Ηλεκτρική δύναμη και φορτίο

Αγαπητοί μαθητές του Γ3 και Γ4, αναρτώ εδώ τις σημειώσεις θεωρίας για το κεφάλαιο 1 της φυσικής. Μερικά τυπογραφικά δεν είναι και τέλεια αλλά έχετε και τυπωμένες τις ίδιες σημειώσεις με καλύτερη μορφοποίηση. Η καρτέλα για το φυσικό μέγεθος φορτίο δεν έχει ακόμα αναρτηθεί γιατί θέλω να συζητηθεί πρώτα στην τάξη. Οι απαντήσεις στις ερωτήσεις θα δοθούν μέσα στην τάξη, αλλά αν θέλετε κάτι να σχολιάσετε στις σημειώσεις και τις ερωτήσεις...μπορείτε και τώρα.


Τα φαινόμενα

Στο κεφάλαιο αυτό ασχολούμαστε με την ερμηνεία και περιγραφή φαινομένων που ονομάζονται ηλεκτροστατικά. Τέτοια φαινόμενα είναι:
-πολλές φορές τα μαλλιά μας «πετάνε» όταν χτενιζόμαστε και τα νιώθουμε να κολλάνε στη χτένα.
-η οθόνη της τηλεόρασης ή του υπολογιστή σκονίζεται πολύ πιο εύκολα από άλλα έπιπλα. Η σκόνη μοιάζει να κολλάει στην οθόνη.
-όταν βγάζουμε το μάλλινο πουλόβερ μας βλέπουμε τα μαλλιά μας να πετάνε και κάποιες φορές ακούμε κάποιους παράξενους ήχους και νιώθουμε να τιναζόμαστε.
-κάποιες φορές βγαίνοντας από το αυτοκίνητο, όταν πάμε να κλείσουμε την πόρτα, νιώθουμε να μας τινάζει.
-και βέβαια, όπως ξέρουμε και από το Δημοτικό, αν τρίψουμε τον πλαστικό χάρακα με ύφασμα, «τραβάει» μικρά κομμένα χαρτάκια.
Ονομάζουμε ηλεκτρισμένα τα σώματα που εμφανίζουν τέτοια συμπεριφορά. Λέμε, για παράδειγμα, ότι τα μαλλιά μας ηλεκτρίστηκαν.

Για την περιγραφή και την εξήγηση τέτοιων φαινομένων σημαντική είναι η έννοια του φορτίου. Για το φυσικό μέγεθος «φορτίο» μπορείς να δεις τη σχετική καρτέλα.

Χρησιμοποιώντας την έννοια του φορτίου μπορούμε να πούμε ότι ηλεκτρισμένα είναι τα σώματα που με κάποιο τρόπο απέκτησαν φορτίο. Τα ηλεκτρισμένα σώματα ασκούν δυνάμεις σε άλλα σώματα, ηλεκτρισμένα ή όχι. Οι δυνάμεις αυτές λέγονται ηλεκτρικές δυνάμεις και είναι δύο ειδών: ελκτικές και απωστικές. Το γεγονός ότι η ηλεκτρική δύναμη εμφανίζεται με δύο μορφές μας δείχνει ότι υπάρχουν δύο είδη φορτίου. Τα δύο διαφορετικά είδη φορτίου ονομάστηκαν θετικό και αρνητικό.
Ερώτηση 1
Γιατί επιλέχθηκε η ορολογία θετικό/αρνητικό αντί τα δύο διαφορετικά είδη φορτίων να ονομαστούν, για παράδειγμα, «άσπρο/μαύρο» ή «καλό/κακό»;

Ο τρόπος με τον οποίο τα σώματα αποκτούν φορτίο είναι η ηλέκτριση. Οι τρόποι ηλέκτρισης που θα περιγράψουμε και θα εξηγήσουμε κυρίως πιο κάτω είναι η ηλέκτριση με τριβή και η ηλέκτριση με επαφή.
Όπως κάθε φυσικό μέγεθος, το φορτίο μπορεί να μετρηθεί.
Όργανα με τα οποία ανιχνεύουμε και μετράμε χονδρικά το φορτίο είναι τα ηλεκτροσκόπια, όπως:
-το ηλεκτρικό εκκρεμές (σελ. 11 και Εικ. 1. 3, Εικ. 1.10 κ.λπ) και
-το ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα (σελ. 20, Εικ. 1.23).
Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το 1C (Κουλόμπ). Επειδή είναι μια πολύ μεγάλη μονάδα, χρησιμοποιούμε τα υποπολλαπλάσιά της:
1mC (μιλικουλόμπ)= 10-3 C
1μC  (μικροκουλόμπ)= 10-6 C
1nC (νανοκουλόμπ)= 10-9 C
1pC (πικοκουλόμπ)= 10-12 C

Τα προθέματα που χρησιμοποιούμε (μιλι, μικρο, κ.λπ) σημαίνουν πάντα την ίδια σχέση του υποπολλαπλάσιου με τη βασική μονάδα (εδώ το κουλόμπ).

