1) Σύσταση της ύλης
Η ύλη αποτελείται από άτομα. Τα άτομα αποτελούνται από : πρωτόνια τα οποία είναι θετικά φορτισμένα, ηλεκτρόνια τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα και νετρόνια τα οποία δεν έχουν φορτίο και μαζί με τα πρωτόνια αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου.
Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κάποιες τροχιές. Τα ηλεκτρόνια είναι περίπου 2.000 φορές ελαφρύτερα από τα πρωτόνια. Σε κανονική κατάσταση, όσα είναι τα πρωτόνια, τόσα είναι και τα ηλεκτρόνια.
2) Ουδέτερα και φορτισμένα σώματα
Σε κανονική κατάσταση, όσα είναι τα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτία) σε ένα σώμα, τόσα είναι και τα πρωτόνια (θετικά φορτία) στο σώμα. Έτσι το σώμα είναι αφόρτιστο (ουδέτερο) και δεν παρατηρείται κανένα φαινόμενο έλξης ή άπωσης με άλλα επίσης αφόρτιστα σώματα.
Αν με κάποιο τρόπο αφαιρεθούν ηλεκτρόνια από ένα σώμα τότε στο σώμα αυτό υπάρχει μεγαλύτερος αριθμός πρωτονίων (θετικά φορτία) και το σώμα λέμε ότι είναι θετικά φορτισμένο. Αν με κάποιο τρόπο προστεθούν ηλεκτρόνια σε ένα σώμα, τότε στο σώμα αυτό υπάρχει μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων (αρνητικά φορτία) και το σώμα λέμε ότι είναι αρνητικά φορτισμένο.
3) Φόρτιση σωμάτων με τριβή
Τρίβοντας το πλαστικό κάλυμμα στυλού με μια πλαστική λωρίδα παρατηρήθηκε ότι τα δύο σώματα φορτίστηκαν αντίθετα. Με την τριβή χωρίζονται φορτία και ηλεκτρόνια από το ένα σώμα περνάνε στο άλλο. Έτσι το ένα σώμα εμφανίζεται θετικά φορτισμένο και το άλλο αρνητικά. Η ενέργεια που απαιτείται για το χωρισμό των φορτίων δίνεται από τον άνθρωπο κατά τη διαδικασία της τριβής. Επίσης στη μηχανή Wimshurst με τριβή χωρίζονται φορτία, οδηγούνται ηλεκτρόνια στην μια σφαίρα, η οποία εμφανίζεται φορτισμένη αρνητικά, και η άλλη σφαίρα από την οποία λείπουν ηλεκτρόνια εμφανίζεται φορτισμένη θετικά και εδώ η απαιτούμενη ενέργεια δίνεται από τον άνθρωπο που γυρίζει τη μανιβέλα της μηχανής.
4) Φόρτιση σωμάτων με επαφή
Όταν ουδέτερο σώμα έρθει σε επαφή με φορτισμένο σώμα, έχουμε κίνηση ηλεκτρονίων από το ένα στο άλλο και σαν τελικό αποτέλεσμα το σώμα φορτίζεται ομόσημα με το ήδη φορτισμένο. (κίνηση ηλεκτρονίων από το φορτισμένο στο αρχικά ουδέτερο αν το σώμα είναι αρνητικά φορτισμένο, και αντίστροφα, αν είναι θετικά φορτισμένο).
5) Φόρτιση μονωτών και αγωγών
Μονωτής εμφανίζεται φορτισμένος, γιατί τα φορτία μένουν περιορισμένα στη θέση που τοποθετήθηκαν. Ο αγωγός πρέπει να κρατιέται με μονωτική λαβή, διαφορετικά ηλεκτρόνια θα κινηθούν προς ή από τη γη τελικά, μέσω του σώματός μας και έτσι θα γίνει ουδέτερος
6) Μπαταρία αποθήκη ενέργειας
Μέσα στην μπαταρία είναι αποθηκευμένη χημική ενέργεια. Για ίδιου τύπου μπαταρίες η ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας είναι ανάλογη του όγκου της μπαταρίας.
