1

Πρόλογος Αγαπητέ μαθητή, αγαπητή μαθήτρια Εδώ θα βρεις το Κεφάλαιο 1. Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο του σχολικού σου βιβλίου.

Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται:

η θεωρία

οι δραστηριότητες που υπάρχουν στο σχολικό βιβλίο

οι διαθεματικές εργασίες (Φυσική και …..) που υπάρχουν στο σχολικό βιβλίο

οι ερωτήσεις και ασκήσεις που υπάρχουν στο σχολικό βιβλίο (δίνονται οι απαντήσεις καθώς και οι

απαραίτητες υποδείξεις, επεξηγήσεις και μεθοδολογία)

επιπλέον ερωτήσεις και ασκήσεις εκτός βιβλίου με τις απαντήσεις τους.

Σου ευχόμαστε καλή μελέτη!

2

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1: Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο

Εισαγωγή

1.1 Γνωριμία με την ηλεκτρική δύναμη

1.2 Το ηλεκτρικό φορτίο

1.3 Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου

1.4 Τρόποι ηλέκτρισης και η μικροσκοπική ερμηνεία

1.5 Νόμος του Κουλόμπ

1.6 Το ηλεκτρικό πεδίο

Ερωτήσεις βιβλίου

Ασκήσεις βιβλίου

Ερωτήσεις – Ασκήσεις εκτός βιβλίου

3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΟ

ΑΠΟ ΤΟ ΚΕΧΡΙΜΠΑΡΙ ΣΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ

Η ιστορία του ηλεκτρισμού μπορούμε να πούμε ότι ξεκίνησε από τις παρατηρήσεις του Θαλή του

Μιλήσιου, ενός σπουδαίου φυσικού φιλόσοφου και μαθηματικού, στην έλξη διάφορων ελαφριών

αντικειμένων από το κεχριμπάρι. Το κεχριμπάρι ή αλλιώς ήλεκτρον είναι ουσιαστικά απολιθωμένο

ρετσίνι, το οποίο το βρίσκουμε πολλές φορές στην κατασκευή διακοσμητικών, όπως κομπολόγια ή

κοσμήματα για το λαιμό. Γι΄αυτό, άλλωστε, και όταν καεί απελευθερώνει ευωδιαστό άρωμα πεύκου, σε

αντίθεση με άλλα πιο σκληρά και ψυχρά υλικά, όπως το πλαστικό, που μυρίζουν δυσάρεστα όταν

καούν. Το χρώμα του το βρίσκουμε συνήθως στο κίτρινο ή σε πιο χρυσό τόνο και μερικές φορές το

βρίσκουμε σε πιο σκούρες αποχρώσεις, ανάλογα με τον τύπο της ξένης ύλης που σκεπάστηκε με τον

χυμό μετά από την έκκριση του φυτού.

Ο Θαλής ο Μιλήσιος διαπίστωσε πως όταν τρίψουμε το κεχριμπάρι με μάλλινα υφάσματα, τότε

αποκτά την ιδιότητα να έλκει διάφορα ελαφριά αντικείμενα, όπως κλωστές, πούπουλα, τρίχες κτλ. Το

γεγονός αυτό άνοιξε το δρόμο για τους μεταγενέστερούς του να μελετήσουν τη συμπεριφορά αυτή

ορισμένων σωμάτων και να καταλήξουν στις έννοιες του ηλεκτρισμού και της ηλεκτρικής δύναμης, που

θα μελετήσουμε στα παρακάτω.

4

1.1 – Γνωριμία με την ηλεκτρική δύναμη

Είναι γνωστό πως ορισμένα σώματα έχουν την ιδιότητα να έλκουν

κάποια άλλα όταν βρεθούν σε μικρή απόσταση από αυτά. Αυτό

μπορούμε να το διαπιστώσουμε με τη βοήθεια ενός πλαστικού στιλό και

με ένα μικρό κομμάτι χαρτιού. Επιχειρήστε να τρίψετε δυνατά και για

περίπου μισό λεπτό το πλαστικό στιλό στα φύλλα του βιβλίου σας. Στη

συνέχεια οδηγείστε την άκρη του στιλό που μόλις τρίψατε κοντά στο

κομματάκι χαρτιού που κόψατε. Παρατηρείστε ότι το στιλό έχει

αποκτήσει την ιδιότητα να έλκει το μικρό χαρτί, κάτι το οποίο δεν

μπορούσε να το κάνει πριν να το τρίψουμε στην επιφάνεια του χαρτιού.

Ομοίως, επιχειρίστε να τρίψετε ένα πλαστικό καλαμάκι με ένα χαρτομάντηλο ή με μια χαρτοπετσέτα.

Πλησιάστε την άκρη από το καλαμάκι σε ένα μικρό χαρτάκι και παρατηρείστε ότι το χαρτάκι κολλάει

πάνω σε αυτή για ορισμένο χρονικό διάστημα.

Τα σώματα που έχουν αυτή την ιδιότητα, να έλκουν ελαφρά αντικείμενα όταν τα τρίψουμε με

κάποια άλλα, ονομάζονται ηλεκτρισμένα, ενώ η δύναμη με την οποία αυτά έλκονται ονομάζεται

ηλεκτρική δύναμη.

Για να καταλάβουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο ή όχι χρησιμοποιούμε ένα απλό όργανο που

λέγεται ηλεκτρικό εκκρεμές. Αυτό αποτελείται από ένα ελαφρύ αντικείμενο, συνήθως σε σφαιρική

μορφή από φελλό ή φελιζόλ, το οποίο είναι κρεμασμένο από μεταξωτή κλωστή.

Για να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο αρκεί να το

οδηγήσουμε κοντά στο αντικείμενο που είναι κρεμασμένο στο

ηλεκτρικό εκκρεμές. Αν αυτό έλκεται ή απωθείται από το σώμα που

πλησιάζουμε, τότε το σώμα είναι ηλεκτρισμένο. Αν πλησιάσουμε στο

σφαιρίδιο μια ράβδο από γυαλί που μόλις τρίψαμε, θα παρατηρήσουμε

ότι το σφαιρίδιο έλκεται από αυτήν.

Αντίθετα αν πλησιάσουμε στο ηλεκτρικό εκκρεμές μια ράβδο από

εβονίτη ή ρετσίνι, που το έχουμε ηλεκτρίσει, παρατηρούμε ότι το

σφαιρίδιο έλκεται, για λίγο, αλλά ύστερα απωθείται. Επίσης, αν

αντικαταστήσουμε το σφαιρικό αντικείμενο του εκκρεμούς με μια ηλεκτρισμένη ράβδο και πλησιάσουμε

σε αυτήν μια ηλεκτρισμένη ράβδο του ίδιου υλικού θα παρατηρήσουμε ότι αυτές απωθούνται.

Με τη βοήθεια του ηλεκτρικού εκκρεμούς μπορούμε να διαπιστώσουμε αν κάποιο σώμα είναι ηλεκτρισμένο.

5

Με παρόμοιο τρόπο δοκιμάστε να τρίψετε δυο μπαλόνια και φέρτε τα σε άμεση

επαφή. Θα παρατηρήσετε ότι η ηλεκτρική δύναμη που αναπτύσσεται μεταξύ τους τα

αναγκάζει να απωθούνται.

Από την καθημερινή σας εμπειρία, γνωρίζετε ότι υπάρχουν

υλικά τα οποία δεν χρειάζετε να τα τρίψουμε για να μπορούν

να έλξουν άλλα σώματα. Τέτοια υλικά είναι οι μαγνήτες.

Αυτά έχουν την μόνιμη ιδιότητα να έλκουν σώματα που

αποτελούνται σίδηρο, κοβάλτιο ή νικέλιο (σιδηρομαγνητικά

υλικά), όπως καρφιά, πινέζες, συνδετήρες κτλ.

Ωστόσο, αν πλησιάσουμε μια μαγνητική ράβδο στο

ηλεκτρικό εκκρεμές το σφαιρίδιο που κρέμεται στην κλωστή

θα παραμείνει ακίνητο, καθώς δεν μπορεί ο μαγνήτης να

ασκήσει μαγνητική δύναμη στο υλικό από το οποίο

αποτελείται το σφαιρίδιο (φελιζόλ, χαρτί, φελλός).

Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις παραπάνω δραστηριότητες συνοψίζονται στα

παρακάτω:

Ο μαγνήτης δεν μπορεί να ασκήσει μαγνητική δύναμη στο υλικό του σφαιριδίου στο ηλεκτρικό εκκρεμές.

Ηλεκτρισμένα ονομάζονται τα σώματα που μπορούν να έλκουν κάποια άλλα όταν έρχονται

σε κοντινή απόσταση με αυτά.

Η δύναμη που αναπτύσσεται μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων ονομάζεται ηλεκτρική.

Οι ηλεκτρικές δυνάμεις ασκούνται από απόσταση.

Οι ηλεκτρικές δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων είναι άλλοτε ελκτικές και άλλοτε

απωστικές.

Η ηλεκτρική δύναμη ασκείται σε διαφορετικά σώματα από ότι η μαγνητική δύναμη.

6

1.2 – Το ηλεκτρικό φορτίο

Για να εξηγήσουμε τις ιδιότητες ορισμένων σωμάτων να έλκουν άλλα σώματα πρέπει να εισάγουμε

την έννοια του ηλεκτρικού φορτίου.

Αν επιστρέψουμε για λίγο στο παράδειγμα της ηλέκτρισης της γυάλινης ράβδου. Αρχικά, πριν

τρίψουμε τη ράβδο σε κάποια επιφάνεια, δεν είχε την ιδιότητα να έλκει σώματα και δεν ήταν

ηλεκτρισμένη. Αυτό σημαίνει πως το ηλεκτρικό της φορτίο ήταν με τέτοιο τρόπο κατανεμημένο ώστε

δεν μπορούσε να ασκήσει ηλεκτρική δύναμη σε άλλα σώματα. Ο τρόπος με τον οποίο κατανέμεται το

ηλεκτρικό φορτίο εξαρτάται από τον αριθμό των δομικών λίθων της (ηλεκτρονίων). Πριν τρίψουμε τη

ράβδο, τα ηλεκτρόνιά της βρίσκονταν σε ισορροπία με άλλους δομικούς λίθους στο εσωτερικό της

ράβδου, έτσι ώστε αυτή να μην «εμφανίζει» ηλεκτρικό φορτίο. Μόλις τρίψουμε τη ράβδο για

παράδειγμα με ένα μεταξωτό ύφασμα, κάποια ηλεκτρόνια αρχίζουν να εγκαταλείπουν τη ράβδο και

μεταφέρονται στη μεταξωτή επιφάνεια. Έτσι, δημιουργείται ένα έλλειμα ηλεκτρονίων στη ράβδο, αυτή

φορτίζεται, αποκτά ηλεκτρικό φορτίο και μπορεί πλέον να ασκεί ηλεκτρική δύναμη σε ένα χαρτάκι και

να το έλκει.

Ομοίως, τρίβοντας το πλαστικό καλαμάκι με μια χαρτοπετσέτα, ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τη

χαρτοπετσέτα στο καλαμάκι, δημιουργώντας έτσι μια περίσσεια ηλεκτρονίων στο καλαμάκι. Αυτός είναι

και ο λόγος που μπορεί ένα χαρτί να δεχθεί ηλεκτρική δύναμη από αυτό και να κολλήσει στην άκρη του.

Παρ΄όλ΄αυτά, υπάρχει και η περίπτωση η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δυο σωμάτων να είναι

απωστική. Αν τρίψουμε δυο μπαλόνια σε μια μάλλινη μπλούζα και τα φέρουμε σε επαφή βλέπουμε ότι

απωθούνται. Αυτό γίνεται γιατί έχουμε μετακίνηση ηλεκτρονίων από τη μπλούζα στα δυο μπαλόνια.

Υπάρχει περίσσεια ηλεκτρονίων και από τις δυο πλευρές με αποτέλεσμα να απωθούνται.

Το γεγονός ότι άλλοτε παρατηρούμε έλξη μεταξύ των σωμάτων και άλλοτε άπωση μας οδηγεί στο

να ορίσουμε δυο είδη ηλεκτρικού φορτίου. Έτσι, συνδέουμε:

την περίσσεια ηλεκτρονίων με την ύπαρξη αρνητικού φορτίου και

την έλλειψη ηλεκτρονίων με την ύπαρξη θετικού φορτίου.

Η μεταφορά ηλεκτρονίων από το χαρτομάντηλο στο καλαμάκι έχει σαν συνέπεια το καλαμάκι να

αρνητικά φορτισμένο, ενώ η χαρτοπετσέτα να είναι θετικά φορτισμένη. Με αυτόν τον τρόπο στην

μια πλευρά συσσωρεύεται αρνητικό φορτίο και στην άλλη θετικό, γεγονός που προκαλεί ελκτική

ηλεκτρική δύναμη μεταξύ τους. Στην περίπτωση των μπαλονιών και οι δυο πλευρές φορτίζονται

αρνητικά και η ηλεκτρική δύναμη που αναπτύσσεται μεταξύ τους είναι απωστική.

7

Το γεγονός ότι ένα σώμα δεν μπορεί να έλξει κάποιο άλλο σώμα (όπως η γυάλινη ράβδος το χαρτάκι

πριν την τρίψουμε) δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχει φορτίο στο εσωτερικό της. Οποιαδήποτε ποσότητα

ύλης φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Το συνολικό θετικό φορτίο , ωστόσο, είναι ίσο με το συνολικό αρνητικό

φορτίο έτσι ώστε να μη δημιουργείται περίσσεια ή έλλειμα φορτίου, η ράβδος να εμφανίζεται

ηλεκτρικά ουδέτερη και να μην προκαλεί ελκτική ή απωστική δύναμη σε σώμα που δεν είναι

ηλεκτρισμένο. Επομένως, η έκφραση ότι ένα σώμα δεν έχει φορτίο δεν σημαίνει πως δεν υπάρχει

καθόλου φορτίο στο εσωτερικό του, αλλά ότι το συνολικό αρνητικό είναι σε ισορροπία με το συνολικό

θετικό φορτίο.

Γενικά, μπορούμε να πούμε ότι:

Το ηλεκτρικό φορτίο συμβολίζεται με το γράμμα q ή Q.

Μεταξύ δυο σωμάτων που είναι φορτισμένα με φορτίο ίδιου προσήμου (είτε και τα δυο

θετικά είτε και τα δυο αρνητικά φορτισμένα) αναπτύσσονται απωστικές δυνάμεις.

Μεταξύ δυο σωμάτων που είναι φορτισμένα με φορτίο αντίθετου προσήμου (το ένα

θετικά και τα άλλο αρνητικά φορτισμένο) αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις.

Ελκτικές δυνάμεις

Ελκτικές δυνάμεις Απωστικές δυνάμεις

Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται και τα ετερώνυμα έλκονται.

8

Πώς μετράμε το ηλεκτρικό φορτίο

Όπως είδαμε στα παραπάνω, η ανάπτυξη ελκτικών ή απωστικών ηλεκτρικών δυνάμεων μεταξύ δυο

σωμάτων οφείλεται στην παρουσία φορτίου αντίθετου ή ίδιου προσήμου αντίστοιχα. Το πόσο ισχυρά

έλκει ή απωθεί ένα ηλεκτρισμένο σώμα ένα άλλο εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων που

μεταφέρεται προς ή από αυτό κατά τη διάρκεια της ηλέκτρισής του.

Εκτελέστε την εξής δραστηριότητα. Κόψτε ένα μικρό

κομματάκι χαρτί και τοποθετήστε το επάνω στο θρανίο σας

μαζί με ένα πλαστικό στιλό. Κατασκευάστε ένα αυτοσχέδιο

ηλεκτρικό εκρεμμές κρεμώντας το χαρτάκι με μια κλωστή,

όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Τρίψτε το πλαστικό στιλό

στην μπλούζα σας αρχικά για μισό λεπτό και οδηγείστε το

κοντά στο χαρτάκι. Στη συνέχεια, δοκιμάστε να τρίψετε

εντονότερα και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα το πλαστικό

στιλό και δοκιμάστε πάλι να το πλησιάσετε στο χάρτινο κομμάτι. Τι

παρατηρείτε;

Εκτελώντας την παραπάνω δραστηριότητα θα παρατηρήσετε ότι το χαρτάκι στη δεύτερη περίπτωση

αποκλίνει περισσότερο. Αυτό συμβαίνει γιατί τρίψαμε το στιλό πιο έντονα και για περισότερο χρονικό

διάστημα. Η ποσότητα των ηλεκτρονίων που ανταλλάχθηκαν μεταξύ της μπλούζας και του στιλό είναι

μεγαλύτερη με αποτέλεσμα και η ελκτική ηλεκτρική δύναμη που ασκεί στο χαρτάκι να είναι μεγαλύτερη.

Αυτός είναι και ο λόγος που παρατηρούμε το χαρτάκι να αποκλίνει περισσότερο, όπως δείχνει και το

παραπάνω σχήμα.

Παρατηρούμε, επομένως, μια άμεση σύνδεση μεταξύ του ηλεκτρικού φορτίου και της ηλεκτρικής

δύναμης. Αυτό σημαίνει πως για να εκτιμήσουμε την ποσότητα φορτίου σε ένα σώμα, αρκεί να

μετρήσουμε την ηλεκτρική δύναμη που ασκεί σε ένα άλλο σώμα.

Η ηλεκτρική δύναμη εξαρτάται από την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου.

Υποπολλαπλάσια Πολλαπλάσια

3 3

6 6

9 9

1m 10 1K 10

1μ 10 1M 10

1n 10 1G 10

Φρεσκάρισε τη μνήμη σου...

9

Το ηλεκτρικό φορτίο το συμβολίζουμε με το γράμμα q ή Q, ενώ η μονάδα μέτρησής του είναι το 1

Coulomb και συμβολίζεται με το γράμμα C. Στην πράξη χρησιμοποιούμε τις υποδιαιρέσεις του Coulomb

για να χαρακτηρίσουμε μια ποσότητα φορτίου, καθώς το 1 C είναι πολύ μεγάλη ποσότητα φορτίου.

1 μC (ένα μικροκουλόμπ) = 10-6 C

1 nC (ένα νανοκουλόμπ) = 10-9 C

Ο υπολογισμός του φορτίου ενός συστήματος ηλεκτρισμένων σωμάτων μπορεί να γίνει αν

προσθέσουμε αλγεβρικά τα επιμέρους φορτία των σωμάτων, λαμβάνοντας υπόψην το πρόσημό τους.

Για παράδειγμα δυο σώματα με φορτία q1=+3 C και q2=-5 C έχουν συνολικό φορτίο:

qολ = 3C + (- 5C) = - 2C.

Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να υπολογίσουμε το συνολικό φορτίο δύο ή περισσότερων σωμάτων,

αρκεί να γνωρίζουμε το φορτίο τους, αν είναι αρνητικό η θετικό και να τα προσθέσουμε αλγεβρικά.

