Προσομοιώσεις · Γ΄ Γυμνασίου · Ηλεκτρισμός · Κεφ. 1 · §1.4

Αγωγοί και μονωτές: η κίνηση των ηλεκτρονίων

Θεωρία

Αγωγοί

Το 1729 ο Άγγλος ερασιτέχνης Stephen Gray ηλέκτρισε ένα γυάλινο σωλήνα και έδεσε στην άκρη του ένα μακρύ νήμα, θέλοντας να δει πόσο μακριά θα «ταξίδευε» το φορτίο. Κρέμασε το νήμα από κλωστές μεταξιού, σαν αιώρα, και το φορτίο έφτανε ως την άλλη άκρη. Όταν στήριξε το ίδιο νήμα με λεπτό μεταλλικό σύρμα αντί για μετάξι, το φορτίο χανόταν στον δρόμο.

Το νήμα ήταν το ίδιο και στις δύο φορές. Τι άλλαξε;

Στην προσομοίωση σύρε μια φορτισμένη σφαίρα κοντά σε μια μεταλλική ράβδο, χωρίς να την αγγίξεις. Με σφαίρα +8 nC, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της ράβδου συγκεντρώνονται στην κοντινή άκρη: αυτή γίνεται αρνητική, γύρω στα −5 nC, και η μακρινή θετική, γύρω στα +5 nC.

Για να το φανταστείς, σκέψου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ενός μετάλλου σαν ένα αέριο που γεμίζει ομοιόμορφα όλο το δωμάτιο όπου βρίσκεται. Τα ηλεκτρόνια ενός μονωτή μοιάζουν αντίθετα με χάντρες κολλημένες η καθεμία στη θέση της πάνω σε μια σανίδα.

Πού σταματά η αναλογία. Ένα αέριο μπορεί να διαφύγει από το δωμάτιο ή να χάσει μόρια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν φεύγουν μόνα τους από το μέταλλο· κινούνται μόνο όταν τα σπρώχνει κάποια δύναμη, και μένουν πάντα μέσα στο σώμα.

Στα μέταλλα κάποια ηλεκτρόνια κάθε ατόμου δεν μένουν δεμένα στο άτομό τους: είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια και κινούνται σε όλο το σώμα, ανάμεσα στα θετικά ιόντα, που μένουν ακίνητα. Τα υλικά στα οποία το φορτίο μπορεί να μετακινηθεί εύκολα λέγονται αγωγοί. Αγωγοί είναι τα μέταλλα, το νερό της βρύσης, το ανθρώπινο σώμα και η Γη.

Αν ένα μεταλλικό σώμα πάρει φορτίο με επαφή, το φορτίο απλώνεται σε όλο το σώμα, γιατί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια απωθούνται μεταξύ τους και κινούνται μέχρι να ισορροπήσουν. Στην προσομοίωση, όταν η σφαίρα +8 nC αγγίξει μια ουδέτερη μεταλλική ράβδο, το φορτίο μοιράζεται. Η ράβδος παίρνει +4 nC, απλωμένα σε όλο το μέταλλο, και η σφαίρα κρατά τα υπόλοιπα +4 nC.

Γρήγορος έλεγχος: Μια ουδέτερη μεταλλική ράβδος έχει την άκρη της κοντά σε θετικά φορτισμένη σφαίρα, χωρίς να την αγγίζει. Πόσο είναι το ολικό φορτίο της ράβδου;

Μονωτές

Στο πλαστικό, στο γυαλί, στο καουτσούκ και στο ξηρό ξύλο τα ηλεκτρόνια είναι δεμένα στα άτομά τους, σαν κολλημένες χάντρες. Δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε όλο το σώμα. Αυτά τα υλικά λέγονται μονωτές.

Αν ένας μονωτής φορτιστεί σε ένα σημείο, το φορτίο μένει σε εκείνο το σημείο, γιατί καμία χάντρα δεν στέλνει το φορτίο της στη διπλανή. Γι’ αυτό μπορούμε να ηλεκτρίσουμε μια πλαστική ράβδο με τριβή κρατώντας την στο χέρι, ενώ μια μεταλλική ράβδο όχι. Το φορτίο της θα έφευγε αμέσως από το χέρι μας στη Γη, αφού και τα δύο είναι αγωγοί.

Γρήγορος έλεγχος: Ένας μονωτής δεν άγει το φορτίο επειδή δεν έχει καθόλου ηλεκτρόνια μέσα του. Σωστό ή λάθος;

Πόσο μεγάλη είναι η διαφορά αγωγού και μονωτή; Τεράστια, πολύ μεγαλύτερη απ’ όσο φαντάζεσαι. Το φορτίο περνά πιο εύκολα μέσα από εκατοντάδες χιλιόμετρα μεταλλικού σύρματος παρά μέσα από λίγα εκατοστά γυαλιού. Γι’ αυτό, όταν κοιτάξεις έναν πυλώνα της ΔΕΗ, θα δεις τα καλώδια να μην ακουμπούν πουθενά στη μεταλλική κατασκευή: κρέμονται από σειρές γυάλινων ή κεραμικών δίσκων, τους μονωτήρες. Το ίδιο κάνει και το πλαστικό περίβλημα στα καλώδια του σπιτιού σου: κρατά το ρεύμα μέσα στον χαλκό.