7) Τάση U (αίτιο τάσης)
Όταν κατασκευάστηκε η μπαταρία μέσα σ’ αυτήν έγιναν χημικές αντιδράσεις. Λόγω αυτών των αντιδράσεων γίνεται χωρισμός φορτίων στην μπαταρία. Αριθμός θετικών φορτίων συγκεντρώνεται στον ένα πόλο της μπαταρίας, ο οποίος φορτίζεται θετικά. Αρνητικά φορτία συγκεντρώνονται στον άλλο πόλο, ο οποίος έτσι φορτίζεται αρνητικά. Ο χωρισμός φορτίων σταματάει, όταν συγκεντρωθούν αρκετά, ώστε να απωθούν κάποιο νέο φορτίο.
Σε συγκεκριμένη μπαταρία, η τάση αντιστοιχεί στη διαφορά των συγκεντρωμένων φορτίων μεταξύ των πόλων. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διαφορά τόσο μεγαλύτερη γίνεται η τάση μεταξύ των πόλων της μπαταρίας. Ο χωρισμός των φορτίων εδώ γίνεται με δαπάνη της χημικής ενέργειας της μπαταρίας.
(Ανάλογα για την τάση μεταξύ των πόλων της Wimshurst, όπου όμως ο χωρισμός φορτίων γίνεται με τριβή και με δαπάνη ενέργειας του ανθρώπου.)
8) Αγωγοί – μονωτές
Μέσα στους μεταλλικούς αγωγούς υπάρχουν ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν φύγει από τα άτομα και μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα στη μάζα του μετάλλου (δεν ανήκουν δηλ. σε κάποιο συγκεκριμένο άτομο). Τα ηλεκτρόνια αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα άτομα από τα οποία έχουν φύγει αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν μείνει φορτισμένα θετικά – είναι δηλ. θετικά ιόντα. Στη μάζα λοιπόν των μετάλλων υπάρχουν θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στους μονωτές, δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια (ούτε προφανώς ιόντα).
9) Δημιουργία ρεύματος
Αν οι δύο πόλοι της μπαταρίας συνδεθούν μεταξύ τους με έναν αγωγό, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού απωθούμενα από τον αρνητικό πόλο (ομώνυμα απωθούνται) και ελκόμενα από το θετικό πόλο (ετερώνυμα έλκονται) κινούνται για να καλύψουν το έλλειμμα που υπάρχει στο θετικό πόλο.Δημιουργείται έτσι το ηλεκτρικό ρεύμα δηλ. ροή ηλεκτρονίων προς ορισμένη κατεύθυνση.
10) Τιμή του ρεύματος Ι – μονάδα μέτρησης (Α)
Το πόσα ηλεκτρόνια περνάνε από μια κάθετη τομή του αγωγού σε ένα δευτερόλεπτο μας δίνει την τιμή του ρεύματος. Λέμε ότι έχουμε ρεύμα Ι=1 Ampere, αν από μια τομή του αγωγού περνάνε 6,25*1018 ηλεκτρόνια σε ένα δευτερόλεπτο (δηλ. 600.000.000 δισεκατομμύρια περίπου). Το πόσα ηλεκτρόνια περνάνε από μια διατομή δοθέντος αγωγού στη μονάδα του χρόνου εξαρτάται από μια την ταχύτητα που έχουν τα ηλεκτρόνια.