Παραπάνω αναφέραμε πως μια γυάλινη ράβδος έχει μηδενικό φορτίο πριν την τρίψουμε. Η ποσότητα

του αρνητικού φορτίου -q είναι ίση με την ποσότητα του θετικού φορτίου +q, έτσι ώστε αν τα

προσθέσουμε αλγεβρικά το συνολικό φορτίο να είναι μηδέν. Τότε λέμε ότι το σώμα είναι ηλεκτρικά

ουδέτερο.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ:

Η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί ένα φορτισμένο σώμα σε ένα άλλο είναι

ανάλογη της ποσότητας του ηλεκτρικού φορτίου που αυτό φέρει.

Για να υπολογίσουμε το συνολικό φορτίο ενός συστήματος φορτισμένων

σωμάτων προσθέτουμε αλγεβρικά τα επιμέρους φορτία των σωμάτων,

λαμβάνοντας υπόψην τα πρόσημά τους.

Ένα σώμα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο όταν το συνολικό φορτίο του είναι μηδέν.

10

1.3 – Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου

Στις προηγούμενες ενότητες αναφέραμε πως η εμφάνιση θετικού ή αρνητικού φορτίου οφείλεται

στη μετακίνηση ηλεκτρονίων από ή προς το σώμα αντίστοιχα. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τι

ακριβώς συμβαίνει κατά τη μεταφορά αυτή των ηλεκτρονίων πρέπει να μελετήσουμε τη δομή των

ατόμων των σωμάτων.

Η δομή του ατόμου

Το άτομο μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από ένα θετικά φορτισμένο πυρήνα, γύρω από τον

οποίο περιφέρονται τα ηλεκτρόνια που είναι φορτισμένα αρνητικά. O πυρήνας δεν είναι ένα απλό

σωματίδιο, αποτελείται από τα θετικά πρωτόνια και τα ουδέτερα νετρόνια, όπως φαίνεται στο σχήμα

της επόμενης σελίδας. Τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, πράγμα που σημαίνει ότι ο αριθμός των

πρωτονίων του πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων.

11

Αν λοιπόν αποσπαστούν κάποια ηλεκτρόνια από ένα άτομο, τότε το συνολικό θετικό φορτίο των

πρωτονίων του πυρήνα θα είναι μεγαλύτερο από το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων και το αλγεβρικό

τους άθροισμα θα είναι θετικό (το σώμα φορτίζεται θετικά).

Η δομή του ατόμου περιγράφεται με το πρότυπο των Rutherford και Bohr σύμφωνα με το οποίο:

Ο πυρήνας του ατόμου, ο οποίος καταλαμβάνει ένα

ελάχιστο τμήμα του ατόμου, έχει θετικό φορτίο και

μπορεί να συγκρατεί σε κυκλική τροχιά γύρω του

τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας

ασκεί ελκτική δύναμη στα ηλεκτρόνια (λόγω των

ετερώνυμων φορτίων τους) και τα ηλεκτρόνια

ασκούν απωστική ηλεκτρική δύναμη μεταξύ τους

(λόγω των ομώνυμων φορτίων τους).

Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια, τα οποία

φέρουν θετικό φορτίο και νετρόνια, τα οποία είναι

ηλεκτρικά ουδέτερα και έχουν σχεδόν ίσες μάζες με τα πρωτόνια.

Το φορτίο του πρωτονίου είναι ίσο με qp=+1,6.10-19C, ενώ το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι

ίσο με qe=-1,6.10-19C. Επμένως, αν ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των

ηλεκτρονίων, το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα φορτία του πρωτονίου και του

ηλεκτρονίου είναι τα πιο μικρά φορτία που έχουν παρατηρηθεί στη φύση.

Αν για κάποιο λόγο το άτομο αποβάλλει ή προσλάβει κάποια ηλεκτρόνια, τότε παύει να είναι

ηλεκτρικά ουδέτερο και ονομάζεται ιόν.

Η Δομή του ατόμου

Ατομικό πρότυπο των Rutherford και Bohr

12

Πώς τα σώματα αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο Υπό φυσιολογικές συνθήκες, όπως αναφέραμε, τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Ο αριθμός των

ηλεκτρονίων που είναι υπεύθυνα για το συνολικό αρνητικό φορτίο του ατόμου είναι ίσος με τον αριθμό

των πρωτονίων, τα οποία είναι υπεύθυνα για το θετικό φορτίο, έτσι ώστε το αλγεβρικό τους άθροισμα

να είναι μηδέν. Το πλεόνασμα ή η έλλειψη ηλεκτρονίων ισοδυναμεί με αρνητική φόρτιση ή θετική

φόρτιση του ατόμου αντίστοιχα. Για να διαφύγουν, ωστόσο, ηλεκτρόνια από τη δομή του ατόμου θα

πρέπει να υπερνικήσουν την ελκτική δύναμη που τους ασκεί ο θετικά φορτισμένος πυρήνας, ενώ για να

εισέλθουν στη δομή του ατόμου θα πρέπει να υπερνικήσουν την απωστική δύναμη που ασκείται από τα

υπόλοιπα ηλεκτρόνια.

Για παράδειγμα, όταν τρίβουμε τη γυάλινη ράβδο σε ένα μάλλινο

ύφασμα προσφέρουμε κάποια ενέργεια η οποία απορροφάται από τα

ηλεκτρόνια των ατόμων της γυάλινης ράβδου. Κάποια ηλεκτρόνια θα

απορροφήσουν ικανή ενέργεια ώστε να μπορέσουν να υπερνικήσουν

την ελκτική δύναμη του πυρήνα στο άτομό τους και θα μετακινηθούν

από τη ράβδο στο ύφασμα. Από την άλλη, τα ηλεκτρόνια που

μετακινούνται στο ύφασμα έχοντας αυξημένη ενέργεια μπορούν να

υπερνικήσουν τις απωστικές δυνάμεις των υπόλοιπων ηλεκτρονίων και

να συγκρατηθούν λόγω των ελκτικών δυνάμεων που τους ασκούν οι

πυρήνες των ατόμων του υφάσματος.

Ας θυμηθούμε τη δραστηριότητα όπου τρίψατε δυο φορές ένα πλαστικό στιλό και το οδηγήσατε σε

ένα μικρό χαρτάκι το οποίο κρεμιόταν σε ένα ηλεκτρικό εκκρεμές. Τη δεύτερη φορά, μάλιστα, τρίψατε

πιο δυνατά για να παρατηρήσετε ότι το στιλό έλκει πιο έντονα το χαρτί. Το γεγονός ότι τρίψατε πιο

δυνατά το στιλό, προκάλεσε μεγαλύτερη απορρόφηση ενέργειας από κάποια ηλεκτρόνια στα άτομα της

ράβδου. Επομένως, περισσότερα ηλεκτρόνια απέκτησαν ικανή ενέργεια να υπερνικήσουν τις ελκτικές

δυνάμεις των πυρήνων των ατόμων τους και να μετακινηθούν προς το χαρτάκι. Το θετικό φορτίο της

ράβδου είναι μεγαλύτερο στην περίπτωση αυτή και καθώς η ηλεκτρική δύναμη είναι ανάλογη του

ηλεκτρικού φορτίου, η απόκλιση στη δεύτερη περίπτωση είναι μεγαλύτερη. Αξίζει να επισημάνουμε πως

η τριβή δεν είναι ο μόνος τρόπος για να μεταβιβάσουμε ενέργεια στα ηλεκτρόνια και επομένως να

ηλεκτρίσουμε ένα σώμα. Μια άλλη γνωστή μέθοδος είναι η επίδραση ακτινοβολίας. Παρακάτω θα

αναφερθούμε εκτενέστερα στους τρόπους ηλέκτρισης.

Κατά την τριβή μιας γυάλινης ράβδου σε ένα ύφασμα μεταφέρεται ενέργεια στα ηλεκτρόνια των ατόμων της ράβδου.

13

Υπάρχουν περιπτώσεις που με την τριβή σωμάτων έχουμε ανάπτυξη θετικού ή αρνητικού φορτίου

στο ένα σώμα, δηλαδή μετακίνηση ηλεκτρονίων από ή προς το σώμα αντίστοιχα. Για παράδειγμα, όταν

τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με ένα μάλλινο ύφασμα, η ράβδος φορτίζεται θετικά. Αν τρίψουμε με το

μάλλινο ύφασμα μια ράβδο εβονίτη, αυτή φορτίζεται αρνητικά. Το ποια ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα

άτομα των σωμάτων εξαρτάται από το πόσο ισχυρά έλκονται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από τον

πυρήνα των ατόμων. Όπως είδαμε στο ατομικό πρότυπο των Rutherford και Bohr, τα ηλεκτρόνια

περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές. Τα ηλεκτρόνια στην εξώτερη κυκλική τροχιά

(εξωτερικά ηλεκτρόνια) έλκονται λιγότερο από τον πυρήνα από ότι τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια, ενώ αυτή η

έλξη διαφέρει από άτομο σε άτομο. Σε μια πλαστική ράβδο τα εξωτερικά ηλεκτρόνια έλκονται

περισσότερο από τον πυρήνα των ατόμων τους από ότι έλκονται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από τον

πυρήνα των ατόμων μιας γούνας. Έτσι, αν τρίψουμε τη ράβδο στη γούνα, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται

από τα άτομα της γούνας στη ράβδο. Έτσι, η ράβδος φορτίζεται αρνητικά και η γούνα θετικά.

Δύο σημαντικές ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου Η ηλέκτριση των σωμάτων είναι συνδεδεμένη με τη μετακίνηση ηλεκτρονίων από ή προς τα άτομα

των σωμάτων και με αυτόν τον τρόπο εμφανίζεται το ηλεκτρικό φορτίο. Σε κάθε περίπτωση, όμως, ο

συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων παραμένει σταθερός, δηλαδή όσα ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα

άτομα ενός σώματος τόσα μεταφέρονται στα άτομα του άλλου σώματος. Αυτή είναι μια πολύ βασική

αρχή στη μελέτη του ηλεκτρικού φορτίου και ονομάζεται αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού

φορτίου. Η αρχή αυτή μας λέει ουσιαστικά ότι το ολικό φορτίο διατηρείται σταθερό και εκφράζεται ως

εξής:

Η δεύτερη ιδιότητα του ηλεκτρικού φορτίου είναι ότι είναι κβαντισμένο. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι

ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου που συναντώνται στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια μιας

στοιχειώδους ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου. Αυτή η ποσότητα είναι το φορτίο που έχει το ηλεκτρόνιο

των ατόμων. Μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε πακέτα στοιχειώδους τιμής,

τα κβάντα, για αυτό και λέμε ότι είναι κβαντισμένο.

Το ολικό φορτίο ενός συστήματος σωμάτων είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα των

θετικών και των αρνητικών φορτίων και παραμένει σταθερό, ανεξάρτητα από τις

διαδικασίες που γίνονται μέσα στο σύστημα.

14

Α Π Α Ν Τ Η Σ Η

Όπως αναφέραμε παραπάνω, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια σε μια γυάλινη ράβδο έλκονται

περισσότερο από τον πυρήνα των ατόμων τους από ότι έλκονται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από τον

πυρήνα των ατόμων μιας γούνας. Τρίβοντας τη ράβδο στη γούνα, ηλεκτρόνια αποκτούν ικανή

ενέργεια να υπερνικήσουν την ελκτική δύναμη των πυρήνων τους και μεταφέρονται στη ράβδο,

δημιουργώντας μια περίσσεια ηλεκτρονίων. Η ράβδος φορτίζεται αρνητικά. Αν υποθέσουμε ότι το

αρνητικό φορτίο που αποκτά η ράβδος είναι q=-20nC, τότε σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του

φορτίου ίσο και αντίθετο φορτίο θα πρέπει να έχουμε στην πλευρά της γούνας. Έτσι, η γούνα

φορτίζεται θετικά και το φορτίο που αποκτά είναι ίσο με q=+20nC.

Τρίβοντας τη γυάλινη ράβδο με τη γούνα,

ηλεκτρόνια μεταφέρονται στη ράβδο. Η ράβδος

αποκτά πλεόνασμα ηλεκτρονίων, δηλαδή

φορτίζεται αρνητικά. Το φορτίο που αποκτά η

ράβδος είναι q=-20nC. Η γούνα φορτίζεται;

Αν ναι, πόση ποσότητα φορτίου αποκτά;

Αιτιολόγησε την απάντησή σου.

15

Φυσική και Μαθηματικά

Αν γνωρίζετε ότι το 1 C είναι το φορτίο που έχουν 6,24.1018 ηλεκτρόνια, να

υπολογίσετε το φορτίο ενός ηλεκτρονίου (στοιχειώδες φορτίο).

Εφόσον το 1 C αντιστοιχεί σε ποσότητα ηλεκτρονίων ίση με 6,24.1018, για να υπολογίσουμε το

φορτίο που αντιστοιχεί σε ένα ηλεκτρόνιο αρκεί να διαιρέσουμε το 1 C με το 6,24.1018. Αν

συμβολίσουμε με e το στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρονίου τότε:

-18 -19. 18

1 Ce= =0,16025 10 C 1,6 10 C

6,2410

16

1.4 – Τρόποι ηλέκτρισης και η μικροσκοπική ερμηνεία

Στις παραπάνω δραστηριότητες είδαμε ότι η ηλέκτριση των σωμάτων μπορεί να γίνει με την τριβή

των σωμάτων σε κάποιες επιφάνειες. Η τριβή αυτή μεταβιβάζει ενέργεια στα εξωτερικά ηλεκτρόνια των

των ατόμων των σωμάτων, έτσι ώστε να μπορούν να υπερνικήσουν τις ελκτικές δυνάμεις των

πυρήνων. Η τριβή δεν είναι η μόνη μέθοδος ηλέκτρισης των σωμάτων. Οι πιο σημαντικές δίνονται στο

παρακάτω διάγραμμα.

Ηλέκτριση με τριβή

Ηλέκτριση με τριβή ονομάζουμε τη διαδικασία που πρέπει να ακολουθήσουμε για να αποκτήσει

ένα υλικό την ιδιότητα του ήλεκτρου (κεχριμπάρι), δηλαδή την ικανότητα να έλκει ελαφρά αντικείμενα

(π.χ. κομματάκια χαρτιού, καρφίτσες, τρίχες, μικρά φτερά, κ.ά.).

ΤΑ ΣΩΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ

ΤΡΕΙΣ ΤΡΟΠΟΥΣ

ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ ΜΕ ΤΡΙΒΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ

ΜΕ ΕΠΑΦΗ

ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΗ

17

Όπως αναφέραμε, η μετακίνηση των ηλεκτρονίων εξαρτάται από το είδος των ατόμων του σώματος

και από το πόσο ισχυρά οι πυρήνες των σωμάτων έλκουν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια. Έτσι, η ράβδος

εβονίτη φορτίζεται αρνητικά όταν τριφτεί με μάλλινο ύφασμα και μια γυάλινη ράβδος φορτίζεται θετικά

όταν τρίβεται με μάλλινο ύφασμα.

Όπως παρατηρείτε, η αρνητική ή θετική φόρτιση της ράβδου, συνεπάγεται τη θετική ή αρνητική

φόρτιση του υφάσματος από την άλλη πλευρά. Αυτό είναι συνέπεια της αρχής διατήρησης του

φορτίου, δηλαδή ότι όσα ηλεκτρόνια διαφύγουν από τα άτομα του ενός σώματος τόσα ηλεκτρόνια θα

«εισέλθουν» στα άτομα του άλλου σώματος.

Κατά την ηλέκτριση με τριβή, τα δύο σώματα που τρίβονται αποκτούν ίσα και αντίθετα

φορτία.

Ράβδος

εβονίτη

Γυάλινη

ράβδος

18

Ηλέκτριση με επαφή

Ο τρόπος αυτός ηλέκτρισης βασίζεται στην άμεση επαφή ενός φορτισμένου και ενός ηλεκτρικά

ουδέτερου σώματος. Το δεύτερο σώμα αποκτά φορτίο ίδιου είδους με το φορτισμένο.

Ας μελετήσουμε το παράδειγμα μιας φορτισμένης μεταλλικής σφαίρας.

Θεωρούμε μια μεταλλική σφαίρα στην οποία έχουμε συσσώρευση αρνητικού φορτίου. Με το

δάκτυλό μας προσπαθούμε να αγγίξουμε την επιφάνεια της σφαίρας. Μόλις γίνει αυτό, ηλεκτρόνια

μετακινούνται από τη σφαίρα στο χέρι, έτσι ώστε στο χέρι να υπάρχει μια περίσσεια ηλεκτρονίων.

Στην ηλέκτριση με επαφή ισχύει η αρχή διατήρησης του φορτίου. Δηλαδή, το φορτίο που

διαβιβάζεται στο χέρι μας και το φορτίο που απομένει στη μεταλλική σφαίρα είναι ίσο με το αρχικό

φορτίο της μεταλλικής σφαίρας.

Μετακίνηση ηλεκτρονίων προς το θετικά φορτισμένο σώμα.

Αρχή διατήρησης ηλεκτρικού φορτίου: q = q’ + q’’

--

-

--

-

+

-

-

++++

++

+

-

μεταλλική σφαίρα

Ηλέκτριση με επαφή.

Μετακίνηση ηλεκτρονίων

19

Διαμοιρασμός φορτίου της σφαίρας

Την ηλέκτριση με επαφή τη

χρησιμοποιούμε όταν θέλουμε να

διαμοιράσουμε το ηλεκτρικό φορτίο μεταξύ

σωμάτων. Περιγράψτε τη διαδικασία που

παριστάνεται στις διπλανές εικόνες. Ποια

βασική αρχή της φυσικής θα

χρησιμοποιήσεις για να εξηγήσεις τον

τρόπο διαμοιρασμού του φορτίου που

παριστάνεται σ’ αυτές;

Αρχικά, η μια σφαίρα είναι θετικά φορτισμένη και η άλλη ηλεκτρικά ουδέτερη. Φέρνοντας

τις δυο σφαίρες σε επαφή, επιτρέπουμε τη μεταφορά ηλεκτρονίων από την αφόρτιστη σφαίρα

στη θετικά φορτισμένη. Λόγω της έλλειψης ηλεκτρονίων (δηλαδή αρνητικού φορτίου) στη

θετικά φορτισμένη σφαίρα, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια της ουδέτερης σφαίρας έλκονται και

μεταφέρονται προς τη φορτισμένη σφαίρα. Αυτό που συμβαίνει τελικά είναι μια ανακατανομή

φορτίου. Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του φορτίου, όσα ηλεκτρόνια διαφύγουν από την

αφόρτιστη σφαίρα, τόσα θα συλληφθούν από τη θετικά φορτισμένη σφαίρα, έτσι ώστε τελικά

και οι δύο να έχουν το ίδιο (θετικό) φορτίο. Επομένως, το άθροισμα των φορτίων των δύο

σφαιρών είναι ίσο με το φορτίο που είχε αρχικά η θετικά φορτισμένη σφαίρα (διαμοιρασμός

φορτίου).

