Ηλεκτρισμός

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Ηλεκτρικές εκκενώσεις στη Ρουμανία, 17 Αυγούστου 2005.

Ο Ηλεκτρισμός είναι ένας γενικός όρος που περιγράφει και μελετά τα διάφορα ηλεκτρικά φαινόμενα, δηλαδή τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωμάτων εξαιτίας των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που προκαλούνται από την ύπαρξη των ηλεκτρικών φορτίων. Μαζί με τον μαγνητισμό αποτελούν ενιαία έκφραση του ηλεκτρομαγνητισμού, μιας από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις.

Ο ηλεκτρισμός ως έννοια έχει τις ρίζες του στην παρατήρηση του Θαλή του Μιλήσιου (περίπου το 600 π.Χ.) ότι κομμάτι ήλεκτρου (κεχριμπάρι) που τρίβεται σε ξηρό ύφασμα έλκει μικρά κομμάτια άχυρου. Εξ ου και η ονομασία "ηλεκτρισμός", δηλαδή το φαινόμενο που παρατηρείται στο ήλεκτρο. Το 19ο αιώνα αναπτύχθηκαν βαθμιαία διάφορες τεχνικές εφαρμογές του ηλεκτρισμού, αλλά μόλις τον 20ο αιώνα αναγνωρίστηκε η διάχυτη παρουσία των ηλεκτρικών δυνάμεων οι οποίες παίζουν βασικό ρόλο στη συγκρότηση και τη συμπεριφορά της ύλης γύρω μας.

[Επεξεργασία] Hλεκτρικό Φορτίο-Συμπεριφορά της ύλης

Σήμερα όταν παρατηρούμε ηλεκτρικά φαινόμενα, όπως αυτό που παρατήρησε ο Θαλής ο Μιλήσιος, λέμε ότι τα υλικά που παρατηρούμε, όπως για παράδειγμα το ήλεκτρο (αν το τρίψουμε με ξηρό ύφασμα) ή το γυαλί (αν το τρίψουμε με μετάξι), αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο ή αλλιώς, φορτίζονται. Με κριτήριο το αν κάποιο υλικό επιτρέπει στα ηλεκτρικά φορτία να περνά από μέσα του ή όχι μπορούμε να το χαρακτηρίσουμε ως αγωγό, μονωτή ή ημιαγωγό.

Αγωγός είναι κάθε υλικό το οποίο αφήνει τα ηλεκτρικά φορτία να περνούν ελεύθερα από μέσα του. Μερικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού είναι τα μέταλλα, το ανθρώπινο σώμα και η γη.

Μονωτής (ή διηλεκτρικό) είναι κάθε υλικό το οποίο δεν επιτρέπει την ελεύθερη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από το σώμα του. Τέλειοι μονωτές που να απαγορεύουν εντελώς τη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από μέσα τους δεν υπάρχουν, αλλά μερικά υλικά τις περισσότερες φορές συμπεριφέρονται σαν τέλειοι μονωτές. Μερικοί μονωτές είναι τα πλαστικά, το γυαλί και ο εβονίτης.

Ημιαγωγός είναι κάθε υλικό που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις, όπως αύξηση της θερμοκρασίας ή πρόσπτωση φωτός. Τέτοια υλικά είναι το γερμάνιο και το πυρίτιο.

