Έχεις ηλεκτριστεί ποτέ; Έχεις νιώσει να σε τινάζει πχ η πόρτα του αυτοκινήτου; Τι συμβαίνει;
Γνωρίζεις τα αποτελέσματα του ηλεκτρισμού; Έχουμε στο σπίτι μας κάτι που να έχει σχέση με τον ηλεκτρισμό; Γνωρίζεις πότε ανακαλύφθηκε ο ηλεκτρισμός;
Ο ηλεκτρισμός ήταν γνωστός από την αρχαιότητα. Ο Θαλής ο Μιλήσιος παρατήρησε ότι το κεχριμπάρι αποκτούσε την ιδιότητα να έλκει ελαφρά αντικείμενα αν το έτριβε με ένα μάλλινο ύφασμα.
Κάνε το πείραμα: Βάλε σε ένα πιάτο λίγη ζάχαρη. Φούσκωσε ένα μπαλόνι, τρίψε το με ένα μάλλινο ύφασμα ή με τα μαλλιά σου. Βάλε το μπαλόνι κοντά στη ζάχαρη. Τι διαπιστώνεις; Μπορείς να το δεις και εδώ!
Πάρε τώρα δύο μπαλόνια και τρίψε τα μεταξύ τους. Τι γίνεται τώρα; Ποια η διαφορά με το προηγούμενο πειραματάκι;
Πώς θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο;
Φαίνεται ότι η ύλη έχει μια ιδιότητα να έλκει ή να απωθεί κάποια άλλη. Άρα έχουμε δύο ειδών φορτία. Θετικά και αρνητικά.
Ας σκεφτούμε το άτομο Στον πυρήνα βρίσκονται τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα. Τα ηλεκτρόνια είναι έξω από τον πυρήνα και είναι φορτισμένα αρνητικά. Όταν τρίβουμε το μπαλόνι με το μαλλί αποσπούμε ηλεκτρόνια από το μαλλί. Φορτίζουν αρνητικά το μπαλόνι και έτσι αυτά έλκουν τη ζάχαρη η οποία είναι πολύ ελαφριά. Αν τρίψουμε όμως και τα δύο μπαλόνια με το μαλλί τώρα αποκτούν και τα δύο περίσσεια ηλεκτρονίων οπότε αν τα βάλουμε κοντά θα απωθούνται.
Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, τα ετερώνυμα φορτία έλκονται.
Αν θέλεις παίξε με την εφαρμογή του phet.
- Θερμικά
- ηλεκτρομαγνητικά
- χημικά
- φωτεινά
Η μπαταρία πάνω δείχνει πχ 4.5 V. (volt) Τι σημαίνει αυτό;
Η μπαταρία δίνει ενέργεια σε κάθε ηλεκτρόνιο. Για αυτόν τον λόγο τα ηλεκτρόνια κινούνται. Στην μπαταρία η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική.
Ανοικτά και κλειστά κυκλώματα. Πώς τα σχεδιάζουμε;
Μπορείτε να σχεδιάσετε κυκλώματα με την παρακάτω εφαρμογή:
Αντίσταση διπόλου
Οι συσκευές που διαθέτουμε ονομάζονται και δίπολα γιατί διαθέτουν δύο άκρα (πόλους) με τα οποία συνδέονται στο ηλεκτρικό κύκλωμα.
Εάν στην συσκευή εφαρμόσουμε τάση V στα άκρα της, θα διέλθει από το
δίπολο ηλεκτρικό ρεύμα έντασης Ι. Αν αλλάξουμε την τάση θα αλλάξει και η ένταση του ρεύματος.