20

Αγωγοί και μονωτές

Στα παραπάνω αναφέραμε δύο τρόπους ηλέκτρισης, την ηλέκτριση με τριβή και με επαφή. Δεν

έχουν, ωστόσο, όλα τα σώματα την ίδια ικανότητα να ηλεκτρίζονται με την ίδια ένταση. Αυτό εξαρτάται

από το υλικό κατασκευής του κάθε σώματος. Εκτελέστε την εξής δραστηριότητα. Ηλεκτρίστε με τριβή

μια μεταλλική ράβδο και ένα πλαστικό καλαμάκι. Για να διαπιστώσουμε αν τα δύο σώματα είναι όντως

ηλεκτρικά φορτισμένα θα χρησιμοποιήσουμε ένα ηλεκτρικό εκκρεμές.

Στη μια περίπτωση πλησιάστε τη φορτισμένη μεταλλική ράβδο

στο εκκρεμές και προσπαθήστε να φέρετε σε μικρή απόσταση

πρώτα τη δεξιά και έπειτα την αριστερή άκρη της ράβδου. Αυτό που

θα παρατηρήσετε είναι το κρεμασμένο σφαιρίδιο να εκτρέπεται με

όποιον τρόπο και αν πλησιάσουμε τη ράβδο.

Στη συνέχεια φορτίστε ηλεκτρικά ένα καλαμάκι τρίβοντας

στο κάτω του άκρο και σημαδέψτε το με ένα μαρκαδόρο

για να θυμάστε ποιο άκρο τρίψατε. Εκτελέστε την ίδια

διαδικασία με πριν, οδηγώντας αρχικά το άκρο που δεν

φορτίσατε στο σφαιρίδιο του εκκρεμούς και στη συνέχεια

το άκρο που τρίψατε. Το άκρο που δεν τρίψαμε δεν

μπορεί να ασκήσει ηλεκτρική δύναμη στο σφαιρίδιο του

ηλεκτρικού εκκρεμούς, το οποίο παραμένει ακίνητο.

Αντιθέτως, αν γυρίσουμε το καλαμάκι από την άλλη και

το πλησιάσουμε προς το εκκρεμές θα παρατηρήσουμε

εκτροπή του σφαιριδίου από τη θέση ισορροπίας του.

Εφόσον το καλαμάκι τώρα μπορεί να ασκήσει ηλεκτρική

δύναμη, σημαίνει ότι η περιοχή αυτή είναι όντως

ηλεκτρικά φορτισμένη.

Το σφαιρίδιο του εκκρεμούς εκτρέπεται με όποιον τρόπο και αν πλησιάσουμε τη μεταλλική ράβδο.

Το καλαμάκι δεν επιτρέπει το διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη την έκταση της μάζας του.

21

Σώματα που έχουν την ίδια συμπεριφορά με αυτήν της μεταλλικής ράβδου ονομάζονται ηλεκτρικοί

αγωγοί, ενώ σώματα με συμπεριφορά όμοια με αυτή που εμφανίζει το καλαμάκι λέγονται ηλεκτρικοί

μονωτές.

Ορισμένοι γνωστοί ηλεκτρικοί αγωγοί και μονωτές δίνονται στον παρακάτω πίνακα:

Όπως παρατηρείτε από τον πίνακα, οι πιο γνωστοί

αγωγοί είναι τα μέταλλα. Αυτό που επιτρέπει στους

αγωγούς να μπορούν να κατανέμουν το ηλεκτρικό

φορτίο σε όλη τη μάζα τους είναι η δομή των ατόμων

τους. Σύμφωνα με το πρότυπο Bohr που αναφέραμε

παραπάνω, τα ηλεκτρόνια είναι κατανεμημένα σε

κυκλικές τροχιές (στοιβάδες) γύρω από τον πυρήνα

των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην

εξώτερη στοιβάδα λέγονται εξωτερικά ηλεκτρόνια.

Στα μέταλλα οι αποστάσεις των ηλεκτρονίων αυτών

από τον πυρήνα τους σε σχέση με την απόστασή

τους από τον πυρήνα ενός γειτονικού ατόμου είναι

πολύ μικρές. Οι ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά από τον πυρήνα του ατόμου στο οποίο

ανήκουν και από τον πυρήνα ενός γειτονικού ατόμου θα λέγαμε ότι αλληλοαναιρούνται, με αποτέλεσμα

τελικά να μην είναι προσκολλημένα στον πυρήνα ενός συγκεκριμένου ατόμου, αλλά να περιφέρονται σε

όλη την έκταση της μάζας του μετάλλου. Γι΄αυτό ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Από την άλλη, τα άτομα αποκτούν έλλειμα ηλεκτρονίων και μετατρέπονται σε θετικά ιόντα (θετικό

φορτίο). Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, επομένως, λόγω της πολύ χαλαρής συγκράτησής τους, κινούνται

ελεύθερα στους αγωγούς, σε αντίθεση με τα θετικά ιόντα, τα οποία λόγω της μεγάλης μάζας τους δεν

μπορούν να κινηθούν ελεύθερα ανάμεσα στους υπόλοιπους δομικούς λίθους του μετάλλου. Ωστόσο,

εκτελούν μικρές ταλαντώσεις γύρω από συγκεκριμένες θέσεις, σχηματίζοντας το μεταλλικό πλέγμα.

Αγωγοί Μονωτές

άργυρος πλαστικό

χρυσός γυαλί

αλουμίνιο καουτσούκ

χαλκός κεραμικά

ανθρώπινο σώμα ξύλο

νερό βρύσης ύφασμα

γραφίτης εβονίτης

υγρός αέρας θειάφι

ξηρός αέρας

μετάξι

πορσελάνη

Ηλεκτρικοί αγωγοί ονομάζονται τα σώματα που

επιτρέπουν το διασκορπισμό του ηλεκτρικού τους

φορτίου σε όλη την έκτασή τους.

Ηλεκτρικοί μονωτές ονομάζονται τα σώματα στα

οποία το ηλεκτρικό τους φορτίο δεν διασκορπίζεται,

αλλά παραμένει εντοπισμένο στην περιοχή του

σώματος που φορτίσαμε.

22

Δομή των μετάλλων

Στους μονωτές, η δομή των ατόμων τους είναι τέτοια ώστε τα εξωτερικά ηλεκτρόνια να

συγκρατούνται πολύ ισχυρά από τους πυρήνες τους και να ανήκουν σε συγκεκριμένα άτομα. Αν

εμφανιστεί επομένως περίσσεια ηλεκτρονίων σε ένα μονωτή, αυτά δεν θα μπορούν να μετακινηθούν σε

όλο το μήκος του σώματος, αλλά θα παγιδευθούν από τα άτομα της περιοχής εκείνης που φορτίσαμε.

Ομοίως, αν έχουμε έλλειμα ηλεκτρονίων σε ένα μονωτή αυτό θα εμφανιστεί στην περιοχή της

φόρτισης, χωρίς να δημιουργείται ροή ηλεκτρονίων εντός του υλικού. Έτσι εξηγείται γιατί το καλαμάκι,

που αποτελείται από πλαστικό (μονωτικό υλικό), φορτίζεται μόνο στο ένα του άκρο, αυτό δηλαδή που

τρίψαμε.

Θετικά ιόντα: Κάνουν μικρές κινήσεις γύρω από συγκεκριμένες θέσεις

Ελεύθερα ηλεκτρόνια: Κινούνται ελεύθερα σε όλη την έκταση του μετάλλου

23

Ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου – το ηλεκτροσκόπιο

Στις προηγούμενες παραγράφους αναφέραμε πώς μπορείτε να κατασκευάσετε την απλούστερη

μηχανή ανίχνευσης ηλεκτρικού φορτίου, το ηλεκτρικό εκκρεμές. Μια πιο γνωστή κατασκευή ανίχνευσης

φορτίου είναι το ηλεκτροσκόπιο. Η αρχή λειτουργίας του είναι ίδια με αυτή του εκκρεμούς (στην

ουσία το ηλεκτρικό εκκρεμές είναι ένα είδος ηλεκτροσκοπίου), μόνο που διαφέρει στα υλικά

κατασκευής. Ένα απλό ηλεκτροσκόπιο αποτελείται από:

Ένα μεταλλικό δίσκο ή μια μεταλλική σφαίρα (ακροδέκτης).

Ένα μεταλλικό περίβλημα, το οποίο στις δυο πλευρές περιλαμβάνει δυο

γυάλινους δίσκους που κλείνουν αεροστεγώς το εσωτερικό του ηλεκτροσκοπίου.

Ένα μεταλλικό στέλεχος (έλασμα).

Ένα ή δύο κινητά ελαφρά μεταλλικά φύλλα, συνήθως από αλουμίνιο (αγώγιμο

υλικό).

Όταν δεν πλησιάζουμε κάποιο φορτισμένο σώμα στο μεταλλικό δίσκο και το ηλεκτροσκόπιο είναι

αφόρτιστο, τα μεταλλικά φύλλα είναι ενωμένα. Αν με ένα ηλεκτρισμένο σώμα φορτίσουμε το

ηλεκτροσκόπιο, οδηγώντας το προς το μεταλλικό δίσκο, τότε τα μεταλλικά φύλλα αποκλίνουν και

απομακρύνονται μεταξύ τους, λόγω των απωστικών ηλεκτρικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ

τους. Έτσι, μπορούμε οπτικά να διακρίνουμε αν ένα σώμα είναι φορτισμένο ή όχι. Μάλιστα, από τη

γωνία εκτροπής των φύλλων μπορούμε να συμπεράνουμε το ποσό του ηλεκτρικού φορτίου του

σώματος. Θυμηθείτε ότι η ηλεκτρική δύναμη είναι ανάλογη της ποσότητας του ηλεκτρικού φορτίου.

Επομένως, ένα σώμα με μεγαλύτερο ηλεκτρικό φορτίο είναι ικανό να δημιουργήσει μεγαλύτερη

απωστική δύναμη στα ελάσματα και συνεπώς μεγαλύτερη γωνία εκτροπής.

24

Πλησιάζουμε στο ηλεκτροσκόπιο ένα αρνητικά φορτισμένο σώμα:

Τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) που υπάρχουν στο μεταλλικό δίσκο του

ηλεκτροσκοπίου απωθούνται από τα αρνητικά φορτία του σώματος που

πλησιάζουμε και συγκεντρώνονται στα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου.

Τα φύλλα αυτά επειδή έχουν το ίδιο φορτίο (αρνητικό) απωθούνται μεταξύ τους.

Πλησιάζουμε στο ηλεκτροσκόπιο ένα θετικά φορτισμένο σώμα:

Τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) που υπάρχουν στο ηλεκτροσκόπιο έλκονται

προς τα θετικά φορτία του σώματος που πλησιάζουμε, οπότε στα φύλλα του

ηλεκτροσκοπίου μένουν μόνο θετικά φορτία.

Τα φύλλα αυτά επειδή έχουν το ίδιο φορτίο (θετικό) απωθούνται μεταξύ τους.

Το ηλεκτροσκόπιο μας δείχνει ότι το σώμα που πλησιάζει είναι φορτισμένο, χωρίς να ξέρουμε τι

φορτίο έχει (δηλαδή αν είναι αρνητικά ή θετικά φορτισμένο).

Εκτελέστε την εξής δραστηριότητα. Τρίψτε μια πλαστική ράβδο σε μια γούνα και

οδηγείστε την στο μεταλλικό δίσκο του ηλεκτροσκοπίου, χωρίς να αγγίξετε την

μεταλλική πλάκα με το χέρι σας. Στη συνέχεια απομακρύνετε την πλαστική ράβδο

από το ηλεκτροσκόπιο. Τι παρατηρείτε κατά τις δυο κινήσεις της ράβδου στην

μεταλλική πλάκα;

Αρχικά, τρίβοντας την πλαστική ράβδο στη γούνα, δημιουργούμε πλεόνασμα ηλεκτρονίων σε αυτήν,

καθώς κάποια ηλεκτρόνια αποσπώνται από τη γούνα και προσκολλώνται στη ράβδο. Αν φέρουμε σε

επαφή τη ράβδο στο μεταλλικό δίσκο, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε περίσσεια απωθούν τα

ελεύθερα ηλεκτρόνια του δίσκου προς τα κάτω και προς το μεταλλικό έλασμα που συνδέεται με αυτόν.

Έτσι, τα μεταλλικά ελάσματα φορτίζονται και αυτά με το ίδιο φορτίο (αρνητικά), το οποίο

διασκορπίζεται σε όλη την έκταση της μάζας τους και ασκούν απωστική δύναμη μεταξύ τους. Έτσι

διαπιστώσουμε ότι η ράβδος όντως φορτίστηκε ηλεκτρικά από το τρίψιμο με τη γούνα.

--

- - - --

-

25

Ηλέκτριση με επαγωγή

Εκτελέστε την προηγούμενη δραστηριότητα, οδηγώντας αρχικά σε μια μικρή απόσταση τη φορτισμένη ράβδο στο μεταλλικό δίσκο

του ηλεκτροσκοπίου και στη συνέχεια απομακρύνεται τη ράβδο

σταδιακά, χωρίς να φέρετε σε άμεση επαφή τη ράβδο με το

μεταλλικό δίσκο. Τι παρατηρείτε;

Αρχικά, πλησιάζοντας τη ράβδο κοντά στο μεταλλικό δίσκο παρατηρούμε τα δύο ελάσματα να αποκλίνουν, χωρίς να χρειάζεται

να φέρουμε σε άμεση επαφή τη ράβδο με το δίσκο.

Απομακρύνοντας τη ράβδο από το ηλεκτροσκόπιο παρατηρούμε το

κινητό μεταλλικό φύλλο να επιστρέφει σταδιακά στην αρχική του

θέση, τείνοντας να μηδενίσει την απόκλισή του.

--

- - - --

- --

- - - --

-

Ηλέκτριση με επαγωγή.

Τα μέρη ενός ηλεκτροσκοπίου είναι: 1.Μεταλλικός δίσκος ή

σφαίρα. 2. Μεταλλικό στέλεχος. 3. «Φύλλα του

ηλεκτροσκοπίου». Τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου βρίσκονται σε

χώρο που περιβάλλεται από γυαλί και μονωτικό υλικό. Μπορείς

να σκεφθείς γιατί;

Για να αποφύγουμε την ηλέκτριση των ελασμάτων από

εξωτερικά σώματα, όπως ο υγρός αέρας που είναι αγώγιμο μέσο, μονώνουμε με γυαλί και

μονωτικό υλικό τα μεταλλικά ελάσματα. Με αυτό τον τρόπο είμαστε σίγουροι ότι η μετακίνηση

ηλεκτρονίων θα διεξάγεται μόνο μεταξύ των σωμάτων που έρχονται σε επαφή με τον μεταλλικό

δίσκο και με τα μεταλλικά ελάσματα, ώστε η γωνία εκτροπής τους να αντιπροσωπεύει

πραγματικά το ποσό ηλεκτρικού φορτίου του ηλεκτρισμένου σώματος.

26

Τι συμβαίνει όταν φέρνουμε σε μικρή απόσταση τη ράβδο από το δίσκο του ηλεκτροσκοπίου:

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού δίσκου απωθούνται από την περίσσεια ηλεκτρονίων (δηλαδή

το αρνητικό φορτίο) στην πλαστική ράβδο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του δίσκου κινούνται προς τα κάτω

και προς τα μεταλλικά ελάσματα. Τα θετικά ιόντα του δίσκου παραμένουν ακίνητα λόγω της μεγάλης

μάζας τους. Έτσι, τελικά έχουμε ένα διαχωρισμό φορτίου με το πάνω μέρος του δίσκου να έχει

ηλεκτριστεί θετικά και τα δυο ελάσματα να απωθούνται λόγω αρνητικής ηλέκτρισής τους. Μόλις

απομακρύνουμε τη ράβδο, οι απωστικές δυνάμεις που ασκεί το αρνητικό της φορτίο στα ελεύθερα

ηλεκτρόνια του δίσκου παύουν και τα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του πλέον έλκονται από θετικά

ηλεκτρισμένο μέρος του στο επάνω άκρο του. Τελικά επικρατεί μια ομοιομορφία στην κατανομή του

φορτίου και τα μεταλλικά φύλλα επιστρέφουν στην αρχική θέση ισορροπίας τους.

Διάκριση φορτισμένου σώματος και ηλεκτρισμένου σώματος:

Το ηλεκτρισμένο σώμα δεν έχει συνολικά ηλεκτρικό φορτίο (το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων

είναι μηδέν). Απλά τα θετικά φορτία είναι διαχωρισμένα από τα αρνητικά.

Το φορτισμένο σώμα έχει ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό) λόγω μεταφοράς ηλεκτρονίων.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ:

Κατά την ηλέκτριση με επαγωγή συμβαίνει διαχωρισμός των θετικών από τα

αρνητικά φορτία στο σώμα που ηλεκτρίζεται.

Ένα σώμα ηλεκτρίζεται με επαγωγή, δεν φορτίζεται, καθώς η ικανότητά του να

έλκει ή να απωθεί άλλα σώματα είναι προσωρινή. Αν στο εσωτερικό του

σώματος επανέλθει η ομοιόμορφη κατανομή του φορτίου του δεν είναι πλέον

ηλεκτρισμένο.

27

Ηλέκτριση μονωτών με επαγωγή

Η ηλέκτριση με επαγωγή διαφέρει ανάμεσα στους αγωγούς και τους μονωτές. Όπως είδαμε, η δομή

των ατόμων για τα δυο είδη σωμάτων διαφέρει. Στα μέταλλα οι αποστάσεις των εξωτερικών

ηλεκτρονίων από τον πυρήνα τους σε σχέση με την απόστασή τους από τον πυρήνα ενός γειτονικού

ατόμου είναι πολύ μικρές και οι ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά είναι πολύ μικρές.

Στους μονωτές, η δομή των ατόμων τους είναι τέτοια ώστε τα εξωτερικά ηλεκτρόνια να

συγκρατούνται πολύ ισχυρά από τους πυρήνες τους και να ανήκουν σε συγκεκριμένα άτομα. Επομένως,

αν πλησιάσουμε ένα αρνητικά φορτισμένο σώμα σε ένα μονωτή τα εξωτερικά ηλεκτρόνια δεν

αποσπώνται από τον πυρήνα των ατόμων του μονωτή. Στην ουσία αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα

ηλεκτρόνια μέσα στο άτομο εντοπίζονται στην περιοχή εκείνη του ατόμου που βρίσκεται σε μεγαλύτερη

απόσταση απ΄το αρνητικά φορτισμένο σώμα. Αντίθετα, αν πλησιάσουμε ένα θετικά φορτισμένο σώμα

σε ένα μονωτή, τότε τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να μετατοπιστούν στην περιοχή εκείνη του ατόμου

που βρίσκεται πλησιέστερα στο θετικά φορτισμένο σώμα. Σε αυτές τις περιπτώσεις λέμε ότι το άτομο

είναι πολωμένο.

