Μάθημα : ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ - ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Α' ΕΠΑΛ

Όλοι μέσα από την καθημερινότητα μας έχουμε έρθει σε επαφή με τα αποτελέσματα του στατικού ηλεκτρισμού, όλοι έχουμε νίωσει κάποιο "τίναγμα" από ένα άγγιγμα σε μια πόρτα. 

ή το πιο συνηθέστερο, "΄τίναγμα" από κάποια χειραψία. 

ή ακόμα, κάποιο "τίναγμα" καθώς ακουμπάμε την πόρτα ενός αυτοκινήτου.

Αν συνεχίζαμε με παραδείγματα από την καθημερινότητα μας η λίστα θα ήταν αρκετά μεγάλη. 

Τι είναι αυτό όμως, που προκαλέι αυτό το "τίναγμα" ; 

• Σίγουρα, είναι η επαφή δυο σωμάτων, δυο υλικών. 
• Και ένα "παιχνίδι" ανταλλαγής ηλεκτρονίων - φορτίων μεταξύ των δυο σωμάτων - υλικών.

Ας δούμε αυτό το "παιχνίδι" ανταλλαγής ηλεκτρονίων και τι συμβαίνει μέσα από μια μπλόυζα και ένα μπαλόνι (παράδειγμα από την γνωστή προσωμοίωση του phet colorado)

Στο παραπάνω παράδειγμα έιδαμε πως μέσα από την τριβή δυο υλικά ανταλλάσουν ηλεκτρόνια μεταξύ του και φορτίζονται με απότελεσμα να έλκονται ή και να απωθούνται ( αν και τα δύο έχουν το ίδιο φορτίο) .

Τώρα μπορούμε να κατανοήσουμε για ποιό λόγω κάποιες φορές νίωθουμε ένα "τίναγμα" από μια χειραψία. 

Παρατηρείστε:

• Περπατώντας έχουμε τριβή μεταξύ του παπουτσίου και του χαλιού με αποτέλεσμα να μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το χαλί στον άνθρωπο και αυτός να φορτίζεται αρνητικά.
• Με την χειραψία το "αρνητικά" φορτισμένο χέρι μεταφέρει απότομα το φορτίο του στο άλλο με αποτέλεσμα και οι δυο τους να νίωσουν ένα "τίναγμα" .

Μια καταπληκτική προσομοίωση μέσα από την οποία μπορούμε να κατανοήσουμε πως δυο μονωτές ανταλλάσουν ηλεκτρόνια μεταξύ τους μέσω της επαφής τους  και φορτίζονται δημιουργώντας στατικό ηλεκτρισμό. Ένα "παιχνίδι φορτίων" που συναντάμε συχνά στην καθημερινότητα μας. 

Όλοι έχουμε νιώσει το "το τίναγμα" του στατικού ηλεκτρισμού. Δείτε σε αυτή την προσομοίωση πως και γιατί συμβαίνει. 

Ένα βίντεο που μας παρουσιάζει 9 εντυπωσιακά πειράματα που μπορούμε να πραγματοποιήσουμε για να "παίξουμε" με τις ιδιότητες - αποτελέσματα του στατικού ηλεκτρισμού. Δείτε το και πειραματιστείτε. 

Μερικές ερωτήσεις κατανόησης σχετικά με το "παιχνίδι" των ηλεκτρικών φορτίων μέσα από την επαφή - τριβή υλικών που είναι μονωτές (δεν αφήνουν το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει εύκολα). Καλή σας επιτυχία!

Η ζάχαρη σε ρυθμούς ροκ!!!

Ένα βίντεο με το πείραμα που θα κάνουμε στο εργαστήριο που αντικαθιστά τα κομμένα χαρτάκια με ΖΑΧΑΡΗ. Τι πιστεύετε, "κολλάει" η ζάχαρη επάνω σε ένα πλαστικό μπαλόνι ή όχι;

Το πείραμα του δικού μας Βασίλη!!!

Και το πείραμα του Δημήτρη!!

Αγωγοί

Κάποια υλικά αφήνουν το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει εύκολα. Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. 

Αν ένα υλικό είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος τότε σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα με μια λάμπα -μπαταρία - καλώδια το ρεύμα θα "περνάει¨και οπότε η λάμπα θα ανάβει.

Για παράδειγμα ας δούμε ένα κέρμα. Είναι καλός αγωγός του ρεύματος; 

Η λάμπα ανάβει. 

Άρα το κέρμα είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος.

Αρκετά μέταλλα είναι αγωγοί του ηλετρικού ρεύματος όπως : 

• ο χαλκός 
• το αλουμίνιο 
• ο σίδηρος 
• το ατσάλι 

Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν το ρέυμα και να λειτουργούν οι ηλεκτρικές μας συσκευές. 

Το πόσο καλός είναι ο αγωγός είναι μια ερωτηση που θα απάντησουμε σε άλλη ενότητα. 

Μονωτές

Κάποια υλικά δεν αφήνουν το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει εύκολα. Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως 

μονωτές ή κακοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. 

Αν ένα υλικό είναι μονωτής τότε σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα με μια λάμπα -μπαταρία - καλώδια το ρεύμα δεν θα "περνάει¨και οπότε η λάμπα δεν θα ανάβει.

Για παράδειγμα ας δούμε μια γόμα. Είναι κακός αγωγός του ρεύματος; 

Η λάμπα δεν ανάβει. 

Άρα η γόμα είναι μονωτής. 

Γνωστοί μονωτές είναι  : 

• Το πλαστικό
• Το ξηρό ξύλο
• Το γυαλί

Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται για να καλύψουν τα υλικά που μεταφέρουν το ρέυμα για να  λειτουργούν οι ηλεκτρικές μας συσκευές.

Μονωτές υπό συνθήκες

Κάποια υλικά αφήνουν να περάσει το ηλεκτρικό ρεύμα αλλά όχι πολύ εύκολα. Αυτά τα υλικά μπορούν να χαρακτηριστούν ως αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος υπό συνθήκες. 

Είναι η ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ του αγωγού και του μονωτή. 

Αν ένα υλικό είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος υπό συνθήκες τότε σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα με μια λάμπα -μπαταρία - καλώδια το ρεύμα θα "περνάει¨και η λάμπα θα ανάβει σε ορισμένες συνθήκες π.χ. μεγάλο ρεύμα - μεγάλη τάση. 

Για παράδειγμα ας δούμε τον άνθρωπο. Είναι καλός αγωγός του ρεύματος υπό συνθήκες; 

Η λάμπα σε ανάβει όταν έχουμε μεγάλη τάση ( συνθήκη ) 

Άρα ο άνθρωπος είναι αγωγός υπό συνθήκες ( μεγάλη τάση , βρεγμένα χέρια ) 

Τέτοια υλικά είναι : 

• Το ανθρώπινο σώμα 
• Το βρεγμένο δέρμα
• Το αλατισμένο νερό 
• Η γη 

Λίστα γνωστών αγωγών - μονωτών και αγωγών υπό συνθήκες

Αναζητώντας τα αγώγιμα υλικά

Και τώρα.... Ας παίξουμε!!!!
Βγάλτε όλοι έξω τα κινητά σας (ασυνήθιστο, ε;)
και πατήστε αυτόν τον σύνδεσμο που ακολουθεί...

Αγωγοί - Μονωτές - Αγωγοί υπό Συνθήκες

ή πληκτρολογείστε nearpod.com
στο STUDENTS επιλέξτε Join a lesson
στο Enter code πληκτρολογείστε (με ΚΕΦΑΛΑΙΑ)  4vsz5 και πατήστε Join
στη συνέχεια Sign in with Google
και μπήκατε!!!
Δείτε την παρουσίαση και ΚΥΡΙΩΣ το ενσωματωμένο βίντεο
και μετά, πάρτε μέρος στο παιχνίδι. 
ΠΡΟΣΟΧΗ: 
Όποιος απαντά σωστά, ανεβαίνει την πλαγιά!
Η ταχύτητα μετρά, οπότε απαντάτε γρήγορα!!
Ο πιο σωστός (και παράλληλα πιο γρήγορος), κερδίζει!
Υπάρχει μόνο ένας νικητής!!!
Καλή διασκέδαση!!!

Τι θα δούμε σε αυτό το μάθημα
(Παρουσίαση του μαθήματος και παιχνίδι γνώσων στο τέλος της παρουσίασης)

Τι συμβαίνει μέσα σε ένα καλό αγωγό 

Όλοι γνωρίζουμε πως τα καλώδια είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος μιας και το μεταφέρουν. 

