Thursday, June 18, 2009

ΦΥΣΙΚΗ ΙV

Διαστολή. Φυσικό φαινόμενο κατά το οποίο η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των γραμμικών διαστάσεων των περισσότερων σωμάτων. Μερικά σώματα δεν ακολουθούν τον κανόνα αυτόν, επειδή ανήκουν στην κατηγορία των πολύπλοκων μοριακών συγκροτημάτων και η ανώμαλη συμπεριφορά τους οφείλεται στην αλλαγή της δομής τους με τη θέρμανση. Το καουτσούκ π.χ., όταν θερμαίνεται, συστέλλεται, το ίδιο και η πορσελάνη, η οποία διατηρεί τη συστολή της και μετά την ψύξη.
Τα αέρια διαστέλλονται περισσότερο από όλα τα σώματα. Ακολουθούν τα υγρά, ενώ τα στερεά παρουσιάζουν τη μικρότερη διαστολή. Στα στερεά, ανάλογα με το σχήμα και τις διαστάσεις τους, διακρίνουμε τη γραμμική, την επιφανειακή και την κυβική διαστολή. Στην περίπτωση της γραμμικής διαστολής εξετάζουμε την αλλαγή στη διάσταση του μήκους (π.χ. ράβδος), στην επιφανειακή εξετάζουμε τη μεταβολή των δύο διαστάσεων, μήκους και πλάτους (π.χ. πλάκες), και στην κυβική εξετάζουμε τη μεταβολή των τριών διαστάσεων μήκους, πλάτους και ύψους (π.χ. κύβος μεταλλικός). Η γραμμική διαστολή ενός ραβδιού είναι ανάλογη προς το αρχικό μήκος Ιο, ανάλογη προς την αύξηση της θερμοκρασίας και εξαρτάται από τη φύση του υλικού, η οποία εκφράζεται με το συντελεστή (α) της γραμμικής διαστολής. Τη σχέση αυτή ανάμεσα στη θερμοκρασία και στο μήκος μας δίνει ο τύπος l = Ιο (1 + α • ΔΘ). Ο τύπος αυτός μας επιτρέπει να υπολογίζουμε το μήκος της ράβδου, όταν θερμανθεί κατά ΔΘ βαθμούς, αρκεί να γνωρίζουμε το αρχικό μήκος Ιο, το συντελεστή (α) του υλικού και την αύξηση της θερμοκρασίας. Η δύναμη που αναπτύσσεται κατά τη διαστολή είναι τεράστια, γεγονός που αναγκάζει τους τεχνικούς να λαμβάνουν σοβαρά υπόψη τη διαστολή στις διάφορες κατασκευές. Κατά τη διαστολή μιας ράβδου από σίδερο με μήκος 100 εκατ. και διατομή 1 τετρ. εκατ., που δημιουργείται από αύξηση της θερμοκρασίας κατά 100°C, αναπτύσσεται δύναμη 2.600 Kgr στα σταθερά άκρα της ράβδου. Στην επιφανειακή διαστολή ισχύει ο τύπος s = sο (1 + β • ΔΘ) (όπου s και sο αναφέρονται στο εμβαδόν της επιφάνειας και β ο συντελεστής επιφανειακής διαστολής). Στην περίπτωση της κυβικής διαστολής ο ανάλογος τύπος είναι VΘ = Vο (1 + γ • ΔΘ) (όπου VΘ και Vο ο τελικός και ο αρχικός όγκος, ενώ γ είναι ο συντελεστής κυβικής διαστολής). Στα υγρά διακρίνουμε μόνο την περίπτωση της κυβικής διαστολής, αλλά πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ότι ο συντελεστής της κυβικής διαστολής του υγρού είναι μεγαλύτερος από το συντελεστή κυβικής διαστολής του στερεού από το οποίο είναι κατασκευασμένο το δοχείο που περιέχει το υγρό. Για το λόγο αυτό διακρίνουμε την πραγματική (ή απόλυτη) και τη φαινομενική (ή σχετική) διαστολή των υγρών.



Το νερό παρουσιάζει μια ιδιαίτερη ανωμαλία στη διαστολή του, γιατί όταν θερμαίνεται ανάμεσα στους 0°C και +4°C, παρουσιάζει συστολή του όγκου του, ενώ πάνω από τους +4°C ακολουθεί κανονική πορεία και διαστέλλεται με τη θέρμανση. Αυτό σημαίνει ότι στην περιοχή από 0°C μέχρι +4°C ο συντελεστής κυβικής διαστολής είναι αρνητικός. Γενικά, κατά τη διαστολή των στερεών και των υγρών σωμάτων η πυκνότητά τους ελαττώνεται. Η διαστολή των αερίων, όταν αυτά θεωρούνται ιδανικά, ακολουθεί τους νόμους Gay Lussac. Διακρίνουμε τη θέρμανση του αερίου με σταθερή πίεση, οπότε μεταβάλλεται ο όγκος και ισχύει ο τύπος VΘ = Vο (1 + α • Θ), και τη θέρμανση του αερίου με σταθερό όγκο, οπότε μεταβάλλεται η πίεση και ισχύει ο τύπος PΘ = Pο (1 + α • Θ). Και ενώ στην περίπτωση των στερεών και των υγρών ο συντελεστής κυβικής διαστολής μεταβάλλεται από σώμα σε σώμα, στην περίπτωση των αερίων είναι σταθερός για όλα (α = grad-1). Στα πραγματικά αέρια χρειάζεται διόρθωση των τύπων.
Η τιμή του συντελεστή διαστολής των στερεών σωμάτων επιβάλλει μια ταξινόμηση στη χρησιμοποίησή τους. Ο χαλαζίας έχει το μικρότερο συντελεστή διαστολής και από το υλικό αυτό κατασκευάζονται χημικά όργανα και συσκευές ακριβείας. Το γυαλί Pyrex έχει επίσης μικρό συντελεστή και γι' αυτό χρησιμοποιείται στην κατασκευή μαγειρικών σκευών. Το κράμα ίνβαρ, που αποτελείται από 64% σίδηρο και 36% νικέλιο, έχει συντελεστή διαστολής πρακτικά μηδέν. Επίσης οι συντελεστές διαστολής του σιδήρου και του μπετόν έχουν την ίδια τιμή, γεγονός που επιτρέπει την κατασκευή μπετόν αρμέ. Η μέτρηση της διαστολής είναι δυνατή με τη χρησιμοποίηση μηχανικών και οπτικών μεθόδων. Μετρήσεις μεγάλης ακριβείας στηρίζονται στο φαινόμενο της συμβολής του φωτός.
Διατήρησης, αρχή. Αρχή σύμφωνα με την οποία ορισμένα φυσικά μεγέθη διατηρούν σταθερή την τιμή τους, όταν το αποκλεισμένο σύστημα στο οποίο ανήκουν μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου. Αποκλεισμένο σύστημα σωμάτων είναι το σύστημα στο οποίο δεν είναι δυνατή η μεταβίβαση ενέργειας προς τα έξω ούτε και η πρόσληψη ενέργειας από έξω. Η αρχή αυτή επαληθεύτηκε αρχικά μόνο στα μηχανικά συστήματα. Αργότερα όμως αποδείχτηκε ότι υπάρχουν και άλλα φυσικά μεγέθη για τα οποία ισχύει μια αρχή διατήρησης.
Οι αρχές διατήρησης που ισχύουν στις διάφορες φυσικές οντότητες:
1. Αρχή διατήρησης της μηχανικής ενέργειας. Κατά τις μετατροπές της δυναμικής ενέργειας σε κινητική και αντίστροφα, το άθροισμα της δυναμικής και της κινητικής ενέργειας παραμένει σταθερό, αν δεν έχουμε μετατροπές σε άλλη μορφή ενέργειας. Το θεώρημα αυτό είναι ειδική περίπτωση μιας γενικής αρχής της φυσικής, της «αρχής διατήρησης της ενέργειας». Η βασική αυτή αρχή αποκλείει την περίπτωση δημιουργίας αεικίνητου, δηλαδή μιας μηχανής που να δημιουργεί ενέργεια από το μηδέν. Ανάλογη αρχή ισχύει και για την ύλη, με την οποία ο Λαβουαζιέ έδωσε τεράστια ώθηση στην πρόοδο της χημείας. Οι θεωρητικές έρευνες όμως, που επαληθεύονται και πειραματικά, καθώς και η πραγματοποίηση της διάσπασης του ατόμου φτάνουν στο συμπέρασμα ότι η μάζα και η ενέργεια αποτελούν μορφές μιας και της ίδιας οντότητας και επομένως οι δύο αρχές συγχωνεύονται σε μία, στην αρχή διατήρησης της υλενέργειας, σύμφωνα με την οποία «η ολική υλενέργεια του σύμπαντος παραμένει σταθερή».
2. Αρχή διατήρησης της ορμής. Σε ένα αποκλεισμένο σύστημα δύο ή περισσότερων σωμάτων, στο οποίο δεν ενεργούν εξωτερικές δυνάμεις αλλά μόνο εσωτερικές, το διανυσματικό άθροισμα των ορμών των σωμάτων παραμένει χρονικά σταθερό. Αν η ορμή του ενός σώματος μεταβληθεί, τότε η ορμή των υπόλοιπων σωμάτων μεταβάλλεται έτσι, ώστε το διανυσματικό άθροισμα των ορμών να παραμείνει σταθερό. Εφαρμογή της αρχής αυτής είναι το «κλότσημα» κατά την εκπυρσοκρότηση των πυροβόλων όπλων και η κίνηση των πυραύλων, όπου η ορμή των εξερχόμενων αερίων έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση αντίθετης ορμής στον πύραυλο. Επίσης η ίδια αρχή ισχύει και σε όλα τα φαινόμενα των ελαστικών κρούσεων.
3. Αρχή διατήρησης της στροφορμής. Όπως στην περίπτωση της μεταφορικής κίνησης ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής, έτσι και στην περιστροφική κίνηση ισχύει η αρχή: «όταν σε ένα στερεό σώμα που βρίσκεται σε περιστροφική κίνηση δεν επιδρά καμιά ροπή, τότε η στροφορμή του παραμένει σταθερή». Χρήση της αρχής αυτής κάνουν οι παγοδρόμοι, ώστε να πετυχαίνουν γρήγορη περιστροφική κίνηση με κατάλληλη τοποθέτηση και κλείσιμο των χεριών. Επίσης εφαρμογή της ίδιας αρχής είναι το γυροσκόπιο.
4. Αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Πειραματικά αποδεικνύεται ότι σε ένα αποκλεισμένο σύστημα το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων που εμφανίζονται στην αρχική και τελική κατάσταση του φαινομένου παραμένει χρονικά σταθερό. Παράδειγμα διατήρησης του φορτίου είναι η αντιστοιχία σε κάθε σωματίδιο ενός αντισωματιδίου (π.χ. ηλεκτρόνιο - ποζιτρόνιο).
5. Αρχή διατήρησης των νουκλεονίων. Αυτή η αρχή, σε συνδυασμό με την προηγούμενη, χρησιμοποιείται στην τεχνική της γραφής των πυρηνικών αντιδράσεων και σημαίνει ότι τα νουκλεόνια των πυρήνων των δύο μελών της αντίδρασης είναι ισάριθμα.
Στη μελέτη επίσης των στοιχειωδών σωματιδίων και των αντιδράσεών τους υπάρχουν μερικοί ακόμη νόμοι διατήρησης. Αυτοί είναι οι εξής:
6. Ο νόμος διατήρησης του βαρυονικού αριθμού.
7. Ο νόμος διατήρησης του λεπτονικού αριθμού κ.ά.
Διηλεκτρικά. Μονωτικά υλικά, στερεά, υγρά ή αέρια, μέσα στα οποία γίνονται ηλεκτρικές επαγωγές και από τα οποία περνούν οι ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές, χωρίς να επιτρέπεται η διέλευση ηλεκτρικών φορτίων.
Αντίθετα με τους αγωγούς, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται με την επίδραση του πεδίου, στα μονωτικά υλικά δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια ούτε είναι δυνατή η μεταπήδηση ηλεκτρονίου από το ένα μόριο του μονωτή στο άλλο. Είναι όμως δυνατό μέσα στο χώρο των μορίων του μονωτικού υλικού να συμβούν μετακινήσεις ηλεκτρονίων, ώστε τα μόρια να εμφανίζουν μια θετικά και μια αρνητικά φορτισμένη πλευρά. Ένα τέτοιο σωματίδιο, που έχει ίσα και αντίθετα φορτία στις δύο απέναντι πλευρές του, λέγεται ηλεκτρικό δίπολο. Επομένως τα μόρια των διηλεκτρικών με την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου μεταβάλλονται σε ηλεκτρικά δίπολα. Συνήθως για την έρευνα των διηλεκτρικών, ως ηλεκτρικό πεδίο θεωρούμε το ομογενές ηλεκτρικό πεδίο που σχηματίζεται ανάμεσα στις πλάκες ενός επίπεδου πυκνωτή. Το διηλεκτρικό τοποθετείται ανάμεσα στους οπλισμούς του πυκνωτή και υπόκειται στη δράση του πεδίου. Αν το διηλεκτρικό αποτελείται από πολικά μόρια, δηλαδή από μόνιμα στοιχειώδη ηλεκτρικά δίπολα, τότε αυτά αρχικώς είναι ατάκτως προσανατολισμένα μέσα στο υλικό. Με την επίδραση όμως του ηλεκτρικού πεδίου τα δίπολα προσανατολίζονται κατά τη διεύθυνση του πεδίου. Αν το διηλεκτρικό αποτελείται από μη πολικά μόρια, τότε με την επίδραση του πεδίου δημιουργείται μέσα σε κάθε μόριο μικρή μετακίνηση φορτίων, ώστε να δημιουργηθεί πάλι προσανατολισμός των στοιχειωδών ηλεκτρικών διπόλων.
Στο εσωτερικό του διηλεκτρικού τα φορτία εξουδετερώνονται αμοιβαία και παραμένουν μόνο τα φορτία στις εξωτερικές επιφάνειες του υλικού, που βρίσκονται απέναντι από τους οπλισμούς του πυκνωτή και μάλιστα από τη θετική πλάκα εμφανίζονται αρνητικά φορτία, ενώ απέναντι από την αρνητική θετικά φορτία. Παρουσιάζεται ανάλογο φαινόμενο με την περίπτωση αγωγού μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Το φαινόμενο αυτό λέγεται πόλωση του διηλεκτρικού. Τα φορτία που εμφανίζονται στην επιφάνεια του διηλεκτρικού είναι στενά συνδεμένα με τα μόρια του υλικού και λέγονται δέσμια ή φαινομενικά φορτία. Αντίθετα, τα φορτία που υπάρχουν στους οπλισμούς του πυκνωτή λέγονται ελεύθερα ή δρώντα φορτία. Γενικά, μπορούμε να πούμε ότι «πόλωση είναι η με οποιοδήποτε τρόπο εμφάνιση ηλεκτρικής ροπής σε ένα διηλεκτρικό».
Πόλωση επίσης μπορεί να δημιουργηθεί και από τη συμπίεση του διηλεκτρικού, γιατί υπάρχουν μερικοί κρύσταλλοι στους οποίους η συμπίεση κατά ορισμένες διευθύνσεις προκαλεί μετατόπιση των φορτίων.
Μεγέθη χαρακτηριστικά για κάθε διηλεκτρικό είναι:
α) Η διηλεκτρική αντοχή. Ορίζει τη μέγιστη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην οποία μπορεί να αντέξει το υλικό, χωρίς να διαπεραστεί από ηλεκτρικό σπινθήρα.
β) Η διηλεκτρική σταθερά (ή σχετική διαπερατότητα). Είναι ο λόγος της διαπερατότητας του διηλεκτρικού (ε) προς τη διαπερατότητα του κενού (εο) και είναι καθαρός αριθμός ανεξάρτητος από το χρησιμοποιούμενο σύστημα μετρήσεων.
γ) Η πόλωση. Είναι το πηλίκο της ηλεκτρικής ροπής του διηλεκτρικού προς τον όγκο του και είναι μέγεθος διανυσματικό.
δ) Η διηλεκτρική επιδεκτικότητα. Είναι ο λόγος της πόλωσης προς την ένταση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου και παριστάνει την πόλωση σε ηλεκτρικό πεδίο με ένταση ίση με 1.
ε) Η διηλεκτρική μετατόπιση. Είναι το γινόμενο της διηλεκτρικής σταθεράς (ε) επί την ένταση του εξωτερικού πεδίου D = ε • H. Αντίστοιχο μέγεθος στο μαγνητισμό είναι η μαγνητική επαγωγή Β = μ • Η.
Στη συμπεριφορά των διηλεκτρικών ασκούν επίδραση η εξωτερική θερμοκρασία και η συχνότητα του εξωτερικού πεδίου στην περίπτωση εναλλασσόμενου ρεύματος, οπότε δημιουργούνται απώλειες λόγω φαινομένων υστέρησης. Τα πιο γνωστά διηλεκτρικά είναι το γυαλί, η πορσελάνη, οι ρητίνες, τα πλαστικά, η μίκα, ο εβονίτης, η άμμος από τα στερεά, οι σιλικόνες, τα βερνίκια, τα ορυκτά έλαια από τα υγρά. Τα ξηρά αέρια σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας είναι μονωτές.
Δίοδος.Ηλεκτρονική συσκευή που επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος κατά τη μία μόνο φορά. Αυτό γίνεται, γιατί η συσκευή παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση κατά την απαγορευμένη φορά, ενώ έχει αμελητέα αντίσταση κατά την επιτρεπτή φορά. Το 1904 ο Άγγλος φυσικός Φλέμιγκ κατασκεύασε για πρώτη φορά μια συσκευή με αυτές τις ιδιότητες. Η δίοδη ηλεκτρονική λυχνία, όπως ονομάζεται, αποτελεί εφαρμογή του θερμοηλεκτρονικού φαινομένου ή φαινομένου Έντισον, κατά το οποίο όταν τα μέταλλα έχουν μεγάλη θερμοκρασία εκπέμπουν ηλεκτρόνια. Αποτελείται από ένα γυάλινο κυλινδρικό περίβλημα, στο οποίο πραγματοποιείται πολύ υψηλό κενό (π.χ. 10-6 Torr), και από δύο ηλεκτρόδια στο εσωτερικό. Το ένα ηλεκτρόδιο είναι λεπτό σύρμα από δύστηκτη ουσία, π.χ. βολφράμιο, και μπορεί να πυρακτωθεί με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος. Απέναντί του υπάρχει το άλλο μεταλλικό ηλεκτρόδιο με μορφή πλάκας ή κυλίνδρου, στον άξονα του οποίου βρίσκεται το νήμα θέρμανσης. Το νήμα, το οποίο είναι και η πηγή των ηλεκτρονίων, λέγεται κάθοδος (Κ), ενώ η πλάκα λέγεται άνοδος (Α). Όταν συνδέσουμε την άνοδο με το θετικό πόλο και την κάθοδο με τον αρνητικό πόλο μιας πηγής, παρατηρούμε ότι από το κύκλωμα δεν περνάει ρεύμα, γιατί δεν υπάρχουν οι φορείς του ρεύματος, τα ηλεκτρόνια. Μόλις όμως συνδεθεί η κάθοδος με μια άλλη πηγή ρεύματος, θερμαίνεται, οπότε ελευθερώνονται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου, τα οποία λόγω της διαφοράς δυναμικού μεταξύ ανόδου - καθόδου αρχίζουν και κινούνται προς την άνοδο. Η διατήρηση του ηλεκτρικού πεδίου έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων, τα οποία κατευθύνονται στην άνοδο, και επομένως την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα ανόδου - καθόδου. Αν αλλάξουμε την πολικότητα των ηλεκτροδίων, ώστε η άνοδος να γίνει αρνητική και η κάθοδος θετική, παρατηρούμε ότι διακόπτεται το ρεύμα. Αυτός φυσικά είναι και ο ρόλος της δίοδης λυχνίας. Κάθε δίοδος έχει μια χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας, η μορφή της οποίας εξαρτάται από την τάση θέρμανσης του νήματος και από την ανοδική τάση μεταξύ ανόδου - καθόδου. Οι δίοδες λυχνίες χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα ραδιοφώνου και τηλεόρασης, στις τηλεπικοινωνίες, στους ενισχυτές, ως ανορθωτές ρεύματος στα τροφοδοτικά και ως περιοριστές ρεύματος και τάσης. Η δίοδη λυχνία χρησιμοποιείται για την ανόρθωση του εναλλασσόμενου ρεύματος, δίνει όμως ημιανορθωμένο ρεύμα. Επειδή στις διόδους αναπτύσσεται υψηλή θερμοκρασία και είναι δυνατό να υπάρξει διάχυση της θερμικής ενέργειας, μαυρίζουμε την εξωτερική επιφάνεια της λυχνίας ώστε να διευκολύνεται η ακτινοβολία.
Δίοδοι ημιαγωγών. Η ηλεκτρονική τεχνολογία αντικατέστησε τις δαπανηρές και μεγάλες σε όγκο δίοδες λυχνίες με τις κρυσταλλοδιόδους. Όταν ένας ημιαγωγός Ρ - τύπου και ένας ημιαγωγός n - τύπου έρθουν σε στενή επαφή, αποτελούν κρυσταλλοδίοδο. Η δίοδος P - n παρουσιάζει αγωγιμότητα μόνο κατά τη μία φορά, ενώ κατά την αντίθετη η αγωγιμότητα εξαφανίζεται και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ανορθωτής. Βασικά υλικά για την κατασκευή των κρυσταλλοδιόδων είναι οι κρύσταλλοι γερμανίου ή πυριτίου, καθώς και οι κρύσταλλοι σεληνίου ή οξειδίου του χαλκού. Υπάρχουν διάφοροι τύποι διόδων, ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής και τη συμπεριφορά τους στη διέλευση του ρεύματος. Οι δίοδοι Varactors παρουσιάζουν χωρητικότητα που μεταβάλλεται με την τάση. Στις πολύ υψηλές συχνότητες χρησιμοποιούνται δίοδοι σήραγγας (tunnel diodes), ενώ άλλες χρησιμοποιούνται ως μεταλλάκτες στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Στην οικογένεια των Thyristors ανήκουν οι περισσότερο πολύπλοκες και χρήσιμες δίοδοι Ρ-Ν-Ρ-Ν Schockley, καθώς και οι Ρ-Ν-Ρ-Ν-Ρ δίοδοι Diac.
Ενέργεια. Χαρακτηριστικό φυσικό μέγεθος ενός σώματος, του οποίου το μέτρο εκφράζει την ικανότητα του σώματος να παράγει έργο, όταν βρεθεί σε κατάλληλες συνθήκες. Τα φαινόμενα στη φύση, δηλαδή η μετάβαση ενός σώματος από μια κατάσταση σε μια άλλη, έχουν ως συνέπεια τη μεταβολή ενός φυσικού μεγέθους, που χαρακτηρίζει την κατάσταση (π.χ. θερμοκρασία, πίεση, ταχύτητα). Όμως εκτός από αυτές τις μεταβολές των χαρακτηριστικών μεγεθών, εμφανίζεται πάντοτε σε όλες τις μεταβολές ένα κοινό μεταβαλλόμενο μέγεθος, η ενέργεια.
Η ενέργεια μαζί με την ύλη αποτελούν τις δύο βασικές άφθαρτες φυσικές οντότητες του σύμπαντος. Η ενέργεια ήταν πάντοτε ο μοχλός στις μεγαλύτερες επιδιώξεις του ανθρώπου και στην προσπάθειά του για έναν καλύτερο κόσμο. Η ενέργεια της φωτιάς χάραξε την πορεία του ανθρώπου των σπηλαίων προς την πρόοδο και η ενέργεια του σώματός του τον βοήθησε να επιζήσει. Η παντοτινή ανθρώπινη αναζήτηση ήταν η δέσμευση της ενέργειας από το κάρβουνο, το πετρέλαιο, τον ηλεκτρισμό κτλ. Η ενέργεια δεν είναι κάτι συγκεκριμένο, ώστε αμέσως να γίνει αντιληπτό. Παρουσιάζεται συνέχεια με διαφορετικές μορφές, ως ενέργεια από μια κίνηση, ως ενέργεια με μορφή θερμότητας ή φωτός, ως χημική ενέργεια, ως πυρηνική ενέργεια και ως δυναμική ενέργεια. Ύλη και ενέργεια βαδίζουν μαζί το δρόμο τους και συγκροτούν τον κόσμο μας. Η ύλη δίνει τα υλικά και η ενέργεια τα κινεί ή τα διαμορφώνει. Αντίθετα όμως από την ύλη, που γίνεται αμέσως αντιληπτή, γιατί είναι κάτι το συμπαγές, που έχει βάρος και καταλαμβάνει χώρο, η ενέργεια είναι αόρατη και ανέγγιχτη ως ουσία και μόνο τα αποτελέσματά της φανερώνουν της ύπαρξή της. Η δυνατότητά της να παράγει έργο είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα της ενέργειας. Η απορρόφηση έργου από ένα σώμα αυξάνει την ενέργειά του, ενώ αντίθετα η παραγωγή έργου την ελαττώνει. Επομένως το έργο και η ενέργεια είναι ποσά ομοειδή και για τη μέτρησή τους χρησιμοποιούνται οι ίδιες μονάδες μέτρησης. Το γεγονός είναι ότι δεν μπορούμε να μετρήσουμε απόλυτα το ποσό ενέργειας ενός σώματος, αλλά μόνο τις μεταβολές της ενέργειας. Ο άνθρωπος ζει μέσα σε τεράστιες ποσότητες από ενέργεια. Κάθε στιγμή γύρω του η φύση παράγει έργο, ξοδεύοντας ενέργεια σε απεριόριστες ποσότητες. Όμως ο άνθρωπος ένα ελάχιστο μόνο μέρος μπορεί να χρησιμοποιήσει, π.χ. ενώ η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι αρκετή για όλες τις ανάγκες της ανθρωπότητας, μόνο το 4% απ' αυτή χρησιμοποιείται σήμερα. Η αδέσμευτη ενέργεια και αυτή που ο άνθρωπος χρησιμοποιεί αποτελούν τη συνολική ενέργεια του Σύμπαντος, που υπακούει στην αρχή της διατήρησης. Δεχόμαστε δηλαδή για την ενέργεια ό,τι δεχτήκαμε και για την ύλη. Η αρχή διατήρησης της ενέργειας παραδέχεται ότι «η συνολική ενέργεια ενός αποκλεισμένου συστήματος παραμένει σε ποσότητα σταθερή», ενώ είναι δυνατό να συμβαίνουν ποιοτικές μεταβολές. Η ενέργεια επομένως δεν είναι δυνατό ούτε να δημιουργηθεί από το μηδέν αλλά και ούτε να εκμηδενιστεί. Η αρχή διατήρησης της ενέργειας αποτελεί το θεμέλιο της φυσικής και αποκλείει την πραγματοποίηση του αεικίνητου, δηλαδή μιας μηχανής που να δημιουργεί ενέργεια από το μηδέν.
Στη φύση διακρίνουμε διάφορα είδη φαινομένων, π.χ. μηχανικά, οπτικά, θερμικά κτλ., οπότε ο μακροσκοπικός αυτός διαχωρισμός μας κάνει να διακρίνουμε και την ενέργεια σε διάφορες μορφές.
1. Μηχανική ενέργεια. Είναι μια μορφή ενέργειας, που οφείλεται στη μηχανική κατάσταση στην οποία βρίσκεται το σώμα, π.χ. κίνηση, ελαστική παραμόρφωση κτλ. Διακρίνεται στη δυναμική και στην κινητική ενέργεια.
α) Δυναμική ενέργεια. Είναι η ενέργεια την οποία έχει ένα σώμα λόγω της θέσης ή της κατάστασης στην οποία βρίσκεται. Δυναμική ενέργεια έχει το σώμα που βρίσκεται σε ένα ύψος πάνω από το έδαφος. Επίσης ένα σώμα μπορεί να έχει αποταμιεύσει ενέργεια, όταν δαπανηθεί έργο για την παραμόρφωσή του, όπως συμβαίνει με την ενέργεια που αποταμιεύεται σε ένα παιδικό όπλο από τη συμπίεση του ελατηρίου. Όταν αφήσουμε ελεύθερο το ελατήριο, ξαναγυρίζει στην αρχική του κατάσταση και αποδίδει έργο ίσο με αυτό που καταναλώθηκε για τη συμπίεσή του. Η δυναμική ενέργεια ενός σώματος μετριέται με το ελάχιστο έργο που καταναλώνεται για να βρεθεί το σώμα από μια αρχική στατική κατάσταση σε μια τελική στατική κατάσταση. Για τη μέτρηση της δυναμικής ενέργειας που οφείλεται στο πεδίο βαρύτητας, θεωρούμε ως επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας, ένα οριζόντιο αυθαίρετο επίπεδο. Όταν το σώμα ανυψωθεί με τη βοήθεια μιας εξωτερικής δύναμης (F) σε ένα ύψος (h) δαπανάται από τη δύναμη ένα έργο W = m • g • h. Το έργο αυτό αποταμιεύεται με μορφή δυναμικής ενέργειας στο σώμα και αποδίδεται όταν το σώμα ξαναγυρίσει στην αρχική του κατάσταση. Η σχέση επομένως που μας δίνει τη δυναμική ενέργεια είναι WΔ = m.g.h όπου (m) η μάζα του σώματος και (g) η επιτάχυνση της βαρύτητας. Στην περίπτωση που η δυναμική ενέργεια οφείλεται στην ελαστική παραμόρφωση ενός ελατηρίου ισχύει ο τύπος: όπου (κ) η σταθερά του ελατηρίου και (x) η συσπείρωση του ελατηρίου. Ανάλογη με την περίπτωση του σώματος που κινείται στο πεδίο βαρύτητας είναι και η περίπτωση του σώματος που βρίσκεται σε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο. Το έργο και στις δύο περιπτώσεις είναι ανεξάρτητο από την τροχιά που ακολουθεί το σώμα και εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική του θέση.
β) Κινητική ενέργεια. Είναι η ενέργεια την οποία έχει ένα σώμα λόγω της ταχύτητάς του. Επομένως όλα τα σώματα που κινούνται περικλείουν κινητική ενέργεια, η οποία εξαρτάται σε τελική ανάλυση από τη δύναμη που δημιουργεί την κίνηση. Όταν ένα σώμα με μάζα (m) κινηθεί με την επίδραση μιας σταθερής δύναμης (F), χωρίς καμιά άλλη αντίδραση, τότε η κίνηση χαρακτηρίζεται από μια σταθερή επιτάχυνση (γ). Η δύναμη (F) καθώς μετακινεί το σημείο εφαρμογής της καταναλώνει έργο:. Το έργο αυτό δε χάνεται, αλλά αποταμιεύεται στο σώμα με μορφή κινητικής ενέργειας, η οποία δίνεται από τη σχέση:, όπου (m) η μάζα του σώματος και (υ) η ταχύτητά του. Η κινητική ενέργεια δεν εξαρτάται από τη διεύθυνση της ταχύτητας του σώματος αλλά μόνο από την αριθμητική της τιμή.
Όταν ένα σώμα περιστρέφεται, η κινητική του ενέργεια δίνεται από τον τύπο WΚιν = 1/2 Θ • ω2, όπου (Θ) η ροπή αδράνειας και (ω) η γωνιακή ταχύτητα. Στην περίπτωση που το σώμα εκτελεί ταυτόχρονα μεταφορική και περιστροφική κίνηση, η ολική ενέργεια είναι WΚιν = 1/2m • υ2 + 1/2Θ • ω2. Στην ελεύθερη πτώση ενός σώματος, η δυναμική του ενέργεια ελαττώνεται συνέχεια, ενώ αντίστοιχα αυξάνεται η ταχύτητά του. Η αύξηση όμως αυτή έχει ως συνέπεια την ταυτόχρονη αύξηση της κινητικής ενέργειας. Η κινητική ενέργεια που αποκτά το σώμα σε μηδενικό ύψος, είναι ακριβώς ίση με τη δυναμική ενέργεια που είχε το σώμα στο ορισμένο ύψος. Στην προκειμένη περίπτωση ισχύει το θεώρημα διατήρησης της μηχανικής ενέργειας (μηχανική ενέργεια = δυναμική ενέργεια + κινητική ενέργεια). «Όταν έχουμε μετατροπές της δυναμικής ενέργειας σε κινητική και αντίστροφα, τότε η μηχανική ενέργεια παραμένει σταθερή, εφόσον δεν έχουμε μετατροπή σε ενέργεια άλλης μορφής (π.χ. θερμότητα)».
2. Θερμική ενέργεια. Είναι η ενέργεια που οφείλεται στην κινητική κατάσταση των μορίων ή ατόμων ενός σώματος. Έχει το χαρακτηριστικό γνώρισμα να μεταβιβάζεται από τα θερμότερα στα ψυχρότερα σώματα. Η συνολική κινητική και δυναμική ενέργεια που περικλείουν όλα τα μόρια ενός σώματος λέγεται εσωτερική ενέργεια και εκδηλώνεται στον έξω κόσμο ως θερμότητα, το ποσοστό αυτής της ενέργειας που αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των μορίων. Σύμφωνα με το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα, υπάρχει αντιστοιχία ανάμεσα στη θερμότητα και στο μηχανικό έργο, σύμφωνα με την οποία ισχύει η σχέση Α = J • Q, όπου (Α) το μηχανικό έργο, (J) το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας και (Q) το ποσό θερμότητας. Το μηχανικό έργο, η χημική και η ηλεκτρική ενέργεια μπορούν να μετατραπούν κατά 100% σε θερμότητα, ενώ η θερμότητα είναι αδύνατο να μετατραπεί κατά 100% σε άλλες μορφές ενέργειας, γι' αυτό η θερμική ενέργεια θεωρείται ενέργεια κατώτερης ποιότητας. Κάθε φορά που συντελείται μια μετατροπή, ένα μέρος ενέργειας χάνεται σε άχρηστη θερμότητα και διασκορπίζεται στο Σύμπαν, όπου διατηρείται για πάντα, χωρίς όμως να μπορεί, ποτέ πια, να ξαναχρησιμοποιηθεί. Το μέτρο του βαθμιαίου εκφυλισμού της ενέργειας σε κατάσταση αχρηστίας λέγεται εντροπία (βλ. λ. θερμοδυναμική).
3. Ηλεκτρική ενέργεια. Είναι η ενέργεια που οφείλεται στον τρόπο κατανομής των ηλεκτρονίων στα διάφορα ηλεκτρισμένα σώματα. Διακρίνεται σε ηλεκτροστατική ενέργεια (ή ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου) και σε ηλεκτροδυναμική ενέργεια (ή ενέργεια ηλεκτρικού ρεύματος). Την πρώτη περίπτωση συναντάμε στη φόρτιση ενός επίπεδου πυκνωτή. Η ενέργεια (W), που δαπανάμε, αποταμιεύεται στο χώρο, που υπάρχει ανάμεσα στους δύο οπλισμούς του πυκνωτή, με τη μορφή ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου. Η ενέργεια αυτή δίνεται από τον τύπο W = 1/2CV2 όπου (C) η χωρητικότητα του πυκνωτή και (V) η τάση ανάμεσα στους οπλισμούς. Αν συνδέσουμε τους οπλισμούς με ένα εξωτερικό κύκλωμα, θα δημιουργηθεί μετακίνηση φορτίων, δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα. Επομένως, η ηλεκτροδυναμική ενέργεια συνδέεται με τη μετακίνηση των φορτίων (ηλεκτρονίων) και εξαρτάται από τη διαφορά δυναμικού (V) στα άκρα του αγωγού, από την ένταση (Ι) του ρεύματος και από το χρόνο (t) κατά τον οποίο περνάει το ρεύμα. Ισχύει δηλαδή ο τύπος W = V • I • t, ο οποίος με βάση το νόμο του Ομ (V = I • R), γράφεται ως εξής: W = I2 • R • t όπου (R) η αντίσταση του αγωγού.
4. Χημική ενέργεια. Είναι η ενέργεια που μοιάζει με την ηλεκτρική και οφείλεται στον τρόπο κατανομής των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας των ατόμων ή γενικότερα στην ηλεκτρονική δομή των μορίων των διάφορων ενώσεων. Η τάση των διάφορων χημικών ενώσεων να αντιδρούν μεταξύ τους, μπορεί να αποδοθεί σε ένα είδος δυναμικής ενέργειας, καθοριστικός παράγοντας της οποίας είναι η χημική ενέργεια. Το είδος αυτό της ενέργειας εκδηλώνεται με φαινόμενα θερμικά, μηχανικά, ηλεκτρικά και ηλεκτρομαγνητικά.
5. Πυρηνική ενέργεια. Είναι η μορφή ενέργειας που οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο είναι ενωμένα τα διάφορα υποατομικά σωματίδια στον πυρήνα. Η ενέργεια εμφανίζεται όταν διασπαστεί ο πυρήνας, με μορφή κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που εκπέμπονται και με μορφή ακτινοβόλας ενέργειας. Η πυρηνική ενέργεια είναι αποτέλεσμα σχάσης ή σύντηξης διάφορων πυρήνων και σύμφωνα με την αρχή ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας σε κάθε απώλεια ορισμένης ποσότητας από μάζα εμφανίζεται αντίστοιχη ενέργεια (βλ. ατομική ενέργεια).
6. Ακτινοβόλα ενέργεια. Είναι η ενέργεια που παρακολουθεί πάντοτε την εκπομπή ακτινοβολίας (ηλεκτρομαγνητικής, φωτονιακής κτλ.) και δίνεται από τη σχέση Ε = h • v. Το χαρακτηριστικό της γνώρισμα είναι ότι μπορεί να διαδίδεται μέσα στο κενό, χωρίς να χρειάζεται υλικό φορέα. Η ακτινενέργεια, όπως λέγεται διαφορετικά, είναι η πιο φτωχή μορφή ενέργειας και αυτή που δυσκολότερα μπορεί να εξαναγκαστεί να μας δώσει έργο. Στη Γη τα πράσινα φυτά αλλά και οι ζωντανοί οργανισμοί παίρνουν τη ζωτική τους δύναμη από την ενέργεια του φωτός. Εκτός από το φως, τα ραδιοφωνικά κύματα, οι ακτίνες Χ, οι υπέρυθρες και υπεριώδεις ακτινοβολίες, αποτελούν τις αόρατες μορφές της ακτινοβόλας ενέργειας που ο άνθρωπος χρησιμοποιεί στις ανάγκες του. Οι ακτίνες γ, προϊόντα ραδιενεργών διασπάσεων, ανήκουν στην ίδια μορφή ενέργειας αλλά έχουν δραστικά βιολογικά αποτελέσματα, ώστε ο άνθρωπος είναι υποχρεωμένος να μειώνει στο ελάχιστο την επίδρασή τους.
Η σπουδαιότερη από τις ιδιότητες της ενέργειας είναι η δυνατότητα αμοιβαίας εναλλαγής των διάφορων μορφών της. Πραγματικά υπάρχει μια πολύπλοκη αλληλεξάρτηση των διάφορων μορφών ενέργειας. Π.χ. το νερό των θαλασσών και των λιμνών εξατμίζεται από την ενέργεια της ακτινοβολίας του Ήλιου. Ο ατμός δημιουργεί σύννεφα και πέφτει σαν βροχή, σχηματίζοντας καταρράχτες, που βάζουν σε λειτουργία τις γεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, το οποίο μέσα από καλώδια έρχεται στην κατανάλωση, ανάβει τις λάμπες, ζεσταίνει το σπίτι ή φορτίζει μια χημική μπαταρία. Από την αρχαιότητα και μέχρι σήμερα, πολλά από τα στοιχεία της φύσης, ακόμη και οι ιδιοτροπίες της, ήταν για τον άνθρωπο πηγές αστείρευτης ενέργειας. Ο άνεμος, ψυχρός ή θερμός, απρόβλεπτος και άστατος, για ολόκληρους αιώνες ήταν μια σημαντική πηγή ενέργειας, που κινούσε τα ιστιοφόρα και τους ανεμόμυλους, δίνοντας στον άνθρωπο τη δυνατότητα να μετατρέψει την τεράστια δύναμή του σε κινητήριο έργο. Το νερό, με την αδιάκοπη πορεία του, διαμορφώνει τη Γη, εξατμίζεται και δημιουργεί τη βροχή, το χιόνι, την πάχνη και σχηματίζει ποταμούς και καταρράχτες, οι οποίοι, με την υδραυλική ενέργειά τους, δίνουν ένα σημαντικό ποσοστό από την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια. Η θάλασσα καλύπτει τα 70% περίπου της συνολικής επιφάνειας της Γης και διαθέτει αδέσμευτη δύναμη και τεράστια ενέργεια, που εκδηλώνεται με τα κύματα και τις παλίρροιες. Εκτός όμως από την ενέργεια που γίνεται άμεσα αντιληπτή, τα μόρια του θαλασσινού νερού έχουν τη βασική πηγή μιας τρομακτικής ενέργειας, το δευτέριο, δηλαδή το άτομο του βαρέος υδρογόνου, που η σύντηξή του αποδίδει ενέργεια αρκετή για ανάγκες δισεκατομμυρίων χρόνων. Ο κεραυνός, η εκδήλωση αυτή της φορτισμένης ατμόσφαιρας, εξαναγκάζει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν από τα σύννεφα προς τη Γη και μόλις γεφυρωθεί το χάσμα σχηματίζεται ο σπινθήρας που μπορεί να αποδώσει 3.500 εκατομμύρια κιλοβάτ. Το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειάς του χάνεται ως θερμότητα στην ατμόσφαιρα, αλλά οι άνθρωποι κατασκευάζουν «παγίδες για κεραυνούς», ώστε να μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ενέργεια που απομένει, ως ηλεκτρική ενέργεια.
Εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Η κατανάλωση των καυσίμων σε παγκόσμια κλίμακα αυξάνεται αδιάκοπα. Ο άνθρωπος εξαρτά την ευημερία και την πρόοδό του από τις πηγές ενέργειας που υπάρχουν στη φύση, δηλαδή από το κάρβουνο, το πετρέλαιο, το ξύλο κτλ. Ο 20ός αιώνας ήταν μια εποχή τεράστιας κατανάλωσης ενέργειας, τόσο για τεχνολογικές ανάγκες, όσο και για τις συνέχεια αυξανόμενες ανάγκες του υπερπληθυσμού. Η ανθρώπινη δύναμη έδωσε τη θέση της στη δύναμη της μηχανής και η ανθρώπινη σκέψη στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Έτσι όμως η εξάρτηση του ανθρώπου από τις ενεργειακές πηγές έγινε απόλυτη. Η ανισότητα της φυσικής κατανομής των πηγών είχε ως αποτέλεσμα, λαοί που διαθέτουν πηγές ενέργειας να γίνονται ρυθμιστές της παγκόσμιας τεχνολογικής και οικονομικής ζωής, όπως έγινε για πρώτη φορά στο χρονικό διάστημα 1973-1974 με το μποϊκοτάζ πετρελαίου των αραβικών χωρών. Όλες οι χώρες που δε διέθεταν ενεργειακές πηγές δέχτηκαν ισχυρά πλήγματα στη δομή της οικονομίας τους. Η παγκόσμια όμως αυτή ενεργειακή κρίση είχε και την καλή πλευρά της. Οι επιστήμονες όλων των χωρών άρχισαν έναν έντονο αγώνα για την αναζήτηση τελείως διαφορετικών πηγών ενέργειας που θα μπορούσαν ν’ απαλλάξουν τις χώρες από εξαρτήσεις και πιέσεις. Ανάμεσα στα προγράμματα ήταν και οι προσπάθειες για τη δέσμευση και εκμετάλλευση των αδιάκοπων παλιρροϊκών δυνάμεων, τη χρησιμοποίηση του ηλιακού φωτός και της γήινης θερμότητας. Η Γαλλία προηγήθηκε στον αγώνα για την τιθάσευση της παλιρροϊκής δύναμης, γιατί έχει κατασκευάσει το πρώτο παλιρροϊκό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής στον κόσμο, στον ποταμό Ρανς της Βόρειας Γαλλίας. Το εργοστάσιο εκμεταλλεύεται τη διαφορά ύψους του νερού (13 μέτρα περίπου), που παρουσιάζεται στη Μάγχη και διαθέτει 24 στροβιλογεννήτριες. Ένα παρόμοιο πρόγραμμα πραγματοποιούν και οι ΗΠΑ στο Πασαμακόντι του κόλπου Φάντι, ανάμεσα στη Νέα Σκοτία και τον Καναδά. Η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται στο Λαρνταρέλο της Ιταλίας από το 1904 και έχει ως πηγή της τον ατμό που δημιουργείται στα σπλάχνα της Γης από την εσωτερική της θερμότητα. Σήμερα σε πολλές χώρες του κόσμου υπάρχουν προγράμματα για την εκμετάλλευση αυτής της πηγής ενέργειας, που κάνει την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος πολύ φθηνότερη. Το φως του ήλιου είναι μια αστείρευτη πηγή ενέργειας, που ίσως να λύσει το παγκόσμιο ενεργειακό πρόβλημα των προσεχών χρόνων (βλ. λ. ηλιακή ενέργεια) όπως και ο άνεμος (αιολική ενέργεια).
Ο 21ος αιώνας σφραγίζεται με τις προσπάθειες για ανάπτυξη τεχνολογίας εφαρμογής και αξιοποίησης των ήπιων ανανεώσιμων μορφών ενέργειας (ηλιακή, αιολική, γεωθερμική κτλ.), σε αντίθεση με τα τελευταία χρόνια του 20ού αιώνα, όπου η χρήση πυρηνικής ενέργειας προτεινόταν ως η μόνη και αναγκαία. Τα ατυχήματα που έγιναν σε διάφορους πυρηνικούς σταθμούς(π.χ. Τσερνόμπιλ) και η ανάγκη για προστασία του οικολογικού περιβάλλοντος δημιουργούν προσδοκίες για ευρύτερη χρησιμοποίηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας, οι οποίες επιβαρύνουν ελάχιστα το περιβάλλον.
Ενισχυτής. Διάταξη με την οποία γίνεται δυνατή η ενίσχυση ασθενών τάσεων ή ασθενών ρευμάτων καθώς επίσης και η αύξηση του πλάτους ενός ηλεκτρικού σήματος ή μιας εντολής.
Οι ενισχυτές διακρίνονται σε διάφορους τύπους, ανάλογα με το είδος του σήματος που ενισχύουν, τον τρόπο λειτουργίας τους και τον προορισμό τους. Ο πιο απλός ενισχυτής είναι αυτός που χρησιμοποιεί μια τρίοδη ηλεκτρονική λυχνία. Ο συντελεστής ενίσχυσης (μ) μιας τρίοδης λυχνίας δίνεται από το πηλίκο της μεταβολής της τάσης ανόδου (ΔVα) προς τη μεταβολή της τάσης πλέγματος, δηλαδή: Πραγματικά αν εφαρμοστεί μια εναλλασσόμενη τάση στο πλέγμα της λυχνίας, θα έχουμε μεταβολή στην ανοδική τάση αρκετά μεγαλύτερη, η οποία θα ακολουθεί τη μεταβλητή τάση του πλέγματος. Με τον τύπο αυτόν του ενισχυτή είναι δυνατό να ενισχύσουμε χαμηλές τάσεις, οπότε λέγεται ενισχυτής τάσης, ή χαμηλές εντάσεις, οπότε λέγεται ενισχυτής έντασης. Όταν δεν είναι αρκετή η ενίσχυση που πετυχαίνουμε με μια τρίοδη λυχνία, τότε χρησιμοποιούμε και δεύτερη ή περισσότερες λυχνίες, οπότε η ενίσχυση γίνεται σε διαδοχικές βαθμίδες και οι ενισχυτές λέγονται ενισχυτές πολλών βαθμίδων. Στις σύγχρονες ηλεκτρονικές κατασκευές, τα τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν αντικαταστήσει τις ηλεκτρονικές λυχνίες, επειδή έχουν ελάχιστο μέγεθος, χαμηλό κόστος και μεγάλη διάρκεια ζωής. Ένας τύπος ενισχυτή είναι αυτός με μια ζώνη συχνοτήτων, που ενισχύει όλα τα σήματα άσχετα με τη συχνότητά τους. Στους ραδιοφωνικούς δέκτες, μαγνητόφωνα κτλ., όπου έχουμε βασικά χαμηλές συχνότητες, ο ενισχυτής αναπαράγει τα σήματα σε συχνότητες που περιλαμβάνονται στο ακουστικό φάσμα, δηλαδή από 16 Hz μέχρι 20.000 Hz. Τα κύρια ρυθμιστικά ενός τέτοιου τύπου ενισχυτή είναι το ποτενσιόμετρο έντασης, για τη ρύθμιση του λόγου του πλάτους σήματος εξόδου προς το πλάτος σήματος εισόδου, και τα ποτενσιόμετρα μπάσων-πρίμων για την απολαβή των χαμηλών και ψηλών τόνων. Στους παλμογράφους χρησιμοποιούνται ενισχυτές D.C. με απευθείας σύζευξη, για να μην περιορίζεται η απόκριση των χαμηλών συχνοτήτων, λόγω της παρουσίας των πυκνωτών σύζευξης. Οι ενισχυτές αυτοί έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να ενισχύουν τάσεις πολύ χαμηλής ή μηδενικής συχνότητας. Το κόστος της κατασκευής τους όμως είναι υψηλό, και παρουσιάζουν ευαισθησία στη θερμοκρασία και στις μεγάλες τάσεις εισόδου. Ένας άλλος τύπος ενισχυτή, που χρησιμοποιείται επίσης στους παλμογράφους, είναι ο διαφορικός ενισχυτής, ο οποίος εξασφαλίζει συμμετρική τάση τροφοδότησης στις πλάκες, ώστε να αποφεύγεται η παραμόρφωση και μετακινεί την κυματομορφή χωρίς αποκλίσεις στον κατακόρυφο άξονα. Ο τύπος του συντονισμένου ενισχυτή χρησιμοποιείται κυρίως στους ραδιοπομπούς και ενισχύει σήματα που περιέχονται σε στενή λωρίδα συχνοτήτων. Έχει πολύ μεγαλύτερη απόδοση από τους άλλους τύπους και χρησιμοποιείται ως ενισχυτής ενδιάμεσης συχνότητας για την αύξηση της ικανότητας διαλογής. Στους μετρητές Γκάιγκερ - Μίλερ χρησιμοποιούνται ενισχυτές παροδικών τάσεων, που ενισχύουν σήματα που επαναλαμβάνονται περιοδικά με το ίδιο πάντοτε σημείο, αντίθετα από τους άλλους τύπους στους οποίους υπάρχει εναλλαγή θετικών και αρνητικών ημιπεριόδων. Βασικά χαρακτηριστικά όλων των τύπων ενισχυτών είναι η γραμμικότητα, η οποία δίνει την αναλογία ανάμεσα στην τάση εισόδου και εξόδου, η ευστάθεια, η οποία αποκλείει την περίπτωση εμφάνισης παρασιτικών θορύβων, και η σταθερότητα, δηλαδή η αντοχή της συσκευής στο χρόνο και στη χρήση.
Ειδικά για τους ενισχυτές ήχου, που μπορεί να είναι στερεοφωνικοί (stereo) ή και τετραφωνικοί (4 channel), ορισμένα τεχνικά χαρακτηριστικά καθορίζουν την αξία και την ποιότητα του ενισχυτή. Αυτά είναι: η ισχύς εξόδου, το ποσοστό παραμόρφωσης, η απόκριση συχνότητας, το ποσοστό απόσβεσης, ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η σχέση διαφωνίας, η κατανάλωση και οι τάσεις τομέων.
Ένταση. Βαθμός της ισχύος ή της ενέργειας. Η σημασία του όρου διαφέρει ανάλογα με τον τομέα στον οποίο χρησιμοποιείται.
1. Ένταση πεδίου βαρύτητας. Γύρω από τη Γη εκτείνεται το πεδίο βαρύτητας, δηλαδή ο χώρος μέσα στον οποίο κάθε σώμα δέχεται έλξη από τη Γη. Χαρακτηριστικό του γήινου πεδίου βαρύτητας είναι η έντασή του, η οποία είναι διανυσματικό μέγεθος με διεύθυνση και φορά της ελκτικής δύναμης (F) και μέτρο το πηλίκο της ασκούμενης δύναμης (βάρος) προς τη μάζα πάνω στην οποία ασκείται η δύναμη, δηλαδή Ε = F/m. Σε περιορισμένο χώρο το πεδίο βαρύτητας έχει σε όλα τα σημεία του την ίδια ένταση και διεύθυνση και γι' αυτό λέγεται ομοιόμορφο. Σε ένα σημείο του πεδίου βαρύτητας η ένταση και η επιτάχυνση (g) της ελεύθερης πτώσης εκφράζονται με τις ίδιες μονάδες και έχουν την ίδια αριθμητική τιμή. Η ένταση είναι χαρακτηριστική του πεδίου βαρύτητας και εκφράζεται με τη σχέση από όπου συμπεραίνουμε ότι η ένταση μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα προς το τετράγωνο της απόστασης από το κέντρο της Γης. Η ένταση του πεδίου βαρύτητας κοντά στην επιφάνεια της Γης ισούται περίπου με 9,81 m/sec2.
2. Ένταση κύματος. Είναι το πηλίκο της ενέργειας W που διαδίδεται μέσα από μία στοιχειώδη επιφάνεια εμβαδού Δs η οποία είναι κάθετη στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος και στην ταχύτητά του, προς την επιφάνεια Δs και προς το χρόνο Δt κατά τον οποίο διέρχεται η W από τη Δs.
Μονάδα της έντασης είναι το 1 Watt/m2 και μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από την πηγή.
3. Ένταση του ήχου. Είναι το ποσό της ενέργειας του ήχου το οποίο περνά κάθετα από τη μονάδα επιφάνειας σε ορισμένο σημείο του χώρου, προς το χρόνο που διαρκεί το φαινόμενο. Είναι δηλαδή η ένταση του ήχου, το πηλίκο της ενέργειας του ήχου, που περνάει από μια επιφάνεια κάθετα προς το εμβαδόν της επιφάνειας και προς τον αντίστοιχο χρόνο. Μονάδα μέτρησης της έντασης του ήχου είναι το 1 Watt/cm2 ή 1 m Watt/cm2 = 10-3 Watt/cm2.
Η ένταση του ήχου εξαρτάται από τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται και η ένταση του κύματος, επειδή ο ήχος είναι μια διάδοση κύμανσης στο χώρο. Επίσης η ένταση μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα προς το τετράγωνο της απόστασης από την ηχητική πηγή, μόνο στην περίπτωση που έχουμε κανονική διάδοση χωρίς διαθλάσεις και ανακλάσεις. Ένας παράγοντας για τη μείωση της έντασης με την απόσταση είναι η απορρόφηση του ήχου κατά μήκος της ηχητικής δέσμης, επειδή μέρος της κινητικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω κρούσεων.
4. Ένταση φωτεινής πηγής. Είναι η φωτεινή ροή, την οποία εκπέμπει η φωτεινή πηγή κατά μονάδα στερεάς γωνίας και δίνεται από τον τύπο Ι = φ / ω. Ως μονάδα έντασης μιας φωτεινής πηγής χρησιμοποιείται συχνά το νέο ή διεθνές κηρίο (1ΝΚ), που είναι το 1/60 της έντασης που εκπέμπεται από επιφάνεια 1 τ. εκ τέλειου μέλανος σώματος, το οποίο βρίσκεται στη θερμοκρασία τήξης του λευκόχρυσου (1.770°C).
5. Ένταση ηλεκτρικού πεδίου. Η ένταση ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο του εκφράζει τη δύναμη, την οποία ασκεί το πεδίο σε μια μονάδα θετικού φορτίου, που φέρεται στο σημείο εκείνο του πεδίου και δίνεται από τον τύπο E = F/q. Για τον προσδιορισμό της έντασης σε ένα σημείο του πεδίου χρησιμοποιείται ο τύπος όπου Q το φορτίο, R η απόσταση του σημείου από το φορτίο και Κ η σταθερά του Coulomb που στο κενό έχει τιμή ίση με 9 ∙ 109 N ∙ m2/C2.
6. Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος. Είναι το πηλίκο του ηλεκτρικού φορτίου (Q) που περνά από μια τομή ενός αγωγού, προς τον αντίστοιχο χρόνο και δίνεται από τον τύπο (βλ. λ. αμπέρ).
7. Ένταση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Είναι η ενέργεια που κάθε δευτερόλεπτο περνά από τη μονάδα επιφάνειας που τοποθετείται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας και ισχύει η σχέση. Η ένταση της ακτινοβολίας εξαρτάται από το τετράγωνο του πλάτους των εντάσεων του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου Em, Bm, την ταχύτητα του φωτός c και την μαγνητική διαπερατότητα.
8. Ένταση ραδιενεργούς πηγής. Η ένταση μιας ραδιενεργούς πηγής είναι ανάλογη προς τον αριθμό των πυρήνων που διασπώνται σε κάθε δευτερόλεπτο. Ως μονάδα έντασης έχουμε το 1 κιουρί (1 c), το οποίο δίνεται από τη σχέση 1 κιουρί = 3,7 • 1010 διασπάσεις στο δευτερόλεπτο.
Δοσιμετρία. Το σύνολο των μεθόδων με τις οποίες είναι δυνατή η μέτρηση της έντασης των ακτινοβολιών ιονισμού. Ακτινοβολίες ιονισμού είναι κατά κύριο λόγο οι ραδιενεργές ακτινοβολίες που προκαλούν ιονισμό των μορίων του αέρα όταν περνούν από αυτόν. Η μέτρηση της ραδιενέργειας ενός ραδιενεργού υλικού δε δίνει συγκεκριμένες ενδείξεις για τη δράση των ακτινοβολιών που εκπέμπονται ούτε για την ενέργεια των σωματιδίων ή των κβάντων της ακτινοβολίας. Ο ανθρώπινος οργανισμός είναι δυνατό να υποστεί από τις πυρηνικές ακτινοβολίες «ακτινοβολία» ή και «μόλυνση». Η ακτινοβολία διαρκεί όσο και η πρόσπτωση των πυρηνικών ακτινοβολιών, ενώ η μόλυνση διαρκεί εφόσον υπάρχει ακόμη το ραδιενεργό απόθεμα. Η δράση των ακτινοβολιών στον οργανισμό εξαρτάται από την ποσότητα ακτινοβολίας που απορροφά ο οργανισμός. Την ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από ένα υλικό ονομάζουμε δόση ακτινοβολίας. Αρχικά ως μονάδα δόσης ορίστηκε η μονάδα röntgen (r), αργότερα όμως τη θέση της πήρε η μονάδα rad (radiation absorbed dose), που είναι ανεξάρτητη από τη φύση της ακτινοβολίας ιονισμού. Η δόση ακτινοβολίας είναι ίση με 1 rad, όταν κάθε γραμμάριο του υλικού απορροφά ενέργεια ίση με 100 έργια: [1 rad = 100 erg/gr]. Ως βιολογική μονάδα δόσης όμως χρησιμοποιείται το rem (röntgen equivalent man). Η δόση σε μονάδες rem για τα διάφορα είδη ακτινοβολιών είναι δυνατό να βρεθεί από την ενεργειακή δόση rad, αν αυτή πολλαπλασιαστεί με έναν παράγοντα που λέγεται RBE, και εξαρτάται από το βαθμό της βιολογικής δραστηριότητας της ακτινοβολίας.
Η μέγιστη δόση ακτινοβολίας που μπορεί να πάρει ένα άτομο σε όλη τη διάρκεια της ζωής του είναι 200 rem. Επειδή η ακτινοβολία έχει την προσθετική ικανότητα, η επιτρεπόμενη δόση είναι 0,1 rem κάθε εβδομάδα. Για τους εργαζόμενους σε περιοχές υψηλής ενέργειας και ακτινοβολιών, σύμφωνα με διεθνείς κανονισμούς, υπάρχουν τα μέγιστα όρια δόσης για κάθε άτομο. Οι δόσεις αυτές είναι διαφορετικές για τις διάφορες περιοχές του σώματος, π.χ. για το μυελό των οστών 5 rem κάθε χρόνο, για το δέρμα και τα οστά 30 rem κάθε χρόνο, για τα χέρια και τα πόδια 75 rem και για τα υπόλοιπα όργανα 15 rem κάθε χρόνο. Επίσης, η ίδια φροντίδα υπάρχει και για τους αρρώστους, που χρησιμοποιούν στη θεραπεία τους ποσότητες ραδιενεργών ισοτόπων. Για τη μέτρηση των δόσεων χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα που λέγονται δοσίμετρα. Αυτά είναι φορητά και η λειτουργία τους στηρίζεται στις γνωστές ιδιότητες της κάθε ακτινοβολίας ιονισμού. Η παρακολούθηση γίνεται με τον έλεγχο του χρώματος των δοσιμέτρων, όταν αυτά εκτεθούν στις ακτινοβολίες. Ένας τύπος δοσιμέτρου αποτελείται από ειδικό ευαίσθητο φιλμ μέσα σε θήκη αδιαφανή για το φως. Με την εμφάνιση του φιλμ υπολογίζεται η δόση από το βαθμό μαυρίσματος του φιλμ. Άλλα δοσίμετρα έχουν σχήμα στυλογράφου και λειτουργούν με την αρχή του θαλάμου ιονισμού. Επίσης χρήσιμο είναι το χημικό δοσίμετρο θειικού υποσιδήρου. Με την ενέργεια που αποδίδεται από τις ακτινοβολίες, ο θειικός υποσίδηρος μετατρέπεται σε θειικό σίδηρο, η ποσότητα του οποίου είναι ανάλογη της ακτινοβολίας που απορροφήθηκε από το δοσίμετρο, και επομένως από το άτομο που το έχει μαζί του. Γενικά η βιολογική δράση μιας ακτινοβολίας εξαρτάται από τη διάρκεια επίδρασης της ακτινοβολίας. Εάν μια δόση R προσλαμβάνεται σε χρόνο Τ, η ισχύς δόσης L είναι: L = R / T.
Για να μπορεί να γίνει σύγκριση αναφέρουμε μερικά παραδείγματα. Έτσι, σε μια συνηθισμένη ακτινογραφία θώρακα γίνεται απόθεση 20-40 mrem σε 5 περίπου κιλά ιστού. Δόση 20 rem, περίπου, σε ολόκληρο το ανθρώπινο σώμα δεν ανιχνεύεται άμεσα. Δόση 500 rem ή περισσότερο που απορροφάται σε μικρό χρονικό διάστημα από όλο το σώμα, οδηγεί συνήθως σε θάνατο σε λίγες μέρες ή εβδομάδες. Οι εντοπισμένες σε ιστούς δόσεις των 10.000 rem προκαλούν τέλεια καταστροφή του ιστού. Η συνολική έκθεση σε ακτινοβολίες κοσμικών ακτίνων φυσικής ραδιενέργειας του εδάφους, του ραδονίου που εκλύεται από τα οικοδομικά υλικά κτλ. αντιστοιχεί σε δόση 0,1 rem κάθε χρόνο, για μετρήσεις που γίνονται στην επιφάνεια της θάλασσας. Σε μεγαλύτερα ύψη οι δόσεις ακτινοβολίας γίνονται μεγαλύτερες. Έτσι, η δόση που αναφέρθηκε προηγουμένως γίνεται διπλάσια σε ύψος 1,5 χλμ.
Δοσιμετρία. Το σύνολο των μεθόδων με τις οποίες είναι δυνατή η μέτρηση της έντασης των ακτινοβολιών ιονισμού. Ακτινοβολίες ιονισμού είναι κατά κύριο λόγο οι ραδιενεργές ακτινοβολίες που προκαλούν ιονισμό των μορίων του αέρα όταν περνούν από αυτόν. Η μέτρηση της ραδιενέργειας ενός ραδιενεργού υλικού δε δίνει συγκεκριμένες ενδείξεις για τη δράση των ακτινοβολιών που εκπέμπονται ούτε για την ενέργεια των σωματιδίων ή των κβάντων της ακτινοβολίας. Ο ανθρώπινος οργανισμός είναι δυνατό να υποστεί από τις πυρηνικές ακτινοβολίες «ακτινοβολία» ή και «μόλυνση». Η ακτινοβολία διαρκεί όσο και η πρόσπτωση των πυρηνικών ακτινοβολιών, ενώ η μόλυνση διαρκεί εφόσον υπάρχει ακόμη το ραδιενεργό απόθεμα. Η δράση των ακτινοβολιών στον οργανισμό εξαρτάται από την ποσότητα ακτινοβολίας που απορροφά ο οργανισμός. Την ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από ένα υλικό ονομάζουμε δόση ακτινοβολίας. Αρχικά ως μονάδα δόσης ορίστηκε η μονάδα röntgen (r), αργότερα όμως τη θέση της πήρε η μονάδα rad (radiation absorbed dose), που είναι ανεξάρτητη από τη φύση της ακτινοβολίας ιονισμού. Η δόση ακτινοβολίας είναι ίση με 1 rad, όταν κάθε γραμμάριο του υλικού απορροφά ενέργεια ίση με 100 έργια: [1 rad = 100 erg/gr]. Ως βιολογική μονάδα δόσης όμως χρησιμοποιείται το rem (röntgen equivalent man). Η δόση σε μονάδες rem για τα διάφορα είδη ακτινοβολιών είναι δυνατό να βρεθεί από την ενεργειακή δόση rad, αν αυτή πολλαπλασιαστεί με έναν παράγοντα που λέγεται RBE, και εξαρτάται από το βαθμό της βιολογικής δραστηριότητας της ακτινοβολίας.
Η μέγιστη δόση ακτινοβολίας που μπορεί να πάρει ένα άτομο σε όλη τη διάρκεια της ζωής του είναι 200 rem. Επειδή η ακτινοβολία έχει την προσθετική ικανότητα, η επιτρεπόμενη δόση είναι 0,1 rem κάθε εβδομάδα. Για τους εργαζόμενους σε περιοχές υψηλής ενέργειας και ακτινοβολιών, σύμφωνα με διεθνείς κανονισμούς, υπάρχουν τα μέγιστα όρια δόσης για κάθε άτομο. Οι δόσεις αυτές είναι διαφορετικές για τις διάφορες περιοχές του σώματος, π.χ. για το μυελό των οστών 5 rem κάθε χρόνο, για το δέρμα και τα οστά 30 rem κάθε χρόνο, για τα χέρια και τα πόδια 75 rem και για τα υπόλοιπα όργανα 15 rem κάθε χρόνο. Επίσης, η ίδια φροντίδα υπάρχει και για τους αρρώστους, που χρησιμοποιούν στη θεραπεία τους ποσότητες ραδιενεργών ισοτόπων. Για τη μέτρηση των δόσεων χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα που λέγονται δοσίμετρα. Αυτά είναι φορητά και η λειτουργία τους στηρίζεται στις γνωστές ιδιότητες της κάθε ακτινοβολίας ιονισμού. Η παρακολούθηση γίνεται με τον έλεγχο του χρώματος των δοσιμέτρων, όταν αυτά εκτεθούν στις ακτινοβολίες. Ένας τύπος δοσιμέτρου αποτελείται από ειδικό ευαίσθητο φιλμ μέσα σε θήκη αδιαφανή για το φως. Με την εμφάνιση του φιλμ υπολογίζεται η δόση από το βαθμό μαυρίσματος του φιλμ. Άλλα δοσίμετρα έχουν σχήμα στυλογράφου και λειτουργούν με την αρχή του θαλάμου ιονισμού. Επίσης χρήσιμο είναι το χημικό δοσίμετρο θειικού υποσιδήρου. Με την ενέργεια που αποδίδεται από τις ακτινοβολίες, ο θειικός υποσίδηρος μετατρέπεται σε θειικό σίδηρο, η ποσότητα του οποίου είναι ανάλογη της ακτινοβολίας που απορροφήθηκε από το δοσίμετρο, και επομένως από το άτομο που το έχει μαζί του. Γενικά η βιολογική δράση μιας ακτινοβολίας εξαρτάται από τη διάρκεια επίδρασης της ακτινοβολίας. Εάν μια δόση R προσλαμβάνεται σε χρόνο Τ, η ισχύς δόσης L είναι: L = R / T.
Για να μπορεί να γίνει σύγκριση αναφέρουμε μερικά παραδείγματα. Έτσι, σε μια συνηθισμένη ακτινογραφία θώρακα γίνεται απόθεση 20-40 mrem σε 5 περίπου κιλά ιστού. Δόση 20 rem, περίπου, σε ολόκληρο το ανθρώπινο σώμα δεν ανιχνεύεται άμεσα. Δόση 500 rem ή περισσότερο που απορροφάται σε μικρό χρονικό διάστημα από όλο το σώμα, οδηγεί συνήθως σε θάνατο σε λίγες μέρες ή εβδομάδες. Οι εντοπισμένες σε ιστούς δόσεις των 10.000 rem προκαλούν τέλεια καταστροφή του ιστού. Η συνολική έκθεση σε ακτινοβολίες κοσμικών ακτίνων φυσικής ραδιενέργειας του εδάφους, του ραδονίου που εκλύεται από τα οικοδομικά υλικά κτλ. αντιστοιχεί σε δόση 0,1 rem κάθε χρόνο, για μετρήσεις που γίνονται στην επιφάνεια της θάλασσας. Σε μεγαλύτερα ύψη οι δόσεις ακτινοβολίας γίνονται μεγαλύτερες. Έτσι, η δόση που αναφέρθηκε προηγουμένως γίνεται διπλάσια σε ύψος 1,5 χλμ.
Δυναμική. Το κεφάλαιο της μηχανικής που εξετάζει τις κινήσεις τις οποίες εκτελεί ένα υλικό σημείο ή ένα σώμα, σε συνδυασμό με τα αίτια που προκαλούν ή μεταβάλλουν τις κινήσεις αυτές. Τα αίτια αυτά λέγονται δυνάμεις. Ανάλογα με την κατάσταση των κινούμενων σωμάτων, η δυναμική διακρίνεται σε δυναμική των στερεών και δυναμική των ρευστών.
Η δυναμική των στερεών περιλαμβάνει α) τη δυναμική του υλικού σημείου και β) τη δυναμική του στερεού σώματος, ενώ η δυναμική των ρευστών είναι δυνατό να διακριθεί σε α) δυναμική των υγρών ή υδροδυναμική και β) δυναμική των αερίων ή αεροδυναμική.
Η δυναμική, που αποτελεί το τρίτο μέρος της μηχανικής, θεμελιώθηκε από το Γαλιλαίο και το Νεύτωνα. Το οικοδόμημα της νευτώνειας φυσικής στηρίζεται σε τρία αξιώματα που διατύπωσε ο Ισαάκ Νεύτων το 1686 στο περίφημο σύγγραμμά του «Αρχές της Φιλοσοφίας της Φύσεως». Το έργο αυτό είναι ένα μνημείο της ανθρώπινης διάνοιας και ένας σταθμός που είχε τεράστια επίδραση στις επιστημονικές ιδέες των τελευταίων αιώνων. Τα αξιώματα του Νεύτωνα δεν είναι πάντα φανερά ούτε εξηγούνται με την απόλυτη λογική, αλλά η ακρίβεια των συνεπειών τους πάντα δικαιολογεί την εφαρμογή τους. Με αυτά εξηγείται η σχέση ανάμεσα στο αίτιο της κίνησης (δύναμη) και στο αποτέλεσμα (επιτάχυνση).
Πρώτο αξίωμα ή αξίωμα της αδράνειας. «Αν σε ένα σώμα δεν ενεργεί εξωτερική δύναμη, ή αν η συνισταμένη των εξωτερικών δυνάμεων είναι ίση με μηδέν, τότε το σώμα διατηρεί την κινητική του κατάσταση». Το συμπέρασμα από αυτό το αξίωμα είναι ότι ένα σώμα που ηρεμεί ουδέποτε μπορεί να κινηθεί μόνο του, όπως και ένα σώμα που κινείται δεν μπορεί να σταματήσει αν δεν ενεργήσει επάνω του μια εξωτερική δύναμη. Ένα απλό παράδειγμα για την εφαρμογή του πρώτου αξιώματος είναι το εξής: Αν σε οριζόντιο έδαφος ρίξουμε μια σφαίρα, αυτή, αφού διατρέξει ένα ορισμένο διάστημα, θα σταματήσει φαινομενικά μόνη της. Πιο προσεκτική παρατήρηση όμως δείχνει ότι η αιτία για την οποία σταμάτησε η σφαίρα είναι η φύση του εδάφους, δηλαδή η τριβή που αναπτύσσεται ανάμεσα στη σφαίρα και το έδαφος καθώς και η αντίσταση του αέρα. Αν δεν υπήρχε κανένα από τα αίτια αυτά, το σώμα θα εξακολουθούσε να κινείται μέχρι το άπειρο. Ένα άλλο συμπέρασμα του πρώτου αξιώματος είναι ότι η ύλη εμφανίζει χαρακτηριστική ιδιότητα να παρουσιάζει «αντίδραση» σε κάθε μεταβολή της κινητικής της κατάστασης. Η ιδιότητα αυτή λέγεται αδράνεια. Η εκδήλωση της αδράνειας γίνεται περισσότερο έντονη στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας. Π.χ. οι επιβάτες ενός λεωφορείου πέφτουν προς τα εμπρός, όταν το όχημα φρενάρει απότομα, ενώ κινούνται προς τα πίσω με το απότομο ξεκίνημα. Επίσης όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο περισσότερο αισθητή γίνεται η αδράνεια. Μπορούμε να πούμε ότι «η μάζα είναι το μέτρο αδράνειας του σώματος».