Ηλέκτριση του ηλεκτροσκοπίου με επαγωγή. Το συνολικό

φορτίο του ηλεκτροσκοπίου είναι μηδέν. Μπορείς να προβλέψεις

τι θα συμβεί αν απομακρύνεις τη σφαίρα; Ερμήνευσε το

φαινόμενο.

Πλησιάζοντας την αρνητικά φορτισμένη σφαίρα διεξάγεται ένας

προσωρινός διαχωρισμός φορτίου στο μεταλλικό μέρος του

ηλεκτροσκοπίου. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της μεταλλικής σφαίρας

απωθούν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού δίσκου με αποτέλεσμα αυτά να

συγκεντρώνονται στα δυο μεταλλικά ελάσματα. Αν απομακρύνουμε τη σφαίρα οι απωστικές

δυνάμεις παύουν να υφίστανται και το συγκεντρωμένο αρνητικό φορτίο των ελασμάτων

έλκεται από το συγκεντρωμένο θετικό φορτίο στο πάνω μέρος του δίσκου. Τελικά επικρατεί

ομοιομορφία στην κατανομή του φορτίου. Δεν έχουμε πλέον διαχωρισμό φορτίου και η κάθε

περιοχή έχει μηδενικό συνολικό φορτίο. Τα μεταλλικά φύλλα επιστρέφουν στην αρχική τους

θέση.

28

Με αυτόν τον τρόπο, έχουμε προσωρινό διασκορπισμό φορτίου σε ένα μονωτή, ενώ

απομακρύνοντας το φορτισμένο σώμα μακριά από το μονωτή τα ηλεκτρόνια επανέρχονται, επικρατεί

ομοιομορφία φορτίου στο εσωτερικό του μονωτή και παύει να είναι ηλεκτρισμένος.

Φαινόμενα που οφείλονται στην ηλέκτριση με επαγωγή μονωτών:

Μια φορτισμένη χτένα έλκει μικρά κομμάτια χαρτιού

(εμφανίζονται αντίθετα φορτία με επαγωγή στο χαρτί).

Ένα φορτισμένο καλαμάκι έλκει μια φλέβα νερού (εμφανίζονται

αντίθετα φορτία με επαγωγή στο νερό).

Ένα φορτισμένο μπαλόνι κολλάει στον τοίχο (εμφανίζονται

αντίθετα φορτία με επαγωγή στον τοίχο).

Το καθαρό νερό είναι μονωτής. Το νερό της βρύσης είναι αγωγός γιατί περιέχει διαλυμένα άλατα.

∆ραστηριότητα

Τρίψε ένα μπαλόνι με μάλλινο ύφασμα και πλησίασέ το σε ένα τοίχο. Τι

παρατηρείς αρχικά και τελικά; Με βάση τους τρόπους ηλέκτρισης μπορείς

να ερμηνεύσεις όλο το φαινόμενο;

Τρίβοντας αρχικά το μπαλόνι, που είναι μονωτής, με μάλλινο ύφασμα έχουμε μεταφορά

ηλεκτρονίων από το μάλλινο ύφασμα στο μπαλόνι. Έτσι, το μπαλόνι, που ήταν αρχικά ηλεκτρικά

ουδέτερο, το φορτίσαμε με τη διαδικασία ηλέκτρισης με τριβή, ώστε τελικά να δημιουργηθεί περίσσεια

ηλεκτρονίων σε αυτό. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων γίνεται μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων

και τελικά το μπαλόνι φορτίζεται αρνητικά.

Καθώς πλησιάζουμε το μπαλόνι στον τοίχο, ο οποίος είναι ηλεκτρικά ουδέτερος, τα ηλεκτρόνια στο

μπαλόνι που είναι σε περίσσεια απωθούν τα ηλεκτρόνια του τοίχου στο σημείο επαφής τους. Στο σημείο

εκείνο ο τοίχος ηλεκτρίζεται θετικά, καθώς τα ηλεκτρόνια οδηγούνται προς τα πίσω (απωθούνται).

Συνεπώς, αναπτύσσεται ελκτική ηλεκτρική δύναμη μεταξύ του αρνητικά φορτισμένου μπαλονιού και

του θετικά ηλεκτρισμένου σημείου του τοίχου και το μπαλόνι κολλάει στον τοίχο. Μετά από κάποιο

χρονικό διάστημα, ηλεκτρόνια που ήταν σε περίσσεια στο μπαλόνι μετακινούνται προς τον αέρα ή προς

άλλα σημεία του τοίχου, ο αριθμός των ηλεκτρονίων τελικά εξισορροπείται από τον αριθμό των

πρωτονίων και το μπαλόνι γίνεται πάλι ηλεκτρικά ουδέτερο, με αποτέλεσμα να αποκολληθεί από τον

τοίχο και να πέσει κάτω.

29

Η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δυο φορτισμένων σωμάτων είναι

αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης.

1.5 – Νόμος του Κουλόμπ

Ηλεκτρική δύναμη και απόσταση

Μεταξύ δυο φορτισμένων σωμάτων είδαμε ότι ασκείται ηλεκτρική δύναμη. Μάλιστα, αν το φορτίο

των δυο σωμάτων έχει το ίδιο πρόσημο η δύναμη είναι απωστική, ενώ αν έχουν φορτίο αντίθετου

προσήμου η δύναμη είναι ελκτική.

Το μέγεθος της ηλεκτρικής δύναμης εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των δύο σωμάτων. Είναι

λογικό πως όσο πιο μακριά είναι τα σώματα τόσο μικρότερη είναι η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί το ένα

στο άλλο. Τα μόρια ενός μονωτή πολώνονται λιγότερο όσο αυξάνεται η απόστασή του από ένα

ηλεκτρισμένο ή φορτισμένο σώμα, αλλά και στους αγωγούς η ηλεκτρική δύναμη εξασθενεί αυξάνοντας

την απόσταση των σωμάτων. Έχει διαπιστωθεί πως η ηλεκτρική δύναμη εξαρτάται από το τετράγωνο

της απόστασης μεταξύ δυο φορτισμένων σωμάτων. Η έκφραση αυτή αποτελεί ένα από τα

συμπεράσματα του νόμου του Κουλόμπ:

Αυτό σημαίνει ότι:

Όταν η απόσταση διπλασιάζεται (γίνεται 2 φορές μεγαλύτερη), τότε η ηλεκτρική δύναμη

υποτετραπλασιάζεται, δηλαδή γίνεται 22 = 4 φορές μικρότερη.

Όταν η απόσταση τριπλασιάζεται (γίνεται 3 φορές μεγαλύτερη), τότε η ηλεκτρική δύναμη γίνεται 32 = 9

φορές μικρότερη κ.ο.κ.

Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο

Ο νόμος του Κουλόμπ δεν περιορίζεται στην εξάρτηση της ηλεκτρικής δύναμης από την απόσταση,

αλλά μας δίνει και μια έκφραση του μέτρου της δύναμης αυτής σε σχέση με τα φορτία των δύο

σωμάτων που αλληλεπιδρούν ηλεκτρκά.

Στις προηγούμενες παραγράφους είδαμε ότι η ηλεκτρική δύναμη εξαρτάται από το ποσό του

φορτίου, κάτι που διαπιστώσαμε με το ηλεκτρικό εκκρεμές. Τρίβοντας για περισσότερο χρόνο μια

πλαστική ράβδο προσδίδουμε σε αυτήν περισσότερο φορτίο και επομένως είναι ικανή να ασκήσει

μεγαλύτερη δύναμη στο σωματίδιο του εκκρεμούς, εκτρέποντάς το με μεγαλύτερη γωνία.

30

Ο νόμος του Κουλόμπ μας δίνει την εξάρτηση της ηλεκτρικής δύναμης από τα φορτία των σωμάτων με

την παρακάτω μαθηματική διατύπωση:

q q1 2F =K 2r

όπου F : η ηλεκτρική δύναμη σε Ν

q1 : το ηλεκτρικό φορτίο του ενός σώματος σε C

q2 : το ηλεκτρικό φορτίο του δεύτερου σώματος σε C

r : η απόσταση μεταξύ των σωμάτων σε m

Κ : σταθερά αναλογίας ή ηλεκτροστατική σταθερά.

Νόμος του Κουλόμπ:

Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης F με την οποία αλληλεπιδρούν δύο σημειακά φορτία q1 και

q2 είναι ανάλογο του γινομένου των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της

μεταξύ τους απόστασης r.

Η τιμή της σταθεράς αναλογίας εξαρτάται από το υλικό μέσα στο οποίο βρίσκονται τα σώματα που

αλληλεπιδρούν και για το κενό είναι ίση με:

Κ = 9.109 2N m

2C

Για να ορίσουμε την ηλεκτρική δύναμη, ωστόσο, θα πρέπει να γνωρίζουμε εκτός από το μέτρο της,

τη διεύθυνση και τη φορά της. Θυμηθείτε ότι τα διανυσματικά μεγέθη ορίζονται πλήρως όταν

γνωρίζουμε το μέτρο, τη διεύθυνση και τη φορά τους. Στο παρακάτω σχήμα δίνονται τα διανύσματα

των ηλεκτρικών δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ δυο σωμάτων, όταν τα φορτία τους είναι όμοια και

όταν είναι αντίθετα.

Σε κάθε περίπτωση, οι δύο δυνάμεις ασκούνται στην ίδια διεύθυνση, δηλαδή στην ευθεία που

ενώνει τα κέντρα των δυο σωμάτων. Οι φορές τους είναι αντίθετες, ενώ τα μέτρα τους είναι ίσα. Αυτό

είναι συνέπεια του τρίτου νόμου του Νεύτωνα, σύμφωνα με τον οποία σε κάθε δράση ασκείται μια ίση

και αντίθετης φοράς δύναμη, που την ονομάζουμε αντίδραση.

r

F2 F1

Ελκτικές δυνάμεις μεταξύ δυο φορτίων.

F1 F2

r

Απωστικές δυνάμεις μεταξύ δυο φορτίων.

31

Απάντησε στις παρακάτω ερωτήσεις:

Δύο μεταλλικές σφαίρες έχουν φορτίο q1=+1μC και q2=-4μC.

Οι δυο σφαίρες έλκονται ή απωθούνται;

Τα ετερώνυμα φορτία έλκονται και τα ομώνυμα απωθούνται. Επομένως, οι δυο σφαίρες έλκονται

εφόσον έχουν αντίθετο φορτίο.

Αν ελαττώσουμε στο μισό τη μεταξύ τους απόσταση, πώς μεταβάλλεται η ηλεκτρική δύναμη;

Σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ, η ηλεκτρική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου

της απόστασης. Αν r1 είναι η αρχική απόσταση και r2 η τελική απόσταση, τότε ο λόγος της τελικής προς

την αρχική ηλεκτρική δύναμη είναι:

2 2 1 12 12

1 12

1

4 4

2

q q1 2K 2 2 2F r r r= F F2q qF rr1 2K 2r

Επομένως, η ηλεκτρική δύναμη τετραπλασιάζεται.

Αν διπλασιαστεί το φορτίο q1 της πρώτης σφαίρας πώς μεταβάλλεται η ηλεκτρική δύναμη;

Αν q1 είναι το αρχικό και q΄1 το τελικό φορτίο της πρώτης σφαίρας τότε ο λόγος της τελικής δύναμης

προς την αρχική είναι:

1 11 1

1

1

22 2

q q1 2K 2 q qF r 1 1= F Fq qF q q1 2 1 1K 2r

Επομένως, η ηλεκτρική δύναμη διπλασιάζεται.

32

Έλξη μεταξύ φορτισμένου και ουδέτερου σώματος

Με το νόμο του Κουλόμπ μπορούμε να εξηγήσουμε γιατί

τα ουδέτερα σώματα έλκονται από φορτισμένα σώματα που

έρχονται κοντά τους. Ας φαντασθούμε μια αρνητικά

φορτισμένη πλαστική ράβδο που πλησιάζει μια

μεταλλική σφαίρα. Η μεταλλική σφαίρα ηλεκτρίζεται

με επαγωγή και προκαλείται διαχωρισμός φορτίου

στο εσωτερικό της, με τα θετικά να συνωστίζονται

στην αριστερή πλευρά της κοντά στη ράβδο και τα

αρνητικά στη δεξιά πλευρά της.

Τα ηλεκτρόνια της ράβδου είναι πιο κοντά στα θετικά φορτία της σφαίρας παρά στα ηλεκτρόνια που

έχουν συγκεντρωθεί στη δεξιά πλευρά της. Επομένως, εξαιτίας της μικρότερης απόστασης, η ελκτική

δύναμη που ασκούν τα ηλεκτρόνια της ράβδου στα θετικά φορτία είναι μεγαλύτερη από την απωστική

δύναμη μεταξύ των ηλεκτρονίων της ράβδου και των ηλεκτρονίων της μεταλλικής σφαίρας. Συνεπώς η

σφαίρα έλκεται από τη ράβδο.

--

--

--

-

--

--

--

πλαστική ράβδος

μεταλλική σφαίρα

-

-

-

+

+

+

33

1.6 – Το ηλεκτρικό πεδίο

Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο

Όπως είδαμε, ένα ηλεκτρισμένο σώμα έχει την ιδιότητα να ασκεί ηλεκτρικές δυνάμεις πάνω σε άλλα

φορτισμένα σώματα. Ο χώρος αυτός γύρω από το ηλεκτρισμένο σώμα ασκεί δυνάμεις σε οποιοδήποτε

φορτισμένο σώμα εισέλθει σε αυτόν και ονομάζεται ηλεκτρικό πεδίο.

Περιγραφή του ηλεκτρικού πεδίου

Για να περιγράψουμε το πόσο ισχυρή είναι η δύναμη που ασκείται σε φορτία που εισχωρούν μέσα

σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ορίζουμε ένα χαρακτηριστικό μέγεθος του πεδίου, που ονομάζεται ένταση

ηλεκτρικού πεδίου.

Φέρουμε μέσα στο πεδίο φορτίο q1 και μετράμε την δύναμη F1 που ασκείται πάνω του.

Απομακρύνουμε το q1 και στη θέση του φέρουμε φορτίο q2 και μετρούμε τη νέα δύναμη F2.

Επαναλαμβάνουμε τη διαδικασία και με άλλα φορτία q1, q2, q3,... και μετρούμε κάθε φορά το λόγο της

μετρούμενης δύναμης προς το αντίστοιχο φορτίο. Παρατηρούμε ότι ο λόγος της δύναμης προς το

φορτίο είναι σταθερός, ανεξάρτητα από το φορτίο που εισάγουμε μέσα στο συγκεκριμένο σημείο του

πεδίου:

FFF 31 2= = =...= σταθ.q q q1 2 3

Το πηλίκο της δύναμης F που ασκείται πάνω σε φορτίο q προς το φορτίο αυτό που βρίσκεται σε

κάποιο σημείο του πεδίου ορίζεται ως η ένταση (Ε) του ηλεκτρικού πεδίου στο σημείο αυτό.

Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος γύρω από ένα φορτισμένο σώμα που έχει την

ιδιότητα να ασκεί ηλεκτρικές δυνάμεις στα φορτία που βρίσκονται σε αυτόν.

34

Φυσική και Βιολογία και Ιατρική

Γύρω από τους έμβιους οργανισμούς δημιουργούνται ηλεκτρικά πεδία που

οφείλονται στη λειτουργία των μυών τους.

Μπορείς να σκεφτείς γιατί κατά τη λειτουργία των μυών δημιουργούνται

γύρω τους ηλεκτρικά πεδία;

Στο ανθρώπινο σώμα υπάρχουν ενδογενώς, φυσικά ηλεκτρικά πεδία τα οποία μεταφέρουν

μηνύματα στο νευρικό σύστημα. Τα νεύρα του σώματός μας είναι το μέσο μεταφοράς θα λέγαμε των

ερεθισμάτων που δέχεται ο άνθρωπος προς τον εγκέφαλο. Οι μύες από την άλλη δέχονται εντολές από

τον εγκέφαλο που μεταφέρονται μέσα από τα νεύρα. Για αυτές τις πολύ σημαντικές βιολογικές

λειτουργίες του ανθρώπινου σώματος επιβάλλεται ένας τρόπος επικοινωνίας του εγκεφάλου, των

νεύρων και τελικά των μυών και ο τρόπος αυτός είναι ο ηλεκτρισμός και το ηλεκτρικό πεδίο γύρω από

τους μύες.

Η καρδιά είναι ένας από τους σημαντικότερους μύες του ανθρώπινου σώματος. Κατά τη

λειτουργία της δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. Αναζήτησε πληροφορίες για αυτό το

ηλεκτρικό πεδίο και να το συνδέσεις με το ηλεκτροκαρδιογράφημα.

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα είναι μια διαγνωστική πρακτική στις καρδιακές παθήσεις. Μετρούμε

ηλεκτρικά σήματα στην επιφάνεια του σώματος, που προκαλούνται από την ηλεκτρική δραστηριότητα

της καρδιάς και εξάγουμε συμπεράσματα για τη φυσική της κατάσταση. Το ηλεκτρικό πεδίο της καρδιάς

υποστηρίζεται ότι κυμαίνεται στην περιοχή των 500-5.000 μV. Κάθε καρδιακός παλμός εκπέμπει ένα

ηλεκτρικό σήμα 3 κύκλων το δευτερόλεπτο, το οποίο είναι ανιχνεύσιμο με τη μέθοδο του

ηλεκτροκαρδιογραφήματος. Από τα χαρακτηριστικά της καταγραφής αυτής μπορούμε να συμπεράνουμε

αν η καρδιά λειτουργεί φυσιολογικά ή αν υπάρχουν αρρυθμίες και άλλες καρδιολογικές παθήσεις.

35

Αναζήτησε και άλλες ιατρικές εξετάσεις που να στηρίζονται στη δημιουργία ηλεκτρικών

πεδίων από διάφορα ανθρώπινα όργανα.

Μια άλλη ιατρική εξέταση που βασίζεται στη δημιουργία ηλεκτρικών πεδίων των ανθρώπινων

οργάνων είναι το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (γνωστό ως EEG). Το νευρικό σύστημα του ανθρώπου

αποτελείται από πολλά δομικά μέρη, τους νευρώνες. Αυτοί μεταφέρουν τα ερεθίσματα από τα

αισθητήρια όργανά μας στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Μέσα στον εγκέφαλο, οι νευρώνες παράγουν τα

δικά τους ηλεκτρικά πεδία, που μετρούνται συνήθως σε μονάδες μικροβόλτ. Η εξέταση του

ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος είναι ικανή να εξετάσει και να καταγράψει τις μεταβολές των ηλεκτρικών

αυτών πεδίων σε διάφορα σημεία του κρανίου μας. Ένα φυσιολογικό ηλεκτροεγκεφαλογράφημα δεν

παρουσιάζει μεγάλες μεταβολές των καταγραφούμενων σημάτων, σε αντίθεση με καταγραφές μεγάλων

διαταραχών που είναι ικανές να μας δείξουν ανωμαλίες ή και όγκους στο εσωτερικό ενός εγκεφάλου.