Τα καλώδια υπάρχουν γύρω μας σχεδόν παντού. 

Ας αρχίσουμε να "μπαίνουμε" σιγά σιγά μέσα στο καλώδιο.

Κάτω από το πλαστικό λευκό περίβλημα ( προστατευτικός μανδύας ) θα δούμε πως υπάρχουν αγωγοί. 

Το συνηθηστέρο υλικό των αγωγών είναι ο χαλκός.

Ο χαλκός ως μέταλλο και γενικά τα μέταλλα έχουν κάποιες ιδιαιτερότητες. 

• Έχουν "μεγάλα" ατομα.
• Έιναι τοποθετημένα σε συγκεκριμένες θέσεις και σχηματίζουν ένα πλέγμα που λέγεται  κρυσταλλικό πλέγμα.
• Έχουν "ελεύθερα¨ηλεκτρόνια (σύμφωνα με την θεωρία των ελεύθερων ηλεκτρονίων), μιας και έλκονται από τα μεγάλα άτομα και μπορούν να διαφύγουν από αυτά. 

Στην παραπάνω προσομοίωση αν επιλέξουμε τυχαία κίνηση παρατηρούμε: 

• Το κρυσταλλικό πλέγμα 
• Το ελέυθερο ηλεκτρόνιο που κινείται τυχαία ανάμεσα στα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος.

Άρα μέσα στους αγωγούς κινούνται ελέυθερα ηλεκτρόνια άστατα σε δίαφορες κατευθύνσεις. 

Οπότε σε ένα κύκλωμα που έχει μια λάμπα και αγωγούς και πάλι τα ηλεκτρόνια θα κινούνται χωρίς κατεύθυνση και η λάμπα δεν θα ανάβει.

Αν όμως προσθέσουμε μια μπαταρία(ηλεκτρική τάση) τότε θα παρατηρήσουμε πως η λάμπα ανάβει και πως τα ελέυθερα ηλεκτρόνια κινούνται όλα μαζί προς μια κατεύθυνση. 

Αν δούμε καλύτερα μέσα στους αγωγούς τώρα που συνδέθηκε η μπαταρία(τάση) και το κύκλωμα έγινε κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα, τότε θα δούμε την παρακάτω εικόνα : 

Σε αυτό το σημείο συμπεραίνουμε οτι : 

• Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η προσανατολισμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσα σε μεταλλικούς αγωγούς. 

• Για να έχουμε ηλεκτρικό ρεύμα χρειαζόμαστε :

κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα 

αγωγούς (ελεύθερα ηλεκτρόνια)

μπαταρία (ηλεκτρική τάση)

λάμπα (κατανάλωση)

• Και μια μικρή ιστορία για να θυμόμαστε τα παραπάνω λίγο πιο διασκεδαστικά 

Ο καλός Αγωγός και η κυρία μπαταρία

Ο καλός αγωγός είναι ένας πολύ καλός Κυριούλης  ο οποίος αφήνει το ηλεκτρικό  ρεύμα να περάσει . Βασικά δεν είναι και τόσο καλούλης , μάλλον πονηρούλης . Απλά έχει τα «μέσα» για το παίξει καλός . Αυτός ο κύριος έχει στα «χωράφια» του κάτι πολύ μικρά μπαλάκια τα οποία τα χει ελεύθερα να κινούνται όπως θέλουν. Αυτά χαιρετιούνται ,συγκρούονται μεταξύ τους , γενικά είναι γεμάτα ενέργεια.

‘Όταν έρθει η Κυρία μπαταρία όλα αλλάζουν και ο Καλούλης αγωγός ζητάει από τα μικρά ελεύθερα μπαλάκια να μπουν σε σειρά το ένα πίσω από το άλλο και να κινούνται σαν στρατιωτάκια σε παρέλαση  και η αποστολή τους είναι να περνούν μέσα από λαμπάκια , υπολογιστές , κινητά τηλέφωνα , μίζες από μηχανάκια (και αλλά πολλά……) και  τους δίνουν «ζωή» .

