Εξεταστέα Ύλη Φυσικής

Η ύλη που θα εξετασθείς περιλαμβάνει επιλεγμένες ενότητες από τρία βασικά κεφάλαια. Δεν χρειάζεται να μελετήσεις όλο το βιβλίο - μόνο συγκεκριμένα κομμάτια.

Από το Κεφάλαιο 1 θα μελετήσεις τις ενότητες 1.1 έως 1.5 πλήρως, συν ένα μικρό κομμάτι από την 1.6 για την ηλεκτρική δύναμη και πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι θα κατανοήσεις τα βασικά του ηλεκτρισμού.

Από το Κεφάλαιο 2 θα διαβάσεις τις ενότητες 2.1 και 2.2 πλήρως, ένα μέρος της 2.3, και συγκεκριμένες υποενότητες της 2.5 που αφορούν τη σύνδεση αντιστατών.

Τέλος, από το Κεφάλαιο 3 θα μελετήσεις μόνο δύο συγκεκριμένες υποενότητες - μια για τα θερμικά αποτελέσματα του ρεύματος και την 3.6 για ενέργεια και ισχύ.

Ηλεκτρική Δύναμη και Φορτίο

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα της ύλης που μπορείς να την παρατηρήσεις όταν τρίβεις ένα κομμάτι ήλεκτρου με μάλλινο ύφασμα. Ξαφνικά αρχίζει να έλκει μικρά αντικείμενα από απόσταση!

Η ηλεκτρική δύναμη που δημιουργείται μπορεί να είναι ελκτική ή απωστική και ασκείται μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων χωρίς να χρειάζεται επαφή. Υπάρχουν δύο είδη φορτίου - θετικό και αρνητικό - και η βασική αρχή είναι απλή: τα ομώνυμα απωθούνται, τα ετερώνυμα έλκονται.

Στο εσωτερικό του ατόμου, τα πρωτόνια φέρουν θετικό φορτίο $+1,6 × 10⁻¹⁹ C$, τα ηλεκτρόνια αρνητικό $-1,6 × 10⁻¹⁹ C$, και τα νετρόνια είναι ουδέτερα. Όταν ένα άτομο χάσει ή κερδίσει ηλεκτρόνια, γίνεται ιόν.

Σημαντικό: Μόνο τα ηλεκτρόνια μετακινούνται - ποτέ τα πρωτόνια!

Τρόποι Ηλέκτρισης και Νόμος του Coulomb

Μπορείς να ηλεκτρίσεις ένα σώμα με τρεις τρόπους: τριβή, επαφή, και επαγωγή. Η τριβή μεταφέρει ηλεκτρόνια από το ένα σώμα στο άλλο, η επαφή χρειάζεται απλό άγγιγμα, ενώ η επαγωγή λειτουργεί ακόμα και χωρίς επαφή.

Τα υλικά χωρίζονται σε ηλεκτρικούς αγωγούς (συνήθως μέταλλα) που επιτρέπουν την κίνηση φορτίων, και μονωτές (πλαστικό, γυαλί, κερί) που την εμποδίζουν. Στους αγωγούς, τα "ελεύθερα ηλεκτρόνια" κινούνται σαν "θάλασσα ηλεκτρονίων".

Ο νόμος του Coulomb περιγράφει πόσο δυνατή είναι η ηλεκτρική δύναμη: F = k(q₁q₂)/r². Δηλαδή, η δύναμη είναι ανάλογη των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης.

Δύο θεμελιώδεις αρχές διέπουν τα φορτία: η διατήρηση (το συνολικό φορτίο παραμένει σταθερό) και η κβάντωση (κάθε φορτίο είναι πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου e).

Νόμος του Coulomb και Ηλεκτρικό Πεδίο

Ο νόμος του Coulomb σου δίνει τη δυνατότητα να υπολογίσεις ακριβώς πόσο δυνατή είναι η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο φορτίων. Η μαθηματική έκφραση F = k(q₁q₂)/r² δείχνει ότι διπλάσιο φορτίο σημαίνει διπλάσια δύναμη, ενώ διπλάσια απόσταση σημαίνει τέσσερις φορές μικρότερη δύναμη.

Η σταθερά k = 9 × 10⁹ N⋅m²/C² είναι τεράστια, γι' αυτό και οι ηλεκτρικές δυνάμεις είναι πολύ ισχυρές ακόμα και για μικρά φορτία. Η κατεύθυνση της δύναμης είναι πάντα κατά μήκος της ευθείας που ενώνει τα δύο φορτία.

Το ηλεκτρικό πεδίο είναι ο χώρος γύρω από ένα φορτισμένο σώμα όπου ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις. Φαντάσου το σαν μια "ζώνη επιρροής" που εκτείνεται παντού γύρω από το φορτίο.

Μεθοδολογία ασκήσεων: Πάντα να ξεκινάς διαβάζοντας προσεκτικά, να γράφεις δεδομένα-ζητούμενα, να μετατρέπεις σε SI, και να μην ξεχνάς τις μονάδες μέτρησης!

Ηλεκτρικό Ρεύμα και Κυκλώματα

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων - όχι τυχαία κίνηση, αλλά οργανωμένη προς μια κατεύθυνση. Για να υπάρξει ρεύμα, χρειάζεσαι ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από μια πηγή.

Η ένταση ηλεκτρικού ρεύματος I = q/t μετρά πόσο φορτίο περνάει από μια διατομή σε συγκεκριμένο χρόνο και μετριέται σε Ampere (A). Το αμπερόμετρο συνδέεται πάντα σε σειρά για να μετρήσει την ένταση.

Υπάρχει μια σύγχυση με τη φορά του ρεύματος: Η συμβατική φορά (που χρησιμοποιούμε στα προβλήματα) είναι η φορά των θετικών φορτίων, ενώ η πραγματική φορά στους αγωγούς είναι η φορά των ηλεκτρονίων - δηλαδή αντίθετη!

Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τέσσερα είδη φαινομένων: θερμικά (θερμοσίφωνας), ηλεκτρομαγνητικά (μοτέρ), χημικά (μπαταρίες), και φωτεινά (λαμπτήρες).

Βασικό: Οι αγωγοί επιτρέπουν την κίνηση φορτίων, οι μονωτές την εμποδίζουν, οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται άλλοτε σαν αγωγοί κι άλλοτε σαν μονωτές!

Ηλεκτρικό Κύκλωμα και Ηλεκτρική Τάση

Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι σαν δρόμος για τα ηλεκτρόνια - όταν είναι κλειστός, περνάει ρεύμα, όταν είναι ανοικτός, δεν περνάει. Ο διακόπτης είναι το εργαλείο που ανοιγοκλείνει εύκολα το κύκλωμα.

Οι ηλεκτρικές πηγές μετατρέπουν άλλες μορφές ενέργειας σε ηλεκτρική: η μπαταρία μετατρέπει χημική, το φωτοστοιχείο μετατρέπει φωτεινή, το θερμοστοιχείο μετατρέπει θερμική ενέργεια.

Οι καταναλωτές κάνουν το αντίθετο - μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλη μορφή: ο λαμπτήρας σε θερμική και φωτεινή, ο κινητήρας σε κινητική ενέργεια.

Η ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού V = E/q μετρά πόση ενέργεια μεταφέρει κάθε μονάδα φορτίου και μετριέται σε Volt $1V = 1J/1C$. Το βολτόμετρο συνδέεται πάντα παράλληλα για να μετρήσει την τάση.

Προσοχή: Η τάση στα άκρα μιας πηγής υπάρχει είτε περνάει ρεύμα είτε όχι, ενώ η τάση στα άκρα ενός καταναλωτή υπάρχει μόνο όταν περνάει ρεύμα!

Ηλεκτρική Αντίσταση και Νόμος του Ohm

Η ηλεκτρική αντίσταση R = V/I μετρά πόσο "δυσκολεύει" ένα υλικό την κίνηση του ρεύματος και μετριέται σε Ohm (Ω). Είναι σαν την "τριβή" για το ηλεκτρικό ρεύμα.

Οι αντιστάτες έχουν σταθερή αντίσταση, ανεξάρτητα από την τάση που εφαρμόζεις. Οι μεταλλικοί αγωγοί είναι αντιστάτες και για αυτούς ισχύει ο νόμος του Ohm: I = V/R ή V = RI.

Όταν συνδέεις αντιστάτες σε σειρά, διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα $I₁ = I₂$ και οι τάσεις προστίθενται $V_ολ = V₁ + V₂$. Η ισοδύναμη αντίσταση είναι το άθροισμα: R_ολ = R₁ + R₂.

Όταν τους συνδέεις παράλληλα, έχουν την ίδια τάση και τα ρεύματα προστίθενται. Η ισοδύναμη αντίσταση υπολογίζεται από: 1/R_ολ = 1/R₁ + 1/R₂.

Βασικός κανόνας: Σε σειρά οι αντιστάσεις προστίθενται απλά, παράλληλα προστίθενται τα αντίστροφά τους!

Ηλεκτρική Ενέργεια και Ισχύς

Κάθε φορά που χρησιμοποιείς μια ηλεκτρική συσκευή, συμβαίνει το φαινόμενο Joule - η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και η συσκευή θερμαίνεται. Αυτό δεν είναι πάντα ανεπιθύμητο!

Οι εφαρμογές του φαινομένου περιλαμβάνουν τους λαμπτήρες πυρακτώσεως (όπου το βολφράμιο θερμαίνεται τόσο που φωτοβολεί), την ηλεκτρική κουζίνα, τον θερμοσίφωνα, και τις τηκόμενες ασφάλειες που προστατεύουν από βραχυκυκλώματα.

Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει μια συσκευή είναι E = VIt - δηλαδή εξαρτάται από την τάση, την ένταση και τον χρόνο λειτουργίας. Μετριέται σε Joule.

Η ηλεκτρική ισχύς P = E/t = VI δείχνει πόσο γρήγορα καταναλώνεται η ενέργεια και μετριέται σε Watt. Οι εταιρίες ρεύματος χρεώνουν σε κιλοβατώρες (kWh) - δηλαδή πόσα kW καταναλώνεις επί πόσες ώρες.

Πρακτικό: 1 kWh = 1000W × 1h - η ενέργεια που καταναλώνει ένα σεσουάρ 1000W για μία ώρα!