Παρόμοια ιατρική εξέταση είναι και το ηλεκτρομυογράφημα (EMG), κατά την οποία εξετάζεται η

ηλεκτρική δραστηριότητα των νεύρων και των μυών. Κατά τη διάρκεια της εξέτασης διοχετεύεται ένα

ηλεκτρικό ερέθισμα στο νεύρο και καταγράφεται η ηλεκτρική απόκριση του νεύρου αυτού ή ενός μυ

που ελέγχεται από το νεύρο αυτό. Η εξέταση των μυών γίνεται τοποθετώντας μια βελόνα στο μυ που

επιθυμούμε και καταγράφοντας την ηλεκτρική του δραστηριότητα σε συνθήκες ηρεμίας ή και όταν ο

μυς βρίσκεται σε κίνηση.

36

Hλεκτρικές δυναμικές γραμμές

Οι δυναμικές γραμμές είναι νοητές γραμμές που τις χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τις

ιδιότητες ενός ηλεκτρικού πεδίου και να έχουμε μια εποπτική εικόνα του. Αν γνωρίζουμε τη μορφή των

δυναμικών γραμμών είμαστε σε θέση να καταλάβουμε πόσο ισχυρό είναι το πεδίο και επομένως πόσο

ισχυρή ή ασθενής είναι η ηλεκτρική δύναμη που αυτό ασκεί και να προσδιορίσουμε τη διεύθυνσή της.

Ας πάρουμε για παράδειγμα το πεδίο που δημιουργεί ένα σημειακό θετικό και αρνητικό φορτίο.

Σημειακό ονομάζουμε το φορτίο που θεωρούμε ότι συγκεντρώνεται σε ένα σημείο, όπως αυτό που

φαίνεται στα σχήματα της επόμενης σελίδας. Παρατηρείστε ότι στο σχήμα (α) οι δυναμικές γραμμές

εξέρχονται από το θετικό φορτίο, ενώ στο σχήμα (β) οι δυναμικές γραμμές εισέρχονται στο αρνητικό

φορτίο. Οι γραμμές αυτές μας δείχνουν πως η διεύθυνση της δύναμης που θα ασκηθεί σε ένα θετικό

φορτίο αν αυτό τοποθετηθεί σε κάποιο σημείο του χώρου γύρω από το σημειακό φορτίο θα είναι κατά

μήκος των δυναμικών γραμμών, ενώ η ένταση της δύναμης γίνεται μεγαλύτερη κοντά στο φορτίο όπου

η πυκνότητα των γραμμών είναι μεγαλύτερη.

Οι δυναμικές γραμμές έχουν τις παρακάτω ιδιότητες:

Οι δυναμικές γραμμές είναι ανοικτές με αρχή τα θετικά και τέλος τα αρνητικά φορτία.

Οι δυναμικές γραμμές δεν τέμνονται.

Η πυκνότητά τους σε ένα σημείο αποτελεί μέτρο της έντασης του πεδίου στο σημείο

αυτό και επομένως και της ασκούμενης ηλεκτρική δύναμης.

Οι δυναμικές γραμμές ενός ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από: (α) θετικό σημειακό φορτίο και (β) αρνητικό σημειακό φορτίο

(α)

+ -

(β)

37

Πρέπει να αναφέρουμε, ωστόσο, ότι οι δυναμικές γραμμές δεν αποτελούν φυσικό μέγεθος. Είναι

νοητές γραμμές και δεν είναι δυνατό να μετρηθούν. Σχεδιάζοντας περισσότερες δυναμικές γραμμές

μπορούμε να προσεγγίσουμε πιο παραστατικά το πεδίο και να γνωρίζουμε τα χαρακτηριστικά του

διανύσματος της έντασης με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στα διάφορα σημεία του χώρου.

Μια χαρακτηριστική μορφή πεδίου είναι αυτή που δημιουργείται

μεταξύ δυο αντίθετα φορτισμένων παράλληλων μεταλλικών

πλακών, δηλαδή ενός επίπεδου πυκνωτή. Οι δυναμικές γραμμές σε

ένα τέτοιο πεδίο είναι ευθείες γραμμές, παράλληλες και

ισαπέχουσες. Η ένταση σε ένα τέτοιο πεδίο είναι σταθερή παντού

ανάμεσα στις μεταλλικές πλάκες και το πεδίο που δημιουργείται

ονομάζεται ομογενές.

Το ομογενές πεδίο ασκεί σε ένα φορτίο την ίδια δύναμη σε

οποιοδήποτε σημείο.

Hλεκτρική θωράκιση

Οι κυλινδρικοί και οι σφαιρικοί αγωγοί έχουν την ικανότητα να κρατούν τον εσωτερικό τους χώρο

άθικτο από επιρροές εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων που παρεμβάλλονται στο χώρο τους. Η ιδιότητα

αυτή είναι γνωστή ως ηλεκτρική θωράκιση.

Ένα γνωστό παράδειγμα ηλεκτρικής θωράκισης έχουμε στα εσωτερικά των αυτοκινήτων. Το

περίβλημα των αυτοκινήτων είναι μεταλλικό. Συνεπώς, σε περίπτωση που ένας κεραυνός χτυπήσει το

αυτοκίνητο, το ηλεκτρικό πεδίο του κεραυνού δεν θα εισχωρήσει στο εσωτερικό του αυτοκινήτου,

προστατεύοντας έτσι τους επιβάτες του.

-q +q

Ε

Ομογενές ηλεκτρικό πεδίο ενός επίπεδου πυκνωτή

38

Φυσική και καθημερινή ζωή και Τεχνολογία

Το αμάξωμα ενός αυτοκινήτου είναι μεταλλικό. Επομένως θωρακίζει το

εσωτερικό του από τα εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία. Έτσι, όταν ένας κεραυνός

πλήττει το αυτοκίνητο, ενώ στον εξωτερικό χώρο υπάρχει ένα ισχυρότατο ηλεκτρικό πεδίο, στο

εσωτερικό δεν υπάρχει πεδίο, οπότε οι επιβάτες δεν κινδυνεύουν.

Σκέψου και σχεδίασε την αντιστοιχία του αυτοκινήτου με την

εικόνα 1.41. Εξήγησε αυτό που συμβαίνει. Μπορείς να

αναφέρεις άλλες εφαρμογές της ηλεκτρικής θωράκισης;

Ο κυλινδρικός αγωγός του διπλανού σχήματος είναι ηλεκτρικά

θωρακισμένος έναντι στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί η φορτισμένη

πλάκα. Με παρόμοιο τρόπο το αυτοκίνητο λειτουργεί σαν ένας μεταλλικός

κύλινδρος, το εσωτερικό του οποίου δεν διαπερνούν δυναμικές γραμμές

από εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία, όπως αυτά από κεραυνούς.

Το γεγονός αυτό το εκμεταλλευόμαστε σε διάφορες εφαρμογές, όπως στην κατασκευή καλωδίων.

Όταν επιθυμούμε τα καλώδια να μην επηρεάζονται από εξωτερικά πεδία, τα επενδύουμε εσωτερικά με

κατάλληλο υλικό, ώστε να θωρακιστούν ηλεκτρικά. Με αυτό τον τρόπο τα σήματα που περνούν μέσα

από τα καλώδια αυτά καταλήγουν στον προορισμό τους ανεπηρέαστα, χωρίς να αλλοιώνεται η

πληροφορία τους από παρεμβολές εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων.

Hλεκτρικό πεδίο και ενέργεια

Η φόρτιση ενός αγωγού απαιτεί καταβολή έργου γιατί πρέπει να υπερνικηθούν οι απωστικές

δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των φορτίων. Για παράδειγμα, αν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με

μεταξωτό ύφασμα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τη ράβδο στο ύφασμα και αυτή φορτίζεται θετικά,

ενώ το ύφασμα φορτίζεται αρνητικά. Για να μπορέσουν ωστόσο τα ηλεκτρόνια να εγκαταλείψουν τη

ράβδο θα πρέπει να υπερνικήσουν τις ελκτικές δυνάμεις των πυρήνων τους. Αυτή η ενέργεια

προσφέρεται μέσω της δύναμης της τριβής και αποθηκεύεται ως ηλεκτρική δυναμική ενέργεια στο

φορτισμένο σώμα.

39

Σε κάθε φορτισμένο σώμα που βρίσκεται μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο ασκείται ηλεκτρική δύναμη,

επομένως έχει δυναμική ενέργεια που την ονομάζουμε ηλεκτρική δυναμική ενέργεια.

Καθώς τα χέρια της κοπέλας ακουμπούν στη μηχανή παραγωγής ηλεκτρικών φορτίων, όμοια φορτία

διαχέονται σε όλο το σώμα της, το οποίο είναι ηλεκτρικός αγωγός. Τα ανασηκωμένα μαλλιά της

μοιάζουν με την απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από μια φορτισμένη σφαίρα.

40

Ερωτήσεις βιβλίου Χρησιμοποίησε και εφάρμοσε τις

έννοιες που έμαθες:

Ηλεκτρική δύναμη και ηλεκτρικό φορτίο

1. Να χρησιμοποιήσεις προτάσεις χρησιμοποιώντας τις έννοιες: ηλεκτρισμένο σώμα, ηλεκτρική

δύναμη, ηλεκτρικό εκκρεμές, ηλεκτρικό φορτίο.

Όταν με ένα ηλεκτρισμένο σώμα αγγίξουμε ένα μη ηλεκτρισμένο σώμα, το δεύτερο σώμα

ηλεκτρίζεται.

Το ηλεκτροσκόπιο είναι μια απλή συσκευή για να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι

ηλεκτρισμένο.

Μεταξύ δύο ηλεκτρικά φορτισμένων σωμάτων ασκείται ηλεκτρική δύναμη.

Ένα ηλεκτρισμένο σώμα μπορεί να ασκεί ηλεκτρική δύναμη σε ένα άλλο από απόσταση.

Η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί ένα φορτισμένο σώμα είναι ανάλογη του ηλεκτρικού

φορτίου.

Για να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο χρησιμοποιούμε το ηλεκτρικό

εκκρεμές.

Ένα απλό ηλεκτρικό εκκρεμές αποτελείται από ένα ελαφρύ αντικείμενο, συνήθως σε σφαιρική

μορφή από φελλό ή φελιζόλ και είναι κρεμασμένο από μεταξωτή κλωστή.

Το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται στη φύση σε δυο είδη: το αρνητικό και το θετικό φορτίο.

41

2. Να περιγράψεις δυο φαινόμενα που προκαλούνται από ηλεκτρισμένα σώματα.

Τα ηλεκτρισμένα σώματα έχουν την ιδιότητα να ασκούν ηλεκτρικές δυνάμες σε άλλα ηλεκτρισμένα

σώματα. Όταν περπατάμε σε μάλλινο χαλί και τρίβουμε τα παπούτσια μας στο χαλί, μπορεί να μας

χτυπήσει ένας ενοχλητικός σπινθήρας καθώς ακουμπάμε μεταλλικά αντικείμενα όπως το πόμολο μιας

πόρτας. Επίσης, όταν βγάζουμε το πουλόβερ μας, αυτό τρίβεται με το πουκάμισό μας, ηλεκτρίζεται και

ακούμε μικρούς σπινθηρισμούς. Το πουλόβερ τρίβεται με τις τρίχες των μαλλιών μας. Με αυτό τον

τρόπο ηλεκτρόνια από τις τρίχες μετακινούνται προς την μπλούζα, αυτή αποκτά πλεόνασμα αρνητικού

φορτίου και έτσι έλκει τις τρίχες του κεφαλιύ μας οι οποίες έχουν πλεόνασμα θετικού φορτίου. Κάτι

παρόμοιο συμβαίνει όταν βλέπουμε μια χτένα να έλκει τα μαλλιά μας όταν χτενιζόμαστε.

Ένα άλλο γνωστό φαινόμενο που προκαλείται

από ηλεκτρισμένα σώματα είναι οι κεραυνοί. Θετικά

και αρνητικά φορτία συσσωρεύονται σε ξεχωριστές

περιοχές του σύννεφου. Όταν τα αντίθετα φορτία

πλησιάσουν πολύ κοντά μεταξύ τους, δημιουργείται

ηλεκτρική εκκένωση (ηλεκτρικός σπινθήρας) που

τον ονομάζουμε κεραυνό. Οι κεραυνοί ξεσπούν:

είτε μέσα στο ίδιο σύννεφο

είτε όταν δύο σύννεφα με αντίθετα φορτία

έρθουν πολύ κοντά

είτε όταν ένα φορτισμένο σύννεφο πλησιάσει

κοντά στο έδαφος και το ηλεκτρίσει με

επαγωγή με αντίθετα φορτία.

42

3. Να συμπλήρωσεις τις λέξεις που λείπουν από το παρακάτω κείμενο έτσι ώστε οι προτάσεις

που προκύπτουν να είναι επιστημονικά ορθές:

α. Μεταξύ δυο φορτισμένων σωμάτων ασκείται είτε ..................... δύναμη είτε ................... δύναμη. ∆ύο

φορτισμένα σώματα αλληλεπιδρούν χωρίς να βρίσκονται απαραίτητα σε ..................... μεταξύ τους. Η

ηλεκτρική δύναμη δρα από ......................... .

β. Στη φύση εμφανίζονται δύο είδη φορτισμένων σωμάτων, τα ....................... και τα ………………..

φορτισμένα. ∆ύο …………………… φορτισμένα σώματα απωθούνται, ενώ δύο .......................... φορτισμένα

σώματα έλκονται.

Οι λέξεις που λείπουν από το παραπάνω κείμενο, ώστε οι προτάσεις που προκύπτουν να είναι

επιστημονικά ορθές είναι:

α. ελκτική, απωστική, επαφή, απόσταση.

β. αρνητικά, θετικά, όμοια, αντίθετα.

43

4. Στις παρακάτω ερωτήσεις να κυκλώσεις το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση:

Α. Τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα γιατί αποτελούνται από ίσους αριθμούς πρωτονίων και

ηλεκτρονίων που

α. δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο γ. έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία

β. έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο δ. είναι λιγότερα από τα νετρόνια

Β. Η φόρτιση με τριβή επιτυχάνεται με μεταφορά

α. μόνο πρωτονίων γ. και πρωτονίων και ηλεκτρονίων

β. μόνο ηλεκτρονίων δ. μόνο νετρονίων

Γ. Τρίβουμε ισχυρά μια ράβδο από εβονίτη με ένα μεταξωτό ή μάλλινο ύφασμα. Το φορτίο που

θα αποκτήσει η ράβδος είναι:

α. μερικά Κουλόμπ (C) γ. μερικά εκατομμυριοστά του Κουλόμπ (C)

β. μερικά χιλιοστά του Κουλόμπ (C) δ. μερικά δισεκατομμυριοστά του Κουλόμπ (C)

Οι σωστές απαντήσεις στις παραπάνω ερωτήσεις είναι οι εξής:

Α. γ. έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία

Β. β. μόνο ηλεκτρονίων

Γ. δ. μερικά δισεκατομμυριοστά του Κουλόμπ (C), δηλαδή μερικά νανοκουλόμπ (nC)

Τρόποι ηλέκτρισης και η μικροσκοπική ερμηνεία τους

5. Να περιγράψεις δύο ηλεκτρικά φαινόμενα και να τα συνδέσεις με τους τρόπους ηλέκτρισης.

Αν πλησιάσουμε μια χτένα στα μαλλιά μας δεν παρατηρούμε καμιά ενέργεια. Αν χτενίσουμε για

λίγο τα μαλλιά μας θα παρατηρήσουμε ότι αυτά κολλάνε πάνω στη χτένα όταν την πλησιάζουμε στο

κεφάλι μας. Αυτό συμβαίνει γιατί η χτένα ηλεκτρίζεται με τη διαδικασία ηλέκτρισης με τριβή και ασκεί

ελκτική δύναμη στις τρίχες των μαλλιών μας.

Αν φορτίσουμε ένα πλαστικό καλαμάκι τρίβοντάς το με μάλλινο ύφασμα και το πλησιάσουμε σε

μικρά κομμάτια χαρτιού, τότε θα παρατηρήσουμε ότι το καλαμάκι έλκει τα χαρτάκια. Αυτό συμβαίνει

γιατί εμφανίζονται αντίθετα φορτία με επαγωγή στο χαρτί. Δηλαδή, τα φορτία στα χαρτάκια

διαχωρίζονται και ασκείται ελκτική δύναμη λόγω ηλέκτρισης με επαγωγή.

44

6. Ποια όργανα ονομάζονται ηλεκτροσκόπια; Να περιγράψεις τα κύρια μέρη από τα οποία

αποτελείται ένα ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα.

Ηλεκτροσκόπια ονομάζονται τα όργανα ανίχνευσης ηλεκτρικού φορτίου. Ένα απλό ηλεκτροσκόπιο

αποτελείται από:

Ένα μεταλλικό δίσκο ή μια μεταλλική σφαίρα (ακροδέκτης).

Ένα μεταλλικό περίβλημα, το οποίο στις δυο πλευρές περιλαμβάνει δυο

γυάλινους δίσκους που κλείνουν αεροστεγώς το εσωτερικό του ηλεκτροσκοπίου.

Ένα μεταλλικό στέλεχος (έλασμα).

Ένα ή δύο κινητά ελαφρά μεταλλικά φύλλα, συνήθως από αλουμίνιο (αγώγιμο

υλικό).

Όταν δεν πλησιάζουμε κάποιο φορτισμένο σώμα στο μεταλλικό δίσκο και το ηλεκτροσκόπιο είναι

αφόρτιστο, τα μεταλλικά ελάσματα είναι ενωμένα. Αν με ένα ηλεκτρισμένο σώμα φορτίσουμε το

ηλεκτροσκόπιο οδηγώντας το προς τον μεταλλικό δίσκο, τότε τα ελάσματα αποκλίνουν και

απομακρύνονται μεταξύ τους, λόγω των απωστικών ηλεκτρικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ

τους. Έτσι, μπορούμε οπτικά να διακρίνουμε αν ένα σώμα είναι φορτισμένο ή όχι. Μάλιστα, από την

γωνία εκτροπής των ελασμάτων μπορούμε να συμπεράνουμε το ποσό του ηλεκτρικού φορτίου του

σώματος.

45

7. Να συμπλήρωσεις τις λέξεις που λείπουν από το παρακάτω κείμενο έτσι ώστε οι προτάσεις

που προκύπτουν να είναι επιστημονικά ορθές:

α. Όταν τρίβουμε δύο ..................... ουδέτερα σώματα μετακινούνται ........................... από το ένα στο

άλλο και τα σώματα φορτίζονται .................................. . Όταν αγγίξουμε με ένα ..............................

σώμα ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα, τότε αυτό φορτίζεται με ............................... είδος φορτίου.

β. Όταν ένα υλικό φορτίζεται με επαφή σε όλη του την έκταση το ονομάζουμε ............................ , ενώ

όταν φορτίζεται μόνο τοπικά το ονομάζουμε ................................. . Το πλαστικό και το γυαλί είναι

................................... , ενώ τα μέταλλα είναι .................................... . Οι .................................. επιτρέπουν

την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων στο εσωτερικό τους, ενώ οι .............................. όχι.

