Κατηγορία: Γ’ Γυμνασίου

Φ_Γ_1_1_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Φ_Γ_1_2_Ορισμοί-Ερωτήσεις

Φ_Γ_1_3_Ορισμοί-Ερωτήσεις

Φ_Γ_1_4_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Φ_Γ_2_1_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Φ_Γ_2_2_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Φ_Γ_2_3_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Φ_Γ_2_5_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Φ_Γ_3_1_Ορισμοί-Πειράματα-Ερωτήσεις

Η εισαγωγή της έννοιας της ενέργειας

Μετά την εμφάνιση της Νευτώνειας μηχανικής, τον 17ο μ.Χ. αιώνα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα πάντα θα μπορούσαν να ερμηνευτούν με αυτήν. Η αντίληψη αυτή, που χαρακτηρίζεται με τον όρο «μηχανιστικό δόγμα», κλονίστηκε από τη Βιομηχανική Επανάσταση του 18ου αιώνα. Η Βιομηχανική Επανάσταση συνοδεύτηκε από την ανακάλυψη της ατμομηχανής και πλήθος εφευρέσεων που ακολούθησαν. Μέσα σ’ αυτό το πλαίσιο οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η Νευτώνεια μηχανική ήταν η αφετηρία για τη μελέτη των φαινομένων και όχι η κατάληξη. Και αυτό γιατί δεν μπορούσε να δώσει απαντήσεις σε ερωτήματα, όπως πώς παράγεται μια δύναμη από ένα σύστημα ή πώς θα μπορούσε να βελτιωθεί η απόδοση της μηχανής ατμού. Έτσι δημιουργήθηκε μια καινούργια έννοια στην οποία αποδίδεται η εκδήλωση δυνάμεων και η οποία, χωρίς να αμφισβητήσει τη Νευτώνεια μηχανική, συνέβαλε στη μετεξέλιξή της. Η έννοια αυτή είναι η ενέργεια και αργότερα ενοποίησε φαινόμενα που σχετίζονται με την κίνηση, τη θερμότητα, τον ηλεκτρισμό, το φως, τον ήχο και άλλα, που δεν φαινόταν να έχουν κάτι κοινό. Σήμερα θεωρείται κεντρικός ενωτικός πυρήνας των φυσικών επιστημών.

Το πρόβλημα της μεταφοράς της ενέργειας

Με τη Βιομηχανική Επανάσταση, αξιοποιήθηκε η ενέργεια του κάρβουνου, του ξύλου και αργότερα του πετρελαίου. Το 1807 εμφανίστηκε το πρώτο ατμόπλοιο, λίγο αργότερα η πρώτη σιδηροδρομική μηχανή, ενώ αυξανόταν συνέχεια τα εργοστάσια με μηχανές ατμού. Η λειτουργία των μηχανών στα εργοστάσια παρουσίαζε σοβαρά μειονεκτήματα με σημαντικότερο τη μεταφορά της ενέργειας. Οι εργοστασιακές εγκαταστάσεις έπρεπε οπωσδήποτε να χτίζονται κοντά στα ορυχεία, επειδή αλλιώς θα ήταν πολύ ασύμφορη η μεταφορά καυσίμων από το ορυχείο προς το εργοστάσιο. Η ατμοενέργεια, μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο στον τόπο παραγωγής της. Υπήρχε ανάγκη να γίνει μια νέα ανακάλυψη η οποία θα πρόσφερε ενέργεια ικανή να διανέμεται από τα κέντρα παραγωγής προς τους τόπους κατανάλωσης.

Η ηλεκτρική ενέργεια

Δυο δεκαετίες μετά την ανακάλυψη της ηλεκτρικής στήλης του Volta οι επιστήμονες είχαν αρχίσει να πιστεύουν ότι η λύση στο πρόβλημα της μεταφοράς ενέργειας θα μπορούσε να προέλθει από τον ηλεκτρισμό. Όμως η χημική ενέργεια της βολταϊκής στήλης έδειχνε να εξαντλείται πολύ γρήγορα και φαινόταν ακατάλληλη για τον ρόλο αυτό. Έπρεπε να βρεθεί τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Ήδη ήταν γνωστό με το πείραμα του Δανού Χανς Κρίστιαν Έρστεντ, το 1820, ότι ο ηλεκτρισμός μπορούσε να «παράγει» μαγνητισμό. Το ερώτημα ήταν αν θα μπορούσε να γίνει το αντίθετο, δηλαδή από μαγνητισμό να «παραχθεί» ηλεκτρισμός. Η απάντηση δόθηκε από τον Άγγλο Μάικλ Φαραντέι. Στα 1831 ανακάλυψε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ήταν ανυπολόγιστης αξίας, αφού οδήγησε στην παραγωγή ηλεκτρισμού σε μεγάλη κλίμακα, κάτι που εκείνη την εποχή ήταν πολύ αναγκαίο και αργούσε να έρθει. Η αξιοποίηση του φαινομένου επρόκειτο να αλλάξει τον τρόπο ζωής και εργασίας, ακόμα και τη νοοτροπία των ανθρώπων του μέλλοντος. Είναι μάλλον δύσκολο, ακόμα και να φανταστούμε τη ζωή μας σήμερα χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα. Κι όμως, κάτι που σήμερα θεωρείται ως αυτονόητο, πρωτοεμφανίστηκε στη ζωή των ανθρώπων μόλις 140 χρόνια πριν, ενώ η πρόσβαση της πλειονότητας του πληθυσμού σ’ αυτή τη μορφή ενέργειας αποτελεί μια πολύ πρόσφατη κατάκτηση. Η βιομηχανία, αλλά και οι πόλεις πήραν νέα μορφή όταν η ηλεκτρική ενέργεια άρχισε να παράγεται και να διανέμεται ευρύτερα, αν και για μεγάλο μέρος του πληθυσμού της Γης, ειδικά στον Τρίτο Κόσμο, η πρόσβαση στην ηλεκτρική ενέργεια παραμένει ακόμα ζητούμενο.

Κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, οι εφαρμογές του ηλεκτρομαγνητισμού έγιναν αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινής ζωής μας. Ο σύγχρονος κόσμος εξαρτά την επιβίωση και την ευημερία του από την ηλεκτρική ενέργεια. Δημιουργήθηκαν αναρίθμητα ηλεκτρικά κυκλώματα στα οποία μεταφέρονται ηλεκτρική ενέργεια και πληροφορίες από το ηλεκτρικό ρεύμα. Στις πολλές και εκπληκτικές εφαρμογές των κυκλωμάτων στην καθημερινή ζωή οφείλεται σε μεγάλο βαθμό η βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των σύγχρονων ανθρώπων. Γεννήτριες, κινητήρες, επικοινωνίες, κλιματισμός, υπολογιστές, ρομπότ, μικροχειρουργική και γενικά όλη η σύγχρονη τεχνολογία της οποίας τους καρπούς απολαμβάνουμε. Το ηλεκτρικό ρεύμα άλλαξε ριζικά τον τρόπο εργασίας των ανθρώπων, της διαβίωσης τους, της διασκέδασής τους, της νοοτροπίας τους και τις σχέσεις μεταξύ των ανθρώπων. Πρόσφερε ευκολία και καλύτερες επιδόσεις σε όλα τα επαγγέλματα, στις οικιακές εργασίες και στην επικοινωνία των ανθρώπων. Βέβαια, πάντα υπάρχουν οι μικροεξαιρέσεις:

Η μεταφορά και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με εναλλασσόμενη τάση. Το εναλλασσόμενο ρεύμα μετασχηματίζεται εύκολα και μειώνονται πολύ οι απώλειες ενέργειας κατά τη μεταφορά. Στα δίκτυα των πόλεων στη χώρα μας, στην κατανάλωση, η εναλλασσόμενη τάση είναι τέτοια, ώστε τα θερμικά της αποτελέσματα να ισοδυναμούν με συνεχή τάση V = 220 V. Το φωτιστικό, η τηλεόραση, το στερεοφωνικό, ο υπολογιστής και όλες οι άλλες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές του σπιτιού, λειτουργούν, όταν είναι συνδεμένες στην πρίζα, υπό την τάση αυτή.

Είδη λαμπτήρων

Ο ηλεκτρικός λαμπτήρας είναι τεχνητή πηγή φωτός τροφοδοτούμενη από ηλεκτρική ενέργεια. Όπως όλες οι μεγάλες εφευρέσεις, ο ηλεκτρικός λαμπτήρας δεν μπορεί να αποδοθεί σε έναν και μόνο εφευρέτη. Η εφεύρεση του ηλεκτρικού λαμπτήρα (ή αλλιώς λυχνίας ή λάμπας) αποδίδεται συνήθως στον Τόμας Έντισον (Thomas Alva Edison), όμως η ομάδα του Έντισον απλά τελειοποίησε τα χαρακτηριστικά του. Οι ηλεκτρικές λάμπες διακρίνονται, με κριτήριο τον τρόπο λειτουργίας τους, σε λάμπες πυράκτωσης, λάμπες τόξου και LED.

Ο λαμπτήρας πυρακτώσεως ανήκει στην κατηγορία των θερμών φωτεινών πηγών και παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1879. Σήμερα τείνει προς κατάργηση για λόγους κατανάλωσης ενέργειας κατά τη χρήση του, που ευθέως συνεπάγονται περιβαλλοντικούς λόγους. Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι πολύ λιγότερο αποδοτικοί από άλλους τύπους, μετατρέποντας λιγότερο από το 10 % της ενέργειας που καταναλώνουν σε ορατό φως. Συνέχειά τους αποτέλεσαν οι “λαμπτήρες ιωδίου – χαλαζία” (1960), ευρύτερα γνωστοί ως λαμπτήρες αλογόνου, που έχουν σχεδόν διπλάσια διάρκεια ζωής.

Λόγοι έλλειψης ενέργειας οδήγησαν σε άλλους τύπους λαμπτήρων στη διάρκεια του 20ου αιώνα. Αρχικά στους λαμπτήρες τόξου, οι οποίοι διακρίνονται στους επιμέρους εξής τρεις τύπους: α) λαμπτήρες ατμών υδραργύρου ή υψηλής πίεσης υδραργύρου, β) λαμπτήρες ατμών νατρίου και γ) λαμπτήρες φθορισμού. Και οι τρεις παραπάνω τύποι λαμπτήρων τόξου ανήκουν στη κατηγορία των ψυχρών φωτεινών πηγών.

Σήμερα είναι πολύ διαδεδομένοι οι Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LED). 

Η τεχνολογία LED

Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED, Light Emitting Diode), αποκαλείται ένα σύστημα ημιαγωγών, το οποίο εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος, όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση κατά τη φορά ορθής πόλωσης. Ας προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε σύντομα αυτόν τον ορισμό.

Ημιαγωγοί είναι τα υλικά που έχουν ενδιάμεση αγωγιμότητα μεταξύ των αγωγών και των μονωτών, δηλαδή έχουν μια μικρή αγωγιμότητα. Τέτοια υλικά είναι το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge). Οι αγωγιμότητα των ημιαγωγών αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και με την παρουσία προσμίξεων.

Στους μεταλλικούς αγωγούς, όπως είναι ο χαλκός στα καλώδια σύνδεσης, οι φορείς του ηλεκτρισμού είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια, πολλά σε αριθμό, που έχουν αρνητικό φορτίο. Στους ημιαγωγούς, σε συνήθεις θερμοκρασίες, κάποια μόνο από τα ηλεκτρόνια ελευθερώνονται από τα άτομα, αφήνοντας μια κενή θέση που ισοδυναμεί με θετικό φορτίο και ονομάζεται οπή. Σε αυτά τα ηλεκτρόνια και στις οπές οφείλεται η αγωγιμότητα των ημιαγωγών.

Στην πράξη δεν χρησιμοποιούνται καθαροί ημιαγωγοί, αλλά ημιαγωγοί με προσμίξεις, για να αυξάνεται η αγωγιμότητά τους. Με ορισμένες προσμίξεις επιτυγχάνεται η αύξηση του αριθμού των ηλεκτρονίων και έχουμε ημιαγωγό τύπου n. Με άλλες επιτυγχάνεται η αύξηση του αριθμού των οπών και έχουμε ημιαγωγό τύπου p. Όταν φέρουμε σε επαφή έναν ημιαγωγό τύπου p και έναν τύπου n, δημιουργούμε ένα στοιχείο κυκλώματος που ονομάζεται δίοδος. Ουσιαστικά σε μια δίοδο το ρεύμα περνά μόνο κατά τη μια φορά.

Σε ορθά πολωμένη επαφή p-n από ορισμένο υλικό, κατά τις επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων και οπών που γίνονται κοντά στην επαφή εκπέμπεται φως. Από την πλευρά του κρυστάλλου p η επιμετάλλωση δεν είναι πλήρης, για να μπορεί να περνάει το φως και ολόκληρος ο κρύσταλλος εμβαπτίζεται μέσα σε διαφανές πλαστικό. Έτσι έχουμε τις διόδους LED.