Σταθερή λοιπόν τιμή ρεύματος σε έναν ισοπαχή αγωγού σχετίζεται με σταθερή ταχύτητα των ηλεκτρονίων. Αν όμως στα ηλεκτρόνια ενεργούν μόνο οι δυνάμεις έλξης-άπωσης που παραπάνω περιγράφηκαν θα είχαμε επιταχυνομένη κίνηση. Αυτό μας προτρέπει να ψάξουμε και για άλλη δύναμη που αντιτίθεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων, δηλ. πρέπει να βρούμε κάποια εμπόδια που δημιουργούν τριβές και φρενάρουν τα ηλεκτρόνια. Η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων δεν είναι τελείως ελεύθερη, γιατί υπάρχουν τα ιόντα του μετάλλου ανάμεσα στα οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια και με τα οποία συγκρούονται συναντώντας έτσι μια δυσκολία, μια τριβή, στην κίνησή τους.
11) Αντίσταση R
Αυτή η δυσκολία που βρίσκουν τα ηλεκτρόνια στην κίνησή τους προς μια ορισμένη κατεύθυνση, αποτελεί την αντίσταση R του αγωγού. Δηλ. η αντίσταση του μεταλλικού αγωγού οφείλεται στην “τριβή” των κινουμένων προς μια κατεύθυνση ηλεκτρονίων με τα ιόντα του αγωγού.
12) Νόμος του Ohm (U=I*R)
Σύμφωνα με τα μέχρι τώρα από το ένα μέρος έχουμε κάποιον να τραβάει (θετικός πόλος της μπαταρίας) και κάποιον να σπρώχνει (αρνητικός πόλος της μπαταρίας) τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αγωγού. Αυτή η έλξη και η άπωση είναι ανάλογη της περίσσειας και έλλειψης ηλεκτρονίων στους πόλους της πηγής δηλ. ανάλογη της τάσης U της μπαταρίας. Από το άλλο μέρος τα κινούμενα ηλεκτρόνια «τρίβονται» με τα ιόντα του αγωγού. Τελικά σαν αποτέλεσμα της έλξης-άπωσης αφ’ ενός και της “τριβής” αφ’ ετέρου τα ηλεκτρόνια του αγωγού αποκτούν κάποια σταθερή ταχύτητα, η οποία είναι ανάλογη του τραβάω-σπρώχνω (U) και αντιστρόφως ανάλογη του φρενάρω (R). Το πόσα ηλεκτρόνια θα περνάνε από μια κάθετη τομή του αγωγού στη μονάδα του χρόνου εξαρτάται από την ταχύτητά τους άρα το I είναι ανάλογο του U και αντιστρόφως ανάλογο του R.
13) Ροή ηλεκτρονίων
Η ταχύτητα ροής των ηλεκτρονίων είναι μικρή (mm/sec) ενώ η λάμπα ανάβει αμέσως. Η ταχύτητα που αποκτούν τα ηλεκτρόνια μέσα από τις διαδικασίες που έχουμε αναφέρει (έλξη-άπωση και τριβή) είναι μικρή. Επειδή όμως η έλξη προς το θετικό πόλο γίνεται ταυτόχρονα αισθητή από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια όλου του αγωγού, το ρεύμα αποκαθίσταται ακαριαία σε όλο το κύκλωμα.
14) Λειτουργία της μπαταρίας μέσα στο κύκλωμα
Με τη διαδικασία που περιγράφτηκε νωρίτερα (βλ.3) όταν φτάσουν ηλεκτρόνια στο θετικό πόλο της πηγής, προερχόμενα από τον αγωγό, έχουν φύγει ηλεκτρόνια από τον αρνητικό πόλο της πηγής στον αγωγό. Τι κάνει τώρα η μπαταρία; Στην μπαταρία γίνονται χημικές αντιδράσεις αποτέλεσμα των οποίων είναι ο χωρισμός φορτίων και η διατήρηση του αριθμού των συσσωρευμένων θετικών και αρνητικών φορτίων στο θετικό και αρνητικό πόλο αντίστοιχα. (Αντικαθιστά αυτά που έχουν φύγει από τον αρνητικό πόλο και εξαφανίζει αυτά που έρχονται στο θετικό).
