Ηλεκτρισμός · Ταλαντώσεις · Κύματα & Ήχος — Πλήρης Επανάληψη
Πώς δημιουργείται το φορτίο, τι είναι θετικό/αρνητικό, και πώς το άτομο κρατά την ισορροπία του.
Οι ηλεκτρικές δυνάμεις ασκούνται από απόσταση (όπως ακριβώς και ο μαγνήτης που έλκει χωρίς να αγγίζει).
Το ηλεκτρικό φορτίο συμβολίζεται με το γράμμα q ή Q. Υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη φορτίου:
Κανόνας: Όμοια φορτία απωθούνται (+ με +, − με −). Αντίθετα φορτία έλκονται (+ με −).
Κάθε άτομο αποτελείται από:
Σημαντικό: Το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο έχουν αντίθετα φορτία ίδιου μεγέθους. Πρωτόνιο: +1,6·10⁻¹⁹ C — Ηλεκτρόνιο: −1,6·10⁻¹⁹ C.
Κανονικά κάθε άτομο έχει ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων, άρα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο (συνολικό φορτίο μηδέν).
| Κατάσταση | Τι συμβαίνει | Συνολικό φορτίο |
|---|---|---|
| Προσλαμβάνει ηλεκτρόνια | Πλεόνασμα ηλεκτρονίων | Αρνητικό (−) |
| Χάνει ηλεκτρόνια | Έλλειμμα ηλεκτρονίων | Θετικό (+) |
| Ίσα + και − | Ισορροπία | Ουδέτερο (0) |
Ένα ιόν είναι ένα άτομο που έπαψε να είναι ουδέτερο (απέβαλε ή προσέλαβε ηλεκτρόνια). Ο πυρήνας δεν αλλάζει ποτέ — μόνο τα ηλεκτρόνια μετακινούνται.
Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων δεν μεταβάλλεται με οποιαδήποτε διαδικασία. Άρα το ολικό φορτίο διατηρείται σταθερό.
Είναι μία από τις πιο σημαντικές αρχές της φυσικής, όπως και η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Το φορτίο δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται — απλώς μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο.
Το φορτίο εμφανίζεται σε «πακετάκια» (πολλαπλάσια του φορτίου του ηλεκτρονίου) — αυτή την ιδιότητα την ονομάζουμε κβάντωση.
Αγωγοί: επιτρέπουν τον διασκορπισμό του φορτίου σε όλη τους την έκταση (π.χ. μέταλλα).
Μονωτές: το φορτίο μένει εντοπισμένο εκεί που το φορτίσαμε (π.χ. πλαστικό, γυαλί).
Πόσο ισχυρή είναι η δύναμη μεταξύ δύο φορτίων. Μάθε τον τύπο, τι σημαίνει κάθε γράμμα, και τη συμπεριφορά έλξης/άπωσης.
Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης F με την οποία αλληλεπιδρούν δύο σημειακά φορτία q₁ και q₂ είναι:
Η σταθερά K εξαρτάται από το υλικό μέσο. Στο κενό και κατά προσέγγιση στον αέρα:
Η ηλεκτρική δύναμη είναι διανυσματικό μέγεθος: έχει διεύθυνση και φορά.
Σύμφωνα με τον 3ο νόμο του Νεύτωνα (δράση–αντίδραση): οι δύο δυνάμεις έχουν αντίθετη φορά και ίσα μέτρα (F₁ = F₂).
Άλλαξε τα φορτία και την απόσταση και παρατήρησε πώς υπακούει στον τύπο. (Φορτία σε μC = 10⁻⁶ C)
Δοκίμασε: διπλασίασε το r → η δύναμη γίνεται 4 φορές μικρότερη (επειδή r²).
Τι είναι η ένταση, η τάση, η ηλεκτρική πηγή, και πώς λειτουργεί ένα κλειστό/ανοιχτό κύκλωμα.
Σε κάθε ηλεκτρική πηγή υπάρχουν δύο αντίθετα ηλεκτρισμένες περιοχές, οι ηλεκτρικοί πόλοι (+ και −).
Όταν συνδέσουμε τους πόλους με σύρμα, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του σύρματος, που ασκεί ηλεκτρική δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια → αυτά κινούνται προσανατολισμένα.
Ηλεκτρική πηγή: κάθε συσκευή όπου μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Π.χ. μπαταρία (χημική→ηλεκτρική), φωτοστοιχείο (ακτινοβολία→ηλεκτρική), θερμοστοιχείο (θερμική→ηλεκτρική). Δεν παράγεται ενέργεια από το μηδέν — απλώς μετατρέπεται.
Ένταση είναι το φορτίο q που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού σε χρόνο t, προς το χρόνο.
Μονάδα μέτρησης: το 1 Ampere (1 A) — θεμελιώδες μέγεθος του S.I.
Το όργανο μέτρησης είναι το αμπερόμετρο (συνδέεται με δύο ακροδέκτες στην μπαταρία και τους αγωγούς).
Τάση είναι το πηλίκο της ενέργειας που προσφέρει η πηγή στα ηλεκτρόνια, προς το συνολικό φορτίο που διέρχεται:
Μονάδα: το 1 Volt (1 V), που ορίζεται ως:
Το όργανο μέτρησης είναι το βολτόμετρο.
Η τάση στα άκρα: α) ενός καταναλωτή είναι μηδέν όταν δεν διέρχεται ρεύμα · β) μιας μπαταρίας είναι διαφορετική από μηδέν, είτε διέρχεται ρεύμα είτε όχι.
Ηλεκτρικό κύκλωμα: κάθε διάταξη με κλειστούς αγώγιμους «δρόμους» απ' όπου μπορεί να διέλθει ρεύμα.
Με έναν διακόπτη μετατρέπουμε εύκολα ένα ανοιχτό κύκλωμα σε κλειστό και αντίστροφα.
Ο νόμος του Ωμ και οι δύο συνδέσεις αντιστάσεων (σειρά & παράλληλη). Τα μαθαίνεις σαν ένα.
Αντίσταση ενός διπόλου είναι το πηλίκο της τάσης V στα άκρα του προς την ένταση I που το διαρρέει:
Μονάδα: το 1 Ohm (1 Ω):
Η ένταση I που διαρρέει έναν μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της τάσης V στα άκρα του (με σταθερά αναλογίας το 1/R).
Η αντίσταση R ενός μεταλλικού αγωγού είναι ανεξάρτητη της τάσης και της έντασης — εξαρτάται από το υλικό και τη γεωμετρία του αγωγού.
Βασικό χαρακτηριστικό: διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα.
| Μέγεθος | Σχέση |
|---|---|
| Ένταση | I = I₁ = I₂ (ίδια παντού) |
| Τάση | V = V₁ + V₂ (προστίθενται) |
| Ολική αντίσταση | Rολ = R₁ + R₂ |
Με νόμο Ωμ σε κάθε αντίσταση: V₁ = I·R₁, V₂ = I·R₂, V = I·Rολ
Στη σειρά η ολική αντίσταση μεγαλώνει (πάντα μεγαλύτερη από κάθε επιμέρους).
Βασικό χαρακτηριστικό: έχουν την ίδια τάση.
| Μέγεθος | Σχέση |
|---|---|
| Τάση | V = V₁ = V₂ (ίδια) |
| Ένταση | I = I₁ + I₂ (μοιράζεται) |
| Ολική αντίσταση | 1/Rολ = 1/R₁ + 1/R₂ |
Για δύο αντιστάσεις, ο πρακτικός τύπος:
Στην παράλληλη η ολική αντίσταση μικραίνει (πάντα μικρότερη από τη μικρότερη επιμέρους).
| Σειρά | Παράλληλη | |
|---|---|---|
| Ίδιο σε όλες | Ένταση I | Τάση V |
| Προστίθεται | Τάση: V=V₁+V₂ | Ένταση: I=I₁+I₂ |
| Rολ | R₁+R₂ (μεγαλώνει) | R₁R₂/(R₁+R₂) (μικραίνει) |
Περιοδική κίνηση γύρω από θέση ισορροπίας: περίοδος, συχνότητα, πλάτος και το απλό εκκρεμές.
Αν θέσουμε Δt = T (μία περίοδος), τότε Ν = 1, οπότε προκύπτει η βασική σχέση:
1 Hz = μία πλήρη ταλάντωση σε 1 δευτερόλεπτο (1/s = 1 Hz).
Αποτελείται από ένα μικρό σώμα κρεμασμένο από νήμα μήκους ℓ, στερεωμένο σε σταθερό σημείο.
Η περίοδος του εκκρεμούς πειραματικά:
| Εξαρτάται από… | Δεν εξαρτάται από… |
|---|---|
| Το μήκος του νήματος ℓ (μεγαλύτερο ℓ → μεγαλύτερη Τ) | Τη μάζα του σώματος |
| Τον τόπο (π.χ. στον Ισημερινό vs πόλους) | Το πλάτος (για μικρή γωνία <10°) |
Επειδή όλα τα εκκρεμή ίδιου μήκους έχουν ίδια περίοδο (ανεξάρτητα πλάτους και μάζας), το εκκρεμές χρησιμοποιείται ως χρονόμετρο (ρολόι).
Πώς διαδίδεται η ενέργεια χωρίς να μεταφέρεται ύλη — και ο ήχος ως μηχανικό κύμα.
Μέσω ενός κύματος διαδίδεται μια διαταραχή που μεταφέρει ενέργεια από μια περιοχή του συστήματος σε μια άλλη.
Κρίσιμο SOS: Το κύμα μεταφέρει ενέργεια ΧΩΡΙΣ να μεταφέρει ύλη. Τα σωματίδια απλώς ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους.
Μηχανικά κύματα: χρειάζονται υλικό μέσο για να διαδοθούν (νερό, σχοινί, ελατήριο, ήχος). Δύο κοινά χαρακτηριστικά:
| Εγκάρσιο κύμα | Διάμηκες κύμα | |
|---|---|---|
| Ταλάντωση σωματιδίων | Κάθετη στη διάδοση | Παράλληλη στη διάδοση |
| Σχηματίζονται | «όρη» και «κοιλάδες» | πυκνώματα & αραιώματα |
| Διαδίδονται σε | Μόνο στερεά | Στερεά, υγρά, αέρια |
| Παράδειγμα | χορδή κιθάρας | ηχητικά κύματα |
Μήκος κύματος (λ): η μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων με ίδια απομάκρυνση και ίδια κατεύθυνση κίνησης. (Σε εγκάρσιο: απόσταση δύο διαδοχικών «όρων» ή «κοιλάδων».)
Η συχνότητα f και η περίοδος T του κύματος ισούνται με αυτές των ταλαντώσεων των σωματιδίων.
Η ταχύτητα δεν εξαρτάται από το πλάτος. Εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης.
Οι ταλαντώσεις σωμάτων στον αέρα δημιουργούν μηχανικά κύματα → ηχητικά κύματα. Είναι διαμήκη (τα μόρια του αέρα κινούνται κατά τη διεύθυνση διάδοσης).
| Συχνότητα | Ονομασία |
|---|---|
| < 20 Hz | Υπόηχοι |
| 20 Hz – 20.000 Hz | Ήχος (ακουστός) |
| > 20.000 Hz | Υπέρηχοι |
Ο ήχος δεν διαδίδεται στο κενό (δεν υπάρχουν μόρια). Ταχύτητα: μεγαλύτερη στα στερεά > υγρά > αέρια. Αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.
Όταν ο ήχος ανακλάται σε ένα εμπόδιο και επιστρέφει, το φαινόμενο επανάληψης ονομάζεται ηχώ.
Ο χρόνος για να επιστρέψει ο ήχος χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της απόστασης πηγής–ανακλαστήρα. Εφαρμογή: τα ηχοπετάσματα στις εθνικές οδούς και στις αυλές σχολείων.
Πώς βλέπουμε, τι είναι η φωτεινή ενέργεια, και οι νόμοι της κατοπτρικής ανάκλασης.
Στο σκοτάδι (ανυπαρξία φωτός) δεν βλέπουμε. Τα αντικείμενα τα βλέπουμε για δύο λόγους:
Το φως μεταφέρει ενέργεια. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται φωτεινή ενέργεια και είναι ειδική περίπτωση της ενέργειας ακτινοβολίας. Μεταφέρεται με τα φωτόνια (όπως και στη διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία).
Μετασχηματισμοί της φωτεινής ενέργειας — το φως προκαλεί:
| Αποτέλεσμα | Παράδειγμα |
|---|---|
| Θέρμανση | μαύρη επιφάνεια στον ήλιο ζεσταίνεται |
| Κίνηση | ραδιόμετρο / ηλιακό πανί |
| Χημικές αντιδράσεις | φωτοσύνθεση, φωτογραφικό φιλμ |
| Ηλεκτρικό ρεύμα | φωτοβολταϊκό / φωτοστοιχείο |
| Όραση | το μάτι αντιλαμβάνεται το φως |
Φωτεινή πηγή: σώμα ή συσκευή που εκπέμπει φως. Σε κάθε πηγή κάποια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε φωτεινή.
| Κριτήριο | Είδη |
|---|---|
| Προέλευση | Φυσικές (Ήλιος, άστρα) · Τεχνητές (κερί, λαμπτήρας) |
| Θερμοκρασία | Θερμές (πυρακτωμένο σύρμα, φλόγα) · Ψυχρές (οθόνη TV, λάμπες φθορισμού, φωτεινές διαφημίσεις) |
Οι ψυχρές πηγές εκπέμπουν φως ακόμη και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος — δεν χρειάζεται να πυρακτωθούν.
Διαφορά από τον ήχο: ο ήχος ΔΕΝ διαδίδεται στο κενό (χρειάζεται υλικό μέσο), ενώ το φως διαδίδεται και στο κενό.
Όταν το φως συναντήσει την επιφάνεια ενός σώματος και αλλάξει διεύθυνση διάδοσης, παραμένοντας μέσα στο ίδιο διαφανές υλικό, λέμε ότι ανακλάται.
Οι νόμοι της κατοπτρικής ανάκλασης:
Προσοχή: οι γωνίες μετριούνται πάντα από την κάθετη ευθεία (Z), όχι από την επιφάνεια του καθρέφτη.
Άλλαξε τη γωνία πρόσπτωσης και δες ότι η ανακλώμενη ακτίνα ακολουθεί πάντα τον νόμο π = α.
Όταν μια λεπτή φωτεινή δέσμη συναντά μια τραχιά επιφάνεια (π.χ. λευκό χαρτί), το φως διαδίδεται προς κάθε κατεύθυνση και δεν διακρίνουμε ανακλώμενη δέσμη — τα αντικείμενα δεν καθρεφτίζονται. Αυτό το είδος ανάκλασης ονομάζεται διάχυση.
Κλειδί: και στη διάχυση ισχύει ο νόμος π=α σε κάθε σημείο — απλώς η επιφάνεια είναι τραχιά, οπότε οι κάθετες έχουν διαφορετική διεύθυνση και το φως σκορπίζει.
Ξεκινάμε εύκολα και ανεβαίνουμε σε δυσκολία. Πάτα μια απάντηση — θα δεις αμέσως αν είναι σωστή και το γιατί.
Δες πρώτα μόνη σου, μετά άνοιξε τη λύση. Έμφαση στα δύο SOS (Coulomb, Ωμ/αντιστάσεις).
Δύο φορτία q₁ = 4·10⁻⁶ C και q₂ = 3·10⁻⁶ C βρίσκονται σε απόσταση r = 0,3 m στον αέρα. Να βρεθεί η δύναμη F. (K = 9·10⁹ N·m²/C²)
Αν στην προηγούμενη άσκηση διπλασιάσουμε την απόσταση (r = 0,6 m), τι γίνεται η δύναμη;
Σε αντιστάτη R = 20 Ω εφαρμόζεται τάση V = 10 V. Πόση ένταση τον διαρρέει;
Δύο αντιστάσεις R₁ = 4 Ω και R₂ = 6 Ω συνδέονται σε σειρά σε μπαταρία V = 20 V. Να βρεθούν: η ολική αντίσταση, η ένταση I και οι τάσεις V₁, V₂.
Δύο αντιστάσεις R₁ = 6 Ω και R₂ = 3 Ω συνδέονται παράλληλα σε τάση V = 12 V. Να βρεθούν: η ολική αντίσταση, οι εντάσεις I₁, I₂ και η ολική I.
Από μια διατομή αγωγού περνά φορτίο q = 12 C σε χρόνο t = 4 s. Πόση είναι η ένταση;
Ένα σώμα κάνει 30 πλήρεις ταλαντώσεις σε 6 δευτερόλεπτα. Βρες τη συχνότητα f και την περίοδο T.
Ένα κύμα έχει μήκος κύματος λ = 2 m και συχνότητα f = 50 Hz. Βρες την ταχύτητα διάδοσης υ.
Μια ακτίνα φωτός προσπίπτει σε καθρέφτη σχηματίζοντας γωνία 30° με την επιφάνεια του καθρέφτη. Πόση είναι η γωνία ανάκλασης;
Αν η γωνία πρόσπτωσης είναι 25°, ποια είναι η γωνία ανάκλασης και πόσες μοίρες σχηματίζουν μεταξύ τους η προσπίπτουσα και η ανακλώμενη ακτίνα;
Πάτα σε κάθε κάρτα για να εμφανιστεί η απάντηση. Ιδανικό για γρήγορη επανάληψη πριν τις εξετάσεις.
Διάλεξε είδος άσκησης. Κάθε ενότητα ξεκινά εύκολα και ανεβαίνει σε δυσκολία (η μπάρα δείχνει την κλιμάκωση).