Κυριακή, 6 Σεπτεμβρίου 2009

ΞΕΚΙΝΑΜΕ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ

ΔΥΝΑΜΗ CΟULOMB
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Από που προέρχεται η λέξη ηλεκτρισμός ;
Από το ήλεκτρο
Τι ιδιότητα έχει το ήλεκτρο;
Όταν τρίβεται (ηλεκτρίζεται) έλκει ελαφρά αντικείμενα.
Αναφέρετε παραδείγματα σωμάτων που εκδηλώνουν ιδιότητες όμοιες με το Ήλεκτρο.
Το γυαλί, ο εβονίτης κτλ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ
Τι παθαίνει ένα σώμα όταν ηλεκτρίζεται;
Αποκτάει ηλεκτρικό φορτίο
Τι είναι το ηλεκτρικό φορτίο;
Ένα φυσικό μέγεθος (όπως η μάζα) που έχει την ιδιότητα να έλκει αλλά φορτία.
Μονάδα φορτίου είναι: 1Coulomb
Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;
Α) Το ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να είναι θετικό η αρνητικό.
Σωστή
Β) Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται ενώ τα ετερώνυμα έλκονται.
Σωστή
Διατυπώστε την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.
Το ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται.
ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ
Τ ι γνωρίζετε για τη φύση των σωματιδίων από τα οποία αποτελούνται τα άτομα;
Κάθε άτομο αποτελείται από ένα πυρήνα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια.
Ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πιο μικροσκοπικά σωματίδια, τα πρωτόνια και νετρόνια.
Το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή έχει μηδενικό φορτίο,
Το πρωτόνιο φέρει το στοιχειώδες θετικό ηλεκτρικό φορτίο clip_image002.
το ηλεκτρόνιο φέρει το στοιχειώδες αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο clip_image004.
Το συνολικό φορτίο του ατόμου είναι ίσο με το μηδέν, γιατί όσα πρωτόνια έχει στον πυρήνα του, τόσα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από αυτόν.
Κάθε άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο
Ποιο είναι το μικρότερο ηλεκτρικό φορτίο στη φύση και ποια είναι η τιμή του;
Το φορτίο του ηλεκτρονίου e-=-1,6.10-19C
Τι ονομάζεται ηλεκτρική αγωγιμότητα και πως ταξινομούνται τα σώματα με κριτήριο το <<αν επιτρέπουν η όχι την κίνηση φορτίων στο εσωτερικό τούς>>; Αναφέρεται παραδείγματα.
ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται η ικανότητα των σωμάτων να
επιτρέπουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα από την μάζα τους
τα σώματα που επιτρέπουν την κίνηση φορτίων στο εσωτερικό τους ονομάζονται Αγωγοί πχ μέταλλα χαλκός ,ημιαγωγοί πχ γερμάνιο,
τα σώματα που δεν επιτρέπουν την κίνηση φορτίων στο εσωτερικό τους ονομάζονται μονωτές πχ το ξύλο, γυαλί, πλαστικό, χαρτί.
Που οφείλεται η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων;
Στα ελεύθερα ηλεκτρόνια τους.
Τι γνωρίζετε για τα << ελεύθερα ηλεκτρόνια>> των μετάλλων;
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν ξεφύγει από τα άτομα του μετάλλου και κινούνται άτακτα στο εσωτερικό του
ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΗΣ
Πως είναι δυνατό να ανιχνευθεί η ηλεκτρική φόρτιση ενός σώματος;
Με το ηλεκτροσκόπιο.
Ποιοι οι τρόποι ηλέκτρισης;
Με τριβή, με επαφή, με επαγωγή.
Πότε ένα σώμα έχει θετικό φορτίο , πότε αρνητικό και πότε είναι ηλεκτρικά ουδέτερο;
έχει θετικό φορτίο όταν του λείπουν ηλεκτρόνια.
έχει αρνητικό φορτίο όταν έχει περισσότερα ηλεκτρόνια.
είναι ηλεκτρικά ουδέτερο όταν έχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων.
Εξηγείστε πως γίνεται η << Ηλέκτριση των σωμάτων>>;
Όταν τρίβεται ένα σώμα , φεύγουν ηλεκτρόνια από αυτό και φορτίζεται θετικά.
3.1. Δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων.
3.1.1. Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ COULOMB
Να διατυπώσετε το νόμο του Coulomb στον ηλεκτρισμό, σε ποια περίπτωση ισχύει και από τι εξαρτάται η σταθερά k;
Η δύναμη F που ασκείται μεταξύ δύο φορτίων q1 και q2 τα οποία βρίσκονται σε απόσταση r είναι ανάλογη με το γινόμενο των δύο φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης.
clip_image006
clip_image010
Έχει:
μέτρο:
clip_image008
Διεύθυνση: την ευθεία που ενώνει τα κέντρα των δύο φορτίων
Φορά: ελκτική αν τα φορτία είναι ετερόσημα και απωστική αν τα φορτία είναι ομόσημα.
Σημείο εφαρμογής: Τα σημειακά φορτία q1 και q2
Το Κ είναι μία σταθερά που εξαρτάται
α) Από το υλικό που υπάρχει μεταξύ των φορτίων (για το κενό Κ=9.109 N.m2/Cb2)
β) από το σύστημα μονάδων.
Τι ονομάζεται σημειακό φορτίο;
Όταν το φορτίο είναι συγκεντρωμένο σε ένα σημείο.
Ο νόμος του Coulomb ισχύει για οποιαδήποτε φορτισμένα σωματίδια;
Ο νόμος του Coulomb ισχύει ΜΌΝΟ για ακίνητα και σημειακά φορτία και για μικρούς ομοιόμορφους σφαιρικούς αγωγούς.
Να γίνει η γραφική παράσταση της δύναμης σε συνάρτηση με την απόσταση.
clip_image011
ΠΑΤΗΣΤΕ ΕΔΩ ΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΙΣ




3.1.2. Ηλεκτρικό πεδίο

Να δώσετε ένα ορισμό για το ηλεκτρικό πεδίο.

Ηλεκτρικό πεδίο είναι ο χώρος μέσα στον οποίο ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις, σε κάθε φορτίο που θα βρεθεί μέσα σε αυτόν.

clip_image001

Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από το φορτίο <<πηγή>> δεν εξαρτάται από το φορτίο <<υπόθεμα>>.

Εξηγείστε γιατί η δύναμη δεν είναι κατάλληλο μέγεθος για να περιγράψει το ηλεκτρικό πεδίο.

Γιατί εξαρτάται και από το υπόθεμα

Ποιο μέγεθος είναι κατάλληλο για να περιγράψει το ηλεκτρικό πεδίο.

η ένταση Ε ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο

Πως ορίζεται η ένταση ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο, τύπος, μονάδες και φυσική της σημασία.

clip_image002

Ένταση ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο ονομάζεται το φυσικό διανυσματικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο της δύναμης F που ασκείται σε κάθε φορτίο q (υπόθεμα) όταν βρεθεί σε ένα σημείο του πεδίου, προς το φορτίο αυτό.

Δηλαδή:

clip_image004

μέτρο:

clip_image006

Διεύθυνση: την διεύθυνση της δύναμης

clip_image007

Φορά: τη φορά της δύναμης όταν το φορτίο q είναι θετικό. .

Σημείο εφαρμογής:το σημείο που βρίσκεται το φορτίο q.

Μονάδα έντασης: 1 N / Cb.

Η ένταση δείχνει πόσο ισχυρό είναι το ηλεκτρικό πεδίο σε ένα σημείο.

Ποιο μέγεθος προϋπάρχει, η ένταση ή η δύναμη;

Η ένταση

Εξαρτάται η ένταση σε ένα σημείο από το <<υπόθεμα>>?