Πώς δημιουργείται το φορτίο;

Φορτίο υπάρχει πάντα μέσα στα διάφορα υλικά, ακόμα κι αν δεν εκδηλώνουν συμπεριφορά ηλεκτρισμένου σώματος. Η ύπαρξη του φορτίου μέσα στα υλικά εξηγείται από τη δομή του ατόμου. Είναι γνωστό από τη Χημεία της Β΄ Γυμνασίου ότι ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από νετρόνια (ουδέτερα σωματίδια) και πρωτόνια (θετικά φορτισμένα σωματίδια). Γύρω από τον πυρήνα περιφέρονται τα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτισμένα σωματίδια). Επειδή:
α) το φορτίο του πρωτονίου είναι κατ’ απόλυτη τιμή ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου και
β) ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων,
το άτομο εμφανίζεται ουδέτερο. Το φορτίο εκδηλώνεται στα υλικά όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων των ατόμων που τα αποτελούν γίνει μεγαλύτερος (αρνητικό φορτίο) ή μικρότερος (θετικό φορτίο) από τον αριθμό των πρωτονίων των πυρήνων των ατόμων του υλικού (βλ. και σελ. 15, 16 του σχολικού). Για να εξηγήσουμε πώς ηλεκτρίζονται τα σώματα είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι μόνο τα ηλεκτρόνια (και κυρίως τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών στιβάδων) μπορούν να αποσπώνται από τα άτομα στα οποία ανήκουν. Τα πρωτόνια δεν είναι δυνατόν με απλές διαδικασίες της καθημερινής ζωής, όπως η τριβή, να απομακρυνθούν από τον πυρήνα. Έτσι το φορτίο οφείλεται πάντα στο πλεόνασμα ή το έλλειμμα των ηλεκτρονίων.
Ερώτηση 2
Τι σημαίνει κβάντωση ενός φυσικού μεγέθους; Γιατί λέμε ότι το φορτίο είναι κβαντισμένο (ή κβαντωμένο) μέγεθος;

Περιγραφή και ερμηνεία των τρόπων ηλέκτρισης
Α. Ηλέκτριση με τριβή
Πριν: δύο αφόρτιστα σώματα Α και Β.
Μετά: τα Α και Β αποκτούν ίσου μεγέθους αλλά αντίθετου προσήμου (ετερώνυμα) φορτία.
Μικροσκοπική ερμηνεία: ηλεκτρόνια φεύγουν από το ένα σώμα και περνάνε στο άλλο, λόγω της τριβής. Το σώμα που έχασε ηλεκτρόνια φορτίζεται θετικά, ενώ το σώμα που δέχθηκε ηλεκτρόνια φορτίζεται αρνητικά. Για να καθορίσουμε ποιο υλικό δίνει ηλεκτρόνια και ποιο παίρνει, χρήσιμος είναι ο Πίνακας 1.2, σελ. 17.
Ερώτηση 3
Να επαληθεύσετε της Αρχή Διατήρησης του φορτίου στην περίπτωση της ηλέκτρισης με τριβή.

Β. Ηλέκτριση με επαφή
Πριν: ένα φορτισμένο σώμα Α και ένα αφόρτιστο Β.
Μετά: και τα δύο σώματα έχουν φορτίο ίδιου προσήμου με το αρχικό φορτίο του Α (φορτίζονται ομώνυμα).
Η μικροσκοπική ερμηνεία είναι διαφορετική ανάλογα με το αν το Α είχε θετικό ή αρνητικό φορτίο.
Ερώτηση 4
Προσπαθήστε να δώσετε τη μικροσκοπική ερμηνεία στις δύο περιπτώσεις.

Ερώτηση 5
Να επαληθεύσετε την Αρχή Διατήρησης του φορτίου στην περίπτωση της ηλέκτρισης με επαφή. Το φορτίο του Α σώματος μοιράζεται πάντα εξίσου στα σώματα Α και Β; Πότε συμβαίνει αυτό; Ποια πρακτική συνέπεια είχε αυτή η διαπίστωση στην ανακάλυψη του νόμου του Coulomb;

Εξηγώντας την ηλέκτριση με επαφή, αναφέραμε ότι τα ηλεκτρόνια αν και απωθούνται μεταξύ τους στο αρχικά φορτισμένο αρνητικά σώμα δεν μπορούν να απομακρυνθούν μέσω του αέρα που περιβάλλει το σώμα. Αυτό συμβαίνει γιατί ο αέρας είναι μονωτής. Τα υλικά διακρίνονται σε αγωγούς και μονωτές ανάλογα με το αν επιτρέπουν στο φορτίο να διασκορπίζεται σε όλη την έκτασή τους (αγωγοί) ή αν διατηρούν εντοπισμένο το φορτίο μόνο στην περιοχή που φορτίστηκε (μονωτές) (Διάβασε στη σελ. 19 σχολικού βιβλίου ποια υλικά είναι αγωγοί και ποια μονωτές).