Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Φυσική στην Γ΄ Γυμνασίου.

Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ 3

Τα σχετικά με ηλεκτρικό φορτίο ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ – τα οποία αργότερα χαρακτηρίστηκαν ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ – ερευνήθηκαν τον 18ο αιώνα και η έννοια ΠΕΔΙΟ με την οποία προτάθηκε μια διαφορετική ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ των φαινομένων επινοήθηκε τον 19ο αιώνα .

Καμία όμως ΘΕΩΡΙΑ η οποία θα μπορούσε να συσχετίζει τα φαινόμενα με τη ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ δεν είχε κάνει την εμφάνισή της μέχρι και τα τέλη του 19ου αιώνα.

Εκατό χρόνια μετά τον νόμο του Coulomb οι φυσικοί δεν διέθεταν ακόμα μια πειστική θεωρία ικανή να εξηγεί για τα ηλεκτρικά φαινόμενα.

Στην αυγή του 19ου αιώνα διατυπώθηκε μια θεωρία για τη ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

η οποία έδειχνε ότι θα συμβάλει στην οικοδόμηση της Χημείας, αν και καθυστέρησε ένα περίπου αιώνα μέχρι να εδραιωθεί.

Ήταν η λεγόμενη ΑΤΟΜΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ η οποία πρότεινε

έναν αόρατο ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟ

με αδιάκοπα κινούμενα σωματίδια, τα ΜΟΡΙΑ.

Κάθε μόριο θεωρούσε ότι αποτελείται

από αόρατα και ασύλληπτα μικρά σωματίδια, τα ΑΤΟΜΑ

Το ΑΤΟΜΟ θεωρήθηκε στοιχειώδες,

σωματίδιο δηλαδή που δεν συγκροτείται από άλλα σωματίδια .

Το 1897 έγινε η μεγάλη ανατροπή.

Ο Άγγλος J.J. Thomson, βασιζόμενος σε πειραματικά δεδομένα, υποστήριξε ότι

στο οποίο δόθηκε, σε γλώσσα αγγλική, το όνομα electron – ήλεκτρον.

Στην ελληνική γλώσσα αποδόθηκε ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ

Το νεογέννητο, για την ανθρώπινη σκέψη, αυτό ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ

θα έπρεπε να είναι ένα χωρίς προηγούμενο «πιτσιρίκι»

με μάζα 1800 φορές μικρότερη από τη μάζα του ελαφρότερου ΑΤΟΜΟΥ,

του μικρότερου δηλαδή όντος που είχε συλλάβει, μέχρι τότε, ο ανθρώπινος νους

Το ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ έγινε τελικά ένας από τους μεγαλύτερους

πρωταγωνιστές στην οικοδόμηση της Φυσικής του 20ου αιώνα

Επάνω του θεμελιώθηκε η ΧΗΜΕΙΑ και ο ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ

συνδέθηκε με τη δημιουργία του ΦΩΤΟΣ

και συγχρόνως έγινε βασικό στοιχείο των μοντέλων για το ΑΤΟΜΟ,

το οποίο έπαψε να θεωρείται στοιχειώδες και οι φυσικοί

άρχισαν να αναζητούν την εσωτερική ΔΟΜΗ του

για να οδηγηθούν -1911- στη ΘΕΩΡΙΑ ότι

κάθε άτομο αποτελείται από ένα πυρήνα με θετικό φορτίο και ηλεκτρόνια

η οποία στα χρόνια που ακολούθησαν εμπλουτίστηκε με την θεώρηση

ότι ο πυρήνας συγκροτείται από πρωτόνια και νετρόνια

Κάθε ΠΡΩΤΟΝΙΟ έχει ΘΕΤΙΚΟ ηλεκτρικό φορτίο

το οποίο θεωρείται ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου

Το ηλεκτρικό φορτίου όλου του Σύμπαντος «μεταφέρεται» από δύο σωματίδια, το ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ και το ΠΡΩΤΟΝΙΟ

Το οποιοδήποτε δηλαδή φορτίο

είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του φορτίου e

Την πρώτη δεκαετία του 20ου αιώνα

η τιμή του φορτίου e μετρήθηκε ίση με 1,6/10¹⁹ C

Σε κάθε ΑΤΟΜΟ ΟΥΔΕΤΕΡΟ υπάρχουν

ισάριθμα πρωτόνια και ηλεκτρόνια

Στο πρώτο μοντέλο που προτάθηκε, το 1913,

για το άτομο του υδρογόνου,

το ΕΝΑ ηλεκτρόνιο περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα,

ο οποίος είναι ΕΝΑ πρωτόνιο

Την ίδια περίπου εποχή διατυπώθηκε και

μια ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

σύμφωνα με την οποία

ΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΕΧΟΥΝ ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ

Τι θα πει

«ελεύθερα ηλεκτρόνια » ;

Τι είδους ελευθερία τους προσφέρεται;

Είναι ελεύθερα να κάνουν τι ;

Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου, όπως το άτομο του Αζώτου, ανήκουν κατά κανόνα στο άτομο. Βρίσκονται υπό την κηδεμονία του ατομικού πυρήνα. Θεωρούνται ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ. Στην περίπτωση όμως ατόμων όπως εκείνο του Χαλκού, υπάρχουν ηλεκτρόνια που αλητεύουν χωρίς να επιδρά πάνω τους το θετικό φορτίο του πυρήνα. Και αυτό συμβαίνει με κάθε μέταλλο. Έχει ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ.

Δηλαδή στον Μικρόκοσμο του γυαλιού,

του χαρτιού, του πλαστικού χάρακα

και του ξύλου δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια ;

Περίπου. Υπάρχουν αλλά είναι ελάχιστα

Γενικεύοντας μπορούμε να πούμε ότι

οι ΑΓΩΓΟΙ έχουν ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ενώ οι ΜΟΝΩΤΕΣ δεν έχουν.

Η διαφορά αυτή καθορίζει την αντίστοιχη συμπεριφορά τους

Με βάση τις ΘΕΩΡΙΕΣ αυτές για τον Μικρόκοσμο της ύλης- τη θεωρία

για τη Δομή του ατόμου και τη Ηλεκτρονική Θεωρία-

μπορούμε να ΕΞΗΓΗΣΟΥΜΕ τα ηλεκτρικά – ηλεκτροστατικά – ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

Αυτό που κάνει ένα αντικείμενο να είναι ΑΡΝΗΤΙΚΑ φορτισμένο

είναι το ότι τα ηλεκτρόνια του είναι συνολικά περισσότερα από τα πρωτόνια

Αυτό που κάνει ένα αντικείμενο να είναι ΘΕΤΙΚΑ φορτισμένο είναι ότι

τα ότι τα ηλεκτρόνια του είναι συνολικά λιγότερα από τα πρωτόνια

Η φόρτιση κάθε σώματος

έχει σχέση

με μετανάστευση

είτε ηλεκτρονίων ατόμου

είτε ελεύθερων ηλεκτρονίων

και όχι με μετανάστευση πρωτονίων

Καθώς τρίβουμε το γυαλί με ύφασμα από μετάξι, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ του γυαλιού μεταναστεύουν στο μετάξι. Το γυαλί με έλλειψη ηλεκτρονίων έχει θετικό φορτίο – υπερισχύει το φορτίο του πυρήνα – ενώ το μετάξι με περίσσευμα ηλεκτρονίων έχει φορτίο αρνητικό και ίσο με το φορτίο του γυαλιού .

Καθώς τρίβουμε τον πλαστικό χάρακα με μάλλινο ύφασμα, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ του μάλλινου υφάσματος μεταναστεύουν στον πλαστικό χάρακα. Ο χάρακας με περίσσευμα ηλεκτρονίων έχει αρνητικό φορτίο ενώ το μάλλινο με έλλειψη ηλεκτρονίων έχει φορτίο θετικό και ίσο με το φορτίο του γυαλιού .

Τα φαινόμενα εξελίσσονται δηλαδή μόνο με μετακίνηση κάποιων ηλεκτρονίων

με αποτέλεσμα να ι ΔΙΑΤΗΡΕΙΤΑΙ το συνολικό φορτίο του συστήματος γυαλί- ύφασμα όπως και του συστήματος χάρακας-ύφασμα.

Είναι ίσο με μηδέν όσο δηλαδή ήταν πριν να τρίψουμε .

Η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ εναρμονίζεται με τη ΘΕΩΡΙΑ

ότι τα γεγονότα συντελούνται μόνο με μετανάστευση ηλεκτρονίων

Η ηλέκτριση με τριβή είναι και ΦΟΡΤΙΣΗ των σωμάτων τα οποία τρίψαμε

Καθώς τρίβουμε το γυαλί με μετάξι,

ηλεκτρόνια του γυαλιού

μεταναστεύουν προς το μετάξι .

Γιατί δεν συμβαίνει το αντίθετο ;

Ορισμένα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου είναι περισσότερο απομακρυσμένα από τον πυρήνα σε σχέση με τα υπόλοιπα .

Τα «εξωτερικά» αυτά ηλεκτρόνια είναι αυτά που ενδιαφέρουν τόσο τη ΧΗΜΕΙΑ όσο και τον ΣΤΑΤΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ

Ο ατομικός πυρήνας, με το θετικό του φορτίο, συγκρατεί τα εξωτερικά ηλεκτρόνια.

Σε ορισμένα άτομα τα συγκρατεί ισχυρότερα σε σχέση με αυτό που συμβαίνει σε άλλα άτομα

Τα ηλεκτρόνια στο γυαλί συγκρατούνται ασθενέστερα σε σχέση με τα ηλεκτρόνια στο μετάξι.

Για να το περιγράψουν αυτό οι φυσικοί λένε

«ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ ΛΙΓΟΤΕΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΙΑ ΝΑ ΞΕΚΟΛΛΗΣΕΙΣ ΕΝΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ» από το γυαλί

Καθώς τρίβουμε το γυαλί με μετάξι είναι ενεργειακά πιο εύκολο

να ξεκολλήσουν ηλεκτρόνια από τα άτομα του γυαλιού. Και αυτό συμβαίνει.

Αντίστοιχα απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να ξεκολλήσει ηλεκτρόνιο από τον πλαστικό χάρακα από το ύφασμα, οπότε καθώς ο χάρακας τρίβεται με ύφασμα συμβαίνει μετανάστευση των ηλεκτρόνίων του πλαστικού χάρακα και όχι το αντίθετο.

Σε άτομα μάλιστα των μετάλλων συμβαίνει να υπάρχουν ηλεκτρόνια που δεν συγκρατούνται από τον πυρήνα και αυτά είναι βέβαια τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Στον εικοστό αιώνα έχουν γίνει διάφορες προτάσεις για τη σειρά των υλικών ανάλογα με το «πόσο δύσκολο» είναι

- πόση ενέργεια απαιτείται – για να ξεκολλήσεις τα ηλεκτρόνια καθενός από αυτά.

1	Δέρμα
2	Γούνα λαγού
3	Για όσα βρίσκονται στο πάνω μέρος της λίστας η ενέργεια είναι λιγότερη και καθώς «κατηφορίζουμε» η απαιτούμενη ενέργεια είναι όλο και περισσότερη Κάθε υλικό Β που βρίσκεται χαμηλότερα από ένα άλλο Α, αν τριφτεί μαζί του, φορτίζεται ΑΡΝΗΤΙΚΑ και το Α φορτίζεται ΘΕΤΙΚΑ . Όλα τα πολυμερή–πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο, πολυστυρένιο, πολυουρεθάνη - από τα οποία οι άνθρωποι φτιάχνουν πλαστικές σακούλες, σελοτέιπ, καλαμάκια, πλαστικούς χάρακες, φελιζόλ και καθίσματα με αφρολέξ ΔΕΝ ΔΙΝΟΥΝ ηλεκτρόνια σε ύφασμα μάλλινο, βαμβακερό, μεταξωτό ή σε γούνα, αλλά παίρνουν ηλεκτρόνια, φορτίζονται ΑΡΝΗΤΙΚΑ. Γυαλί
4	Χαλαζίας
5	Ανθρώπινο τρίχωμα
6	Μαλλί από πρόβατο
7	Τρίχωμα γάτας
8	Μετάξι
9	Χαρτί
10	Βαμβάκι
11	Ξύλο
12	Ακριλικό γυαλί
13	Κεχριμπάρι
14	Βουλοκέρι
15	Μπαλόνι
16	Ρετσίνι πεύκου
17	Καουτσούκ φυσικό
18	θειάφι
19	Τεχνητό μετάξι
20	Συνθετικό καουτσούκ
21	Πολυεστέρας
22	Πολυστυρένιο
23	Πολυουρεθάνη
24	Πολυαιθυλένιο
25	Πολυπροπυλένιο
26	Βινύλιο
27	Σιλικόνη
28	Εβονίτης

Κατάλαβα . Το γυαλί δίνει εύκολα ηλεκτρόνια στο μετάξι

που είναι χαμηλότερα στη λίστα και φορτίζεται ΘΕΤΙΚΑ

Το κεχριμπάρι δεν δίνει ηλεκτρόνια στο μαλλί που είναι

ψηλότερα από αυτό στη λίστα, παίρνει ηλεκτρόνια από το μάλλινο ύφασμα και φορτίζεται ΑΡΝΗΤΙΚΑ .

Μια αρνητικά φορτισμένη μεταλλική ράβδος έχει περίσσευμα ηλεκτρονίων.

Καθώς την ακουμπάμε στην αφόρτιστη μεταλλική σφαίρα

ελεύθερα ηλεκτρόνια της ράβδου μεταναστεύουν στη σφαίρα

με συνέπεια και η σφαίρα να εμφανίζει περίσσευμα ηλεκτρονίων και να φορτίζεται αρνητικά.

Το συνολικό φορτίο του συστήματος ράβδος – σφαίρα διατηρείται.

Η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ συγκατοικεί αρμονικά με τη ΘΕΩΡΙΑ για μετανάστευση ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

Μια θετικά φορτισμένη μεταλλική ράβδος έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων.

Καθώς την ακουμπάμε στην αφόρτιστη μεταλλική σφαίρα ελεύθερα ηλεκτρόνια της σφαίρας μεταναστεύουν στη ράβδο με συνέπεια η σφαίρα να εμφανίζει και αυτή έλλειμμα ηλεκτρονίων και να φορτίζεται αρνητικά.

Η ηλέκτριση με επαφή είναι και ΦΟΡΤΙΣΗ του σώματος

Μια αρνητικά φορτισμένη μεταλλική σφαίρα .

Καθώς την φέρνουμε κοντά στην αφόρτιστη μεταλλική ράβδο

η οποία έχει ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της

ράβδου απωθούνται από το αρνητικό φορτίο

της σφαίρας και μετακινούνται προς το απέναντι άκρο

Το γειτονικό προς τη σφαίρα άκρο εμφανίζεται

με έλλειψη ηλεκτρονίων άρα με φορτίο θετικό

Το ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ λέγεται και ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΕΠΑΓΩΓΗ.

Δεν πρόκειται ΓΙΑ ΦΟΡΤΙΣΗ διότι το συνολικό φορτίο της ράβδου είναι μηδέν

Το χαρτί - όπως και όλοι οι μονωτές που αναφέρθηκαν, το γυαλί, το πλαστικό, το ξύλο , το φελιζόλ - συγκροτείται από μόρια και το κάθε μόριο συγκροτείται από άτομα.

Κάθε άτομο έχει ηλεκτρόνια «δεσμευμένα» σε αυτό. Στα μονωτικά σώματα ουσιαστικά δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια να «μεταναστεύουν» από το ένα άκρο του σώματος στο άλλο.

Όταν μια θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδος πλησιάσει ένα χαρτάκι, το θετικό φορτίο της έλκει τα ηλεκτρόνια των ατόμων του χαρτιού χωρίς όμως να τα αποσπά από τα άτομα.

Κάθε μόριο διατάσσεται έτσι ώστε το ένα του άκρο,

το πλησιέστερο στη ράβδο, να είναι αρνητικά φορτισμένο

και το άλλο θετικά.

Η συνέπεια είναι να δημιουργηθεί συσσώρευση αρνητικού

φορτίου στην πλευρά που βρίσκεται προς το μέρος της

ράβδου και θετικού φορτίου στην αντίθετη πλευρά.

Η ελκτική δύναμη που ασκεί το θετικό φορτίο της ράβδου στο « αρνητικό άκρο» κάθε μορίου είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη άπωση στο « θετικό άκρο » διότι το θετικό άκρο βρίσκεται πιο μακριά.

Το αποτέλεσμα είναι μια ΕΛΞΗ ανάμεσα στη γυάλινη ράβδο που τρίψαμε και στο χαρτάκι που δεν το είχαμε αγγίξει.

Αυτό το ΗΛΕΚΤΡΙΣΗ ΜΟΝΩΤΩΝ . . . ΔΥΣΚΟΛΟ . .

Πολύ δύσκολο .

Τα άλλα, νομίζω, τα κατάλαβα

αλλά αυτό . .

ΔΥΣΚΟΛΟ . .

Γιατί μας μαθαίνουν

τόσο δύσκολα στη

Γάμα Γυμνασίου ;

.