Στην προηγούμενη ενότητα είδαμε πως αν συνδέσουμε μια μπαταρία (τάση) σε ένα κλειστό κύκλωμα με αγωγούς και λαμπάκι, τότε θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα (δηλαδή προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων) και η λάμπα θα ανάψει. 

Πως όμως η μπαταρία (τάση) δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα, τι κάνει, πως επηρεάζει το ηλεκτρικό κύκλωμα; 

Σε αυτό το ερώτημα θα απαντήσουμε αρχικά με το μηχανικό - υδραυλικό ανάλογο και στην συνέχεια με μια πιο ρεαλιστική προσσέγγιση στο ίδιο το ηλεκτρικό κύκλωμα. 

1. Μηχανικό - υδραυλικό ανάλογο 

Αν παρατηρήσουμε την παρακάτω εικόνα διακρίνουμε : 

1. Την λίμνη με το νερό σε χαμηλό σημείο ( άρα σε σημείο με χαμηλό δυναμικό - χαμηλή δυναμική ενέργεια ) 
2. Την αντλία νερού 
3. Το σωλήνα που ανεβάζει το νερό στην κορυφή του λόφου, δηλαδή σε ένα σημείο με υψηλότερο δυναμικό ( σε σχέση με το νερό της λίμνης - σε αυτό το σημείο θα έχει ύψηλότερη δυναμική ενέργεια ) 
4. Τον νερόμυλο 

Όταν θέσουμε σε λειτουργία την αντλία τότε: 

1. Η αντλία δίνει ενέργεια και το νερό από το σημείο χαμηλού δυναμικού θα ανέβει στην κορυφή του λόφου σε σημείο υψηλού δυναμικού 
2. Το νερό θα αρχίσει να κυλάει στην άλλη πλαγιά του λόφου,λογο της δυναμικής ενέργειας που έχει αποκτήσει 
3. Ο Νερόμυλος θα αρχίσει να γυρνάει 
4. Το νερό επιστρέφει στην λίμνη δημιουργώντας ένα κλειστό κύκλωμα νερού 

Κάτι ανάλογο συμβαίνει και σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα με μια μπαταρία και ένα λαμπάκι. 

Στον παρακάτω πίνακα περιγράφονται οι αντιστοιχίες του ηλεκτρικού κυκλώματος με το μηχανικό ανάλογο.

Με τον ανάλογο τρόπο όταν συνδέσουμε την μπαταρία(τάση) στο ηλεκτρικό κύκλωμα τότε: 

1. Η μπαταρία δίνει ηλεκτρική ενέργεια στο κύκλωμα και δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού (σαν τον λόφο του ) .

   Ένα χαμηλό ηλεκτρικό δυναμικό ( σαν την λίμνη ) 

   Ένα υψηλό δυναμικό ( σαν την κορυφή του λόφου )

2. Τα ελέυθερα ηλεκτρόνια αρχίζουν και κινούνται προσανατολισμένα, δηλαδή δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα ( σαν το νερό που κινείται μέσα στο σωλήνα και κυλάει στο λόφο ) 
3. Η λάμπα ανάβει, αφού περνάει ηλεκτρικό ρεύμα  ( σαν το νερόμυλο που γυρνάει )
4. Το ηλεκτρικό ρεύμα επιστρέφει σε χαμηλό ηλεκτρικό δυναμικό ( σαν το νερό που επιστρέφει στη λίμνη )

2. Ηλεκτρικό κύκλωμα ( μια πιο ρεαλιστική προσέγγιση )

• Με την σύνδεση της μπαταρίας στο ηλεκτρικό κύκλωμα της λάμπας και των αγωγών, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των αγωγών αποκτούν την τάση να κινηθούν προσανατολισμένα 

• Αυτό συμβαίνει, δίοτι η μπαταρία με την ηλεκτρική ενέργεια της δημιουργεί ένα υψηλό ηλεκτρικό δυναμικό και ένα χαμηλό ηλεκτρικό δυναμικό 

• Αυτό έχει ως συνέπεια να ασκείται σε κάθε ηλεκτρόνιο μια ηλεκτρική δύναμη τα οποία τα κινεί προσανατολισμένα δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. 

Αν όλα τα παραπάνω σας μπέρδεψαν λίγο, παρακολουθήστε το παρακάτω βίντεο...