Μέσα από διάφορα πειράματα έχουμε αποδείξει ότι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου, που ονομάστηκαν αυθαίρετα αρνητικό και θετικό (δηλαδή θα μπορούσαν να είχαν ονομαστεί και ανάποδα - "θετικό" το "αρνητικό" και "αρνητικό" το "θετικό") από το Βενιαμίν Φραγκλίνο. Τα σωματίδια-φορείς τους είναι τα ηλεκτρόνια για το αρνητικό φορτίο και τα πρωτόνια για το θετικό. Όταν λέμε ότι ένα σώμα είναι φορτισμένο αρνητικά εννοούμε ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων ενώ όταν λέμε ότι είναι θετικά φορτισμένο, εννοούμε ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό είναι μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων. Τέλος,όταν λέμε ότι το σώμα είναι ουδέτερα φορτισμένο εννοούμε ότι ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Όταν ανεξάρτητα άτομα ενώνονται για να σχηματίσουν ένα μεταλλικό στερεό, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων δεν παραμένουν προσκολλημένα στα άτομα αλλά μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε όλο τον όγκο του στερεού. Οι φορείς του φορτίου στα μέταλλα είναι αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται και ηλεκτρόνια σθένους. Τα θετικά φορτία δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα, όπως συμβαίνει στο γυαλί και σε άλλους μονωτές. Σε ορισμένους αγωγούς, όμως, οπως οι ηλεκτρολύτες (οξέα, βάσεις, άλατα), μπορούν να κινηθούν τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά φορτία, επειδή η διαλυμένη ουσία μέσα σε αυτούς βρίσκεται σε μορφή ιόντος (π.χ. Σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου (άλας) έχουμε κατιόντα νατρίου και ανιόντα χλωρίου).

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ποσότητα που διατηρείται: σε κάθε αντίδραση στην οποία συμμετέχουν φορτισμένα σωματίδια ο ολικός αριθμός των φορτίων πριν και μετά την αντίδραση είναι πάντοτε ο ίδιος.

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ποσότητα που είναι κβαντισμένη. Δηλαδή υπάρχει μόνο σε διακριτές οντότητες, ακέραια πολλαπλάσια του θεμελιώδους φορτίου e.

Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο S.I. είναι το Coulomb προς τιμή του Γάλλου φυσικού Τσαρλς Κουλόμπ για το πολύ σημαντικό έργο του στον τομέα του ηλεκτρισμού. Το ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου είναι κατά απόλυτη τιμή ίσο με το αντίστοιχο του ηλεκτρονίου και ισούται με

$|e|= 1.6*\; 10^{-19} Cb$

Κατά την περιγραφή της κατανομής του φορτίου σε μακροσκοπικά σώματα, η διακριτή φύση του φορτίου μπορεί να αγνοηθεί και είναι συνήθως αρκετό να θεωρήσουμε το φορτίο ως ένα συνεχές ρευστό με πυκνότητα φορτίου ( $\frac{Cb}{m^3}$ ) που μεταβάλλεται λίγο ή πολύ ομαλά συναρτήσει της θέσης.

[Επεξεργασία] Ηλεκτρική Δύναμη - Νόμος Coulomb

Ηλεκτρική απωστική δύναμη που ασκείται από ένα φορτισμένο σωματίδιο Q σε ένα μικρότερο q και από το q στο Q.

Μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων που βρίσκονται ακίνητα (ή σχεδόν ακίνητα) αναπτύσσονται ηλεκτρικές δυνάμεις που προκαλούνται από αυτά και ονομάζονται ηλεκτροστατικές. H ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ φορτίων με το ίδιο πρόσημο είναι απωστική, ενώ μεταξύ φορτίων με αντίθετο πρόσημο είναι ελκτική.

Νόμος Coulomb: Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης, την οποία ένα σωματίδιο $q 1$ ασκεί σε ένα άλλο $q 2$ , είναι ευθέως ανάλογο προς το γινόμενο των φορτίων τους, και αντιστρόφως ανάλογο προς το τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης $r$ . Η μαθηματική διατύπωση του νόμου Coulomb είναι η εξής:

$\vec F=k\frac{|q_1|*\;|q_2|}{r^2}$

Η διεύθυνση της δύναμης είναι κατά μήκος της ευθείας που ενώνει τα δύο σωματίδια, ενώ με $k \,$ συμβολίζεται η σταθερά αναλογίας η οποία ονομάζεται και ηλεκτροστατική σταθερά και ισούται με

$k=\frac{1}{4\pi\epsilon_0} \approx -8.988*\; 10^9 \frac{N*\;m^2}{Cb^2}$ .

Ανεξάρτητα από το πόσο είναι το φορτίο ή η μάζα καθενός από τα $q 1$ και $q 2$ , το μέτρο της δύναμης που ασκεί το πρώτο στο δεύτερο και το μέτρο της δύναμης που ασκεί το δεύτερο στο πρώτο είναι ίσα.

Όταν τα φορτισμένα σωματίδια δεν είναι δύο όπως στο παράδειγμά μας αλλά μεγαλύτερου αριθμού, η ολική δύναμη που δέχεται ένα σωματίδιο είναι το διανυσματικό άθροισμα των δυνάμεων που θα του ασκούσε καθένα από τα υπόλοιπα φορτία ξεχωριστά.

Κάθε φορτισμένο σώμα είναι η αιτία που δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο στο χώρο γύρω από αυτό. Μάλιστα, όταν θέλουμε να διαπιστώσουμε αν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο σε κάποιο σημείο, τοποθετούμε ένα φορτισμένο σώμα, που αποκαλούμε δοκιμαστικό φορτίο, σε εκείνο το σημείο. Αν στο δοκιμαστικό φορτίο επιδράσει ηλεκτρική δύναμη, τότε γνωρίζουμε πως σε εκείνη την περίοχή υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο.

[Επεξεργασία] Μεγέθη περιγραφής ηλεκτρικού πεδίου

[Επεξεργασία] Ένταση

Ένταση $\vec E$ σε ένα σημείο ηλεκτρικού πεδίου, ονομάζουμε το φυσικό διανυσματικό μέγεθος που έχει μέτρο ίσο με το πηλίκο του μέτρου της δύναμης που ασκείται σε φορτίο $q$ που βρίσκεται σε αυτό το σημείο προς το φορτίο αυτό και κατεύθυνση την κατεύθυνση της δύναμης, αν αυτή ασκείται σε θετικό φορτίο.

Δηλαδή η ένταση σε ένα σημείο έχει την εξής κατεύθυνση: Διεύθυνση την ευθεία που ενώνει τα δύο σημειακά φορτία και φορά προς το φορτίο-πηγή αν είναι αρνητικό, αλλιώς την ίδια διεύθυνση και αντίθετη φορά (που "βλέπει" αντίθετα του φορτίου-πηγής). Αυτό συμβαίνει γιατί το δοκιμαστικό φορτίο θεωρείται (διεθνής σύμβαση) μικρό και θετικό.

Έτσι βλέπουμε ότι η ένταση έχει το πλεονέκτημα να είναι ανεξάρτητη του δοκιμαστικού φορτίου, αλλά διατηρεί το μειονέκτημα του διανύσματος.

Αν αντικαταστήσουμε στον ορισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδιού τον τύπο με τον οποίο υπολογίζουμε τη δύναμη από το νόμο του Coulomb, έχουμε:

$\vec E=\frac{F}{|q_2|} \iff \vec E=\frac{k\frac{|q_1|\cdot\;|q_2|}{r^2}}{|q_2|} \iff \vec E=k\frac{|q_1|}{r^2}$ .

Εάν έχουμε πολλά φορτία-πηγές, τότε το ηλεκτρικό πεδίο στο τυχαίο σημείο R θα είναι

$\vec E(R) = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \sum_{i=1}^{n} \frac{q_i}{r_i^2} \hat r_i$

O παραπάνω ορισμός αφορά το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από έναν αριθμό σημειακών φορτίων. Μερικές φορές, ωστόσω, χρειάζεται να μελετήσουμε συνεχείς κατανομές φορτίου, όπως για παράδειγμα μια σφαίρα με φορτίο κατανεμημένο στην επιφάνειά της, ή ένας κύλινδρος με κατανεμημένο το φορτίο στο εσωτερικό του. Στην περίπτωση αυτή, το ηλεκτρικό πεδίο υπολογίζεται από τη σχέση

$\vec E(R)=\frac{1}{4\pi\epsilon_0} \int_{V} \frac{\hat r}{r^2} \rho d\tau$

όπου με ρ συμβολίζεται η χωρική πυκνότητα φορτίου, και το ολοκλήρωμα εκτελείται σε όλον τον όγκο στον οποίο εμπεριέχεται το φορτίο. Αντίστοιχες σχέσεις υπάρχουν και για επιφανειακές ή γραμμικές πυκνότητες φορτίου, όπου τα αντίστοιχα ολοκληρώματα είναι επιφανειακά και απλά, αντί για τριπλά που έχουμε στην παραπάνω σχέση.

Υπάρχει, επίσης, και άλλος ένας τρόπος υπολογισμού των ηλεκτρικών πεδίων, σε περιπτώσεις όπου το πρόβλημα διέπεται από κάποια συμμετρία. Η μέθοδος αυτή, γίνεται με τη βοήθεια του νόμου του Gauss.

[Επεξεργασία] Δυναμικές γραμμές

Επειδή δεν μπορούμε να αντιληφθούμε απ'ευθείας το ηλεκτρικό πεδίο με τις αισθήσεις μας, χρησιμοποιούμε τις δυναμικές γραμμές γι'αυτόν το σκοπό. Ο πρώτος που εισήγαγε την έννοια των δυναμικών γραμμών ήταν ο Μάικλ Φαραντέι (1791-1867). Οι δυναμικές γραμμές είναι φανταστικές γραμμές που σχεδιάζουμε σε μία περιοχή το χώρου έτσι ώστε σε κάθε σημείο, το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου να εφάπτεται σε εκείνο ακριβώς το σημείο. Οι ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές δείχνουν την κατεύθυνση του $\vec E$ σε κάθε σημείο. Απομακρύνονται από τα θετικά φορτία και καταλήγουν σε θετικά. Η πυκνότητά τους στο χώρο είναι ανάλογη του $\vec E$ , δηλαδή η ένταση του πεδίου έχει μεγαλύτερο μέτρο στις περιοχές που είναι πυκνότερες οι δυναμικές γραμμές. Σε κάθε σημείο, το ηλεκτρικό πεδίο έχει μία μόνο κατεύθυνση, οπότε από κάθε σημείο του χώρου περνάει μία μόνο δυναμική γραμμή. Οι δυναμικές γραμμές, δηλαδή, δεν τέμνονται ποτέ.

Βέβαια, υπάρχει τρόπος για να δούμε τις δυναμικές γραμμές. Παίρνουμε μία λεκάνη που είναι φτιαγμένη από μονωτικό υλικό, βάζουμε μέσα μονωτικό υγρό (π.χ. καστορέλαιο) και ρίχνουμε σπόρους χλόης ή σουσαμιού οι οποίοι επιπλέουν. Εν συνεχεία τοποθετούμε με κατάλληλο τρόπο ένα μικρό φορτισμένο σώμα σε ένα σημείο του υγρού και διαπιστώνουμε ότι οι σπόροι θα διαταχθούν έτσι ώστε να φαίνονται οι δυναμικές γραμμές. Αυτό το φαινόμενο ερμηνεύεται με την επαγωγική φόρτιση των σπόρων.

[Επεξεργασία] Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια

[Επεξεργασία] Δυναμικό

Το ηλεκτρικό δυναμικό, ή απλά δυναμικό όπως συνηθίζεται, είναι η δυναμική ενέργεια ανά μονάδα φορτίου. Η μονάδα μέτρησης του δυναμικού στο σύστημα SI είναι το βολτ (volt), προς τιμήν του Ιταλού επιστήμονα Alessandro Volta. Το βολτ ορίζεται ως 1 τζάουλ ανά κουλόμπ

$1Volt = 1{Joule \over Coulomb} \,$

Το δυναμικό ορίζεται μαθηματικά ως

$V(R)=-\int_{O}^{R} \vec E \cdot d \vec l \,$

όπου το Ο είναι το σημείο αναφοράς, όπου συνήθως το δυναμικό είναι εκεί μηδενικό. Η διαφορά δυναμικού ορίζεται ως

$V(B)-V(A)=- \int_{A}^{B} \vec E \cdot d \vec l \,$

Το δυναμικό συνδέεται άμεσα με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μέσω της σχέσης