α) Πώς η μπαταρία διατηρεί σταθερή την τάση μεταξύ των πόλων της;
Όπως αναφέρθηκε πως η χημική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην μπαταρία, χρησιμοποιείται μέσω των χημικών αντιδράσεων να επιβάλλει αρχικά τη διαφορά στη συσσώρευση φορτίου μεταξύ των πόλων της (τάση) και να διατηρεί αυτή σταθερή, άρα και την τάση σταθερή, όταν ροή φορτίου αποκαθίσταται σε κλειστό κύκλωμα. Όταν οι συνθήκες στο κύκλωμα αλλάζουν, αλλάζει ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εγκαταλείπει κάθε στιγμή τον αρνητικό πόλο (ή φτάνει κάθε στιγμή στο θετικό πόλο) της μπαταρίας. Η μπαταρία διατηρεί σταθερή τη διαφορά συσσωρευμένων φορτίων μεταξύ των πόλων της λόγω των διάφορων ταχυτήτων που μπορούν να πάρουν οι χημικές αντιδράσεις που γίνονται σ’ αυτήν. Έτσι η μπαταρία μπορεί να διατηρεί σταθερή τάση μεταξύ των πόλων της ακόμη και όταν οι συνθήκες στο κύκλωμα αλλάζουν και το ρεύμα αυξάνεται ή ελαττώνεται.
β) Γιατί τελειώνει η μπαταρία;
Η μπαταρία τελειώνει, γιατί χρησιμοποιεί τη χημική της ενέργεια, ώστε μέσω χημικών αντιδράσεων να επιβάλλει αρχικά τη διαφορά στη συσσώρευση φορτίων μεταξύ των πόλων της και να τη διατηρήσει όταν η ροή φορτίου αποκαθίσταται στο κύκλωμα. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η ροή φορτίου, δηλ. όσο μικρότερη είναι η R του κυκλώματος, τόσο περισσότερες χημικές αντιδράσεις πρέπει να γίνονται στη μονάδα του χρόνου (δηλ. τόσο περισσότερα φορτία πρέπει να χωρίζει κάθε στιγμή) και έτσι τελειώνει νωρίτερα.
γ) Πού οφείλεται η πτώση στην τιμή της τάσης της μπαταρίας;
Αν η αντίσταση του κυκλώματος δεν ταιριάζει με την τάση μεταξύ των πόλων της μπαταρίας, π.χ. αν η αντίσταση είναι μικρή, οι χημικές αντιδράσεις δεν μπορούν να τα βγάλουν πέρα με τη ροή φορτίου δηλ. δεν μπορούν να διατηρήσουν σταθερή τη διαφορά των συσσωρευμένων φορτίων μεταξύ των πόλων. Έτσι η διαφορά των συσσωρευμένων φορτίων μεταξύ των πόλων ελαττώνεται, άρα ελαττώνεται η τάση, οπότε ελαττώνεται και η ροή φορτίου στο κύκλωμα και επέρχεται ισορροπία.
(Τα φορτισμένα σωματίδια που είναι συσσωρευμένα στους πόλους ανέρχονται σε μερικές εκατοντάδες χιλιάδες, ενώ τα κινούμενα ανέρχονται σε μερικά εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων στο κάθε δευτερόλεπτο. Τα ακίνητα (στην πραγματικότητα στιγμιαίος σχηματισμός) όμως φορτία ρυθμίζουν τον αριθμό των κινουμένων. Σχετικά μικρή αύξηση ή μείωση των ακίνητων έχει σαν αποτέλεσμα μεγάλη αύξηση ή μείωση των διερχομένων από μια κάθετη τομή του αγωγού ανά δευτερόλεπτο).
Όταν άλλη ενέργεια δεν μπορεί να δοθεί από την μπαταρία παύει να υπάρχει η διαφορά συσσωρευμένων φορτίων μεταξύ των πόλων άρα και η τάση γίνεται μηδέν.