Τύπος για αντίσταση διπόλου: R=V/I
Ας δούμε την προσομοίωση
α) Αλλάξτε μόνο την τιμή της τάσης V. Τι παρατηρείτε όσον αφορά την ένταση του ρεύματος Ι;
β) Αλλάξτε την τιμή του R (αντίσταση). Τώρα αλλάξτε ξανά την τάση V. Τι παρατηρείτε όσον αφορά την ένταση του ρεύματος Ι;
Μονάδα μέτρησης αντίστασης: Ω (ομ)
Πείραμα μέτρησης της αντίστασης και επαλήθευσης του νόμου του Ohm: Με τη βοήθεια της προηγούμενης προσομοίωσης συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα:
|
V (Volt) |
I (mA) |
R=V/I (Ω) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Άσκηση: Δίνεται αντίσταση 60Ω η οποία διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι=10Α. Πόση είναι η τάση η οποία εφαρμόζεται στην αντίσταση αν υποθέσουμε αμελητέα αντίσταση των καλωδίων;
Πώς μπορούμε να συνδέσουμε δύο αντιστάσεις; Με πόσους διαφορετικούς τρόπους;
Εδώ θα πρέπει να μιλήσουμε για τη σύνδεση σε σειρά και την παράλληλη σύνδεση των αντιστατών.
Συνδεσμολογία αντιστατών είναι το σύνολο των αντιστατών που είναι συνδεδεμένοι με κάποιο τρόπο.
Ας αρχίσουμε με ένα απλό κύκλωμα το οποίο έχει μπαταρία τάσης 9V και έναν λαμπτήρα αντίστασης 10Ω
Βρίσκουμε από τον νόμο του Ohm ότι I=V/R=9/10=0,9 A . Αυτήν την τιμή μας τι δίνει και το αμπερόμετρο της προσομοίωσης.
Σύνδεση σε σειρά:
Ας δούμε τώρα δύο αντιστάσεις σε σειρά, σε κύκλωμα με τα ίδια χαρακτηριστικά: V=9V και R1=10 Ω, και R2=10 Ω.
Στη δεύτερη περίπτωση η συνολική αντίσταση ή ισοδύναμη αντίσταση είναι Roλ=R1+R2=20 Ω,
και με τη βοήθεια του νόμου του Οhm βρίσκουμε Ι=V/Rολ=9/20=0,45 Α.
Όπου και αν μετρήσουμε το ρεύμα του κυκλώματος θα το βρούμε ότι είναι το ίδιο ίσο με 0,45 Α.
Η τάση στα άκρα κάθε αντίστασης θα είναι V1=I*R1=0,45*10=4,5 V και V2=I*R2=0,45*10=4,5 V.
Διαπιστώνουμε ότι V1+V2=V δηλαδή: 4,5+4,5=9V.
Παράλληλη συνδεσμολογία:
Ας δούμε τώρα ένα κύκλωμα με δύο αντιστάσεις να έχουν συνδεθεί παράλληλα και με μια μπαταρία (πηγή)
όπως η διπλανή εικόνα.
Στα δύο σημεία που έχουμε τοποθετήσει τους ακροδέκτες του βολτόμετρου ισχύει Ι=Ι1 + Ι2 όπου Ι1 η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος της R1, το Ι2 είναι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος της R2 και Ι είναι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος της ισοδύναμης αντίστασης.
Η ισοδύναμη αντίσταση δίνεται από τον τύπο Roλ=R1*R2/(R1+R2)
Η τάση στα άκρα της R1 είναι V1=I1*R1, η τάση στα άκρα της R2 είναι V2=I2*R2
Όπως παρατηρούμε V1=V2=V
Κεφάλαιο 3: Ηλεκτρική ενέργεια
Η ηλεκτρική ενέργεια μας είναι απαραίτητη στη ζωή μας. Ξέρουμε όμως πώς αυτή παράγεται και πώς έρχεται στα σπίτια μας;
Μπορείτε να δείτε εδώ: βίντεο.
Μερικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η
- εύκολη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις και
- η μετατροπή της σε άλλες μορφές ενέργειας. (πχ από δυναμική ή χημική)
Βάζοντας μια ηλεκτρική συσκευή στην πρίζα του ηλεκτρικού δικτύου του σπιτιού μας παρατηρούμε ότι αρχίζει να θερμαίνεται. Γιατί συμβαίνει αυτό; Δείτε εδώ: βίντεο.
Παρατηρήστε πώς θερμαίνονται τα διαφορετικά υλικά. Φαινόμενο Joule (Τζάουλ) έχουμε ονομάσει το φαινόμενο στο οποίο ο αντιστάτης θερμαίνεται (η θερμοκρασία του αυξάνεται) όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Εφαρμογές του φαινομένου Τζάουλ:
- λαμπτήρες πυρακτώσεως
- ηλεκτρική κουζίνα, ηλεκτρικός θερμοσίφωνας κτλ
- τηκόμενη ασφάλεια
Βραχυκύκλωμα δημιουργείται σε ένα κύκλωμα αν οι πόλοι μας ηλεκτρικής πηγής συνδεθούν με αγωγό πολύ μικρής αντίστασης. Το ηλεκτρικό ρεύμα θα περάσει μέσα από τον αγωγό της μικρής αντίστασης το οποίο θα είναι πολύ μεγάλο (σκεφτείτε τον νόμο του Ohm), θα θερμανθεί πολύ και υπάρχει πιθανότητα να λιώσουν τα καλώδια και να καταστραφεί το κύκλωμα. Για να προστατέψουμε τις συσκευές μας τοποθετούμε ασφάλειες.
Πώς μπορούμε να κάνουμε βραχυκύκλωμα; Πάρτε ένα ατσαλόσυρμα και μια μπαταρία. Με προσοχή!
Μαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος
Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί μαγνητικά φαινόμενα. Αυτό ανακαλύφθηκε τυχαία από τον Έρστεντ (1820).
Το πείραμα του Έρστεντ:
Παίρνουμε ένα καλώδιο από ένα κλειστό κύκλωμα και το τοποθετούμε κοντά σε μια πυξίδα. Ο ηλεκτροφόρος αγωγός μπορεί να κινήσει τη μαγνητική βελόνα στη πυξίδα. Τα κινούμενα ηλεκτρόνια του ηλεκτροφόρου αγωγού (του καλωδίου) δημιουργούν μαγνητικό πεδίο και για αυτόν τον λόγο μπορούν να κινήσουν τη μαγνητική βελόνα.
Άρα τα κινούμενα ηλεκτρόνια δημιουργούν και ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. (Πεδίο είναι ο χώρος μέσα στον οποίο ασκούνται δυνάμεις). Δεν υπάρχουν μαγνητικά φορτία. Υπάρχουν μόνο ηλεκτρικά (θετικά και αρνητικά).
Αν θέλουμε να αυξήσουμε τη μαγνητική δύναμη ενός ρευματοφόρου αγωγού χρησιμοποιούμε πολλούς αγωγούς μαζί. (πχ κυκλικούς). Αυτό το πετυχαίνουμε αν πάρουμε ένα χάλκινο σύρμα τυλίγοντάς το σε έναν μονωμένο κύλινδρο. Αυτή την κατασκευή την ονομάζουμε πηνίο ή σωληνοειδές.
Αν το σύρμα αυτό διαρρέεται από ρεύμα (πχ βάζουμε τα άκρα του πηνίου σε μια μπαταρία) τότε το σύρμα θα συμπεριφέρεται ως μαγνήτης.
Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος
Η ενέργεια που καταναλώνει μια συσκευή Ε ( μονάδες μέτρησης J) ισούται με
E= V* I* t (όπου V, η τάση στα άκρα της συσκευής (μον. μέτρησης V) , Ι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τη συσκευή (μον. μέτρησης Α) και t ο χρόνος που λειτουργεί η συσκευή (μον. μέτρησης s ).
Η ισχύς μιας συσκευής είναι ο ρυθμός με τον οποίο καταναλώνει ενέργεια η συσκευή.
P=E/t=V*I*t/t=V*I
Καταλαβαίνουμε ότι αυτές οι κινήσεις είναι επαναλήψιμες. Τα σώματα δηλαδή γυρνάνε στην αρχική τους θέση έπειτα από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.
Γενικά αυτές τις κινήσεις τις ονομάζουμε περιοδικές (όπως πχ η κίνηση της Γης γύρω από τον ήλιο).
Όταν το σώμα κινείται ανάμεσα σε δύο οριακές θέσεις τότε την κίνηση αυτή την ονομάζουμε ταλάντωση.
Το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ώστε να ολοκληρωθεί μια επανάληψη του φαινομένου ονομάζεται περίοδος (Τ).
Ας δούμε μια ταλάντωση πχ κρεμάστε μια γόμα από ένα σκοινάκι και ταλαντώστε την για να εξερευνήσετε την κίνηση της γόμας. Αν δεν έχετε γόμα (λίγο δύσκολο αλλά ίσως την έχετε χάσει!) δοκιμάστε την παρακάτω προσομοίωση (πατήστε το intro). Δείτε κάτω από την προσομοίωση κάποιες οδηγίες.
Ας κρατήσουμε σταθερό το μήκος αρχικά και ας βρούμε την περίοδο της ταλάντωσης για μικρή γωνία εκτροπής:
Μην ξεχνάμε περίοδος Τ= συνολικός χρόνος 10 ταλαντώσεων (s) / 10
| γωνία (σε μοίρες) | συνολικός χρόνος 10 ταλαντώσεων (s) | Περίοδος (s) |
| 3 | ||
| 6 | ||
| 9 |
τι παρατηρείτε όσον αφορά την περίοδο σε αυτές τις τρεις περιπτώσεις;
Ας δούμε τώρα για τρεις διαφορετικές μάζες την περίοδο ταλάντωσης και ας βάλουμε γωνία εκτροπής 9 μοίρες σε όλες τις περιπτώσεις. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα:
| μάζα (Κg) | συνολικός χρόνος 10 ταλαντώσεων (s) | Περίοδος (s) |
| 0.5 | ||
| 1.0 | ||
| 1.5 |
τι παρατηρείτε όσον αφορά την περίοδο σε αυτές τις τρεις περιπτώσεις;
Ένα άλλο χρήσιμο φυσικό μέγεθος είναι η συχνότητα (f). Αυτό το φυσικό μέγεθος μας δείχνει πόσο συχνά ή όχι γίνεται ένα περιοδικό φαινόμενο. Πχ πόσο συχνά περνάει το λεωφορείο από το σχολείο. Αν περνάει μια φορά κάθε μισή ώρα, αυτό σημαίνει ότι περνάει συχνά. Αν αντίθετα περνάει ένα λεωφορείο κάθε πέντε ώρες μάλλον δεν θα λέγαμε το ίδιο...
Έτσι λοιπόν αν θέλουμε να δούμε πόσο συχνό είναι ένα περιοδικό φαινόμενο όπως η κίνηση του εκκρεμούς εισάγουμε το φυσικό μέγεθος της συχνότητας (f).
f=N/Δt (όπου Ν ο αριθμός των πλήρων ταλαντώσεων προς το χρονικό διάστημα Δt στο οποίο πραγματοποιούνται οι ταλαντώσεις).
Μονάδες μέτρησης για τη συχνότητα είναι τα χερτζ (Hz).
Αν σκεφτούμε ότι ο χρόνος που πραγματοποιείται μια ταλάντωση είναι η περίοδος (Τ) τότε βλέπουμε ότι ισχύει άλλος ένας τύπος (απλή αντικατάσταση του προηγούμενου τύπου είναι):
f=1/T
(Προσοχή, το Τ και το Δt πρέπει να είναι σε μονάδες s)
Με το κύμα μεταφέρεται ενέργεια. Έχουμε τριών ειδών μηχανικά κύματα.
Τα εγκάρσια, τα διαμήκη και τα επιφανειακά.
Περιηγηθείτε στις τρεις παρακάτω προσομοιώσεις για να δείτε τις διαφορές τους.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου