Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Η Φυσική στην Γ΄ Γυμνασίου.

Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ 5

τι είναι αυτό

το «κάτι» που προσφέρει

μια μπαταρία ;

Στη Φυσική έχει επικρατήσει

να περιγράφονται τα φαινόμενα

με την έννοια

ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Αυτό που λέγαμε

σε προηγούμενη τάξη ότι

αν σπρώξω ένα αντικείμενο και το μετατοπίσω

α. ασκώ δύναμη β. μεταβιβάζω ενέργεια

Ακριβώς αυτό . .

Ναι αλλά τι σχέση έχει αυτό

με τη μπαταρία και τα καλώδια ;

Όπως κάποιος που ασκεί δύναμη

σε ένα αντικείμενο και το μετατοπίζει

μεταβιβάζει ενέργεια από το σώμα του στο αντικείμενο

εάν συνδέσουμε τους πόλους μιας μπαταρίας με μεταλλικό αγωγό

η μπαταρία μεταβιβάζει ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Σε ποιον

τη μεταβιβάζει ;

Στα ελεύθερα

ηλεκτρόνια του αγωγού

η ενέργεια δηλαδή που μεταβιβάζει

η μπαταρία είναι

κάτι σαν το έργο ;

Βέβαια . .

Και τη μετράμε με τζάουλ

και πόση

ενέργεια μπορεί

και μεταβιβάζει μια μπαταρία ;

όταν μια μπαταρία είναι 6 βολτ

μεταβιβάζει 6 τζάουλ σε σωματίδια (ηλεκτρόνια)

του μεταλλικού αγωγού

με συνολικό φορτίο ενός coulomb,

ή 12 τζάουλ σε σωματίδια με συνολικό φορτίο 2 coulomb

- ή 48 τζάουλ σε σωματίδια με φορτίο 8 coulomb .

- Ακριβώς . Κάθε φορά που διαιρείς

την ΕΝΕΡΓΕΙΑ (σε τζάουλ)

την οποία μεταβιβάζει η συγκεκριμένη μπαταρία

με το ηλεκτρικό φορτίο (σε coulomb) των σωματιδίων στα οποία μεταβιβάζεται

θα βγαίνει το 6 βολτ. Αυτό το «6 βολτ» , οι φυσικοί το λένε ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ

- Νομίζω ότι κατάλαβα.

Αν μια μπαταρία είναι έτσι ώστε να μεταβιβάζει

9 τζάουλ σε 6 coulomb ηλεκτρικού φορτίου

ή 15 τζάουλ και σε 10 coulomb φορτίου των σωματιδίων

σημαίνει ότι έχει διαφορά δυναμικού 1,5 βολτ .

- Κι εγώ νομίζω ότι κατάλαβες .

Αν συνδέσουμε τους πόλους Α και Β μιας μπαταρίας με αγωγό

ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ στους πόλους της μπαταρίας

είναι το «πόσα τζάουλ μεταβιβάζει σε κάθε κουλόμ ηλεκτρικού φορτίου»

Είναι «αυτό που προκύπτει από τη διαίρεση

της ενέργειας W που μεταβιβάζει η μπαταρία σε σωματίδια φορτίοu q»

V_AB = W/q

Και γιατί λέμε

«ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ» ;

Υπάρχουν δύο δυναμικά τα οποία ΔΙΑΦΕΡΟΥΝ;

Σε κάθε μπαταρία ο πόλος με το συν ( + )

θεωρείται ότι έχει μεγαλύτερο δυναμικό

από τον πόλο με το πλην ( - )

Η διαφορά δυναμικού εμφανίζεται

μόνο στους πόλους

Α και Β μιας μπαταρίας ;

Διαφορά δυναμικού μπορεί να υπάρχει και στα άκρα Γ και Δ ενός αγωγού

ακόμα κι αν τα δύο αυτά άκρα

δεν συνδέονται άμεσα

με τους πόλους μιας μπαταρίας

αλλά συνδέονται μέσω άλλων αγωγών.

Διαφορά δυναμικού βέβαια

προσφέρεται και από τη ΔΕΗ

στις διάφορες πρίζες μέσα στο σπίτι

Και γιατί λέμε

« τόσα ΒΟΛΤ;»

Τι είναι ΒΟΛΤ ; Γιατί το λένε έτσι ;

Το ένα VOLT είναι

η μονάδα μέτρησης

της διαφοράς δυναμικού σε όλο τον κόσμο;

Υποθέτω από το όνομα

κάποιου φυσικού που τον έλεγαν Volt

[[[

Όχι ακριβώς, αλλά περίπου έτσι .

Η λέξη δημιουργήθηκε

από το όνομα

του Ιταλού Alessandro VOLTA,

ο οποίος επινόησε

και κατασκεύασε

την πρώτη

ηλεκτρική στήλη

και πρόσφερε

στους ερευνητές τη δυνατότητα

να διαθέτουν ηλεκτρικό ρεύμα

Η νέα συσκευή προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον

στην επιστημονική κοινότητα της αυγής του 19ου αιώνα.

Τον Νοέμβριο του 1800 προσκεκλημένος στο Παρίσι

εκτελεί πειράματα με την ηλεκτρική στήλη παρουσία του Αυτοκράτορα.

Λίγο αργότερα

ο Ναπολέων παραγγέλνει

να κατασκευαστεί μια μεγάλη συστοιχία

( γαλλλικά BATTERIE, ελληνικά μπαταρία )

από 600 στήλες την οποία προσφέρει

στην Πολυτεχνική Σχολή του Παρισιού.

Και αυτό που λέγεται

ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ,

είναι το

όργανο

με το οποίο

μετράμε

τη

διαφορά δυναμικού ;

- Ακριβώς.

Τη διαφορά δυναμικού σε περίπτωση που σχετίζεται με ηλεκτρικό ρεύμα τη λέμε και ΤΑΣΗ

θεωρείται ΑΙΤΙΑ

ηλεκτρικού ρεύματος

εφόσον βέβαια εμφανιστεί στα άκρα αγωγού

Από την εποχή που έκανε την πρώτη της εμφάνισή

η ΙΔΕΑ για ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ, συνδέθηκε

με «κάτι» το οποίο «κάπου κατευθύνεται»

όπως το θαλάσσιο ρεύμα και το ρεύμα αέρα

Όταν επικράτησε η άποψη ότι ΑΙΤΙΑ του ρεύματος

είναι η ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ, εδραιώθηκε και η παραδοχή ότι

Ναι αλλά

τα ηλεκτρόνια

κινούνται

προς την αντίθετη

κατεύθυνση.

Μου φαίνεται παράξενο

Ήταν μια παγκόσμια συμφωνία η οποία εδραιώθηκε

τον 19ο αιώνα πολύ πριν οι φυσικοί καταλήξουν στο ότι

« σε μεταλλικούς ρευματοφόρους αγωγούς τα κινούμενα σωματίδια είναι ηλεκτρόνια » .

Η συμφωνία εξακολουθεί να ισχύει

Πώς μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι

άλλαξε η φορά ενός ρεύματος;

Το θερμικά φαινόμενα

θα είναι διαφορετικά ;

Το λαμπάκι θα ανάψει με διαφορετικό τρόπο ;

Η θέρμανση του αγωγού

θα γίνεται με τον ίδιο

ακριβώς τρόπο . . .

Εκείνα που θα είναι διαφορετικά

είναι τα μαγνητικά φαινόμενα.

Μια από τις πρώτες αναζητήσεις των ερευνητών

που ασχολήθηκαν με το ηλεκτρικό ρεύμα ήταν

το να βρεθεί τρόπος να περιγράφεται το ότι «ένα ηλεκτρικό ρεύμα

είναι ισχυρότερο από ένα άλλο»

αλλά και να προσδιορίζεται «πόσο ισχυρότερο είναι το ένα από το άλλο»

Οι αναζητήσεις οδήγησαν στην έννοια ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

και στην κατασκευή του οργάνου που θα μπορούσε να τη μετρήσει .

Από τη στιγμή που εδραιώθηκε η άποψη ότι το ρεύμα είναι

ΚΑΤΕΥΘΥΝΟΜΕΝΗ ΚΙΝΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ,

θεωρήθηκε ότι το κριτήριο για το «πόσο ισχυρό»

είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε να είναι

το « πόσο ηλεκτρικό φορτίο περνάει

από μια διατομή του αγωγού

σε κάθε δευτερόλεπτο »

ΔΙΑΤΟΜΗ ;

δηλαδή ;

Φέρε στο μυαλό σου έναν αγωγό κυλινδρικό

Και φαντάσου

να τον κόβεις

με ένα μαχαίρι

όπως κάνεις με μια φραντζόλα ψωμί.

Από κει που πέρασε το μαχαίρι

είναι η ΔΙΑΤΟΜΗ

Εάν από μία διατομή ενός μεταλλικού αγωγού σε κάθε δευτερόλεπτο περνάει φορτίο 4 coulomb – το οποίο μεταφέρεται από «φορτηγά» ηλεκτρόνια - η ένταση του ρεύματος θεωρείται ότι είναι 4 αμπέρ

Εάν το φορτίο που περνάει σε 10 δευτερόλεπτα είναι 25 coulomb, με διαίρεση βρίσκουμε

2,5 coulomb σε κάθε δευτερόλεπτο και η ένταση του ρεύματος είναι 2,5 αμπέρ

Ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος λέγεται

αυτό που προκύπτει από τη διαίρεση

του ηλεκτρικού φορτίου q που περνά από μια διατομή ενός αγωγού σε χρονικό διάστημα t

δια του χρονικού διαστήματος t

Τι είναι ΑΜΠΕΡ ;

Το όνομα

κάποιου φυσικού ;

Τη δεκαετία του 1820 οι Γάλλοι ερευνητές εστίασαν στην έρευνα του ηλεκτρικού ρεύματος

και κατάφεραν να οικοδομήσουν τον ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ .

Ο μεγάλος πρωταγωνιστής του «γαλλικού» εγχειρήματος ήταν

ένας από τους σημαντικότερους φυσικούς του 19ου αιώνα,

ο Andre Marie AMPÈRE,

τότε 45 περίπου ετών,

λίγο δηλαδή νεώτερος από τον Θεόδωρο Κολοκοτρώνη,

με ιδιαίτερη μαθηματική κατάρτιση

αλλά και ικανότατος πειραματιστής συγχρόνως.

Οι Γάλλοι και όχι μόνον αυτοί τον χαρακτηρίζουν

« Νεύτωνα του Ηλεκτρομαγνητισμού»

Πολλά χρόνια αργότερα οι φυσικοί δημιούργησαν, προς τιμήν του,

τη μονάδα ένα ΑΜΠΕΡ για την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος

η ΕΝΤΑΣΗ ηλεκτρικού ρεύματος μετριέται με αμπερόμετρο το οποίο παρεμβάλλεται

έτσι ώστε το ρεύμα που θέλουμε να μετρήσουμε να περνά από το όργανο

Πώς είναι

το αμπερόμετρο;

δεν έχω δει ποτέ

Αντικείμενα όπως το αμπερόμετρο υπάρχουν στο εργαστήριο.

Και δεν πρέπει να ξεχνάς ότι η ΦΥΣΙΚΗ εκτός από

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΕΝΝΟΙΕΣ ΝΟΜΟΙ

είναι και ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ που τα πιάνουμε με τα χέρια μας

Και είναι ακόμα

Το ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΟ με το οποίο μετράμε την ένταση του ρεύματος

Το ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ με το οποίο μετράμε τη διαφορά δυναμικού- ηλεκτρική τάση

Το ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟ το οποίο μας προσφέρει μια ποικιλία τιμών τάσης

Ο ΡΟΟΣΤΑΤΗΣ ο οποίος μας προσφέρει μια ποικιλία τιμών ρεύματος

διαλέγουμε

ορισμένα

από αυτά

τα συναρμολογούμε

κι έχουμε

ένα

ΚΥΚΛΩΜΑ

Ποια είναι η μονάδα

μέτρησης

της ειδικής αντίστασης ;

Για να μπορεί η αντίσταση να μετριέται σε Ω

πρέπει , σύμφωνα με τη σχέση R= ρ L/A ,

η μονάδα της ειδικής αντίστασης να είναι 1 Ωm,

ένα ωμ-μέτρο, ένα ωμ επί ένα μέτρο

Ποιο υλικό έχει μικρή ειδική αντίσταση ;

Αν ένα υλικό έχει μικρή ειδική αντίσταση

σε σχέση με τα άλλα υλικά, τι σημασία έχει ;

Ο χαλκός έχει 12 περίπου φορές μικρότερη ειδική αντίσταση

από τον χάλυβα .

Είναι ένας «ΕΞΑΙΡΕΤΙΚΟΣ» αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος

Υπάρχουν μέταλλα με ειδική αντίσταση

μικρότερη από εκείνη του χαλκού ;

Ελάχιστα. Ο άργυρος. λόγου χάρη,

έχει λίγο μικρότερη ειδική αντίσταση από τον χαλκό.

10 μέτρα καλώδιο με πάχος 1 mm²

αν είναι χάλκινο έχει αντίσταση 0,17 Ω

αν είναι από αλουμίνιο έχει αντίσταση 0,26 Ω

αν είναι από χάλυβα έχει αντίσταση 2 Ω

ο Νόμος του Ohm είναι

ένας από τους μεγάλους νόμους

της Φυσικής ;

ο Νόμος του Ohm είναι ένας ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

Αναφέρεται σε κάποιους ειδικούς αγωγούς

Δεν συγκαταλέγεται στους μεγάλους Νόμους της Φυσικής

αλλά είναι εξαιρετικά χρήσιμος στη θεωρητική για την πρόβλεψη

και την ερμηνεία της συμπεριφοράς πάρα πολλών κυκλωμάτων

Η σχέση Ι= V/R δεν είναι ίδια

με τη εξίσωση ορισμού της αντίστασης ;

Σαν μαθηματική δομή είναι ίδια

αλλά η εξίσωση ορισμού της αντίστασης απαντά στο ερώτημα :

« τι λέγεται αντίσταση;»

ενώ ο Νόμος του Ohm μας λέει ότι

ΣΤΑΘΕΡΗ ; Δηλαδή ακόμα κι αν αυξηθεί η θερμοκρασία τους

η αντίσταση θα διατηρείται αναλλοίωτη ;

Όχι ακριβώς . Αναφερόμαστε σε αγωγούς σταθερής θερμοκρασίας

και λέγοντας ΣΤΑΘΕΡΗ εννοούμε

ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΗ από τη διαφορά δυναμικού

που θα εφαρμόσουμε

Μας λέει με άλλα λόγια ότι

το ρεύμα είναι ανάλογο

προς τη διαφορά δυναμικού

και ότι η γραφική

παράσταση

διαφοράς δυναμικού

και ρεύματος

είναι ΕΥΘΕΙΑ ΓΡΑΜΜΗ.

Υπάρχουν δηλαδή και αγωγοί

που δεν υπακούουν

στον Νόμο του Ohm ;

Βέβαια . Όσοι μάλιστα υπακούουν χαρακτηρίζονται –

σε γλώσσα αγγλική - RESISTORS, στα ελληνικά ΑΝΤΙΣΤΑΤΕΣ.

ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ

ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ 6

Το ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΙΙΙ