by 
Καλημέρα σε όλους. Θα ΄θελα να κάνω μια ερώτηση πάνω στον ηλεκτρισμό. Η φυσική γ΄γυμνασίου μας λέει ότι ένα σώμα εκφορτίζεται προς το περιβάλλον μεσώ του υγρού αέρα. Ποιος είναι αυτός ο μηχανισμός εκφόρτισης; Ευχαριστώ
Επειδή το να μοιράζεσαι πράγματα, είναι καλό για όλους…
Καλημέρα σε όλους. Θα ΄θελα να κάνω μια ερώτηση πάνω στον ηλεκτρισμό. Η φυσική γ΄γυμνασίου μας λέει ότι ένα σώμα εκφορτίζεται προς το περιβάλλον μεσώ του υγρού αέρα. Ποιος είναι αυτός ο μηχανισμός εκφόρτισης; Ευχαριστώ
Καλημέρα Θοδωρή, καλημέρα Ανδρέα.
Θοδωρή τι απογίνονται αυτά τα ηλεκτρόνια; Μα τι είναι η ατμόσφαιρα παρά ένας “ωκεανός” στον οποίο περιέχονται τεράστιοι αριθμοί φορτίων ανά μονάδα όγκου;
Πώς παράγονται αυτά;
Ο κύριος μηχανισμός παραγωγής ηλεκτρικών φορτίων στην ατμόσφαιρα είναι ο φωτοϊονισμός των ουδέτερων αερίων συστατικών μέσω της πρόσπτωσης και απορρόφησης της πλέον ενεργητικής ηλιακής ακτινοβολίας.
Στην κατώτερη ατμόσφαιρα όμως οι κύριες πηγές παραγωγής φορτίων, είναι:
(α) η προσπίπτουσα κοσμική ακτινοβολία, και (β) οι ραδιενεργές ουσίες που αποσυντίθενται στην επιφάνεια της γης, αλλά και στην ατμόσφαιρα.
Τι απογίνονται τα φορτία αυτά; Αλληλοεξουδετερώνονται κυρίως με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις, βλέπε αστραπές…
Ανδρέα, δεν μπορούμε να έχουμε μια μονωμένη μεταλλική σφαίρα; Μια σφαίρα που να στηρίζεται σε μια ξύλινη βάση;
Αυτήν την σφαίρα δεν μπορούμε να την φορτίσουμε αρνητικά, με τη βοήθεια μιας μηχανής Wimshurst;
Αλλά τότε εξαιτίας των φορτίων που θα αποκτήσει η σφαίρα, δεν θα αποκτήσει αρνητικό δυναμικό; Τι μας λέει η εξίσωση V=kQ/r;
Η σφαίρα θα έχει θετικό ή αρνητικό δυναμικό;
Αλλά και για να συνδέουμε τα θέματα, μια και ο Φασουλόπουλος ασχολείται τελευταία με τους Βραζιλιάνους Φυσικούς:
Ο Βραζιλιάνος ερευνητής Φερνάντο Γκαλεμπέκ παρουσίασε μια νέα μέθοδο βάσει της οποίας μικρά ηλεκτρικά φορτία είναι δυνατό να συλλεχθούν απευθείας από τον υγρό αέρα, παράγοντας ηλεκτρισμό.
Όπως δηλαδή το «φως» συλλέγεται από τα ηλιακά πάνελ των φωτοβολταϊκών και μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό, θα μπορούσε ο ηλεκτρισμός να συλλέγεται και από ανάλογα πάνελ απευθείας από τον υγρό αέρα.
Σύμφωνα με τον Γκαλεμπέκ η πρωτοποριακή τεχνολογία αξιοποιεί ένα ελάχιστα γνωστό ατμοσφαιρικό φαινόμενο ενώ οι δοκιμές που έχει κάνει δείχνουν πώς διάφορα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συλλέξουν αυτόν τον «αέρινο ηλεκτρισμό», ιδίως σε περιοχές με υγρό κλίμα. Ο Γκαλεμπέκ εκτιμά ότι μελλοντικά μπορεί να υπάρχουν ειδικά «υδροηλεκτρικά πάνελ», όπως τα φωτοβολταϊκά, που θα συλλέγουν τον ηλεκτρισμό από την ατμόσφαιρα.
περισσότερα…
Στην εικόνα φαίνεται σχηματικά η περίσσεια του αρνητικού φορτίου – ηλεκτρόνια σε ουδέτερο σώμα. Λόγω της προσθήκης των επιπλέον ηλεκτρονίων το αρχικό φορτίο του σώματος έχει αναδιαταχθεί, όπως φαίνεται στην εικόνα. Αποτέλεσμα: τα ηλεκτρονία που προστέθηκαν βρίσκονται πλέον στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται κυρίως από τα θετικά φορτία που βρίσκονται δίπλα τους, δηλαδή βρίσκονται σε περιοχή θετικού δυναμικού. Άρα αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητική δυναμική ενέργεια.
Παρατήρηση: Το συνολικό φορτίο της σφαίρας δημιουργεί – όπως πολύ σωστά αναφέρει ο Διονύσης – αρνητικό δυναμικό. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια ωστόσο βρίσκονται – όπως περιέγραψα – σε θετικό δυναμικό. Για τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων πρέπει να λάβουμε υπόψη μας το δυναμικό μέσα στο οποίο βρίσκονται και όχι το δυναμικό που δημιουργούν.
Καλησπέρα Ανδρέα.
Δεν θα συμφωνήσω με την παραπάνω λογική.
Κάθε ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργούν όλα τα θετικά φορτία και όλα τα αρνητικά φορτία της σφαίρας.
Άρα για να δούμε τι κάνει το ΕΝΑ ηλεκτρόνιο, θα πρέπει να πάρουμε το δυναμικό που δημιουργούν όλα τα άλλα φορτία και που αυτό δεν είναι άλλο από το δυναμικό του αγωγού! Αλλά αυτό το δυναμικό δεν είναι εδώ θετικό και λίγο πιο πέρα αρνητικό!
Προφανώς είναι αρνητικό και το ίδιο σε κάθε σημείο της σφαίρας.
Να το υπολογίσουμε;
Αν η σφαίρα φέρει φορτίο -1μC, θα πρέπει να αφαιρεθεί το φορτίο του ενός ηλεκτρονίου!!!
Τι λες αξίζει να το υπολογίσουμε;
Συμπέρασμα:
Το ένα ηλεκτρόνιο μεταφέρεται από ένα σημείο με δυναμικό αυτό της σφαίρας και μεταβαίνει στο δυναμικό του άκρου του μορίου.
Θα βοηθούσε αν απαντούσαμε στο εξής ερώτημα: Αν κάθε ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε αρνητικό δυναμικό, δηλαδή έχει θετική δυναμική ενέργεια, γιατί δεν δραπετεύει στο άπειρο;
Καλησπέρα και πάλι Ανδρέα.
Να διατυπώσω λίγο διαφορετικά το ερώτημα;
Μπορεί να υπάρξει ένας μονωμένος αγωγός που να έχει περίσσεια ηλεκτρονίων ή όχι;
Πριν πάμε στην ερμηνεία, ας απαντήσουμε στην ύπαρξη ή όχι.
Αν υπάρχει, τότε τι ενέργεια έχει;
Παλιότερα είχα γράψει την ανάρτηση:
Δυναμικό αγωγού αλλά και ενέργειες.
Όπου υπολόγισα την ενέργεια ενός αγωγού ίση με U=q2/2C= ½ CV2.
Αν αυτό είναι σωστό τότε η δυναμική ενέργεια του αγωγού (η ενέργεια αλληλεπίδρασης κάθε φορτίου, με όλα τα υπόλοιπα φορτία) είναι θετική. Δεν είναι τυχαίο το τετράγωνο του φορτίου ή του δυναμικού.
Αλλά τότε και η ενέργεια του ενός ηλεκτρονίου είναι θετική!
Να το πούμε αλλιώς;
Έστω ότι φορτίζουμε την σφαίρα μεταφέροντας ένα – ένα ηλεκτρόνια από το άπειρο στην επιφάνειά της. Για να μεταφέρουμε το τελευταίο ηλεκτρόνιο από το άπειρο στην σφαίρα, στη διάρκεια της φόρτισης, θα πρέπει να του προσφέρουμε ενέργεια μέσω έργου. Δεν πρόκειται να έρθει μόνο του. Το έργο της εξωτερικής δύναμης για την μεταφορά αυτή, αποθηκεύεται στο ηλεκτρόνιο με την μορφή της δυναμικής ενέργειας.
Και προφανώς η ενέργεια αυτή είναι θετική.
Και όμως μόλις αφήσουμε ελεύθερο το ηλεκτρόνιο δεν θα πάει μόνο του στο άπειρο. Θα μείνει στην σφαίρα.
ΥΓ
Μήπως το πάμε στο έργο εξαγωγής του φωτοηλεκτρικού φαινομένου;
Νόμιζω ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα κινηθούν μόνα τους προς την αφόρτιστη, όπως ένα ηλεκτρισμένο στυλό κινείται προς ένα μη ηλεκτρισμένο χαρτάκι. Άρα η ενέργειά τους θα ελαττωθεί.
Καλημέρα Ανδρέα.
Δεν καταλαβαίνω, τι σχέση έχει η φόρτιση μιας μεταλλικής σφαίρας με επαφή, με την έλξη που ασκεί το στυλό σε ένα χαρτάκι. Στην μια περίπτωση έχουμε φόρτιση με επαφή και μεταφορά ελευθέρων ηλεκτρονίων και την άλλη έχουμε λόγω πόλωσης του διηλεκτρικού, εμφάνισης μιας πολύ μικρής δύναμης.
Οπότε επανέρχομαι.
Ποιο είναι το ηλεκτρικό πεδίο μιας φορτισμένης σφαίρας; Δεν είναι αυτό του σχήματος:
Αν πλησιάσουμε ένα ηλεκτρόνιο, δεν θα δεχτεί απωστική δύναμη; Μπορεί να πάει μόνο του στη σφαίρα;
Δεν απαιτείται να του ασκηθεί μια εξωτερική δύναμη για την μεταφορά;
Δεν θα δοθεί ενέργεια από αυτόν που θα κάνει τη μεταφορά;
Η δυναμική ενέργιεια δεν αυξάνεται με αυτό τον τρόπο; Δεν θα είναι θετική;
Διονύση καλημέρα!
Συμφωνώ απολύτως μαζί σου. Γιατί ωστόσο το απωθούμενο ηλεκτρόνιο κολλάει στη σφαίρα;
Παρακολουθούσα με ενδιαφέρον την συζήτηση και ψάχνοντας , παρ’όλο που κάποια στιγμή βρήκα το “φαινόμενο Corona ή δύναμη ακίδων” αλλά δεν είπα κάτι γιατί αναφέρεται σε εκφόρτιση αγωγού από αιχμές η ακμές μέσω του ατμοσφαιρικού αέρα …
Τώρα για το τελευταίο ερώτημα του Ανδρέα θα έλεγα ότι ΄”το απωθούμενο e κολλάει στη σφαίρα” εφ’ όσον το περιβάλλον δεν είναι αγώγιμο π.χ ξηρός αέρας.
Παντελή καλησπέρα!
Καλώς ήλθες στη συντροφία μας για να βάλεις ένα χεράκι στη λύση του προβλήματος!
Με βάση την παρατήρησή σου το ερώτημα επαναδιατυπώνεται ως εξής: Όταν το περιβάλλον δεν είναι αγώγιμο π.χ ξηρός αέρας, γιατί ένα ηλεκτρόνιο, που απωθείται από μια αρνητικά ηλεκτρισμένη σφαίρα, είναι δυνατό να προστεθεί σ’ αυτή και να παραμείνει σ’ αυτή;
Καλησπέρα Παντελή, καλησπέρα Ανδρέα.
Και ποιος είπε ότι μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα, στο κενό ή σε περιβάλλον αυστηρά ξηρού αέρα, θα παραμείνει για πάντα φορτισμένη;
Καλησπέρα Διονύση!
Πράγματι το ερώτημα δεν είναι γιατί μια αρνητικά φορτισμένη σφαίρα στο κενό ή σε περιβάλλον αυστηρά ξηρού αέρα θα μείνει για πάντα φορτισμένη αλλά γιατί θα παραμείνει φορτισμένη έστω προσωρινά.
Όσο το σκέφτομαι δε μπορώ να βρω παρά μόνο κβαντομηχανική εξήγηση, που συνδέεται με την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο πλέγμα των ιόντων του μετάλλου.
Αλλά αρχικά πρέπει να συμφωνήσουμε ότι υπάρχει παράδοξο: Ένα ηλεκτρόνιο, που απωθείται από μια αρνητικά ηλεκτρισμένη σφαίρα, πώς είναι δυνατό να προστεθεί σ’ αυτή και να παραμείνει σ’ αυτή, έστω προσωρινά;
Ανδρέα δεν νομίζω ότι υπάρχει κάτι το τόσο παράδοξο στην συγκράτηση του ηλεκτρονίου που μεταφέρουμε στην σφαίρα.
Θα μπορούσα να δώσω την εξής ερμηνεία:
Μόλις το ηλεκτρόνιο που μεταφέρουμε, πλησιάσει σε πολύ μικρή απόσταση, απωθεί τοπικά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, οπότε δημιουργείται μια μικρή περιοχή στην οποία επικρατούν τα θετικά φορτία των ιόντων του πλέγματος, οπότε το ηλεκτρόνιο εγκλωβίζεται στο πλέγμα.
Από κει και πέρα, έγραψα παραπάνω ένα ΥΓ, το οποίο δεν διαβάστηκε…
Καλησπέρα στην παρέα.
Όταν είσαι υπό ατμό… “αλλού βροντά”.
Ανδρέα το “χεράκι” που λες το “έκοψε” ο Διονύσης αμφισβητώντας την παραμονή φορτίων στη σφαίρα και σε οποιοδήποτε περιβάλλον ,συν τω χρόνω, άλλωστε αυτό που είπα δεν έδινε απάντηση στο ερώτημα.
Αυτό που λες τώρα Διονύση έχει καλή λογική .Μεταφορικά με παραπέμπει στην προσπάθεια του δυναμικού επιβάτη που ενώ στο βαγόνι είναι “σαρδέλες” επιμένει και καταφέρνει να μπει απωθώντας μερικούς σαρδελοποιημένους .Μη παρεξηγηθεί η μεταφορά μου , έτσι χιουμοριστικά τα είπα.
Τώρα σοβαρεύομαι και σκέφτομαι πως το ερώτημα μπαίνει ακόμη και στο 2ο e που πάμε να φέρουμε στον είδη φορτισμένο από το 1ο e αγωγό.
Επί πλέον άλλο ένα : μέχρι ποιά ποσότητα φορτίου μπορεί να δεχθεί ένας αγωγός κατά την φόρτισή του;