15) Πώς φωτοβολεί η λάμπα;
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια περνώντας μέσα από το σύρμα της λάμπας αλληλεπιδρούν με τα θετικά του ιόντα. Λόγω αυτής αλληλεπίδρασης το σύρμα ζεσταίνεται πολύ και φωτοβολεί.
16) Ηλεκτρολύτες
Οι ηλεκτρολύτες είναι σώματα τα οποία αποτελούνται από δύο αντίθετα φορτισμένα μέρη, τα οποία συγκρατούνται μεταξύ τους, και αποτελούν το σώμα, με δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσεως (Coulomb).
17) Ηλεκτρολυτική διάσταση
Όταν διαλυθεί ένας ηλεκτρολύτης στο νερό επειδή ελαττώνονται οι ασκούμενες δυνάμεις μεταξύ των δύο φορτισμένων μερών του, λόγω της επίδρασης του νερού, χωρίζεται σε δύο διαφορετικά μέρη. Έτσι μέσα στο διάλυμα έχουμε θετικά και αρνητικά ιόντα.
18) Δημιουργία ρεύματος σε υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών
Έστω ότι σε ένα γυάλινο δοχείο μέσα στο οποίο υπάρχουν κατάλληλα τοποθετημένες δύο μεταλλικές πλάκες (ηλεκτρόδια) έχουμε υδατικό διάλυμα ενός ηλεκτρολύτη. Συνδέουμε, με τη βοήθεια καλωδίων, τις μεταλλικές πλάκες με τους πόλους μιας μπαταρίας. Η μεταλλική πλάκα που είναι συνδεδεμένη με το θετικό πόλο της μπαταρίας φορτίζεται θετικά και λέγεται άνοδος, ενώ η συνδεδεμένη με τον αρνητικό πόλο φορτίζεται αρνητικά και λέγεται κάθοδος. Τώρα τα θετικά ιόντα που υπάρχουν στο διάλυμα κατευθύνονται προς την κάθοδο ελκόμενα από αυτήν και απωθούμενα από την άνοδο, τα αρνητικά αντίστοιχα κατευθύνονται προς άνοδο (θετικά φορτισμένη πλάκα). Έτσι μέσα στο διάλυμα δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο είναι κίνηση θετικά φορτισμένων ιόντων προς την κάθοδο και αρνητικά φορτισμένων ιόντων προς την άνοδο. Όταν φτάσουν εκεί τα ιόντα προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια (κάθοδος) ή δίνουν ηλεκτρόνια (άνοδος) και γίνονται ουδέτερα. Τα ηλεκτρόνια αυτά τελικά προσφέρονται ή προσλαμβάνονται από τη μπαταρία η οποία με τη βοήθεια χημικών αντιδράσεων κρατάει τη διαφορά συγκεντρώσεων σταθερή. Έτσι έχουμε ρεύμα στο κύκλωμα, το οποίο είναι κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση στους μεταλλικούς αγωγούς και κίνηση φορτισμένων ιόντων (αρνητικών προς την άνοδο και θετικών προς την κάθοδο) μέσα στο διάλυμα. Επειδή εδώ το ρεύμα είναι κίνηση ιόντων έχουμε μεταφορά ύλης, κάτι που δε συμβαίνει, όταν το ρεύμα είναι κίνηση ηλεκτρονίων (μέταλλα).
19) Ηλεκτρόλυση
Τα ουδέτερα τώρα άτομα, μόρια ή συμπλέγματα ατόμων που προέκυψαν στην άνοδο και την κάθοδο έχουν τις εξής δυνατότητες:
α) Να βγουν σαν μόρια αερίου
β) Να αποτεθούν, όπως έχουν, στη μεταλλική πλάκα
γ) Να αντιδράσουν με το υλικό της μεταλλικής πλάκας ή με το νερό και τα προϊόντα να μείνουν στο διάλυμα, να αποτεθούν στην πλάκα ή να βγουν στον αέρα.
Αφήστε μια απάντηση