερο, το δεφτερο αποκτά φορτίοίδιου είδουσ με το φορτιςμζνο

Αν το φορτιςμζνο ςϊμα ζχει αρνθτικόφορτίο, τότε, όπωσ είδαμε, ζχει πλεόναςμαθλεκτρονίων. Όταν ζρχεται ςε επαφι με τοαφόρτιςτο μερικά από τα πλεονάηονταθλεκτρόνια, επειδι απωκοφνται μεταξφτουσ, μετακινοφνται προσ το δεφτερο ςϊμακαι ζτςι φορτίηεται και αυτό αρνθτικά.

Αν το φορτιςμζνο ςϊμα ζχει κετικό φορτίο, τότε ζχει ζλλειμμα θλεκτρονίων. Κατά τθνεπαφι των δφο ςωμάτων μερικά θλεκτρόνια του ουδζτερου ςϊματοσ μετακινοφνταιπροσ το κετικά φορτιςμζνο ςϊμα. Ζτςι ζχει τϊρα και αυτό ζλλειμμα θλεκτρονίων οπότεφορτίηεται κετικά.

1.4 Σρόποι θλζκτριςθσ και θ μικροςκοπικι ερμθνεία

Κατά τθν θλζκτριςθ με επαφι ιςχφει θ αρχι διατιρθςθσ του θλεκτρικοφ φορτίου: Σοάκροιςμα των φορτίων που αποκτοφν τα δφο ςϊματα τελικά είναι ίςο με το φορτίοπου αρχικά είχε το ζνα