$\vec E = -\vec{\nabla} V$

To βασικό πλεονέκτημα της εισαγωγής του δυναμικού έγκειται στο ότι αυτό είναι ένα βαθμωτό μέγεθος, εν αντιθέσει με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, η οποία είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, και κατά συνέπεια πιο δύσχρηστο στους υπολογισμούς. Υπάρχει μια ασάφεια στον ορισμό του δυναμικού, που αφορά το σημείο αναφοράς Ο, καθώς μετακινώντας αυτό το σημείο, αλλάζει η τιμή του δυναμικού. Γι' αυτό λέμε πως το δυναμικό αυτό καθαυτό δεν έχει κάποια φυσική σημασία. Ουσιαστική σημασία έχει μόνο η διαφορά δυναμικού, αφού τα δύο δυναμικά στα σημεία Α και Β έχουν υπολογιστεί με κοινό σημείο αναφοράς Ο.

Θέτοντας το σημείο αναφοράς στο άπειρο, βρίσκουμε εύκολα πως το δυναμικό ενός σημειακού φορτίου q είναι

$V(r)=-\frac{1}{4\pi\epsilon_0} \int_{\infty}^{r} \frac{q}{r'^2}dr'=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{r}$

ενώ για μια συνεχή κανομή φορτίου έχουμε ότι

$V(R)=\frac{1}{4\pi\epsilon_0} \int \frac{\rho}{r} d\tau$

Τέλος, το δυναμικό υπακούει στην αρχή της επαλληλίας. Το δυναμικό δηλαδή σε ένα σημείο, θα είναι το αλγεβρικό άθροισμα των επιμέρους δυναμικών που οφείλονται στα διάφορα φορτία-πηγές κοντά σε αυτό το σημείο. Θα είναι δηλαδή

$V=V(A)+V(B)+V(C)+... \,$

[Επεξεργασία] Σημειώσεις-Διευκρινήσεις

Σημείωση1: Για διευκόλυνσή μας, την ηλεκτρική σταθερά του κενού την παίρνουμε ίση με $k = 9 * 10 9$ .
Σημείωση2: Ο ορθός όρος είναι ηλεκτροστατικό πεδίο και όχι ηλεκτρικό πεδίο που χρησιμοποιούμε συνήθως.

[Επεξεργασία] Δείτε επίσης

Ηλεκτρομαγνητισμός

[Επεξεργασία] Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Κείμενο με ιστορική περισσότερο σημασία

Άρθρο σχετικά με τις επιπτώσεις του ηλεκτρισμού στην ανθρώπινη υγεία

Ιστοσελίδα με φωτογραφίες

Ιστοσελίδα με ιστορικά στοιχεία για την μελέτη του ηλεκτρισμού από την αρχαιότητα μέχρι το 18ο αιώνα

Σύγχρονες εφευρέσεις που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό

Ιστοσελίδα με applets που εξομοιώνουν εφαρμογές της Φυσικής, όπως ο νόμος του Ωμ

[Επεξεργασία] Βιβλιογραφία

Ohanian, Φυσική τόμος Β' , μετάφραση από Α. Φίλιππα, εκδόσεις Συμμετρία
Haliday-Resnick, Φυσική μέρος Β', μετάφραση από Πνευματικό-Πεπονίδη, Επιστημονικές και τεχνικές εκδόσεις Γ.Α. Πνευματικού
Serway, Physics for Scientists and Engineers τόμος II - Ηλεκτρομαγνητισμός, απόδοση στα ελληνικά Λ. Ρεσβάνης
Paul G. Hewitt, Οι έννοιες της Φυσικής τόμος II, πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, μετάφραση από Ελένη Σηφάκη
Hugh D. Young, Πανεπιστημιακή Φυσική τόμος Β', εκδόσεις Παπαζήση
Φυσική Γ.Π. Β Ενιαίου Λυκείου, ΟΕΔΒ
David J. Griffiths, Εισαγωγή στην Ηλεκτροδυναμική τόμος Ι, πανεπηστημιακές εκδόσεις Κρήτης