Οι λέξεις που λείπουν από το παραπάνω κείμενο, ώστε οι προτάσεις που προκύπτουν να είναι

επιστημονικά ορθές είναι:

α. ηλεκτρικά, ηλεκτρόνια, αντίθετα, φορτισμένο, ίδιο.

β. αγωγό, μονωτή, μονωτές, αγωγοί, αγωγοί, μονωτές.

46

8. Στις παρακάτω ερωτήσεις να κυκλώσεις το γράμμα που αντιστοιχεί στην σωστή απάντηση:

Α. Τρίβουμε μια γυάλινη ράβδο με μεταξωτό ύφασμα. Η ράβδος φορτίζεται θετικά διότι:

α. πήρε φορτισμένα σωματίδια από την ατμόσφαιρα

β. μεταφέρθηκαν πρωτόνια από το ύφασμα στη ράβδο

γ. μεταφέρθηκαν ηλεκτρόνια από τη ράβδο στο ύφασμα

δ. τα ηλεκτρόνια της ράβδου μετατράπηκαν λόγω της τριβής σε πρωτόνια

Β. ∆ύο μονωμένες μεταλλικές σφαίρες έχουν φορτία 2μC και 3μC αντίστοιχα. Τις φέρνουμε

σε επαφή και τις απομακρύνουμε, προσέχοντας να παραμένουν ηλεκτρικά απομονωμένες

από το περιβάλλον τους. Με βάση την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου μετά την

επαφή τους οι σφαίρες έχουν φορτία αντίστοιχα:

α. 2μC και 2μC, β. 1μC και 4μC, γ. 5μC και 1μC, δ. 3μC και 3μC.

Οι σωστές απαντήσεις στις παραπάνω ερωτήσεις είναι οι εξής:

Α. γ. μεταφέρθηκαν ηλεκτρόνια από τη ράβδο στο ύφασμα.

Κατά την ηλέκτριση με τριβή μετακινούνται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από ένα σώμα σε ένα άλλο,

προκαλώντας έτσι πλεόνασμα ηλεκτρονίων (δηλαδή αρνητικού φορτίου) στο ένα και έλλειμα

ηλεκτρονίων (δηλαδή περίσσεια θετικού φορτίου) στο άλλο σώμα.

Β. β. 1μC και 4μC

Ας θεωρήσουμε ότι q1 είναι το αρχικό και q΄1 το τελικό φορτίο της μιας σφαίρας και q2 και q΄2 το

αρχικό φορτίο και το τελικό της άλλης σφαίρας αντίστοιχα. Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του

φορτίου το άθροισμα του ολικού αρχικού φορτίου πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα του ολικού

τελικού φορτίου, δηλαδή q1 + q2 = q΄1 + q΄2. Επομένως η μόνη πιθανή απάντηση είναι η β, αφού:

2μC + 3μC = 1μC + 4μC = 5μC

47

9. Τι εννοούμε με τη φράση: «Το συνολικό φορτίο διατηρείται σταθερό»; Να χρησιμοποιήσεις

σχετικά παραδείγματα.

Κατά τη διαδικασία της φόρτισης ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα άτομα του ενός σώματος και

μεταφέρονται στα άτομα του άλλου σώματος. Αυτή είναι μια πολύ βασική αρχή στη μελέτη του

ηλεκτρικού φορτίου και ονομάζεται αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Δηλαδή, όσα

φορτισμένα σωματίδια μεταφέρονται από το ένα σώμα τόσα εισχωρούν στο άλλο, έτσι ώστε το

αλγεβρικό άθροισμα του αρνητικού και του θετικού φορτίου να παραμένει σταθερό.

Αν τρίψουμε, για παράδειγμα, ένα μπαλόνι με μάλλινο ύφασμα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο

μπαλόνι και το φορτίζουν αρνητικά, ενώ το ύφασμα φορτίζεται θετικά. Αν προσθέσουμε το αρνητικό

φορτίο του μπαλονιού και το θετικό φορτίο του υφάσματος τότε αυτό προκύπτει ίσο με μηδέν, όσο

ήταν δηλαδή το συνολικό αρχικό φορτίο, όταν τα δυο σώματα ήταν αφόρτιστα. Έτσι, το συνολικό

φορτίο διατηρείται σταθερό.

10. Τι εννοούμε με την φράση: «Το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε κβάντα»; Να

χρησιμοποιήσεις σχετικά παραδείγματα.

Η φράση αυτή είναι συνυφασμένη με τη δεύτερη ιδιότητα του ηλεκτρικού φορτίου, δηλαδή ότι είναι

κβαντισμένο. Η ιδιότητα αυτή μας λέει ότι όλες οι ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου που συναντώνται

στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια μιας στοιχειώδους ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου. Αυτή η

ποσότητα είναι το φορτίο που έχει το ηλεκτρόνιο των ατόμων. Μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρικό

φορτίο εμφανίζεται σε πακέτα στοιχειώδους τιμής, τα κβάντα, για αυτό και λέμε ότι είναι κβαντισμένο.

48

Ο νόμος του Κουλόμπ και το ηλεκτρικό πεδίο

11. Να συμπλήρωσεις τις λέξεις που λείπουν από το παρακάτω κείμενο έτσι ώστε οι προτάσεις

που προκύπτουν να είναι επιστημονικά ορθές:

α. Σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ το μέτρο της ..................... δύναμης που προκύπτει από την

αλληλεπίδραση δύο σημειακών φορτίων είναι ........................... του γινομένου των φορτίων και

αντιστρόφως ανάλογο του .............................. της μεταξύ τους απόστασης. Τα διανύσματα που

παριστάνουν τις δυνάμεις βρίσκονται στην.............................. που τα συνδέει.

β. Όταν σε ένα χώρο ασκούνται ............................ , λέμε ότι στο χώρο υπάρχει ένα .................................

δυνάμεων. Γύρω από ένα σώμα που έχει ηλεκτρκό φορτίο υπάρχει............................ πεδίο.

γ. Όταν σε ένα πεδίο οι δυναμικές γραμμές είναι ευθείες παράλληλες και ισαπέχουσες το πεδίο έχει

......................... ένταση και λέμε ότι είναι ............................ . Στο εσωτερικό των αγωγών δεν υπάρχει

......................... πεδίο. Λέμε ότι οι αγωγοί .......................... τον εσωτερικό τους χώρο από τα

ηλεκτρικά πεδία που υπάρχουν στον εξωτερικό χώρο.

Οι λέξεις που λείπουν από το παραπάνω κείμενο, ώστε οι προτάσεις που προκύπτουν να είναι

επιστημονικά ορθές είναι:

α. ηλεκτρικής, ανάλογο, τετραγώνου, ευθεία.

β. δυνάμεις, πεδίο, ηλεκτρικό.

γ. σταθερή, ομογενές, ηλεκτρικό, θωρακίζουν.

49

12. ∆ύο θετικά φορτισμένες σφαίρες τοποθετούνται σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους. Να

χαρακτηρίσεις με Σ τις προτάσεις το περιεχόμενο των οποίων είναι επιστημονικά ορθό και

με Λ αυτές που το περιεχόμενό τους είναι επιστημονικά λανθασμένο.

α. Οι ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των σφαιρών είναι απωστικές.

β. Το μέτρο της δύναμης που ασκεί η πρώτη σφαίρα στη δεύτερη είναι ίσο με το μέτρο της

δύναμης που ασκεί η δεύτερη στην πρώτη.

γ. Όταν αυξήσουμε την απόσταση μεταξύ των σφαιρών, οι δυνάμεις αυξάνονται.

δ. Όταν μειώσουμε την απόσταση μεταξύ των σφαιρών στο μισό, οι δυνάμεις

τετραπλασιάζονται.

ε. Όταν διπλασιάσουμε τις αποστάσεις των σφαιρών, οι δυνάμεις παραμένουν σταθερές.

στ. Όταν διπλασιάσουμε το φορτίο της μιας σφαίρας, οι δυνάμεις διπλασιάζονται.

ζ. Όταν διπλασιάσουμε το φορτίο και των δυο σφαιρών, οι δυνάμεις τετραπλασιάζονται.

α. Η πρώτη απάντηση χαρακτηρίζεται με Σ.

Εξήγηση:

Όπως γνωρίζουμε μεταξύ ίδιων φορτίων ασκούνται απωστικές δυνάμεις, ενώ μεταξύ αντίθετων

φορτίων ασκούνται ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις.

β. Η δεύτερη απάντηση χαρακτηρίζεται με Σ.

Εξήγηση:

Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα σε κάθε δράση (η δύναμη που ασκεί η πρώτη σφαίρα στη

δεύτερη) ασκείται και μια αντίδραση (η δύναμη που ασκεί η δεύτερη σφαίρα στην πρώτη). Οι δυο

αυτές δυνάμεις είναι ίσες κατά μέτρο και αντίθετες κατά φορά.

γ. Η τρίτη απάντηση χαρακτηρίζεται με Λ.

Εξήγηση:

Σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ, η δύναμη μεταξύ δυο φορτισμένων σωμάτων είναι αντιστρόφως

ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόσταση:

q q1 2F =K 2r

Επομένως, όταν αυξάνεται η απόσταση των σφαιρών, οι δυνάμεις ελαττώνονται.

50

δ. Η τέταρτη απάντηση χαρακτηρίζεται με Σ.

Εξήγηση:

Αν r είναι η τελική απόσταση και r η αρχική, τότε ο λόγος της τελικής δύναμης F προς την αρχική F

είναι ίσος με:

22

21

1 11

2

4 4

2

q q1 2KF r rr= F Fq q rF r1 2K

r

Επομένως, όταν μειώνεται η απόσταση στο μισό, οι δυνάμεις τετραπλασιάζονται.

ε. Η πέμπτη απάντηση χαρακτηρίζεται με Λ.

Εξήγηση:

Αν διπλασιασθούν οι αποστάσεις οι δυνάμεις γίνονται:

2 22

1 11

12

1

2 4 4

q q1 2KF Fr rr= Fq qF r r1 2K

r

Επομένως, όταν οι δυνάμεις υποτετραπλασιάζονται.

στ. Η έκτη απάντηση χαρακτηρίζεται με Σ.

Εξήγηση:

Ας θεωρήσουμε ότι διπλασιάζουμε το φορτίο q1 της πρώτης σφαίρας. Οι δυνάμεις τότε γίνονται:

21

1 11

2

q q1 2K q 2qF r 1 1= 2 F 2Fq qF q q1 2 1 1K

r

Επομένως, όταν οι δυνάμεις διπλασιάζονται.

ζ. Η έβδομη απάντηση χαρακτηρίζεται με Σ.

Εξήγηση:

51

Αν διπλασιάσουμε τα φορτία και των δυο σφαιρών ο λόγος της τελικής προς την αρχική δύναμη γίνεται:

21

1 11

2

q q1 2K q q 2q 2qF 1 1r 2 2= 4 F 4Fq qF q q q q1 2 1 12 2K

r

Επομένως, όταν οι δυνάμεις τετραπλασιάζονται.

13. Πλησίασε μια φορτισμένη ράβδο σε μικρά σφαιρίδια από φελιζόλ που είναι αφόρτιστα. Τα

σφαιρίδια έλκονται από τη ράβδο. Προσπάθησε να ερνημεύσεις το φαινόμενο αυτό

συνδυάζοντας: α) τις ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου, β) το μηχανισμό ηλέκτρισης με

επαγωγή, γ) το νόμο του Κουλόμπ.

Όταν ένα σώμα είναι φορτισμένο, τότε υπάρχει σε αυτό περίσσεια ηλεκτρονίων αν είναι φορτισμένο

αρνητικά και έλλειμα ηλεκτρονίων αν είναι φορτισμένο θετικά.

Αν πλησιάσουμε μια θετικά φορτισμένη ράβδο στα σφαιρίδια, αυτά ηλεκτρίζονται με επαγωγή. Η

περιοχή του σφαιριδίου κοντά στη ράβδο φορτίζεται αρνητικά και έλκεται από αυτήν, ενώ η περιοχή

μακριά από τη ράβδο φορτίζεται θετικά και απωθείται. Επειδή η ράβδος βρίσκεται πιο κοντά στην

αρνητικά φορτισμένη περιοχή παρά στη θετικά φορτισμένη, η ελκτική δύναμη είναι μεγαλύτερη από

την απωστική με βάση το νόμο του Κουλόμπ.

Αν πλησιάσουμε μια αρνητικά φορτισμένη ράβδο στα σφαιρίδια, αυτά ηλεκτρίζονται με επαγωγή. Η

περιοχή του σφαιριδίου κοντά στη ράβδο φορτίζεται θετικά και έλκεται από αυτήν, ενώ η περιοχή

μακριά από τη ράβδο φορτίζεται αρνητικά και απωθείται. Επειδή η ράβδος βρίσκεται πιο κοντά στην

θετικά φορτισμένη περιοχή παρά στην αρνητικά φορτισμένη, η ελκτική δύναμη είναι μεγαλύτερη από

την απωστική με βάση το νόμο του Κουλόμπ.

52

14. Με ποιους τρόπους μπορούμε να περιγράψουμε το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης δύο

φορτισμένων σωμάτων;

Η άσκηση της ηλεκτρικής δύναμης μπορεί να περιγραφεί με την εισαγωγή της έννοιας του

ηλεκτρικού πεδίου:

Γύρω από κάθε φορτισμένο σώμα δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα φορτισμένα σώματα

αλληλεπιδρούν μέσω των ηλεκτρικών πεδίων που δημιουργούν.

15. Ποιες πληροφορίες μπορείς να πάρεις για ένα ηλεκτρικό πεδίο αν γνωρίζεις τη μορφή των

δυναμικών του γραμμών; Με ποιον τρόπο μπορείς να αντλήσεις αυτές τις πληροφορίες;

Με τη βοήθεια των δυναμικών γραμμών μπορούμε να καταλάβουμε τη διεύθυνση της ηλεκτρικής

δύναμης και το μέτρο της σε διάφορα σημεία του πεδίου. Η διεύθυνση της δύναμης που θα ασκηθεί σε

ένα άλλο θετικό φορτίο, αν αυτό τοποθετηθεί σε κάποιο σημείο του χώρου γύρω από το σημειακό

φορτίο, θα είναι κατά μήκος των δυναμικών γραμμών. Μπορούμε να εκτιμήσουμε πόσο ισχυρή ή

ασθενής είναι η ηλεκτρική δύναμη, παρατηρώντας πόσο πυκνές ή αραιές είναι οι δυναμικές γραμμμές.

53

Ηλεκτρική δύναμη και ηλεκτρικό φορτίο

1. Πώς μπορείς να κατασκευάσεις ένα ηλεκτρικό εκκρεμές; Σε τι θα σου χρησιμεύσει;

Ένα απλό ηλεκτρικό εκκρεμές μπορεί να κατασκευαστεί από

ένα ελαφρύ αντικείμενο, συνήθως σε σφαιρική μορφή από

φελλό ή φελιζόλ, το οποίο στέκεται κρεμασμένο από μεταξωτή

κλωστή, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Με το ηλεκτρικό εκκρεμές μπορούμε να διαπιστώσουμε αν

ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο ή φορτισμένο. Οδηγώντας το

σώμα κοντά στο αντικείμενο που είναι κρεμασμένο στο

ηλεκτρικό εκκρεμές παρατηρούμε την αντίδρασή του. Αν αυτό

έλκεται ή απωθείται από το σώμα που πλησιάζουμε, τότε το

σώμα είναι ηλεκτρισμένο ή φορτισμένο.

Εφάρμοσε τις γνώσεις σου και γράψε

τεκμηριωμένες απαντήσεις για τις

παρακάτω ερωτήσεις

54

2. Πώς μπορείς να διαπιστώσεις αν η ηλεκτρική δύναμη είναι ίδια ή διαφορετική από τη

μαγνητική; Ποιο είναι το αποτέλεσμα της έρευνας;

Για να διαπιστώσουμε αν η ηλεκτρική δύναμη είναι

διαφορετική από τη μαγνητική χρησιμοποιούμε ένα

μαγνήτη και ένα ηλεκτρικό εκκρεμές. Πλησιάζουμε το

μαγνήτη κοντά στο κρεμασμένο σφαιρίδιο του

εκκρεμούς. Βλέπουμε ότι το σφαιρίδιο δεν εκτρέπεται

από τη θέση του, που σημαίνει ότι ο μαγνήτης δεν

μπορεί να ασκήσει δύναμη σε αυτό. Συμπεραίνουμε

επομένως, ότι η ηλεκτρική δύναμη ασκείται σε

διαφορετικά σώματα από ότι η μαγνητική.

3. Πόσα είδη ηλεκτρικών φορτίων υπάρχουν στη φύση; Με ποια επιχειρήματα θα μπορούσες να

πείσεις κάποιον για την ορθότητα της απάντησής σου;

Στη φύση υπάρχουν δύο είδη φορτίων: τα αρνητικά και τα θετικά φορτία. Αν τρίψουμε ένα

πλαστικό στιλό σε μια μάλλινη μπλούζα θα παρατηρήσουμε ότι μπορεί να έλκει μικρά χαρτάκια. Αν

τρίψουμε, ωστόσο, δυο μπαλόνια στη μάλλινη μπλούζα και τα φέρουμε σε επαφή θα δούμε ότι αυτά

απωθούνται. Το γεγονός αυτό, ότι δηλαδή τα φορτισμένα σώματα άλλοτε έλκονται και άλλοτε

απωθούνται, μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη φορτίου.

4. Σε μια εφημερίδα διαβάζεις ότι ένας επιστήμονας ανακάλυψε ένα υλικό το οποίο μετά από

τριβή έλκει και τις δύο διαφορετικές ράβδους της εικόνας 1.5. Πώς θα σχολίαζες αυτή την

ανακοίνωση;

Οι δύο ράβδοι της εικόνας είναι διαφορετικά φορτισμένες (η

μία θετικά και η άλλη αρνητικά), καθώς έλκονται μεταξύ τους. Το

υλικό που υποτίθεται ότι ανακάλυψε ο επιστήμονας, μετά από

τριβή θα αποκτήσει είτε θετικό είτε αρνητικό φορτίο. Επομένως

δεν είναι δυνατό να έλκει και τις δύο ράβδους.

55

5. Πού βασίζεται η μέτρηση του ηλεκτρικού φορτίου που έχει ένα φορτισμένο σώμα;

Η μέτρηση του ηλεκτρικού φορτίου που έχει ένα φορτισμένο σώμα βασίζεται στη μέτρηση της

ηλεκτρικής δύναμης που ασκεί σε ένα άλλο σώμα. Όπως γνωρίζουμε, το μέτρο της δύναμης αυτής είναι

ανάλογο του ποσού του φορτίου. Επομένως, σε ένα ηλεκτροσκόπιο μπορούμε να συμπεράνουμε το

ποσό του ηλεκτρικού φορτίου του σώματος από τη γωνία εκτροπής των ελασμάτων. Ένα σώμα με

μεγαλύτερο ηλεκτρικό φορτίο είναι ικανό να δημιουργήσει μεγαλύτερη απωστική δύναμη στα ελάσματα

και συνεπώς μεγαλύτερη γωνία εκτροπής, ενώ σώμα με μικρότερο φορτίο προκαλεί μικρότερη γωνία

εκτροπής.

6. Πώς ονομάζονται τα διαφορετικά είδη ηλεκτρικών φορτίων; Η ονομασία εκφράζει κάποιο

χαρακτηριστικό του ηλεκτρικού φορτίου;

Όταν φορτισμένα σώματα απωθούνται μεταξύ τους έχουν φορτίο ίδιου είδους, ενώ όταν έλκονται

έχουν φορτία διαφορετικού είδους. Σώματα που είναι φορτισμένα όμοια με μια γυάλινη ράβδο που

τρίβεται με μεταξωτό ύφασμα είναι θετικά φορτισμένα. Σώματα που είναι φορτισμένα όμοια με μια

πλαστική ράβδο που τρίβεται με μάλλινο ύφασμα είναι αρνητικά φορτισμένα.

7. Ποια είναι η σχέση ανάμεσα στο ηλεκτρικό φορτίο των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων;

Γιατί τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα;

Το ηλεκτρικό φορτίο ενός πρωτονίου είναι ίσο με το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου, το οποίο

θεωρούμε ως τη μικρότερη και στοιχειώδη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου. Το φορτίο των πρωτονίων το

θεωρούμε θετικό και το φορτίο των ηλεκτρονίων αρνητικό, ωστόσο κατά απόλυτη τιμή αυτά είναι ίσα.

Για ένα σώμα που δεν έχει υποστεί κάποιο τρόπο ηλέκτρισης, ο συνολικός αριθμός πρωτονίων

(συνολικό θετικό φορτίο) είναι ίσος με το συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων (συνολικό αρνητικό φορτίο).

Έτσι, τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα (το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων είναι ίσο με μηδέν) και

δεν μπορούν να ασκήσουν ηλεκτρικές δυνάμεις σε άλλα σώματα.

56

8. ∆ιαθέτεις μια γυάλινη ράβδο που την έχεις φορτίσει με μεταξωτό ύφασμα. Πώς θα βρεις αν

ένα άγνωστο φορτισμένο σώμα είναι θετικά ή αρνητικά φορτισμένο;

Σώματα που είναι φορτισμένα όμοια με μια γυάλινη ράβδο που τρίβεται με μεταξωτό ύφασμα είναι

θετικά φορτισμένα. Επομένως, αν πλησιάσουμε ένα άγνωστο φορτισμένο σώμα στη γυάλινη ράβδο και

έλκεται από αυτήν, σημαίνει πως το φορτίο του άγνωστου σώματος είναι αντίθετο από αυτό της

ράβδου, δηλαδή αρνητικό. Αν το άγνωστο σώμα απωθείται από τη ράβδο, σημαίνει πως το φορτίο του

σώματος είναι όμοιο με αυτό της ράβδου, δηλαδή θετικό.

9. Ποια είναι η μονάδα του φορτίου στο S.I.; Πώς συνδέεται με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου;

Η μονάδα φορτίου στο διεθνές σύστημα S.I. είναι το 1 Coulomb. Το φορτίο 1 Coulomb είναι ίσο με

το φορτίο που έχουν 6,24.1018 ηλεκτρόνια. Επομένως, το φορτίο του ενός ηλεκτρονίου είναι ίσο με:

-18 -19. 18

1 Ce= =0,16025 10 C 1,6 10 C

6,2410

10. Πώς σχετίζεται το ηλεκτρικό φορτίο ενός σώματος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που μετακινήθηκαν από ή προς αυτό;

Αν ο αριθμός των ηλεκτρονίων ενός σώματος είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων, τότε το

σώμα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Αν μετακινηθούν ηλεκτρόνια από το σώμα, αυτό φορτίζεται θετικά. Ο αριθμός των

ηλεκτρονίων που μετακινούνται από το σώμα είναι ίσος με τον αριθμό των στοιχειωδών

θετικών φορτίων που αποκτά το σώμα.

Αν μετακινηθούν ηλεκτρόνια προς το σώμα, αυτό φορτίζεται αρνητικά. Ο αριθμός των

ηλεκτρονίων που μετακινούνται προς το σώμα είναι ίσος με τον αριθμό των στοιχειωδών

αρνητικών φορτίων που αποκτά το σώμα.

57

11. Τα σώματα Α, Β, Γ και ∆ είναι φορτισμένα. Το Α έλκεται από το Β, το Β έλκεται από το

Γ, ενώ τα Γ και ∆ απωθούνται μεταξύ τους. Αν γνωρίζουμε ότι το ∆ είναι θετικά

φορτισμένο, να βρεις το είδος ηλεκτρικού φορτίου των υπολοίπων σωμάτων.

Τα σώματα Γ και Δ απωθούνται μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι

είναι όμοια φορτισμένα και επειδή το φορτίο του σώματος Δ είναι

θετικό, το σώμα Γ θα είναι θετικά φορτισμένο.

Τα σώματα Β και Γ έλκονται μεταξύ τους και επομένως τα

φορτία τους είναι αντίθετα. Καθώς το σώμα Γ είναι θετικά

φορτισμένο, το σώμα Β θα είναι αρνητικά φορτισμένο.

Τα σώματα Α και Β επίσης έλκονται μεταξύ τους. Επομένως τα

φορτία τους είναι αντίθετα. Εφόσον το Β είναι αρνητικά

φορτισμένο, το σώμα Α θα είναι θετικά φορτισμένο.

Συνολικά, η ηλεκτρική κατάσταση των σωμάτων είναι η εξής:

Σώμα Α Θετικά φορτισμένο

Σώμα Β Αρνητικά φορτισμένο

Σώμα Γ Θετικά φορτισμένο

Σώμα Δ Θετικά Φορτισμένο

ΒΑ

r

F2 F1

ΓΒ

r

F2 F1

Γ Δ F1 F2

r

58

Τρόποι ηλέκτρισης και η μικροσκοπική ερμηνεία τους

12. Οι έννοιες ηλέκτριση και φόρτιση είναι ταυτόσημες ή διαφορετικές; Να δικαιολογήσεις την απάντησή σου.

Ένα ηλεκτρισμένο σώμα δεν είναι απαραίτητα και φορτισμένο.

Αν σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα προστεθούν ηλεκτρόνια τότε αποκτά αρνητικό φορτίο, ενώ αν

αφαιρεθούν ηλεκτρόνια αποκτά θετικό φορτίο. Σ΄αυτή την περίπτωση έχουμε μετακίνηση ηλεκτρονίων

και το σώμα φορτίζεται (αποκτά ηλεκτρικό φορτίο).

Σε περιπτώσεις που δεν έχουμε μετακίνηση ηλεκτρονίων, αλλά απλά διαχωρισμό φορτίων στο

εσωτερικό του σώματος, λέμε ότι το σώμα ηλεκτρίζεται και όχι ότι φορτίζεται, ενώ η διαδικασία

ονομάζεται ηλέκτριση και όχι φόρτιση. Το σώμα σε αυτή την περίπτωση δεν έχει συνολικά ηλεκτρικό

φορτίο.

13. Ένα αντικείμενο φορτίζεται αρνητικά. Προσπάθησε να ερμηνεύσεις αυτό το φαινόμενο θεωρώντας ότι η φόρτιση οφείλεται σε μετακίνηση ηλεκτρονίων. Με ανάλογο τρόπο

ερμήνευσε τη διαδικασία με την οποία αποκτά θετικό φορτίο.

Το άτομο αποτελείται από ένα θετικά φορτισμένο πυρήνα, γύρω από τον οποίο περιφέρονται τα

ηλεκτρόνια που είναι φορτισμένα αρνητικά. O πυρήνας αποτελείται από τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια

και τα ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια. Τα άτομα είναι ηλεκτρικώς ουδέτερα, πράγμα που σημαίνει ότι ο

αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων.

Αν για κάποιο λόγο μετακινηθούν κάποια ηλεκτρόνια προς το αντικείμενο, τότε ο αριθμός των

ηλεκτρονίων υπερτερεί έναντι του αριθμού των πρωτονίων και το συνολικό αλγεβρικό άθροισμα των

φορτίων προκύπτει αρνητικό. Τότε λέμε ότι το αντικείμενο φορτίζεται αρνητικά. Αντίθετα, αν κάποια

ηλεκτρόνια αποσπαστούν από τα άτομα, τότε το συνολικό θετικό φορτίο που οφείλεται στον πυρήνα θα

είναι μεγαλύτερο από το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων και το αλγεβρικό τους άθροισμα θα είναι

θετικό (το σώμα φορτίζεται θετικά).

59

14. Τρίβεις μεταξύ τους δύο σώματα Α και Β οπότε τα σώματα φορτίζονται. Τι θα έπρεπε να

γνωρίζεις για να προβλέψεις ποιο σώμα θα αποκτήσει θετικό και ποιο αρνητικό φορτίο;

Κατά την ηλέκτριση με τριβή έχουμε ανάπτυξη θετικού φορτίου στο ένα σώμα, δηλαδή μετακίνηση

ηλεκτρονίων από το σώμα αυτό και ανάπτυξη αρνητικού φορτίου στο άλλο σώμα, δηλαδή μετακίνηση

ηλεκτρονίων προς το σώμα αντίστοιχα. Για παράδειγμα, όταν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με ένα

μάλλινο ύφασμα φορτίζεται θετικά, ενώ αν τρίψουμε με το μάλλινο ύφασμα μια ράβδο εβονίτη, αυτή

φορτίζεται αρνητικά. Το ποια ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα άτομα των σωμάτων εξαρτάται από το

πόσο ισχυρά έλκονται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από τον πυρήνα των ατόμων. Όπως είδαμε στο

ατομικό πρότυπο των Rutherford και Bohr, τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε

κυκλικές τροχιές. Τα ηλεκτρόνια στην εξώτερη κυκλική τροχιά (εξωτερικά ηλεκτρόνια) έλκονται

λιγότερο από τον πυρήνα από ότι τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια, ενώ αυτή η έλξη διαφέρει από άτομο σε

άτομο. Σε μια πλαστική ράβδο τα εξωτερικά ηλεκτρόνια έλκονται περισσότερο από τον πυρήνα των

ατόμων τους από ότι έλκονται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από τον πυρήνα των ατόμων μιας γούνας. Έτσι,

αν τρίψουμε τη ράβδο στη γούνα τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τα άτομα της γούνας στη ράβδο και

η ράβδος φορτίζεται αρνητικά ενώ η γούνα θετικά. Επομένως, το σώμα που θα αποκτήσει θετικό

φορτίο είναι αυτό στο οποίο τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων του συγκρατούνται με μικρότερες

δυνάμεις στον πυρήνα από ότι συγκρατούνται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια του άλλου σώματος.

60

15. Χρησιμοποίησε τον πίνακα 1.2 της σελίδας 17 και προσδιόρισε το είδος του φορτίου που αποκτά μια γυάλινη ράβδος αν την τρίψεις με ύφασμα από α) αμίαντο και β) μετάξι. Να

εξηγήσεις το συμπέρασμά σου.

Ο διπλανός πίνακας μας δίνει 13 υλικά και μας επιτρέπει να

προβλέψουμε το είδος του φορτίου που αυτά θα αποκτήσουν κατά την

τριβή μεταξύ τους. Αν τρίψω κάποιο υλικό (π.χ. μαλλί) με ένα άλλο που

βρίσκεται σε χαμηλότερη θέση στον πίνακα (π.χ. πλαστικό), τότε το σώμα

που βρίσκεται πιο ψηλά στον πίνακα αποκτά θετικό φορτίο και το άλλο

που βρίσκεται πιο χαμηλά στον πίνακα αποκτά αρνητικό φορτίο.

Το γυαλί είναι σε χαμηλότερη θέση στον πίνακα από τον αμίαντο και

ψηλότερα από το μετάξι. Έτσι, αν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με

ύφασμα από αμίαντο, τότε η ράβδος θα φορτιστεί αρνητικά και ο

αμίαντος θετικά. Αν τρίψουμε τη γυάλινη ράβδο με ύφασμα από μετάξι,

αυτή θα φορτισθεί θετικά και το μετάξι αρνητικά.

Π Α Ρ Α Τ Η Ρ Η Σ Η :

Ο διπλανός πίνακας μας δείχνει ουσιαστικά το πόσο ισχυρά έλκονται τα

εξωτερικά ηλεκτρόνια από τους πυρήνες των ατόμων του κάθε υλικού.

Για παράδειγμα, ο αμίαντος φορτίζεται θετικά με όποιο από τα υλικά και

αν τριφτεί και επομένως τα εξωτερικά ηλεκτρόνια μπορούν να διαφύγουν

ευκολότερα σε σχέση με τα άλλα υλικά.

1 Αμίαντος

2 Γούνα κουνελιού

3 Γυαλί

4 Μαλλί

5 Γούνα γάτας

6 Μετάξι

7 ∆έρμα ανθρώπου

8 Βαμβάκι

9 Ξύλο

10 Κεχριμπάρι

11 Θείο

12 Καουτσούκ

13 Πλαστικό

61

16. Με μια πλαστική σακούλα τρίβεις μια μεταλλική σφαίρα. ∆ιαπιστώνεις ότι η σφαίρα φορτίστηκε θετικά. Ποιο είναι το είδος του ηλεκτρικού φορτίου που απέκτησε η σακούλα

μετά την τριβή; Πώς ερμηνεύεις το φαινόμενο αυτό;

Το γεγονός ότι η μεταλλική σφαίρα φορτίστηκε θετικά σημαίνει ότι κάποια ηλεκτρόνια

μετακινήθηκαν από αυτήν και δημιουργήθηκε έτσι έλλειμα αρνητικού φορτίου. Τα ηλεκτρόνια

αυτά μετακινήθηκαν προς την πλαστική σακούλα προκαλώντας έτσι περίσσεια ηλεκτρονίων,

δηλαδή αρνητικού φορτίου. Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του φορτίου, όσος αριθμός

ηλεκτρονίων εγκατέλειψε τη σφαίρα, τόσος αριθμός ηλεκτρονίων αποκτήθηκε από τη σακούλα.

Συνεπώς, το είδος του φορτίου που απέκτησε η σακούλα είναι αρνητικό και το ποσό του φορτίου

αλγεβρικά είναι ίσο με το φορτίο που απέκτησε η σφαίρα.

17. ∆ιαθέτεις δύο ίδιες μεταλλικές σφαίρες. Η μία έχει θετικό φορτίο +10 μC και η άλλη είναι

ουδέτερη. Τις φέρνεις σε επαφή μεταξύ τους και στη συνέχεια τις απομακρύνεις. α) Ποιο

είναι το είδος και η ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου της κάθε σφαίρας μετά την επαφή τους;

β) Να δικαιολογήσεις την απάντησή σου.

Φέρνοντας σε άμεση επαφή τις δυο μεταλλικές σφαίρες μεταξύ τους, επιτρέπουμε τη

μετακίνηση ηλεκτρονίων από τη μια σφαίρα στην άλλη. Ηλεκτρόνια μεταφέρονται από την

αφόρτιστη μεταλλική σφαίρα στη θετικά φορτισμένη σφαίρα. Τελικά και οι δύο σφαίρες θα έχουν

θετικό φορτίο. Το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα δύο σώματα τελικά είναι ίσο με το

φορτίο που είχε αρχικά η μία σφαίρα, δηλαδή +10 μC (αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου).

18. Με ένα αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο αγγίζεις το δίσκο ενός ηλεκτροσκοπίου. Τι θα παρατηρήσεις στα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου; Πώς εξηγείς αυτό που συμβαίνει;

Αν αγγίξουμε με ένα αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο το μεταλλικό δίσκο του ηλεκτροσκοπίου, τα

πλεονάζοντα ηλεκτρόνια του αντικειμένου περνούν στο δίσκο του ηλεκτροσκοπίου και το

ηλεκτροσκόπιο αποκτά αρνητικό φορτίο. Το φορτίο αυτό διαχέεται σε όλη την έκταση του μεταλλικού

στελέχους του ηλεκτροσκοπίου και στα μεταλλικά φύλλα του. Έτσι, τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου

φορτίζονται αρνητικά, απωθούνται και απομακρύνονται μεταξύ τους.

62

19. Πλησιάζεις στο στέλεχος ενός ηλεκτροσκοπίου, χωρίς να το ακουμπήσεις, μια θετικά φορτισμένη ράβδο. Παρατηρείς ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου ανοίγουν. Προσπάθησε να

ερμηνεύσεις αυτό το φαινόμενο. Τι θα παρατηρούσες στην περίπτωση που η ράβδος ήταν

αρνητικά φορτισμένη; Εξήγησέ το.

Αν πλησιάσουμε μια θετικά φορτισμένη ράβδο στο μεταλλικό δίσκο του ηλεκτροσκοπίου, χωρίς να

τον αγγίξουμε, η περίσσεια θετικού φορτίου της ράβδου έλκει εξ επαγωγής τα ηλεκτρόνια του δίσκου

του ηλεκτροσκοπίου προς τα πάνω. Τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου, επομένως, φορτίζονται θετικά και

απομακρύνονται μεταξύ τους. Αν απομακρύνουμε τη ράβδο από το δίσκο του ηλεκτροσκοπίου η

ισορροπία αποκαθίσταται και πάλι και τα στελέχη πλησιάζουν.

Σε περίπτωση που πλησιάσουμε μια αρνητικά φορτισμένη ράβδο στο δίσκο του ηλεκτροσκοπίου, η

περίσσεια ηλεκτρονίων της ράβδου απωθεί εξ επαγωγής τα ηλεκτρόνια του δίσκου προς τα κάτω. Έτσι,

ο δίσκος φορτίζεται θετικά και τα φύλλα αρνητικά, τα οποία λόγω του ίδιου φορτίου απωθούνται και

απομακρύνονται μεταξύ τους.

Δηλαδή, με το ηλεκτροσκόπιο δεν είναι δυνατό να διακρίνουμε αν το αντικείμενο που πλησιάζουμε

είναι θετικά ή αρνητικά φορτισμένο, αφού και στις δύο περιπτώσεις τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου

απομακρύνονται.

20. Σύνδεσε το μεταλλικό δίσκο ενός ηλεκτροσκοπίου με το έδαφος μέσω ενός σύρματος και

πλησίασε στο δίσκο μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα. Τι θα παρατηρήσεις και πώς το

εξηγείς; Τι θα συμβεί αν απομακρύνεις τη σφαίρα α) με το σύρμα συνδεδεμένο; β) αφού

αποσυνδέσεις το σύρμα από το ηλεκτροσκόπιο; Εξήγησέ το. Με βάση το παραπάνω πείραμα

μπορείς να συμπεράνεις αν ένας αγωγός είναι δυνατόν να φορτισθεί με επαγωγή ή όχι;

Πλησιάζοντας στο μεταλλικό δίσκο μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα, αυτή λόγω περίσσειας

ηλεκτρονίων απωθεί εξ επαγωγής τα ηλεκτρόνια του δίσκου προς τα κάτω. Αν ωστόσο συνδέσουμε ένα

μεταλλικό σύρμα από το δίσκο προς το έδαφος (γείωση), τα ηλεκτρόνια του δίσκου του

ηλεκτροσκοπίου ρέουν προς την τεράστια αποθήκη παροχής και λήψης ηλεκτρονίων, τη Γη. Τα φύλλα

του ηλεκτροσκοπίου απωθούνται, γιατί συσσωρεύεται και στα δύο θετικό φορτίο.

Αν απομακρύνουμε τη φορτισμένη σφαίρα ενώ το σύρμα είναι συνδεδεμένο με το ηλεκτροσκόπιο, η

ισορροπία αποκαθίσταται και τα φύλλα πλησιάζουν και πάλι.

Αν απομακρύνουμε τη φορτισμένη σφαίρα ενώ έχουμε αποσυνδέσει το σύρμα, τα φύλλα συνεχίζουν

να απωθούνται, καθώς δεν μπορεί να αποκατασταθεί η ισσοροπία των φορτίων.

Επομένως, ένας αγωγός μπορεί να φορτισθεί με επαγωγή, αν διοχετευθούν κάπου αλλού τα αρνητικά

του φορτία.

63

21. Μια φορτισμένη χτένα έλκει μικρά κομμάτια χαρτί ή μια λεπτή φλέβα νερού. Να ερμηνεύσεις τα δύο φαινόμενα επισημαίνοντας τις ομοιότητές τους.

Αν χτενίσουμε τα στεγνά μαλλιά μας με μια χτένα, τότε αυτή φορτίζεται αρνητικά. Ηλεκτρόνια

μεταφέρονται από τα μαλλιά μας στη χτένα. Αυτό συμβαίνει γιατί τα εξωτερικά ηλεκτρόνια της χτένας

έλκονται περισσότερο από τον πυρήνα των ατόμων της από ότι έλκονται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από

τον πυρήνα των ατόμων στις τρίχες των μαλλιών μας. Έτσι, αν τρίψουμε τη χτένα στα μαλλιά μας τα

ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τα μαλλιά στη χτένα, αυτή φορτίζεται αρνητικά και τα μαλλιά μας θετικά.

Αν πλησιάσουμε κοντά στη χτένα μικρά κομμάτια χαρτί αυτά ηλεκτρίζονται με επαγωγή και έλκονται

από αυτήν. Η επιφάνεια από τα χαρτάκια που είναι προς το μέρος της χτένας φορτίζεται θετικά, ενώ η

άλλη επιφάνεια φορτίζεται αρνητικά, ενώ κάθε χαρτάκι έλκει και το διπλανό του, ώστε τελικά αυτά να

κολλούν πάνω στη χτένα και μεταξύ τους.

Το ίδιο συμβαίνει αν πλησιάσουμε την αρνητικά φορτισμένη χτένα σε μια φλέβα νερού. Η χτένα

προκαλεί διαχωρισμό φορτίου στην περιοχή της φλέβας που πλησιάζει. Τα μόρια του νερού πολώνονται

λόγω ηλέκτρισης με επαγωγή και έτσι παρατηρούμε τη φλέβα νερού να κάμπτεται.

22. Τρίβεις ένα μπαλόνι με μάλλινο ύφασμα και το πλησιάζεις σε ένα τοίχο. Παρατηρείς ότι το μπαλόνι αρχικά κολλάει στον τοίχο, αλλά μετά από λίγο πέφτει. Εξήγησε με βάση τους

τρόπους ηλέκτρισης όλη τη διαδικασία.

Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων στο μπαλόνι έλκονται πιο ισχυρά από τον πυρήνα τους από

ότι τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων του μάλλινου υφάσματος από τους πυρήνες στο ύφασμα.

Έτσι, αν τρίψουμε το μπαλόνι στο μάλλινο ύφασμα, ηλεκτρόνια θα μεταφερθούν από το ύφασμα στο

μπαλόνι και αυτό θα φορτισθεί αρνητικά ενώ το ύφασμα θετικά. Καθώς πλησιάζουμε το μπαλόνι στον

τοίχο, ο οποίος είναι ηλεκτρικά ουδέτερος, τα ηλεκτρόνια στο μπαλόνι που είναι σε περίσσεια απωθούν

τα ηλεκτρόνια του τοίχου στο σημείο επαφής τους. Στο σημείο εκείνο ο τοίχος ηλεκτρίζεται θετικά με

επαγωγή, καθώς τα ηλεκτρόνια οδηγούνται προς τα πίσω και τα πρωτόνια γίνονται περισσότερα.

Συνεπώς, αναπτύσσεται ελκτική ηλεκτρική δύναμη μεταξύ του αρνητικά φορτισμένου μπαλονιού και

του θετικά ηλεκτρισμένου σημείου του τοίχου και το μπαλόνι κολλάει στον τοίχο. Μετά από κάποιο

χρονικό διάστημα, ηλεκτρόνια που ήταν σε περίσσεια στο μπαλόνι μετακινούνται προς τον αέρα ή προς

άλλα σημεία του τοίχου, ο αριθμός των ηλεκτρονίων τελικά εξισορροπείται από τον αριθμό των

πρωτονίων και το μπαλόνι γίνεται πάλι ηλεκτρικά ουδέτερο, με αποτέλεσμα να αποκολληθεί από τον

τοίχο και να πέσει κάτω.

64

23. Ένας φοιτητής στο εργαστήριο της βιολογίας ισχυρίστηκε ότι: «Το φορτίο ενός φορτισμένου μορίου μετά από μέτρηση προέκυψε ότι είναι 4.10-19 C». Μπορείς να αποδείξεις ότι η

πρόταση αυτή δεν μπορεί να είναι αληθής;

Σύμφωνα με τις ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου, το φορτίο είναι κβαντισμένο. Αυτό σημαίνει ότι

κάθε ποσότητα φορτίου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου, που

είναι ίσο με e=1,6.10-19C. Συνεπώς, η παραπάνω πρόταση δεν μπορεί να είναι αληθής, αφού το 4 δεν

είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του 1,6.

24. Με βάση το γεγονός ότι η φόρτιση των σωμάτων οφείλεται σε μετακίνηση ηλεκτρονίων πώς θα ερμηνεύσεις α) τη διατήρηση και β) την κβάντωση του ηλεκτρικού φορτίου;

Η φόρτιση των σωμάτων είναι συνδεδεμένη με τη μετακίνηση ηλεκτρονίων από ή προς τα άτομα

των σωμάτων και με αυτόν τον τρόπο εμφανίζεται το ηλεκτρικό φορτίο. Σε κάθε περίπτωση ο

συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων παραμένει σταθερός, δηλαδή όσα ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα

άτομα ενός σώματος τόσα μεταφέρονται στα άτομα του άλλου σώματος. Αυτή είναι μια πολύ βασική

αρχή στη μελέτη του ηλεκτρικού φορτίου και ονομάζεται αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού

φορτίο.

Η δεύτερη ιδιότητα του ηλεκτρικού φορτίου είναι ότι είναι κβαντισμένο. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι

ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου που συναντώνται στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια μιας

στοιχειώδους ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου. Αυτή η ποσότητα είναι το φορτίο που έχει το ηλεκτρόνιο

των ατόμων. Μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε πακέτα στοιχειώδους τιμής,

τα κβάντα, για αυτό και λέμε ότι είναι κβαντισμένο.

65

Ο νόμος του Κουλόμπ και το ηλεκτρικό πεδίο

25. Με ποιο τρόπο μπορείς να συμπεράνεις αν σε ένα χώρο υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο όταν

διαθέτεις ένα ηλεκτρικό εκκρεμές του οποίου το σφαιρίδιο είναι ηλεκτρικά φορτισμένο;

Γνωρίζουμε ότι σε κάθε φορτισμένο σώμα που τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ασκείται

ηλεκτρική δύναμη. Έτσι, αν τοποθετήσουμε ένα ηλεκτρικό εκκρεμές του οποίου το σφαιρίδιο είναι

φορτισμένο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, αυτό θα δεχθεί δύναμη από το πεδίο. Αν εκτραπεί από τη θέση

ισορροπίας του σημαίνει ότι όντως υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο.

26. Να σχεδιάσεις ποιοτικά τις δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται στο χώρο μεταξύ δύο αντίθετα φορτισμένων παράλληλων μεταλλικών πλακών.

Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται μεταξύ δυο αντίθετα

φορτισμένων παράλληλων μεταλλικών πλακών, δηλαδή ενός

επίπεδου πυκνωτή, είναι ομογενές. Επομένως, οι δυναμικές

γραμμές σε ένα τέτοιο πεδίο είναι ευθείες γραμμές, παράλληλες

και ισαπέχουσες. Η ένταση σε ένα τέτοιο πεδίο είναι σταθερή

παντού ανάμεσα στις μεταλλικές πλάκες.

27. Στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από ένα φορτισμένο σώμα αποθηκεύεται

ενέργεια. Ποια είναι η προέλευση αυτής της ενέργειας;

Η ενέργεια αυτή προέρχεται από την προσπάθεια που καταβάλαμε για να φορτίσουμε το σώμα

αυτό. Για να φορτισθεί ένα σώμα θα πρέπει να δημιουργηθεί σε αυτό είτε περίσσεια είτε έλλειμα

ηλεκτρονίων. Για να μπορέσουν να υπερνικηθούν οι δυνάμεις που έλκουν ή απωθούν τα ηλεκτρόνια

κατά τη μετακίνησή τους από ή προς το σώμα θα πρέπει να καταβληθεί κάποιο έργο. Το έργο αυτό

αποθηκεύεται στο σώμα με τη μορφή ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας.

Ομογενές ηλεκτρικό πεδίο ενός επίπεδου πυκνωτή

-q +q

Ε

66

28. Φέρνεις σε επαφή το σφαιρίδιο ενός ηλεκτρικού εκκρεμούς με τον ένα πόλο μιας μηχανής

Whimshurst (εικόνα 1.42). Παρατηρείς ότι το σφαιρίδιο κινείται από τον ένα πόλο της

μηχανής στον άλλο. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Να τεκμηριώσεις την

επιλογή σου.

α. Το σφαιρίδιο είναι φορτισμένο και βρίσκεται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο που έχει

δημιουργηθεί μεταξύ των πόλων της μηχανής.

β. Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του σφαιριδίου μετατρέπεται σε κινητική.

γ. Το σφαιρίδιο κινείται γιατί πάνω του ασκείται το βάρος του και η δύναμη από το νήμα

του εκκρεμούς (τάση του νήματος).

δ. Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του σφαιριδίου είναι ίση με το έργο της δύναμης που

ασκείται στο σφαιρίδιο για να πλησιάσει στον όμοια φορτισμένο πόλο της μηχανής.

α. Σωστό. Το σφαιρίδιο βρίσκεται ανάμεσα στους πόλους της μηχανής και δέχεται ηλεκτρική δύναμη

από το πεδίο που δημιουργείται στο χώρο αυτό.

β. Σωστό. Το φορτισμένο σφαιρίδιο του εκκρεμούς βρίσκεται στο ηλεκτρικό πεδίο που παράγει η

μηχανή και έχει ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Λόγω της ηλεκτρικής δύναμης που ασκείται σε αυτό,

η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική μέσω του έργου της ηλεκτρκής δύναμης.

γ. Λάθος. Η δύναμη του βάρους εξουδετερώνεται από τη συνιστώσα της δύναμης του νήματος στον

κατακόρυφο άξονα.

δ. Σωστό. Το έργο της ηλεκτρικής δύναμης είναι ίσο με την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που αποκτά

το σφαιρίδιο σε κάποιο σημείο του πεδίου.

67

Ο νόμος του Κουλόμπ και το ηλεκτρικό πεδίο

1. ∆ύο μεταλλικές σφαίρες Α και Β είναι φορτισμένες με φορτία -1μC και +4μC αντίστοιχα. Τα

κέντρα τους βρίσκονται σε απόσταση 2 m. Να υπολογίσεις και να σχεδιάσεις (σε κοινό

σχήμα) τη δύναμη που ασκεί η μία σφαίρα στην άλλη. Μπορείς να συνδέσεις αυτό που

σχεδίασες με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα που διδάχτηκες στην προηγούμενη τάξη;

Παρατηρούμε ότι τα φορτία των δύο σφαιρών είναι αντίθετα. Αυτό σημαίνει ότι η δύναμη που

αναπτύσσεται μεταξύ τους θα είναι ελκτική. Το μέτρο της δίνεται από το νόμο του Κουλόμπ:

-6 -6q q 1 10 4 109 -31 2F =K F = 9 10 = 9 10 Ν2 4r

Κ = 9 10 9 N m 2/C 2 .

Μετατρέπουμε τα μC σε C πολλαπλασιάζοντας με το 10 -6, αφού 1 μC (ένα μικροκουλόμπ) = 10 -6 C.

Οι δυνάμεις που ασκούν τα δύο σώματα το ένα στο άλλο

φαίνονται στο διπλανό σχήμα. Οι δυνάμεις αυτές είναι

ίσες κατά μέτρο και αντίθετες κατά φορά, όπως μας

υποδεικνύει και ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα, σύμφωνα

με τον οποίο σε κάθε δράση ασκείται και μια ίση και

αντίθετη αντίδραση.

Ασκήσεις βιβλίου

B A

F2F1

68

2. Τα κέντρα δύο μικρών φορτισμένων σφαιρών απέχουν 24 cm. Οι σφαίρες έλκονται με

δύναμη της οποίας το μέτρο είναι 0,036 Ν. Σε πόση απόσταση πρέπει να τοποθετηθούν οι

σφαίρες ώστε η δύναμη με την οποία έλκονται να γίνει 0,004 Ν;

Αν F1 = 0,036 Ν είναι το μέτρο της ελκτικής δύναμης των δυο σφαιρών σε απόσταση r1= 24 cm και

F2 = 0,004 Ν είναι το μέτρο της ελκτικής δύναμης των δυο σφαιρών σε απόσταση r2, τότε:

1 1

2 2

q q1 2K 222 r r rrF F 0,036 361 2 2 2= = = 9 = 3 r = 3r = 72cm122q qF r r F 0,004 4r1 2 1 11K 2r2

=

Η σταθερά Κ και τα φορτία των δύο σφαιρών απλοποιούνται.

Άρα, οι σφαίρες θα πρέπει να τοποθετηθούν σε απόσταση 72 cm.

3. Μικρή χάλκινη σφαίρα έχει φορτίο +3,2 μC. Η χάλκινη σφαίρα απωθεί μια επίσης

φορτισμένη σιδερένια σφαίρα με δύναμη μέτρου 6,4 Ν. Πόσα ηλεκτρόνια πρέπει να

μεταφερθούν από τη χάλκινη σφαίρα ώστε η δύναμη να γίνει 3,2 Ν;

Έστω q1 = +3,2 μC το φορτίο της χάλκινης σφαίρας και q2 το φορτίο της σιδερένιας σφαίρας.

Εφόσον οι σφαίρες απωθούνται το φορτίο της σιδερένιας σφαίρας θα είναι θετικό. Αν F1 = 6,4Ν είναι το

αρχικό μέτρο και F2 = 3,2Ν είναι το τελικό μέτρο της δύναμης, τότε ο λόγος τους θα είναι :

(η απόσταση ανάμεσα στις

σφαίρες παραμένει σταθερή)

Το φορτίο αυτό θα πρέπει να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου.

Από το πολλαπλάσιο αυτό μπορούμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που πρέπει να

μεταφερθούν.

66 13

19

1,6 101,6 10 10

1,6 10

Cq C =Ν e Ν ηλεκτρόνια1 C

61

2

3, 21,6 1,6 10

q q1 2K q q q2F μC1r 2 1= q μC = C1q qF q q1 2 1 2K 2r

= 22 2

69

1. Συμπληρώστε με τις κατάλληλες λέξεις τα κενά των παρακάτω προτάσεων

1. Όταν σε ένα σώμα το .............. φορτίο είναι ίσο με το ................ φορτίο, το σώμα είναι ηλεκτρικά

...................... .

2. Όταν σε ένα σώμα το αρνητικό φορτίο υπερτερεί σε σχέση με το θετικό φορτίο, το σώμα είναι

...................... φορτισμένο, ενώ αν υπερτερεί το θετικό σε σχέση με το αρνητικό φορτίο, το σώμα

είναι ..................... φορτισμένο.

3. Όταν τρίψουμε ένα σώμα με ένα άλλο, ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από το ένα σώμα στο

άλλο. Ο τρόπος αυτός ηλέκτρισης ονομάζεται ηλέκτριση με ................ .

4. Οι ................. ηλεκτρίζονται σε όλη την έκταση της μάζας τους.

5. Η ηλεκτρική δύναμη ασκείται σε διαφορετικά σώματα από ότι η ………………………….. .

6. Τα ομώνυμα φορτία ……………………, ενώ τα ετερώνυμα ........................ .

7. Σύμφωνα με την αρχή ......................... του ηλεκτρικού φορτίου, το συνολικό φορτίο παραμένει

.....................

8. Τα ……………………….. ηλεκτρόνια των ατόμων ενός υφάσματος συγκρατούνται με ισχυρότερες

δυνάμεις από εκείνα του γυαλιού.

9. Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου λέγονται

..................... .

10. Σύμφωνα με το νόμο του .................. η δύναμη μεταξύ δυο φορτίων είναι ................. ...............

του ..................... της μεταξύ τους απόστασης .

Α Π Α Ν Τ Η Σ Ε Ι Σ

1θετικό, αρνητικό, ουδέτερο, 2 αρνητικά, θετικά, 3 τριβή, 4αγωγοί, 5μαγνητική,

6απωθούνται, έλκονται, 7διατήρησης, σταθερό, 8 εξωτερικά, 9ηλεκτροσκόπια, 10

Κουλόμπ, αντιστρόφως ανάλογη, τετραγώνου.

Ερωτήσεις – Ασκήσεις

εκτός βιβλίου

70

2. Επιλέξτε σωστό ή λάθος.

1. Αν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με μάλλινο ύφασμα αρνητικά

φορτία μεταβαίνουν από το ύφασμα στη ράβδο.

2. Αν τρίψουμε δυο αφόρτιστα σώματα μεταξύ τους ,τότε και τα

δυο φορτίζονται με το ίδιο φορτίο.

3. Ένα σώμα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο όταν το συνολικό θετικό

φορτίο του είναι ίσο με το συνολικό αρνητικό φορτίο του.

4. Σε ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο οι δυναμικές γραμμές είναι

παράλληλες και ισαπέχουσες.

5. Κατά την ηλέκτριση με επαφή, οι μονωτές ηλεκτρίζονται σε

όλη την έκτασή τους.

Α Π Α Ν Τ Η Σ Ε Ι Σ

1Λ, 2Λ, 3Σ, 4Σ, 5Λ.

Σωστό Λάθος