Επαγωγή και πόλωση

Πλησιάζοντας τη φορτισμένη σφαίρα σε κάθε ράβδο, χωρίς να την αγγίξουμε, βλέπουμε τι κάνει κάθε υλικό:

Στην επαγωγή η κοντινή άκρη αποκτά φορτίο αντίθετο από το φορτισμένο σώμα και η μακρινή όμοιο. Η ράβδος συνολικά μένει ουδέτερη: τα ηλεκτρόνια απλώς άλλαξαν θέση.

Όταν απομακρύνουμε το φορτισμένο σώμα, τα ηλεκτρόνια ξαναμοιράζονται ομοιόμορφα. Και στις δύο περιπτώσεις η κοντινή πλευρά έχει αντίθετο φορτίο, γι’ αυτό η ράβδος έλκεται από το φορτισμένο σώμα.

Συχνό λάθος: μπερδεύουμε την επαγωγή με τη φόρτιση με επαφή. Η επαγωγή χρειάζεται μόνο πλησίασμα, όχι άγγιγμα, και η ράβδος μένει πάντα ουδέτερη· βλέπουμε + και − στις άκρες, όχι επειδή μπήκε φορτίο, αλλά επειδή τα ηλεκτρόνια μετατοπίστηκαν. Η φόρτιση με επαφή χρειάζεται πραγματικό άγγιγμα και αλλάζει το ολικό φορτίο της ράβδου.

Γρήγορος έλεγχος: Στην επαγωγή βλέπουμε + στη μία άκρη της μεταλλικής ράβδου και − στην άλλη. Σημαίνει αυτό ότι η ράβδος απέκτησε φορτίο;

Δραστηριότητες

1. Πρόβλεψη: Αγγίζεις τη φορτισμένη σφαίρα στην άκρη της πλαστικής ράβδου και την απομακρύνεις. Πού θα βρεθεί το φορτίο; Απάντησε στην κάρτα «Πρόβλεψη» και δοκίμασέ το.
2. Με τη μεταλλική ράβδο, πάτησε «Πλησίασε». Προς τα πού κινήθηκαν τα ηλεκτρόνια; Ποιο είναι το ολικό φορτίο της ράβδου; Επανάλαβε με αρνητική σφαίρα.
3. Σύρε τη σφαίρα σιγά σιγά πιο κοντά στη μεταλλική ράβδο. Πώς αλλάζουν τα φορτία στις άκρες;
4. Άγγιξε τη μεταλλική ράβδο και απομάκρυνε τη σφαίρα. Πού βρίσκεται τώρα το φορτίο της ράβδου; Σύγκρινε με την πλαστική.
5. Άγγιξε την πλαστική ράβδο στη μέση και μετά στην άκρη. Πόσες «φορτισμένες περιοχές» έχει τώρα η ράβδος;

Ασκήσεις

Λύσε κάθε άσκηση και, όπου γίνεται, έλεγξε την απάντηση στην προσομοίωση.

1. Επίπεδο 1 · Κατανοώ Γιατί τα καλώδια του ρεύματος είναι από χαλκό και είναι τυλιγμένα με πλαστικό;

   Λύση

   Ο χαλκός είναι αγωγός: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του κινούνται εύκολα, άρα μεταφέρει το ρεύμα. Το πλαστικό είναι μονωτής: δεν αφήνει το φορτίο να περάσει σε εμάς ή σε άλλα σώματα.

2. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Πλησιάζουμε αρνητικά φορτισμένη σφαίρα στην αριστερή άκρη μιας ουδέτερης μεταλλικής ράβδου, χωρίς να την αγγίξουμε. Τι φορτίο αποκτά κάθε άκρη; Ποιο είναι το ολικό φορτίο της ράβδου;

   Λύση

   Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια απωθούνται προς τη δεξιά άκρη: η αριστερή γίνεται θετική και η δεξιά αρνητική. Το ολικό φορτίο μένει 0.

3. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Μια μεταλλική σφαίρα με +6 nC ακουμπά σε μια ίδια, ουδέτερη μεταλλική σφαίρα και μετά τις χωρίζουμε. Πόσο φορτίο έχει η καθεμία;

   Λύση

   Τα φορτία μοιράζονται εξίσου σε ίδιους αγωγούς: +3 nC η καθεμία. Το ολικό φορτίο μένει +6 nC.

4. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Τρίβουμε μια μεταλλική ράβδο με μάλλινο ύφασμα κρατώντας την στο χέρι, αλλά δεν φορτίζεται. Γιατί; Τι θα αλλάξει αν την κρατάμε από μια πλαστική λαβή;

   Λύση

   Το σώμα μας και η Γη είναι αγωγοί: το φορτίο φεύγει από τη ράβδο μέσα από το χέρι μας. Με πλαστική (μονωτική) λαβή το φορτίο δεν μπορεί να φύγει και η ράβδος φορτίζεται.

5. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Μια φορτισμένη ράβδος έλκει μια ουδέτερη πλαστική μπάλα. Εξήγησε γιατί, αφού η μπάλα δεν έχει φορτίο και είναι μονωτής.

   Λύση

   Τα ηλεκτρόνια των ατόμων της μπάλας μετατοπίζονται λίγο (πόλωση): η πλευρά προς τη ράβδο αποκτά αντίθετο φορτίο και η απέναντι όμοιο. Η έλξη της κοντινής πλευράς είναι μεγαλύτερη από την άπωση της μακρινής, γιατί η ηλεκτρική δύναμη μικραίνει με την απόσταση.