Όχι

Στον ορισμό της έντασης έχει καμιά σημασία αν πάρουμε θετικό ή αρνητικό υπόθεμα; (Γιατί συνήθως παίρνουμε θετικό υπόθεμα;)

Δεν έχει καμία σημασία. συνήθως παίρνουμε θετικό υπόθεμα για διευκόλυνση μας.

Τι ονομάζεται ηλεκτροστατικό πεδίο Coulomb; Να αποδειχθεί ο τύπος που μου δίνει την ένταση ηλεκτροστατικού πεδίου Coulomb. Από τι εξαρτάται η ένταση του ηλεκτροστατικού πεδίου Coulomb.

Έστω ότι έχω ένα σημειακό φορτίο + Q, τότε γύρω του υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το πεδίο ονομάζεται ηλεκτροστατικό πεδίο Coulomb.

clip_image008

Αν σε ένα σημείο Α του πεδίου, που απέχει απόσταση r από το Q, τοποθετήσω ένα άλλο σημειακό φορτίο q (υπόθεμα) τότε από το πεδίο θα του ασκηθεί δύναμη:

clip_image010

σύμφωνα με τον ορισμό της έντασης:

clip_image012

Από (1) και (2) έχω:

clip_image014

clip_image016

clip_image018

Η σχέση αυτή μας λέει ότι η ένταση σε ένα σημείο Α που απέχει απόσταση r από σημειακό ηλεκτρικό φορτίο Q είναι ανάλογη προς το φορτίο Q και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης.

»

Να γίνει η γραφική παράσταση της έντασης σε συναρτήσει με την απόσταση r από το φορτίο Q

clip_image019

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΗΜΕΙΑΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ (Πεδίου Goulomb)

Θεωρείστε ένα σημειακό φορτίο Q. Σε ένα σημείο Α του πεδίου φέρνουμε ένα υπόθεμα q (θετικό)

clip_image020

· Από πού δέχεται δύναμη το q?

Από το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί το Q.

Σχεδιάστε το διάνυσμα της δύναμης που δέχεται το q.

clip_image021

Υπολογίστε το μέτρο της δύναμης που δέχεται το υπόθεμα.

clip_image023

Σχεδιάστε το διάνυσμα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στο Α.

clip_image024

Υπολογίστε το μέτρο της έντασης στο Α.

clip_image018[1]

Σχεδιάστε το διάνυσμα της έντασης σε διάφορα σημεία του ηλεκτρικού πεδίου.

clip_image025

Είναι δυνατό να περιγράψουμε το ηλεκτρικό πεδίο παραστατικά δηλαδή να το απεικονίσουμε;

Ναι με τις ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές

Τι γνωρίζετε για τις ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές;

Ηλεκτρική δυναμική γραμμή ονομάζεται κάθε γραμμή που έχει την ιδιότητα το διάνυσμα της εντάσεως του ηλεκτρικού πεδίου, να είναι εφαπτόμενο σε κάθε σημείο της.

clip_image026

Οι δυναμικές γραμμές μας δείχνουν:

ακριβώς πώς είναι το πεδίο (σαν μια ακτινογραφία),

clip_image027

Ποιες ιδιότητες των δυναμικών γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου γνωρίζετε;

Είναι ανοιχτές, απομακρύνονται από τα θετικά φορτία και κατευθύνονται προς τα αρνητικά.

Όταν είναι πυκνές η ένταση του πεδίου έχει μεγάλο μέτρο (το πεδίο είναι ισχυρό), ενώ όταν είναι αραιές το πεδίο αδύνατο.

Δεν τέμνονται γιατί αν τέμνονταν, σε ένα σημείο θα είχαμε δύο εντάσεις του ηλεκτρικού πεδίου πράγμα που δεν ισχύει.

Να περιγράψετε με δυναμικές γραμμές τα παρακάτω ηλεκτρικά πεδία:

Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό φορτίο Q θετικό.

clip_image028

Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό φορτίο Q αρνητικό.

clip_image029

Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από δύο φορτία +Q--Q

Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από δύο φορτία +Q, +Q

Πώς θα κινηθεί ένα ηλεκτρικό φορτίο αν το αφήσουμε πάνω σε μια δυναμική γραμμή;

Αν είναι θετικό προς την φορά της δυναμικής γραμμής.

Τι ονομάζεται ομογενές και τι ανομοιογενές πεδίο ηλεκτρικό; Πως είναι οι δυναμικές γραμμές του καθενός;

Ομογενές ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται το πεδίο στο οποίο, σε κάθε σημείο του, το διάνυσμα της εντάσεως είναι σταθερό. Στο πεδίο αυτό οι δυναμικές γραμμές είναι παράλληλες.

clip_image031

Ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται το πεδίο στο οποίο η ένταση μεταβάλλεται από σημείο σε σημείο. Οι δυναμικές γραμμές δεν είναι παράλληλες.

clip_image032

Τι κίνηση θα κάνει ένα φορτίο q αν το αφήσουμε μέσα σε oμογενές ηλεκτρικό πεδίο;

Ομαλά επιταχυνόμενη, γιατί η ένταση και η δύναμη είναι σταθερές.

Τι κίνηση θα κάνει ένα φορτίο q αν το αφήσουμε μέσα σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο;

Επιταχυνόμενη, γιατί η ένταση και η δύναμη δεν είναι σταθερές.

πατηστε εδω για ασκησεις εντασης

3.1.3. Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια.

δυναμική ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων,

Έστω ακλόνητο ηλεκτρικό φορτίο Q το οποίο δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο, σε ένα σημείο Γ του πεδίου βρίσκεται ένα δοκιμαστικό φορτίo q

clip_image001

Το φορτίο q με την επίδραση της δύναμης F του πεδίου θα κινηθεί από το σημείο Γ στο άπειρο

Άρα η δύναμη του πεδίου παράγει έργο clip_image003

Ποια σχέση μου δίνει γενικά την δυναμική ηλεκτρική ενέργεια του συστήματος των δυο φορτίων;

clip_image005

Με τι ισούται το έργο της δύναμης του πεδίου για να μεταφερθεί το q από το σημείο Γ στο άπειρο;

clip_image007

Αρα με τι ισούται τελικά η δυναμική ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων

Δυναμική ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο σημειακών φορτίων ισούται με το πηλίκο του γινομένου των δύο φορτίων προς την απόστασή τους. Δηλαδή:

clip_image009

Σε ποιο φορτίο ανήκει τελικά η ενέργεια αυτή;

Στο q

Ποια είναι η φυσική σημασία της θετικής και ποια της αρνητικής δυναμικής ηλεκτρικής ενέργειας;

αν η δυναμική τους ενέργεια είναι θετική τα φορτία είναι ομώνυμα. Αυτό είναι συνέπεια των απωστικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Επομένως το έργο της δύναμης του πεδίου για τη μεταφορά ενός φορτίου q από το σημείο Γ, στο άπειρο είναι θετικό η παραγόμενο. (Το φορτίο πάει μόνο του στο άπειρο)

αν η δυναμική τους ενέργεια είναι αρνητική, τα φορτία είναι ετερώνυμα Αυτό είναι συνέπεια των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Επομένως το έργο της δύναμης του πεδίου για τη μεταφορά ενός φορτίου q από το σημείο Γ, στο άπειρο είναι αρνητικό η καταναλισκόμενο. . (το φορτίο δεν πάει μόνο του στο άπειρο)

3.1.4. Δυναμικό, διαφορά δυναμικού.

Να οριστεί το δυναμικό σε ένα σημείο Γ ηλεκτρικού πεδίου, μονάδες.

Δυναμικό σε ένα σημείο Γ ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο της ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας που έχει στο σημείο Γ ένα φορτίο q, προς το φορτίο αυτό. Δηλαδή: clip_image011

Δεύτερος ορισμός του δυναμικού:

Δυναμικό σε ένα σημείο Γ ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται το πηλίκο του έργού που παράγεται από τη δύναμη του πεδίου, κατά τη μεταφορά ενός φορτίου q από το σημείο Γ, στο άπειρο, προς το φορτίο αυτό.

Δηλαδή: clip_image013

Μονάδα δυναμικού είναι το 1 Volt

Να αποδειχθεί ο τύπος που μου δίνει το δυναμικό ηλεκτροστατικού πεδίου Coulomb. Από τι εξαρτάται το δυναμικό του ηλεκτροστατικού πεδίου Coulomb.clip_image001

Η δυναμική ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο σημειακών φορτίων ισούται με clip_image018 (1)

Το δυναμικό σε ένα σημείο που οφείλεται σε σημειακό φορτίο δίνεται και από τον τύπο:

clip_image020

clip_image022

clip_image024

Η σχέση αυτή μας λέει ότι το δυναμικό σε ένα σημείο Γ που απέχει απόσταση r από σημειακό ηλεκτρικό φορτίο Q είναι ανάλογη προς το φορτίο Q και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση.

Να γίνει η γραφική παράσταση του δυναμικού σε συναρτήσει με την απόσταση r από το φορτίο Q

clip_image025

Να οριστεί η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων ηλεκτρικού πεδίου,

Διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων Α και Β ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται το πηλίκο του έργου που παράγεται από το πεδίο, κατά τη μεταφορά, ενός σημειακού ηλεκτρικού φορτίου q, από το σημείο Α στο Β, προς το φορτίο αυτό.

Δηλαδή: clip_image027

Ποια η μονάδα της διαφοράς δυναμικού στο SI?

1 Volt = 1joule / C

Τι εκφράζει η διάφορα δυναμικού:

Η διάφορα δυναμικού εκφράζει την ενέργεια ανά μονάδα φορτίου

Πως συμβολίζεται η διαφορά δυναμικού και πως αλλιώς ονομάζεται?

Η διάφορα δυναμικού συμβολίζεται με V και ονομάζεται τάση.

Τι προκαλεί η τάση;

Η τάση προκαλεί κίνηση φορτίων (ηλεκτρικό ρεύμα)

Τα θετικά φορτία κινούνται από υψηλό δυναμικό σε χαμηλό

Δύο σημεία Α και Β βρίσκονται σε αποστάσεις rΑ και rΒ από το φορτίο πηγή Q Να υπολογίσετε τον τύπο που μου δiνει τη διαφορά δυναμικού VΑΒ

clip_image001

clip_image031 (1)

clip_image034 (2)

clip_image036

clip_image038

clip_image040

Τι γνωρίζεται για το ηλεκτρονιοβόλτ (eV)

Είναι μονάδα ενέργειας

Να υπολογιστεί η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ δύο παράλληλων μεταλλικών πλακών που βρίσκονται σε απόσταση l και διαφορά δυναμικούV

clip_image042

Βάζουμε δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες σε απόσταση l και τις συνδέουμε με ηλεκτρική πηγή, ώστε μεταξύ τους να υπάρχει διαφορά δυναμικού V. Η μία πλάκα είναι θετικά φορτισμένη και η άλλη αρνητικά. Ανάμεσά τους όπως ξέρουμε δημιουργείται ομογενές ηλεκτρικό πεδίο σταθερής έντασης Ε.

Αν τοποθετήσω ένα θετικό φορτίο + q κοντά στη θετική πλάκα τότε σε αυτό θα του ασκηθεί δύναμη

clip_image044 (1)

και το φορτίο q θα μεταφερθεί στην αρνητική πλάκα. Άρα η δύναμη F παράγει έργο:

clip_image046 (2)

όμως το έργο της F δίνεται και από τον εξής τύπο:

clip_image048 (3)

Από τις σχέσεις (2) και (3) clip_image050 clip_image052

ΠΑΤΗΣΤΕ ΕΔΩ ΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΙΣ