Το ηλεκτρικό ρεύμα και η Διδακτική

Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Η διδασκαλία του φαινομένου
ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Η αφετηρία γεγονότα

Καταγράφουμε γεγονότα

Τα ταξινομούμε

Η πρώτη αφαιρετική παρέμβαση. Το ρεύμα ως ΑΙΤΙΑ φαινομένων

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ;

Η δεύτερη αφαιρετική παρέμβαση. Τι συμβαίνει «μέσα» στους ρευματοφόρους αγωγούς;

Το ηλεκτρικό ρεύμα ως ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ.

Στο ηλεκτρικό ρεύμα αποδίδουμε φορά.

Στο ηλεκτρικό ρεύμα αποδίδουμε ποσοτικά χαρακτηριστικά.

Εναλλακτικές ιδέες των διδασκομένων.

Το να διδάξουμε Επιστήμη δεν σημαίνει να πληροφορήσουμε κάποιους ακροατές μαθητές μας ορισμένα πράγματα. Το να διδάξουμε Επιστήμη σημαίνει πάνω απ’ όλα να διδάξουμε τη λογική της και τις μεθοδεύσεις της. Επιστήμη σημαίνει να ξεκινάμε από τα γεγονότα. Να τα παρατηρούμε, να τα καταγράφουμε, να τα εσωτερικεύουμε, να τα ταξινομούμε, να επιλέγουμε έννοιες –δημιουργημένες από την ανθρώπινη αφαιρετική σκέψη- και στη γλώσσα αυτών των εννοιών να τα «διαβάζουμε» και να τα ανακρίνουμε και, τέλος, να αναζητούμε τη σχέση τους με το υπόλοιπο Σύμπαν.

Η επιστήμη είναι θυγατέρα της φιλοσοφίας. Κατά την οικοδόμησή της βέβαια αυτονομήθηκε από τη «μητέρα» δεδομένου ότι

α. επινόησε ΕΝΝΟΙΕΣ «δικές της» είτε ποσοτικές είτε μη ποσοτικές

β. εφάρμοσε μια συγκεκριμένη ΜΕΘΟΔΟ ανάκρισης των γεγονότων και

γ. με βάση την επαγωγική λογική της γενίκευσης διετύπωσε παγκόσμιους ΝΟΜΟΥΣ λειτουργίας του Σύμπαντος.

Ξεκινάμε δηλαδή από τα γεγονότα. Και τα γεγονότα «δεν έχουν ηλεκτρόνια». Και το να ξεκινάει η διδασκαλία του φαινομένου ‘’ηλεκτρικό ρεύμα’’ με διατυπώσεις του τύπου «το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ροή ηλεκτρονίων’’ είτε ‘’η κίνηση ηλεκτρικών φορτίων προς κάποια κατεύθυνση ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα’’ δεν είναι η καλύτερη επιλογή. Η διδασκαλία της φυσικής οφείλει να μοιάζει με αυτό που είναι η φυσική.

Εις την Φράντζαν έπεσε κεραυνός σε ένα σπίτι και όντας εκεί ένα σεντούκι με μαχαίρια και πιρούνια, μερικά μεν ανέλυσαν, μερικά δε απέκτησαν μίαν μαγνητικήν δύναμιν, οπού εσήκωναν χοντρά καρφιά

Ρήγας Βελεστινλής, Φυσικής απάνθισμα, 1790

Αρχίζουμε να διδάσκουμε ηλεκτρικό ρεύμα καταγράφοντας γεγονότα. Αυτό που συμβαίνει στο αναμμένο λαμπάκι, στον θερμοσίφωνα, στον τόρνο, στο τρόλεϊ, αυτά που συμβαίνουν κατά την πτώση του κεραυνού, αυτό που συμβαίνει όταν κάποιος πάθει ηλεκτροπληξία, αυτό που συμβαίνει όταν

Η καλύτερη βέβαια επιλογή για μια τέτοια είδους διδασκαλία είναι να γίνει σε σχολικό εργαστήριο με τους διδασκόμενους να δραστηριοποιούνται με απλά κυκλώματα με αναμμένα λαμπάκια, με εκτροπή μαγνητικής βελόνας, με ηλεκτρικά μοτεράκια, και με ηλεκτρόλυση χλωριούχου νατρίου και να διαπιστώνουν φαινόμενα. Δεν πρέπει όμως να περιοριστούμε σ’ αυτά. Η καθημερινή ζωή εμπεριέχει μια μεγάλη ποικιλία σχετικών φαινομένων και η επίκληση σ’ αυτά είναι απαραίτητη.

συνδέσουμε τα άκρα ενός καλωδίου με του πόλους μιας μπαταρίας και το καλώδιο γίνεται ικανό να εκτρέπει μία μαγνητική βελόνα, αυτό που συμβαίνει όταν λειτουργεί το ψυγείο, το η ξυριστική μηχανή, το τρυπάνι, η ηλεκτρική κουζίνα, το κομπρεσέρ, οι αναμμένοι προβολείς του γιώτα χι, ο στεγνωτήρας των μαλλιών, το ηλεκτρικό καλοριφέρ, η ηλεκτρική σκούπα, όπως και αυτό που συμβαίνει κατά την ηλεκτρόλυση, είναι είτε εργαστηριακές αναζητήσεις είτε γεγονότα της καθημερινής μας ζωής, ένα «χάος γεγονότων» στο οποίο η σκέψη μας επιδιώκει να βάλει τη δική της τάξη, μία, κατ’ αρχήν, ομαδοποίηση. Ας το επιχειρήσουμε.

Πώς να τα ταξινομήσουμε; Χρειαζόμαστε κριτήρια. Παραθέτουμε τα γεγονότα στους μαθητές μας και τους ζητούμε να προτείνουν κριτήρια. Μία ιδέα την οποία μπορεί εκείνοι να προτείνουν είναι το να θεωρήσουμε ως κριτήριο το «εάν κατά την εξέλιξη ενός γεγονότος παράγεται φως». Αν την χρησιμοποιήσουμε θα έχουμε στη μία ομάδα γεγονότων το αστροπελέκι, το αναμμένο λαμπάκι, τους προβολείς του αυτοκινήτου και το μάτι της κουζίνας που ξεχάσαμε αναμμένο και κοκκίνισε. Στην άλλη ομάδα θα ανήκουν τα υπόλοιπα. Εύκολα όμως μπορούμε να «διακρίνουμε» ότι στο συγκεκριμένο μονοπάτι δεν βγάζει πουθενά. Τα «χωρίς φως» γεγονότα δεν συνιστούν ομάδα με κάποιο ειδικό ενδιαφέρον. Δεν χρειαζόμαστε εξάλλου τον ηλεκτρισμό για να έχουμε σώματα χωρίς δικό τους φως. Ας ομολογήσουμε ότι δεν ήταν και τόσο πετυχημένη η επιλογή μας αυτή. Μία ιδέα την οποία θα χρειαστεί να προτείνουμε εμείς είναι το εάν κατά την εξέλιξη των γεγονότων διαπιστώνεται αύξηση της θερμοκρασίας, χωρίς να συνοδεύεται από κίνηση.

Σε μία πρώτη ομάδα φαινομένων παρατηρείται αύξηση της θερμοκρασίας χωρίς να συνοδεύεται από κίνηση. Το κριτήριο αυτό δημιουργεί μία ομάδα φαινομένων στα οποία συγκαταλέγονται η λειτουργία του θερμοσίφωνα, της τοστιέρας, της κουζίνας και του ηλεκτρικού καλοριφέρ. Στην ίδια ομάδα ανήκει και αυτό που συμβαίνει όταν ανάβουν οι προβολείς του γιώτα χι, τα λαμπάκια στο σχολικό εργαστήριο και οι λαμπτήρες πυρακτώσεως στα σπίτια και στα μαγαζιά. Διακρίνονται βέβαια από τα προηγούμενα κατά το ότι σε αυτά παράγεται και φως. Η παραγωγή φωτός είναι όμως συνέπεια της θερμοκρασιακής αύξησης.

Σε μία άλλη ομάδα φαινομένων θα μπορούσαμε να εντάξουμε την ηλεκτροπληξία και την ηλεκτρόλυση. Τα συνδέει το ότι κατά την εξέλιξή τους λαμβάνουν χώρα διεργασίες χημικές.

Σε μια τρίτη τέλος ομάδα φαινομένων μπορούμε να εντάξουμε φαινόμενα όπως το ανέβασμα του ασανσέρ, η κίνηση του τρόλεϊ, η λειτουργία του πλυντηρίου, της σκούπας, του ψυγείου και του σεσουάρ. Είναι φαινόμενα με διατάξεις που διαθέτουν κάποιο ηλεκτρικό μοτέρ και κατά την εξέλιξή τους δημιουργείται κίνηση, συνοδευόμενη βέβαια και από αύξηση της θερμοκρασίας. Εδώ υπάρχει κάποιο μυστικό το οποίο καλό θα είναι να το ανακοινώσουμε. «Μέσα σε κάθε ηλεκτρικό μοτέρ βρίσκεται κρυμμένος ένας μαγνήτης και η κίνηση είναι συνέπεια της επίδρασής του». Το μυστικό οδηγεί τη σκέψη μας στο να εντάξουμε στην ίδια κατηγορία και την εκτροπή της μαγνητικής βελόνας από το συνδεδεμένο με τους πόλους ηλεκτρικής στήλης καλώδιο στο οποίο παρατηρούμε επίδραση στον μαγνήτη διότι η βελόνα δεν

είναι τίποτε άλλο από ένας ελαφρός μαγνήτης. Μπορούμε έτσι να μιλήσουμε για γεγονότα στα οποία συμβαίνει αλληλεπίδραση με μαγνήτες ή για φαινόμενα στα οποία ένα αντικείμενο που δεν ήταν μαγνήτης μετατρέπεται σε αντικείμενο που συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης. Το επόμενο βήμα είναι να βάλουμε στην ίδια κατηγορία και τη μαγνήτιση που παρατηρήθηκε από τον Ρήγα στα πηρούνια και τα μαχαίρια να δεχθούμε ότι ανήκει στα μαγνητικά.

Κατά τη διδασκαλία της Φυσικής – και εφόσον είναι εφικτό- η αφετηρία πρέπει να είναι τα γεγονότα και τα γεγονότα θα παραπέμπουν τόσο στην ΕΜΠΕΙΡΙΑ-ΜΝΗΜΗ όσο και στην ΕΜΠΕΙΡΙΑ-ΑΜΕΣΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ. Εξυπακούεται ότι για ορισμένα γνωστικά αντικείμενα όπως η ατομική θεωρία, η ανακάλυψη του νετρονίου και το φαινόμενο ραδιενέργεια τα γεγονότα της αφετηρίας θα είναι γεγονότα σχετιζόμενα με εμπειρία και με ανθρώπινη σκέψη τα οποία οφείλουμε να αφηγηθούμε εμείς.

Σε όλες τις περιπτώσεις η σχετική παρουσίαση είναι τέτοια ώστε να κάνει τον διδασκόμενο να αναρωτιέται.

Text Box: Στην ΑΦΕΤΗΡΙΑ τα ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ.
α. Γεγονότα που παρουσιάζονται
μέσα από ΕΜΠΕΙΡΙΑ-ΑΜΕΣΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ
β. Γεγονότα που επικαλούνται την ΕΜΠΕΙΡΙΑ-ΜΝΗΜΗ
γ. Γεγονότα που παρουσιάζονται
μέσα από τις αφηγήσεις του διδάσκοντος

Σε κάθε περίπτωση ο διδασκόμενος
αντιμέτωπος με ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ

Η πρώτη αφαιρετική παρέμβαση. Αναζητώντας μία κοινή ΑΙΤΙΑ.
Το ηλεκτρικό ρεύμα ως ΑΙΤΙΑ φαινομένων.

Η ανθρώπινη σκέψη «γδύνοντας» όλα αυτά τα τόσο διαφορετικά μεταξύ τους γεγονότα επινόησε μία κοινή αιτία γι αυτά. Την κοινή αυτή αιτία την φανταζόμαστε ως ένα «κάτι» το οποίο διαρρέει ορισμένα σώματα (1) και στο οποίο δίνουμε το όνομα ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ. Το ορίζουμε -αποσαφηνίζουμε τον εννοιακό του ορίζοντα- ως ΑΙΤΙΑ (2) συγκεκριμένων γεγονότων τα οποία έχουμε ομαδοποιήσει. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι μία αόρατη ρέουσα (3) φυσική οντότητα η οποία καθώς περνά από ορισμένα σώματα

α. προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας εφόσον αυτά είναι μεταλλικά

β. δημιουργεί χημικές αντιδράσεις εφόσον αυτά είναι ηλεκτρολύτες

γ. προσδίδει στα σώματα μία μαγνητικότητα με βασικό γνώρισμα (4) ότι τα κάνει ικανά να αλληλεπιδρούν με μαγνήτες.

Αξίζει να δώσουμε έμφαση στο ότι η αλληλεπίδραση με μαγνήτες είναι «αυτό που θα συμβαίνει οπωσδήποτε». Ενώ δηλαδή η θερμοκρασιακή αύξηση προϋποθέτει το σώμα να είναι μεταλλικός αγωγός και οι χημικές διαδικασίες προϋποθέτουν το σώμα να είναι ηλεκτρολύτης, η εκδήλωση της μαγνητικότητα θα συμβαίνει πάντοτε. Βέβαια η αρτιότερη διατύπωση γι αυτό που «συμβαίνει πάντα» πραγματοποιείται με τη βοήθεια της έννοιας ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ. Το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί οπωσδήποτε κάποιο μαγνητικό και συγχρόνως αποτελεί υπόθεμα για να επιδράσει πάνω του κάποιο προϋπάρχον μαγνητικό πεδίο.

Και ίσως πρέπει εδώ να θυμίσουμε ότι στην ελληνική διδακτική παράδοση δεν δίδεται ιδιαίτερη έμφαση στο γεγονός ότι «η μαγνητικότητα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι το σημαντικότερο χαρακτηριστικό του».

Η πειραματική προσέγγιση μας δείχνει ότι ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ που σχετίζονται με την κυκλοφορία ηλεκτρικού ρεύματος είναι

η θέρμανση του αγωγού, η ηλεκτρόλυση, η μετακίνηση ενός γειτονικού μαγνήτη, η μετακίνηση ενός ακίνητου μεταλλικού πλαισίου από κάποιο γειτονικό μαγνήτη μόλις το πλαίσιο ρευματοδοτηθεί. Το ίδιο όμως το ηλεκτρικό ρεύμα, το αόρατο αυτό «κάτι» που προκαλεί τα παραπάνω φαινόμενα, είναι ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ το οποίο να μπορεί να περιγραφεί ;

Για τους φυσικούς το ερώτημα ήταν «ερώτημα χωρίς μια σαφή απάντηση» επί ένα περίπου αιώνα, τον 19^ο .

Μια απάντηση που «κυκλοφορούσε» χωρίς όμως να εμφορείται από βεβαιότητα ήταν το ηλεκτρικό ρεύμα ως φαινόμενο είναι η κατευθυνόμενη κίνηση άγνωστων σωματιδίων με ηλεκτρικό φορτίο .

Στην εποχή μας εκτιμούμε ότι η απάντηση μπορεί να δοθεί μόνο εφόσον «σκύψουμε» στον Μικρόκοσμο. Και η απάντηση είναι καταφατική. Το ηλεκτρικό ρεύμα ΕΙΝΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ. Και είναι η κατευθυνόμενη κίνηση συγκεκριμένων σωματιδίων με ηλεκτρικό φορτίο. Ας δούμε όμως τα πράγματα με κάποια σειρά.

www.edumedia-sciences.com/m198_l2-magnetism.html

Η δεύτερη αφαιρετική παρέμβαση.
Τι συμβαίνει μέσα στους ρευματοφόρους αγωγούς ;

Το αμέσως επόμενο ερώτημα είναι «Τι συμβαίνει μέσα στους ρευματοφόρους αγωγούς;» ή ακόμα καλύτερα «τι ισχυρίζεται η επιστημονική της εποχής μας για αυτό όταν εκδηλώνεται ηλεκτρικό ρεύμα;» «Με ποιες έννοιες μας εφοδιάζει για να προσεγγίσουμε τον απρόσιτο και αόρατο ηλεκτρικό ρεύμα;» Ποιο είναι το αόρατο γεγονός που συμβαίνει ως κοινό γεγονός σε όλα τα σχετικά φαινόμενα;».

Πριν από ενάμιση περίπου αιώνα οι φυσικοί άρχισαν να υποψιάζονται ότι φαινόμενα παρόμοια με το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλούνται κατά την κίνηση ηλεκτροστατικών φορτίων ότι τα ηλεκτροστατικά φορτία –σαν αυτά που «εμφανίζονται» με τριβή στο κεχριμπάρι – από τη στιγμή που βρίσκονται σε κίνηση δημιουργούν μία κατάσταση ίδια με εκείνη που δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα. Στο σημείο αυτό κάποιος μαθητής -είτε και ο διδάσκων- θα μπορούσε να αναρωτηθεί: «Αν δηλαδή τρίψουμε με μάλλινο ύφασμα ένα κομμάτι γυαλί και αρχίσουμε να τρέχουμε, κρατώντας το στο χέρι μας, θα έχουμε ηλεκτρικό ρεύμα;» Θα εκδηλωθεί άραγε το βασικό ρευματικό φαινόμενο η δημιουργία δηλαδή μαγνητικού πεδίου; Μπορούμε έτσι να επηρεάσουμε μία μαγνητική βελόνα; » Θα μπορούσαμε να πούμε ότι αυτό δεν είναι θεωρητικά αδύνατο. Είναι τεράστια όμως η δυσκολία να διαπιστωθεί εμπειρικά. Και αυτό σχετίζεται με το ότι το ηλεκτροστατικό φορτίο είναι μηδαμινό. Μηδαμινό σε σχέση με τις συγκριτικά τρομακτικές ποσότητες φορτίου που διακινούνται μέσα στους συνήθεια ρευματοφόρους αγωγούς, σε χρόνους μικρούς για την ανθρώπινη αντίληψη. Χρειάζεται να επινοήσουμε «κάτι» με το οποίο η δυσκολία θα ξεπεραστεί. Και «αυτό το κάτι» επινοήθηκε το 1876 από τον Henry Rowland και εξακολουθεί αποτελεί

τόσο από επιστημολογική σκοπιά όσο και από τη σκοπιά της Διδακτικής- μία πειστική γεφύρωση των εννοιών «φορτίο σε κίνηση» και ηλεκτρικό ρεύμα. Είναι ένα πείραμα το οποίο θα μπορούσαμε να επαναλάβουμε κι εμείς. Χρειαζόμαστε έναν ηλεκτροστατικά φορτισμένο δίσκο τον οποίο να μπορούμε

να θέτουμε σε περιστροφή και μία μαγνητική βελόνα. Όταν ο φορτισμένος δίσκος είναι ακίνητος ανάμεσα σ’ αυτόν και στη βελόνα δεν εκδηλώνεται αλληλεπίδραση. Όταν όμως ο δίσκος τίθεται σε περιστροφή η βελόνα δείχνει να «συγκινείται» Το ίδιο θα συνέβαινε αν στη θέση του στρεφόμενου φορτισμένου δίσκου υπήρχε ένας κυκλικός ρευματοφόρος αγωγός.

–

www.edumedia-sciences.com/m198_l2-magnetism.html

Μία ακόμα εμπειρική διαπίστωση που μα οδηγεί στο ίδιο θεωρητικό συμπέρασμα για τη φύση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η εκφόρτιση ενός πυκνωτή την οποία μπορούμε να . Σ’ αυτή την περίπτωση μία «σίγουρη» μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου συνοδεύεται από κάποιο σπινθήρα είτε από μία ανιχνεύσιμη αύξηση της θερμοκρασίας του αγωγού με τον οποίο συνδέσαμε τους δύο οπλισμούς. Τα εμπειρικά αυτά δεδομένα μας επιτρέπουν να υποστηρίξουμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα και η κατευθυνόμενη κίνηση ηλεκτρικού φορτίου προκαλούν τα ίδια αποτελέσματα και στη συνέχεια να υποστηρίξουμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι - σε κάθε περίπτωση - κατευθυνόμενη κίνηση σωματιδίων με ηλεκτρικό φορτίο.

Η φυσική της εποχής μας υποστηρίζει ότι -στην περίπτωση των μεταλλικών ρευματοφόρων αγωγών- «φορτηγά» του μετακινούμενου ηλεκτρικού φορτίου είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία κάθε μεταλλικό σώμα διαθέτει. Αποδέχεται ότι στο εσωτερικό κάθε ρευματοφόρου αγωγού μετακινούνται προς κοινή κατεύθυνση τα χωρίς χρώμα και χωρίς σχήμα ηλεκτρόνια του Μικρόκοσμου και ότι η κίνηση αυτή προκαλεί το άναμμα μιας λάμπας και τη μετακίνηση μιας μαγνητικής βελόνας. Και όλο αυτό δεν είναι παρά μία θεωρία ανοιχτή, ανά πάσα στιγμή, στη διάψευση.

Σε αγωγούς δε οι οποίοι δεν είναι μεταλλικοί τα «φορτηγά» μπορεί να είναι και ιόντα.

(1) Μεταλλικά αντικείμενα, ηλεκτρολύτες , την ατμόσφαιρα. Μπορεί όμως να υπάρξει ηλεκτρικό ρεύμα –αγωγιμότητα- και στο κενό. Σ’ αυτή την περίπτωση η σημασιακή επάρκεια του ρήματος «διαρρέω» εξασθενεί.

(2) Κάτι ανάλογο κάνουμε και με τον «αρχικό» ορισμό της έννοιας δύναμη. Την ορίζουμε ως κοινή ΑΙΤΙΑ γεγονότων.

(3) Η προτεινόμενη εικόνα ενός ρευστού ίσως να ενθαρρύνει πρόσκαιρα ορισμένες αντιεπιστημονικές προϊδεάσεις των μαθητών μας, Χρειάζεται ωστόσο – σε μια πρώτη φάση της διδασκαλίας- να την «προσφέρουμε» στους μαθητές μας, ώστε να δημιουργηθούν οι πρώτες αναπαραστάσεις για το ηλεκτρικό ρεύμα αλλά αμέσως μετά να θέσουμε και το ερώτημα «ποια είναι η φύση αυτού του ρευστού;» και « ποια είναι η σχέση του με την υπόλοιπη Πραγματικότητα. Έτσι εξάλλου προχώρησε και η επιστημονική σκέψη κατά την οικοδόμηση του Ηλεκτρομαγνητισμού. Ξεκίνησε με την εικόνα ενός ρευστό και στη συνέχεια έθεσε τα σχετικά ερωτήματα. Εάν μείνουμε περισσότερο στην εικόνα του ρευστού θα συναντήσουμε μεγάλες δυσκολίες στον στόχο μας ‘’κατανόηση’’ διότι θα συνεχίσουμε να ενθαρρύνουμε τις σχετικές εναλλακτικές ιδέες των μαθητών μας. Σύμφωνα με μία από αυτές «το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κάτι που εξασθενεί όταν περάσει από ένα λαμπάκι, είτε γιατί «ξοδεύεται» για να το ανάψει είτε γιατί είναι κάτι σαν τον ήχο που σιγά σιγά σβήνει.

(4) Ένα άλλο στοιχείο της μαγνητικότητας είναι ότι το σώμα γίνεται ικανό να μαγνητίσει ένα σιδερένιο αντικείμενο. Αυτό μπορεί να συνδεθεί με το γεγονός της πτώσης του κεραυνού.

Οι τρεις ταχύτητες

Η καθηγήτρια της φυσικής απευθυνόμενη σε μαθητές Λυκείου περιγράφει τον Μικρόκοσμο του φαινομένου και αποσαφηνίζει δύο πράγματα. Το πρώτο είναι ότι τα ηλεκτρόνια τα οποία θα ενεργοποιηθούν είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού αγωγού τα οποία πριν να δημιουργηθεί το ηλεκτρικό ρεύμα κινούνται άτακτα με ταχύτητες της τάξης των 1000 m/s. Την κίνησή τους αυτή τη χαρακτηρίζει θερμική κίνηση. Το δεύτερο που τους επισημαίνει είναι ότι πώς όταν ο αγωγός ρευματοδοτηθεί η κατευθυνόμενη κίνηση των ελευθέρων αυτών ηλεκτρονίων είναι μία πολύ πιο αργή κίνηση με ταχύτητα της τάξης των mm/s.

Το πρώτο ερώτημα

Και είναι εύλογο να γεννηθεί το ερώτημα : «Κυρία, κυρία . . . . Όταν δηλαδή δημιουργηθεί ρεύμα τα ηλεκτρόνια «χάνουν» τις μεγάλες ταχύτητες που είχαν πριν; Τι είδους ενεργοποίηση είναι αυτή;»

Η διδακτική αντιμετώπιση.

Για να δοθεί μια απάντηση χρειάζεται να αποσαφηνισουμε περισσότερο το ιδιαίτερα λεπτό αυτό ζήτημα. Ας το δούμε.

Πριν από την εμφάνιση του ηλεκτρικού πεδίου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κάθε μετάλλου κινούνται άτακτα, χωρίς δηλαδή να εκδηλώνουν κάποια προτίμηση προς ορισμένη κατεύθυνση, έτσι που εάν από μία διατομή του χάλκινου σύρματος περνούν ορισμένα ηλεκτρόνια προς ορισμένη κατεύθυνση, την ίδια στιγμή ισάριθμα ηλεκτρόνια κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή είναι η λεγόμενη θερμική κίνηση.

Όταν εμφανιστεί το ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα αυτά ηλεκτρόνια δεν «χάνουν» την προηγούμενη ταχύτητά τους αλλά σε αυτήν προστίθεται διανυσματικά και η μικρή ρευματική ταχύτητα της μετακίνησής τους.

Αυτή η εξαιρετικά διστακτική διαδικασία στην οποία παίρνει μέρος ένας αριθμός ηλεκτρονίων τρομακτικά μεγάλος για τις συνήθεις «αριθμητικές» εμπειρίες μας είναι το ηλεκτρικό ρεύμα ή μάλλον η «εικόνα Μικρόκοσμου» την οποία προτείνουν οι φυσικοί γι αυτό. Μία αργή δηλαδή μετακίνηση του «ηλεκτρονικού αερίου» μέσα στον ενδοατομικό Μικρόκοσμο προς ορισμένη κάθε στιγμή κατεύθυνση και έτσι ώστε κάθε ηλεκτρόνιο να διατηρεί και την ταχύτητα της θερμικής κίνησης .

Στην κατανόηση του ζητήματος μπορεί να συμβάλλει και ένα κατάλληλο σχήμα στον πίνακα.

Το δεύτερο ερώτημα

«Κυρία . . . . Κάτι σκέφτηκα και θέλω να μου πείτε εάν κάνω λάθος. Ας υποθέσουμε ότι φτιάχνουμε ένα κύκλωμα με πολύ μακριά καλώδια έτσι ώστε στη μια του άκρη να βρίσκεται η ηλεκτρική στήλη και ο διακόπτης και στην άλλη άκρη σε απόσταση ενός χιλιομέτρου να βρίσκεται ένα λαμπάκι. Εφόσον μας λέτε ότι η ταχύτητα της ρευματικής κίνησης είναι πολύ μικρή το λαμπάκι θα ανάψει μετά από δώδεκα περίπου μέρες μετά το κλείσιμο του διακόπτη. Τόσο χρειάζεται για να φθάσουν τα ηλεκτρόνια στο λαμπάκι και να το ανάψουν. Κάνω λάθος;»

Η διδακτική αντιμετώπιση

Χρειάζεται να έχουμε επίγνωση ότι το ερώτημα σχετίζεται με μία από τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών. Σύμφωνα με αυτήν η μπαταρία προσφέρει ηλεκτρόνια και το λαμπάκι ανάβει με τα ηλεκτρόνια τα οποία -μετά από κάποιο «ταξίδι» μέσα στο καλώδιο- φθάνουν από τη μπαταρία σε αυτό .

Τα ηλεκτρόνια μέσα στο ρευματοφόρο καλώδιο μετακινούνται πράγματι πολύ αργά, αλλά το λαμπάκι δεν ανάβει με ηλεκτρόνια τα οποία φθάνουν από τη στήλη. Το μεταλλικό νήμα κάθε λαμπτήρα έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια και για να δημιουργηθεί ρεύμα πρέπει να δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο το οποίο θα ενεργοποιήσει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προϋπάρχουν στον λαμπτήρα. Μόλις κλείσουμε τον διακόπτη στο παραπάνω κύκλωμα αυτό που ταξιδεύει με τρομακτική για τις εμπειρίες μας ταχύτητα είναι το «σήμα» για την πρόσθετη ενεργοποίησή τους, δηλαδή το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον αγωγό.

Στο μικρόκοσμο συνεπώς του φαινομένου ηλεκτρικό ρεύμα, κατά τη διδασκαλία μας σε μαθητές Λυκείου μπορούμε να τους προτείνουμε να διακρίνουν τις τρεις διαφορετικές ταχύτητες

α. Την ταχύτητα της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων η οποία διατηρείται, ως συνιστώσα, και μετά την εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου. Το μέγεθός της είναι της τάξης των 1000 m/s.

β. Την πολύ μικρή ταχύτητα – με μέγεθος της τάξης των mm/s – με την οποία μετακινείται το ηλεκτρονικό αέριο και

γ. Την τρομακτική για τις εμπειρίες μας ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον αγωγό

Με τη δεύτερη αφαιρετική μας παρέμβαση συσχετίσαμε το φαινόμενο ηλεκτρικό ρεύμα με την οντότητα ηλεκτρικό φορτίο και με το φαινόμενο κατευθυνόμενη κίνηση. Με την πρώτη αφαιρετική μας παρέμβαση θεωρήσαμε ότι από τη σκοπιά των εμπειρικών δεδομένων το ηλεκτρικό ρεύμα συνιστά ΑΙΤΙΑ η οποία δημιουργεί συγκεκριμένα φαινόμενα. Χρειάζεται στη συνέχεια να δώσουμε μία απάντηση στο ερώτημα «Ποια είναι η ΑΙΤΙΑ που δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα;» να αντικρίσουμε με άλλα λόγια το ρεύμα ως ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ κάποιας αιτίας.

Τα γεγονότα και πάλι μας καθοδηγούν. Μπορούμε να ανάψουμε ένα λαμπάκι αν ακουμπήσουμε τα άκρα του στους πόλους μιας ηλεκτρικής στήλης. Μπορούμε να ρευματοδοτήσουμε ένα σύρμα αν ακουμπήσουμε τα άκρα του στους οπλισμούς κάποιου φορτισμένου πυκνωτή. Μία μεταλλική σπείρα ρευματοδοτείται αν την περιστρέψουμε μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Ο κεραυνός «πέφτει» εφόσον έχουμε δυνατή μπόρα.

Τι το κοινό υπάρχει ανάμεσα στα τρεις αυτές διαφορετικές αιτίες; Η διδακτική μας πρακτική μπορεί να εστιάσει στην περίπτωση του φορτισμένου πυκνωτή και στην επισήμανση ότι μεταξύ των οπλισμών του υπάρχει διαφορά δυναμικού. Βασιζόμενοι σε αυτό το δεδομένο μπορούμε να πούμε στους διδασκόμενους ότι κάθε περίπτωση το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ μιας διαφοράς δυναμικού σε συνδυασμό με αγώγιμα υλικά τα οποία επιτρέπουν τη «ροή» του. Μπορούμε με άλλα λόγια να πούμε ότι η έννοια διαφορά δυναμικού είναι η ανθρώπινη επινόηση μιας «κοινής αιτίας» για όλα τα ηλεκτρικά ρεύματα και ότι ο ίδιος αυτός όρος χρησιμοποιείται και για το ομώνυμο μέγεθος το οποίο μπορούμε και να το μετρήσουμε. Κατά τη διδασκαλία μας σε μαθητές Λυκείου θα εμπλουτίσουμε το εννοιακό οπλοστάσιο των διδασκομένων και με την έννοια ηλεκτρεγερτική δύναμη.

Η διαφορά δυναμικού – όπως και η ηλεκτρεγερτική δύναμη- είναι με τη σειρά της ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ κάποιας αιτίας. Η συνήθης αιτία είναι παρουσιάζεται κατά το φαινόμενο Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Βασιζόμενοι σε αυτό το φαινόμενο για το οποίο απαιτείται ειδική διδασκαλία οι άνθρωποι παράγουν ηλεκτρικά ρεύματα σε συντριπτικώς υψηλότερα ποσοστά σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη μέθοδο.

Ακολουθώντας αυτή τη διδακτική στρατηγική έχουμε πετύχει να παρουσιάσουμε στους διδασκόμενους «μία δομή με αιτίες και αποτελέσματα» και δεν πρέπει να μας διαφεύγει ότι τέτοιου είδους δομές συμβάλλουν στον στόχο της κατανόηση δεδομένου ότι η δομή «μοιάζει» με αυτό που είναι η ίδια η ανθρώπινη σκέψη.

Το ηλεκτρικό ρεύμα «έχει» φορά.

Ο άνθρωπος/μαθητής το έχει εξ αρχής αποδεχθεί σαν «κάτι που ρέει». Η ίδια η λέξη ΡΕΥΜΑ του «λέει» ότι είναι κάτι σαν αυτό που συμβαίνει όταν, στο διαμπερές διαμέρισμα, ανοίξουμε όλα τα παράθυρα. Στη συνείδησή του υπάρχει είτε σαν ένα ρεύμα αέρος είτε σαν ένα αόρατο ρυάκι και το ρυάκι οφείλει «λογικά» να έχει κάποια, τέλος πάντων, κατεύθυνση. Έτσι το να έχει το ηλεκτρικό ρεύμα κάποια ορισμένη φορά το θεωρεί αυτονόητο. Την ίδια εικόνα και την ίδια λογική είχαν και οι ερευνητές του περασμένου αιώνα. Κάτι ανάλογο διατηρείται και σε κάποια περιοχή της συνείδησης των διδασκόντων σήμερα εκπαιδευτικών. Όλο αυτό όμως είναι μία ΙΔΕΑ η οποία κατάγεται από τις ανάγκες της σκέψης μας να εικονοποιεί την πραγματικότητα γεγονός που τη βοηθά να παρέμβει ασκώντας το βασικό της «καθήκον», να επιβάλει δηλαδή κάποια τάξη στο χάος της πραγματικότητας. Η ιδέα όμως ΦΟΡΑ για τους φυσικούς, συνιστά ΕΝΝΟΙΑ η οποία έχει οικοδομηθεί «με υλικό» τα φαινόμενα .

Αν θέλουμε να διδάσκουμε την έννοια φορά ηλεκτρικού ρεύματος έτσι που να μην θεωρείται προφανής, οφείλουμε να «σκύβουμε» στα γεγονότα και να σκύβουμε προσεκτικά.

α. Από τη σκοπιά των φαινομένων

Επιστρέφουμε λοιπόν στα φαινόμενα. Αν αντιστρέψουμε τους πόλους της πηγής το λαμπάκι θα ανάψει με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Με λαμπάκι δηλαδή είναι αδύνατον να ανιχνεύσουμε το «εάν συμβαίνει κάτι διαφορετικό». Εάν η μοναδική εκδήλωση του ηλεκτρικού ρεύματος ήταν η θέρμανση των ρευματοφόρων αγωγών η έννοια ΦΟΡΑ δεν θα είχε επινοηθεί. Στη βασική όμως εκδήλωση του ηλεκτρικού ρεύματος ( τη μαγνητική εκδήλωση) τα πράγματα δεν είναι έτσι. Αντιστρέφοντας δηλαδή την πολικότητα η μαγνητική βελόνα εκτρέπεται προς την αντίθετη πλευρά. Αυτό που συμβαίνει «τώρα» είναι ένα «άλλο» γεγονός. Οφείλουμε δηλαδή να παραδεχθούμε ότι έχουμε ένα άλλο ρεύμα.

Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ, αυτό δηλαδή που συνέβη με την αλλαγή της πολικότητας, μας διδάσκει ότι το ζήτημα σχετίζεται και με την αιτία του ηλεκτρικού ρεύματος, που είναι βέβαια η τάση και συγκεκριμένα με την πολικότητα της τάσης.

Η ΦΟΡΑ συνεπώς του ηλεκτρικού ρεύματος

α. θα καθορίζεται από την ΑΙΤΙΑ πολικότητα της τάσης και

β. θα καθορίζει το ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ «μαγνητική εκδήλωση»

Αλλά και τα χημικά φαινόμενα μας δείχνουν ότι τίθεται ένα ζήτημα ΦΟΡΑΣ ρεύματος. Αν αλλάξουμε την πολικότητα της τροφοδοσίας κατά την ηλεκτρόλυση λόγου χάρη με θειικό οξύ θα δούμε να ελευθερώνεται οξυγόνο στο ηλεκτρόδιο από το οποίο πριν έβγαινε υδρογόνο

Ποια θα είναι όμως η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος; Το ερώτημα δεν σχετίζεται με κάποιο μυστικό που πρέπει να αποσπάσουμε από την Πραγματικότητα. Σχετίζεται με κάποια συμφωνία την οποία έπρεπε να κάνουμε για να δημιουργήσουμε μια κοινή ΓΛΩΣΣΑ για την περιγραφή των σχετικών φαινομένων. Μια τέτοια συμφωνία θα μπορούσε να βασίζεται στην αιτία-πολικότητα της τάσης και θα μπορούσε να είναι

α. είτε η φορά από τα μεγαλύτερα δυναμικά προς τα μικρότερα

α. είτε η φορά από τα μικρότερα δυναμικά προς τα μεγαλύτερα.

Η συμφωνία που έχει επικρατήσει στην παγκόσμια κοινότητα των φυσικών από την εποχή του Ampere αναφέρεται στην πρώτη επιλογή. Η επιλογή «φορά του ρεύματος θεωρείται η φορά από τα μεγαλύτερα δυναμικά στα μικρότερα» επεκράτησε τη δεκαετία του 1820, εποχή κατά την οποία δεν υπάρχει στο οπτικό πεδίο της φυσικής το σωματίδιο ηλεκτρόνιο. Ως επιλογή είναι εναρμονισμένη σε τρεις άλλες επιλογές της ίδιας εποχής. Η πρώτη είναι η κατεύθυνση ροής του θερμικού ρευστού ( της θερμότητας) το οποίο «ρέει από υψηλές θερμοκρασίες σε χαμηλότερες». Η δεύτερη είναι ότι τα ποτάμια «ρέουν από μεγάλα δυναμικά βαρύτητας προς μικρότερα» και η τρίτη ότι «οι οριζόντιοι άνεμοι φυσάνε από περιοχές μεγάλης πίεσης προς περιοχές με μικρότερη».

Ορισμένα από αυτά μπορούμε να τα αναφέρουμε κατά τη διδασκαλία μας τονίζοντας ότι τίποτε δεν θα άλλαζε στα γεγονότα αν είχαμε επιλέξει τη δεύτερη πρόταση. Το μόνο διαφορετικό θα ήταν η γλώσσα της περιγραφής.

Η σκοπιά του Μικρόκοσμου

Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι αντίθετη προς τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων κατά τη ρευματοδότηση ενός μεταλλικού αγωγού και είναι ίδια με τη φορά κίνησης των θετικών ιόντων ή των οπών σε περίπτωση που το ρευματοφόρο αντικείμενο είναι ηλεκτρολύτης ή ημιαγωγός αντίστοιχα.

«Πραγματική» και «συμβατική» φορά.

Πρέπει επιτέλους να συμφωνήσουμε και να μην αναφερόμαστε καθόλου στις ξεπερασμένες έννοιες «πραγματική» και «συμβατική» φορά. Χωρίς κανένα λόγο δημιουργούμε -σε ένα ποσοστό των μαθητών μας- εννοιακές συγχύσεις, εισάγοντας έννοιες που δεν θα χρησιμοποιηθούν ποτέ.

Σε όλη την περιγραφή τον Ηλεκτρομαγνητισμό η ΦΟΡΑ του ρεύματος είναι ΜΙΑ συγκεκριμένη έννοια.

Δεν υπάρχουν δύο «ΦΟΡΕΣ».