Ηλεκτρισμός
Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Ο Ηλεκτρισμός είναι κλάδος της Φυσικής. Μελετά τα ηλεκτρικά φαινόμενα, δηλαδή τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωμάτων εξαιτίας των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που προκαλούνται από την ύπαρξη ηλεκτρικού φορτίου.
Ο ηλεκτρισμός έχει τις ρίζες του στην παρατήρηση του Θαλή του Μιλήσιου (περίπου το 600 π.Χ.) ότι κομμάτι ήλεκτρου(=κεχριμπάρι) που τρίβεται σε ξηρό ύφασμα έλκει μικρά κομμάτια άχυρου. Εξ ου και η ονομασία "ηλεκτρισμός", δηλαδή το αποτέλεσμα του ήλεκτρου. Το 19ο αιώνα αναπτύχθηκαν βαθμιαία διάφορες τεχνικές εφαρμογές του ηλεκτρισμού, αλλά μόλις τον 20ο αιώνα αναγνωρίστηκε η διάχυτη παρουσία των ηλεκτρικών δυνάμεων οι οποίες συγκρατούν όλη την ύλη του περιβάλλοντός μας.
Πίνακας περιεχομένων |
[Επεξεργασία] Hλεκτρικό Φορτίο-Συμπεριφορά της ύλης
Σήμερα όταν παρατηρούμε ηλεκτρικά φαινόμενα, όπως αυτό που παρατήρησε ο Θαλής ο Μιλήσιος, λέμε ότι τα υλικά που παρατηρούμε, όπως για παράδειγμα το ήλεκτρο (αν το τρίψουμε με ξηρό ύφασμα) ή το γυαλί (αν το τρίψουμε με μετάξι), αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο ή φορτίζονται.Με κριτήριο το αν κάποιο υλικό επιτρέπει στα ηλεκτρικά φορτία να περνά από μέσα του ή όχι μπορούμε να το χαρακτηρίσουμε ως αγωγό, μονωτή ή ημιαγωγό. Αγωγός είναι κάθε υλικό το οποίο αφήνει τα ηλεκτρικά φορτία να περνούν ελεύθερα από μέσα του. Μερικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού είναι τα μέταλλα, το ανθρώπινο σώμα και η γη. Μονωτής (ή διηλεκτρικό) είναι κάθε υλικό το οποίο δεν επιτρέπει την ελεύθερη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από το σώμα του.Τέλειοι μονωτές που να απαγορεύουν εντελώς τη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από μέσα τους δεν υπάρχουν, αλλά μερικά υλικά τις περισσότερες φορές συμπεριφέρονται σαν τέλειοι μονωτές. Μερικοί μονωτές είναι τα πλαστικά, το γυαλί και ο εβονίτης.
Ημιαγωγός είναι κάθε υλικό,π.χ. το γερμάνιο ή το πυρίτιο, που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις , όπως αύξηση της θερμοκρασίας ή πρόσπτωση φωτός.Ένας ημιαγωγός, όπως το πυρίτιο, στην καθαρή κρυσταλλική του μορφή είναι καλός μονωτής, αλλά όταν έστω και ένα άτομο μέσα στα 10 εκατομμύρια αντικατασταθεί από μία πρόσμιξη που προσθέτει (φωσφόρος ή αρσενικό) ή αφαιρεί (βόριο ή αργίλιο ή γάλλιο) ένα ηλεκτρόνιο από την κρυσταλλική δομή τότε η αγωγιμότητά τους αυξάνεται θεαματικά.Στην πρώτη περίπτωση προκύπτει ημιαγωγός τύπου n (n από negative καθώς έχουμε παραπάνω ηλεκτρόνια->φορείς αρνητικού φορτίου) και στη δεύτερη τύπου p (p από positive καθώς έχουμε επιπλέον οπές->που δηλώνουν απουσία ηλεκτρονίων άρα ύπαρξη θετικού φορτίου).Αυτός ο τρόπος πρόσμιξης ονομάζεται doping(νόθευση).Λεπτά στρώματα ημιαγωγών υλικών συσκευασμένα μαζί συνθέτουν διάφορους τύπους τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές που αφορούν τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και όχι μόνο. Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές στηρίζονται στο δυαδικό σύστημα (0 και 1), οι ημιαγωγοί στους η/υ πράττουν αυτή την αλλαγή από 0 σε 1 και αντίστροφα. (αλλά αυτά εξετάζονται από την ηλεκτρονική).
Μέσα από διάφορα πειράματα έχουμε αποδείξει ότι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου, που ονομάστηκαν αυθαίρετα αρνητικό και θετικό -δηλαδή θα μπορούσε να ονόμαζε "θετικό" το "αρνητικό" και "αρνητικό" το "θετικό"- από το Βενιαμίν Φραγκλίνο.Τα σωματίδια-φορείς τους είναι τα ηλεκτρόνια για το αρνητικό φορτίο και τα πρωτόνια για το θετικό. Τα θετικά φορτία δεν μπορούν να κινηθούν. Όταν λέμε ότι ένα σώμα είναι φορτισμένο αρνητικά εννοούμε ότι υπάρχουν περισσότερα από το κανονικό (δηλαδή από όσα είναι τα πρωτόνια) ηλεκτρόνια, όταν λέμε ότι είναι θετικά φορτισμένο εννοούμε ότι έχουμε λιγότερα και όταν λέμε ότι είναι ουδέτερα εννοούμε ότι είναι ίσος ο αριθμός των πρωτονίων με των ηλεκτρονίων. Όταν ανεξάρτητα άτομα ενώνονται για να σχηματίσουν ένα μεταλλικό στερεό τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων δεν παραμένουν προσκολλημένα στα άτομα αλλά μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε όλο τον όγκο του στερεού.Οι φορείς του φορτίου στα μέταλλα είναι αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.Σε ορισμένους αγωγούς,όμως, ,οπως οι ηλεκτρολύτες (οξέα, βάσεις, άλατα), μπορούν να κινηθούν τόσο θετικά όσο και αρνητικά φορτία επειδή η διαλυμένη ουσία μέσα σε αυτούς βρίσκεται σε μορφή ιόντος (π.χ. Σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου (άλας) έχουμε κατιόντα νατρίου και ανιόντα χλωρίου).
Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ποσότητα που διατηρείται: σε κάθε αντίδραση στην οποία συμμετέχουν φορτισμένα σωματίδια ο ολικός αριθμός των φορτίων πριν και μετά την αντίδραση είναι πάντοτε ο ίδιος.
Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ποσότητα που είναι κβαντισμένη.Δηλαδή υπάρχει μόνο σε διακριτές οντότητες, πολλαπλάσια με ακέραιους αριθμούς του θεμελιώδους φορτίου e. Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο S.I. είναι το Coulomb προς τιμή του Γάλλου φυσικού Charles Coulomb για το πολύ σημαντικό έργο του στον τομέα του ηλεκτρισμού. Κατά την περιγραφή της κατανομής του φορτίου σε μακροσκοπικά σώματα, η διακριτή φύση του φορτίου μπορεί να αγνοηθεί και είναι συνήθως αρκετό να θεωρήσουμε το φορτίο ως ένα συνεχές ρευστό με πυκνότητα φορτίου (
) που μεταβάλλεται λίγο ή πολύ ομαλά συναρτήσει της θέσης.
[Επεξεργασία] Ηλεκτρικές Δύναμεις και Ηλεκτρικό Πεδίο
Μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων που βρίσκονται ακίνητα (ή σχεδόν ακίνητα) αναπτύσσονται ηλεκτρικές δυνάμεις που προκαλούνται από αυτά και ονομάζονται ηλεκτροστατικές.H ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ φορτίων με το ίδιο πρόσημο είναι απωστική,ενώ αν έχουν αντίθετο πρόσημο είναι ελκτική.
Νόμος Coulomb:Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης, την οποία ένα σωματίδιο (q1) ασκεί σε ένα άλλο (q2), είναι ευθέως ανάλογο προς το γινόμενο των φορτίων τους, και αντιστρόφως ανάλογο προς το τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης(r).Η διεύθυνση της δύναμης είναι κατά μήκος της ευθείας που ενώνει τα δύο σωματίδια. , όπου k, η σταθερά αναλογίας της οποίας η αριθμητική τιμή εξαρτάται από το σύστημα μονάδων που χρησιμοποιούμε.
Επίσης δείτε: k=1/4πε0 όπου ε0 είναι η διηλεκτρική σταθερά του κενού. ε0=8,85*10^-12 Cb^2/N*m^2.
Ανεξάρτητα από το πόσο είναι το φορτίο ή η μάζα καθενός από τα q1 και q2 το μέτρο της δύναμης που ασκεί το πρώτο στο δεύτερο και το μέτρο της δύναμης που ασκεί το δεύτερο στο πρώτο είναι ίσα.
Όταν τα φορτισμένα σωματίδια δεν είναι δύο όπως στο παράδειγμά μας αλλά μεγαλύτερου αριθμού, η ολική δύναμη που δέχεται ένα σωματίδιο είναι το διανυσματικό άθροισμα των δυνάμεων που θα του ασκούσε καθένα από τα υπόλοιπα φορτία ξεχωριστά.
Κάθε φορτισμένο σωμα είναι η αιτία που δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο στο χώρο γύρω από αυτό. Μάλιστα, όταν θέλουμε να διαπιστώσουμε αν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο σε κάποιο σημείο, τοποθετούμε φορτισμένο σώμα, που αποκαλούμε δοκιμαστικό φορτίο, σε εκείνο το σημείο.Αν στο δοκιμαστικό φορτίο επιδράσει ηλεκτρική δύναμη, τότε σίγουρα σε εκείνη την περίοχή υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο.
Έστω ένα φορτίο q1 και ένα δοκιμαστικό φορτίο q2.Η ένταση E του ηλεκτρικού πεδοίου που παράγει το q1 στο σημείο που βρίσκεται το δοκιμαστικό φορτίο είναι εξ ορισμού ίση προς το πηλίκο της δύναμης που ασκείται πάνω στο δοκιμαστικό φορτίο, που βρίσκεται στο σημείο αυτό, δια του φορτίου αυτού, q2. , με μονάδες
.
To E περιγράφει το εξωτερικό προς το δοκιμαστικό φορτίο πεδίο και όχι το πεδίο που παράγει αυτό το ίδιο το δοκιμαστικό φορτίο (q2).
Αν αντικαταστήσουμε στον ορισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδιού τον τύπο με τον οποίο υπολογίζουμε τη δύναμη από το νόμο του Coulomb, έχουμε: . Αυτό σημαίνει ότι ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει σε ένα σημείο ανεξάρτητα από το αν υπάρχει δοκιμαστικό φορτίο σε εκείνο το σημείο, αντίθετα από την περίπτωση της ηλεκτρικής δύναμης που υπάρχει μόνο όταν υπάρχει φορτίο που ασκεί και φορτίο που δέχεται δύναμη.
Επειδή δεν μπορούμε να αντιληφθούμε απ'ευθείας το ηλεκτρικό πεδίο με τις αισθήσεις μας,χρησιμοποιούμε τις δυναμικές γραμμές γι'αυτό το σκοπό.Ο πρώτος που εισήγαγε την έννοια των δυναμικών γραμμών ήταν ο Michael Faraday(1791-1867).Οι δυναμικές γραμμές είναι φανταστικές γραμμές που σχεδιάζουμε σε μία περιοχή το χώρου έτσι ώστε σε κάθε σημείο να εφάπτεται το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου σε εκείνο το σημείο. Οι ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές δείχνουν την κατεύθυνση του E σε κάθε σημείο.Απομακρύνονται από τα θετικά φορτία και καταλήγουν στα θετικά.Η πυκνότητα τους στο χώρο είναι ανάλογη του E.Σε κάθε σημείο, το ηλεκτρικό πεδίο έχει μία κατεύθυνση, οπότε από κάθε σημείο του χώρου περνάει μόνο μία δυναμική γραμμή.Δηλαδή, οι δυναμικές γραμμές δεν τέμνονται ποτέ.
[Επεξεργασία] Δείτε επίσης
[Επεξεργασία] Εξωτερικοί σύνδεσμοι
- Ιστοσελίδα με ιστορικά στοιχεία για την μελέτη του ηλεκτρισμού από την αρχαιότητα μέχρι το 18ο αιώνα
[Επεξεργασία] Βιβλιογραφία
- Ohanian,Φυσική τόμος Β',μετάφραση από Α.ΦΙΛΙΠΠΑ,εκδόσεις ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ
- Haliday-Resnick,Φυσική μέρος Β',μετάφραση από Πνευματικό-Πεπονίδη,Επιστημονικές και τεχνικές εκδόσεις Γ.Α.Πνευματικού
- Serway,PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS τόμος II-ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ,Απόδοση στα ελληνικά Λ.Ρεσβάνης
- Paul G. Hewitt,Οι έννοιες της Φυσικής τόμος II, πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, μετάφραση από Ελένη Σηφάκη
- Hugh D. Young,Πανεπιστημιακή Φυσική τόμος Β',εκδόσεις Παπαζήση