Δεύτερο αξίωμα ή αξίωμα της αναλογίας. «Η μεταβολή της ταχύτητας, την οποία προκαλεί μια δύναμη που ενεργεί σε ένα σώμα είναι ανάλογη με τη δύναμη και έχει τη διεύθυνση και τη φορά της δύναμης». Επομένως η ίδια δύναμη, όταν ενεργεί σε διαφορετικά σώματα, δίνει σε αυτά διάφορες επιταχύνσεις. Η μαθηματική διατύπωση του δεύτερου αξιώματος αποτελεί τη θεμελιώδη εξίσωση της δυναμικής και είναι F = m ∙ γ (όπου F η δύναμη, γ η επιτάχυνση και m σταθερός συντελεστής που λέγεται μάζα). Η μάζα λοιπόν μπορεί να οριστεί από αυτόν τον τύπο ως το σταθερό πηλίκο της δύναμης που ασκείται σε ένα σώμα προς την επιτάχυνση την οποία αποκτά το σώμα. Η εξίσωση αυτή λέγεται θεμελιώδης, γιατί είναι ο μόνος νόμος της μηχανικής από τον οποίο παράγονται όλοι οι άλλοι νόμοι. Συνέπεια του νόμου αυτού είναι η αντίληψη της νευτώνειας μηχανικής ότι η μάζα είναι φυσικό μέγεθος σταθερό και αμετάβλητο. Για δύο και περισσότερους αιώνες η μηχανική θεωρούσε αυτό το συμπέρασμα αναγκαίο και σωστό, γιατί σύμφωνα με την άποψη του Νεύτωνα το διάστημα δεν έχει, από τη φύση του, καμιά σχέση με οποιοδήποτε εξωτερικό φαινόμενο και παραμένει πάντοτε ακίνητο. Οι νόμοι όμως της δυναμικής στην κλασική μηχανική δεν εξαρτούν τη μάζα ενός σώματος από την ταχύτητά του. Πρώτος ο Αϊνστάιν (1905), με τη θεωρία της σχετικότητας, απέδειξε ότι η μάζα ενός κινούμενου σώματος εξαρτάται από την ταχύτητά του.
(όπου mο η μάζα ηρεμίας του σώματος, υ η ταχύτητά του και c η ταχύτητα του φωτός). Το τελικό συμπέρασμα της σχέσης αυτής είναι ότι «είναι αδύνατον ένα σώμα να κινηθεί με την ταχύτητα του φωτός».
Τρίτο αξίωμα ή αξίωμα δράσης και αντίδρασης. «Σε κάθε δράση αντιστοιχεί πάντοτε μια ίση αντίδραση ή οι αμοιβαίες επιδράσεις μεταξύ δύο σωμάτων είναι πάντοτε ίσες και αντίθετες». Το συμπέρασμα από το αξίωμα είναι ότι σε καμιά περίπτωση στη φύση δεν εμφανίζεται η ενέργεια μιας μόνης δύναμης, αλλά οι δυνάμεις παρουσιάζονται πάντοτε δύο δύο. Οι δυνάμεις μπορεί να είναι εξ επαφής, όπως οι τριβές και οι τάσεις, εξ αποστάσεως, όπως το βάρος, οι ηλεκτρικές ή μαγνητικές έλξεις ή απώσεις. Στην περίπτωση των εξ επαφής δυνάμεων κινητικό αποτέλεσμα παράγεται μόνο όταν οι δυνάμεις ανήκουν σε διαφορετικά σώματα. Υπάρχουν δύο είδη δυνάμεων, οι εσωτερικές και οι εξωτερικές. Οι εξωτερικές δυνάμεις οφείλονται στη δράση αιτίων, που είναι ξένα προς το υλικό σύστημα και προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον του συστήματος. Π.χ. το βάρος ενός σώματος είναι μια εξωτερική δύναμη. Αντίθετα λοιπόν με τις εσωτερικές δυνάμεις, που δεν παίζουν κανένα ρόλο στην κίνηση του συστήματος, οι εξωτερικές δυνάμεις προσδιορίζουν απόλυτα το κινητικό αποτέλεσμα του υλικού συστήματος. Μια βασική ερώτηση για τη δυναμική είναι αν οι νόμοι της εξαρτώνται από την κινητική κατάσταση του συστήματος αναφοράς με το οποίο είναι συνδεδεμένος ο παρατηρητής. Συνήθως ως σύστημα αναφοράς παίρνουμε τη Γη, που τη θεωρούμε ακίνητη. Σε πολλές περιπτώσεις όμως ο παρατηρητής βρίσκεται σε ένα κινούμενο σύστημα αναφοράς, π.χ. όχημα, ασανσέρ, διαστημόπλοιο κτλ. Αν ένας παρατηρητής εξετάσει το φαινόμενο της ελεύθερης πτώσης των σωμάτων μέσα σε ένα αδρανειακό σύστημα, θα εξακριβώσει ότι οι νόμοι της πτώσης ισχύουν αμετάβλητοι, όπως επίσης αμετάβλητοι παραμένουν οι νόμοι που καθορίζουν κάθε μηχανικό φαινόμενο. Το αξίωμα της σχετικότητας του Γαλιλαίου παραδέχεται ότι οι νόμοι της μηχανικής, που ισχύουν σε ένα ακίνητο σύστημα αναφοράς, παραμένουν αμετάβλητοι και σε κάθε άλλο αδρανειακό σύστημα αναφοράς. Ως αδρανειακό σύστημα αναφοράς ορίζεται εκείνο στο οποίο ένα ελεύθερο σώμα δεν επιταχύνεται.
Ο Αϊνστάιν γενίκευσε αυτή την αρχή, εκτός από τα μηχανικά, στα οπτικά και ηλεκτρικά φαινόμενα και δημιούργησε μια βασική αρχή της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, κατά την οποία οι νόμοι της φυσικής, που ισχύουν για ένα ακίνητο σύστημα αναφοράς, παραμένουν αμετάβλητοι και σε κάθε άλλο σύστημα που κινείται με σταθερή ταχύτητα ως προς το πρώτο. Αν σε ένα σώμα ενεργούν δύο ή περισσότερες δυνάμεις, το αποτέλεσμα της καθεμιάς δεν επηρεάζεται από τη δράση της άλλης και η επιτάχυνση που μεταδίδουν στο κινητό είναι το διανυσματικό άθροισμα των επιταχύνσεων που θα μετέδιδε καθεμιά χωριστά. Το αποτέλεσμα αυτό είναι συνέπεια του θεμελιώδους νόμου της δυναμικής και λέγεται αρχή της επαλληλίας. Όταν λοιπόν ένα κινητό δέχεται τη δράση μιας δύναμης F ή της συνισταμένης πολλών άλλων αποκτά επιτάχυνση γ.
Η μορφή του τύπου αυτού θυμίζει τη συνθήκη ισορροπίας των δυνάμεων, αν δεχτούμε ότι η παράσταση παριστάνει μια δύναμη, που λέγεται δύναμη αδράνειας. Οι δυνάμεις αδράνειας είναι οι αντιδράσεις που αναπτύσσουν τα σώματα στις επιταχύνουσες δυνάμεις. Π.χ. η φυγόκεντρη είναι μια δύναμη αδράνειας ίση και αντίθετη προς την επιταχύνουσα κεντρομόλο. Η δύναμη Coriolis είναι επίσης δύναμη αδράνειας και εμφανίζεται στα σώματα που κινούνται σε ένα κινούμενο σύστημα, το οποίο όμως θεωρούμε κατά συνθήκη ακίνητο. Στις περιπτώσεις που αντιμετωπίζουμε δύναμη αδράνειας ισχύει η αρχή του d' Alembert, κατά την οποία «Η δύναμη που εξωτερικά εφαρμόζεται στο σώμα και η δύναμη αδράνειας, αποτελούν κάθε στιγμή σύστημα δυνάμεων που έχει συνισταμένη μηδέν». Η ισορροπία αυτή των δύο δυνάμεων δεν είναι στατική, αλλά δυναμική, επειδή η δύναμη αδράνειας εμφανίζεται μόνο όταν το σώμα κινείται με επιτάχυνση. Γενικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι οι εκδηλώσεις της αδράνειας μιας μάζας m ισοδυναμούν με αποτελέσματα δυνάμεων, που λέγονται δυνάμεις αδράνειας. Με τον τρόπο αυτό, από άποψη έρευνας, τα προβλήματα δυναμικής μετατρέπονται σε προβλήματα στατικής, αν θεωρήσουμε ότι ο «παρατηρητής» παίρνει μέρος στην κίνηση και παραδέχεται ότι ισχύει η αρχή του d' Alembert. Διαφορετικά, για έναν ακίνητο παρατηρητή, η ερμηνεία των φαινομένων πηγάζει από το θεμελιώδη νόμο της δυναμικής.
Τα αξιώματα του Νεύτωνα έχουν καθημερινές πρακτικές εφαρμογές και είναι χαρακτηριστικό ότι στην εφαρμογή του τρίτου αξιώματος της δράσης και αντίδρασης στηρίζεται η εξήγηση της κίνησης των πυραύλων και διαστημοπλοίων στο κενό. Αντίθετα με την κοινή άποψη ότι η κίνηση δημιουργείται από τη στήριξη των διαδοχικών στρωμάτων των αερίων της καύσης επάνω στον αέρα, η πραγματικότητα είναι ότι η ώθηση που δέχονται τα αέρια στο θάλαμο καύσης δημιουργεί μια ίση σε ένταση και αντίθετη σε κατεύθυνση δύναμη, που έχει σημείο εφαρμογής τα τοιχώματα του πυραύλου. Η καλύτερη εξήγηση της κίνησης των πυραύλων στηρίζεται στην αρχή διατήρησης της ορμής, σύμφωνα με την οποία η ορμή του πυραύλου πρέπει σε κάθε στιγμή να είναι ίση και αντίθετη με την ορμή των καυσαερίων που κινούνται προς τα πίσω, ώστε η ορμή του συστήματος να είναι ίση με μηδέν. Για τη δημιουργία μεγάλης ταχύτητας πρέπει σε κάθε χρονική στιγμή να κινούνται τεράστιες ποσότητες αερίων με υψηλές ταχύτητες ώστε το γινόμενο m.υ, που παριστάνει την ορμή των αερίων, να έχει μεγάλη τιμή.
Δυναμική του στερεού σώματος. Η μελέτη της κίνησης ενός στερεού σώματος ανάγεται στη μελέτη της κίνησης ενός μόνο υλικού σημείου. Ως τέτοιο σημείο θεωρούμε το κέντρο μάζας ή βάρους του σώματος, στο οποίο δεχόμαστε ότι είναι συγκεντρωμένη όλη η μάζα του. Στην απλή μεταφορική κίνηση, η κινητική ενέργεια του στερεού σώματος είναι ανεξάρτητη από τον τρόπο που κατανέμεται η ύλη στο σώμα. Στην περίπτωση όμως που το σώμα εκτελεί περιστροφική κίνηση γύρω από έναν άξονα που διατηρεί αμετάβλητη τη θέση του στο χώρο, η κινητική του ενέργεια εξαρτάται από τον τρόπο κατανομής της ύλης, γεγονός το οποίο εκφράζεται από τη ροπή αδράνειας και από το τετράγωνο της γωνιακής ταχύτητας. Το φυσικό ποσό που λέγεται ροπή αδράνειας αντιστοιχεί με τη μάζα. Γιατί, όπως η μάζα παριστάνει την αντίσταση του σώματος στη μεταφορική κίνηση, έτσι και η ροπή αδράνειας παριστάνει την αντίσταση του σώματος στην περιστροφή. Οι θεμελιώδεις νόμοι της δυναμικής για ένα περιστρεφόμενο σώμα είναι τελείως ανάλογοι με εκείνους που ισχύουν για την κίνηση του υλικού σημείου, αρκεί να γίνει χρήση κατάλληλων φυσικών μεγεθών, που εκφράζουν την κάθε μορφή κίνησης.








ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΤΥΠΩΝ
ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ
Μεταφορική κίνηση Περιστροφική κίνηση
Μάζα m Ροπή αδράνειας Θ
Δύναμη F = m∙γ Ροπή Μ = Θ∙ω
Κινητική ενέργεια W = ½  mυ2 Κινητική ενέργεια W = ½ Θ∙ω2
Ορμή J = mυ Στροφορμή G = Θ∙ω

Δυναμικό. Φυσικό μέγεθος, μονόμετρο, το οποίο χρησιμοποιείται για την περιγραφή ενός πεδίου δυνάμεων. Η περιγραφή ενός πεδίου δυνάμεων με την έννοια του δυναμικού πλεονεκτεί σε σχέση με την αντίστοιχη περιγραφή με την έννοια της έντασης, καθώς η ένταση ως διανυσματικό μέγεθος χρειάζεται τρεις συνιστώσες για να οριστεί πλήρως. Πεδίο είναι ο χώρος μέσα στον οποίο ασκούνται δυνάμεις οι οποίες γίνονται αντιληπτές από τη δράση τους σ’ ένα κατάλληλο υπόθεμα. Στην περίπτωση του βαρυτικού πεδίου το υπόθεμα είναι η μάζα, ενώ του ηλεκτροστατικού το φορτίο. Το δυναμικό έχει νόημα μόνο για συντηρητικά πεδία δυνάμεων. Συντηρητικό πεδίο είναι εκείνο στο οποίο το παραγόμενο έργο από την κίνηση του υποθέματος είναι ανεξάρτητο από την τροχιά και εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική θέση. Συντηρητικά είναι το πεδίο βαρύτητας καθώς και το ηλεκτροστατικό πεδίο. Μη συντηρητικό είναι το μαγνητικό πεδίο ευθύγραμμου ρεύματος.
Δυναμικό του πεδίου βαρύτητας. Ένα σημείο του πεδίου βαρύτητας, π.χ. της Γης, χαρακτηρίζεται από την ένταση και το δυναμικό του πεδίου στο σημείο αυτό. Αν στο σημείο αυτό του πεδίου φέρουμε μια μάζα m, αυτή έλκεται από τη Γη με δύναμη που προσδιορίζεται από τον τύπο του Νεύτωνα. Αν η μάζα είναι ελεύθερη, θα κινηθεί προς το κέντρο της Γης και στην κίνησή της θα παράγει έργο. Αντίθετα, για να μεταφερθεί η μάζα από το σημείο μέχρι το άπειρο, όπου μηδενίζεται η ένταση του πεδίου βαρύτητας, πρέπει να δαπανηθεί έργο. Το έργο αυτό είναι χαρακτηριστικό για το ορισμένο σημείο του πεδίου. Το δυναμικό εκφράζει τη δυναμική ενέργεια, που έχει η μονάδα μάζας όταν βρίσκεται στο σημείο αυτό του πεδίου. Η τροχιά που διαγράφει η μάζα, όταν κινηθεί μέσα στο πεδίο, λέγεται δυναμική γραμμή. Η διεύθυνση και η φορά της δυναμικής γραμμής συμπίπτει με τη φορά της έντασης του πεδίου. Η διανομή του δυναμικού στις διάφορες θέσεις ενός πεδίου περιγράφεται με τη βοήθεια των ισοδυναμικών επιφανειών. Ισοδυναμικές είναι οι επιφάνειες των οποίων όλα τα σημεία έχουν το ίδιο δυναμικό. Οι ισοδυναμικές επιφάνειες είναι πάντα κάθετες στις δυναμικές γραμμές και στην περίπτωση του πεδίου βαρύτητας, όπως και του ηλεκτροστατικού πεδίου, είναι δέσμες συγκεντρωτικών σφαιρικών επιφανειών, με δυναμικά που μεταβάλλονται αντιστρόφως ανάλογα με την απόσταση από το κέντρο του πεδίου. Ένα σώμα που κινείται πάνω σε μια ισοδυναμική επιφάνεια δεν παράγει ούτε απορροφά έργο. Τα σώματα μέσα στο πεδίο βαρύτητας έχουν την τάση να κινούνται από σημεία υψηλού δυναμικού σε σημεία χαμηλού δυναμικού.
Δυναμικό ηλεκτροστατικού πεδίου. Σε αναλογία με τα σώματα μέσα στο πεδίο βαρύτητας και τα ηλεκτρικά φορτία, που τοποθετούνται σε διάφορα σημεία του ηλεκτρικού πεδίου, αποκτούν ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, γιατί στα φορτία ασκούνται δυνάμεις από το πεδίο. Επομένως στα διάφορα σημεία ενός ηλεκτρικού πεδίου υπάρχει ηλεκτρικό δυναμικό. Δυναμικό του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο είναι το πηλίκο του έργου που παράγεται από το ηλεκτρικό πεδίο κατά τη μετακίνηση του φορτίου από το συγκεκριμένο σημείο μέχρι το άπειρο, όπου μηδενίζεται η ένταση του πεδίου, προς το φορτίο. Επομένως το δυναμικό είναι το μέτρο της δυναμικής ενέργειας για κάθε θετική μονάδα φορτίου. Στο ηλεκτρικό πεδίο, όταν τα θετικά φορτία είναι ελεύθερα, κινούνται από ένα σημείο σε άλλο με μικρότερο δυναμικό, ενώ τα αρνητικά φορτία κινούνται προς τα σημεία με μεγαλύτερο δυναμικό. Τα ηλεκτρόνια επομένως κινούνται από μικρότερα σε μεγαλύτερα δυναμικά.
Δυναμικό της Γης. Στις πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιείται η διαφορά δυναμικού ή τάση και όχι οι απόλυτες τιμές του δυναμικού. Για κινήσεις κοντά στην επιφάνεια της Γης θεωρούμε κατά συνθήκη το δυναμικό της Γης ίσο με μηδέν. Στην περίπτωση κίνησης δορυφόρων ή πυραύλων θεωρούμε μηδέν το δυναμικό στο άπειρο.
Δυναμικό αγωγού. Το δυναμικό σε έναν αγωγό εκφράζει το βαθμό συμπύκνωσης του ηλεκτρικού φορτίου και επομένως την ηλεκτρική κατάσταση του αγωγού. Αντίστοιχες έννοιες με το δυναμικό αγωγού είναι η πίεση ενός αερίου και η θερμοκρασία ενός σώματος.
Δυναμικό διακοπής. Είναι η απόλυτη τιμή της τάσης για την οποία καταργείται τελείως το φωτοηλεκτρικό ρεύμα στην περίπτωση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Εκκρεμές. Το απλό εκκρεμές, σε αντίθεση με το φυσικό εκκρεμές, είναι μια ιδανική διάταξη, η οποία αποτελείται από ένα πολύ μικρό σώμα που εξαρτάται από σταθερό σημείο με ένα μη ελαστικό και χωρίς βάρος νήμα. Το εκκρεμές του τύπου αυτού είναι έννοια καθαρά θεωρητική, χωρίς να μπορεί να πραγματοποιηθεί, αλλά χρησιμοποιείται για τη μελέτη της κίνησης του φυσικού εκκρεμούς. Επειδή με βάση την κίνησή του καθορίζουμε τις μαθηματικές εξισώσεις κίνησης, λέγεται και μαθηματικό εκκρεμές. Η κίνηση του απλού εκκρεμούς είναι περιοδική. Στην περίπτωση όμως που το πλάτος των αιωρήσεων είναι πολύ μικρό, η κίνηση μπορεί να θεωρηθεί ως ευθύγραμμη αρμονική ταλάντωση, επειδή ισχύει η προϋπόθεση της αρμονικής κίνησης, δηλαδή η δύναμη που κινεί το εκκρεμές είναι σε κάθε χρονική στιγμή ανάλογη προς την απομάκρυνσή του από τη θέση ισορροπίας και αντίθετης φοράς από αυτήν.
Κατευθύνουσα δύναμη σε ένα εκκρεμές είναι το πηλίκο της δύναμης επαναφοράς (F) προς την απομάκρυνση (x) του υλικού σημείου από την κατακόρυφο. Η κίνηση του απλού εκκρεμούς θα έπρεπε να είναι αδιάκοπη, αν δεν υπήρχαν οι τριβές και η αντίσταση του αέρα. Με αυτές τις συνθήκες έχουμε διαδοχικές μετατροπές της δυναμικής ενέργειας σε κινητική και αντίστροφα, μέχρις ότου όλη η διαθέσιμη ενέργεια μετατραπεί σε θερμότητα, οπότε σταματάει και η κίνηση του εκκρεμούς. Η μορφή, ο χρόνος και το είδος της κίνησης του εκκρεμούς καθορίζονται από ορισμένους νόμους, οι οποίοι με τη σειρά τους είναι οι εξής: α) Οι αιωρήσεις μικρού πλάτους είναι ισόχρονες. β) Η περίοδος της κίνησης είναι ανάλογη προς την τετραγωνική ρίζα του μήκους του εκκρεμούς. γ) Η περίοδος του εκκρεμούς είναι αντίστροφα ανάλογη προς την τετραγωνική ρίζα της επιτάχυνσης της βαρύτητας. δ) Η περίοδος κίνησης είναι ανεξάρτητη από τη μάζα και τη φύση του υλικού από το οποίο αποτελείται το εκκρεμές.
Η περίοδος του εκκρεμούς εκφράζεται από τη σχέση, από την οποία προέρχονται οι νόμοι της κίνησης. Ως συμπέρασμα της μελέτης της κίνησης του εκκρεμούς, μπορούμε να πούμε ότι η περίοδος της κίνησής του εξαρτάται και από την επιτάχυνση του συστήματος αναφοράς, στην κίνηση του οποίου συμμετέχει το εκκρεμές. Το απλό εκκρεμές χρησιμεύει στη μέτρηση του χρόνου και στον υπολογισμό της επιτάχυνσης της βαρύτητας ενός τόπου με ακρίβεια.
Εκκρεμές Φουκό (Foucault). Είναι ένα κοινό εκκρεμές, με το οποίο μπορούμε να αποδείξουμε την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της (πείραμα Φουκό).
Φυσικό εκκρεμές. Είναι κάθε στερεό σώμα το οποίο μπορεί να στρέφεται γύρω από έναν οριζόντιο άξονα, ο οποίος δεν περνά από το κέντρο βάρος του σώματος. Η περίοδος της κίνησης του φυσικού εκκρεμούς δίνεται από τη σχέση όπου (Θ) η ροπή αδράνειας, (m) η μάζα του εκκρεμούς, (g) η επιτάχυνση της βαρύτητας και (α) η απόσταση του κέντρου βάρους από τον άξονα περιστροφής.
Αντιστρεπτό εκκρεμές. Είναι ένα φυσικό εκκρεμές του οποίου ο άξονας αιώρησης μπορεί να γίνει άξονας εξάρτησης και αντίστροφα. Με το αντιστρεπτό εκκρεμές του Κάτερ γίνεται με ακρίβεια ο υπολογισμός της επιτάχυνσης της βαρύτητας.
Άλλοι τύποι εκκρεμούς με ειδικές κατασκευές και χρήσεις αποτελούν τα στροφικά εκκρεμή και τα σπειροειδή εκκρεμή, τα οποία, με την ονομασία αιωρητής, χρησιμοποιούνται ως ρυθμιστές της κίνησης των ρολογιών.
Ελαστικότητα. Η τάση ενός σώματος να επανέρχεται στην αρχική του μορφή, αφού προηγουμένως έχει υποστεί κάποια παραμόρφωση από μηχανική αιτία. Την ιδιότητα αυτή έχουν σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό όλα τα στερεά. Ο επιστημονικός ορισμός παρουσιάζει την ελαστικότητα με έννοια εντελώς διαφορετική από εκείνη με την οποία χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή. Π.χ. το καουτσούκ γενικά θεωρείται ότι έχει μεγάλη ελαστικότητα, γιατί με μικρή δύναμη μπορεί εύκολα να αποκτήσει σημαντικό μήκος. Όμως μια λωρίδα από καουτσούκ σπάζει με την επίδραση λιγότερου βάρους, από όσο μια λωρίδα με τις ίδιες διαστάσεις, από ατσάλι. Επομένως η ελαστικότητα του χάλυβα είναι μεγαλύτερη από την ελαστικότητα του καουτσούκ. Η ελαστικότητα των στερεών έχει τη βαθύτερη αιτία της στη συνοχή των μορίων. Τα στερεά δεν έχουν την ιδιότητα να εκτείνονται απεριόριστα όπως τα αέρια ούτε να εξατμίζονται όπως τα υγρά. Για να ξεχωρίσουμε τα μόρια των στερεών, δηλαδή για να κατανικήσουμε τις δυνάμεις συνοχής, πρέπει να εφαρμόσουμε τεράστιες ελκτικές δυνάμεις. Έτσι, για να προκαλέσουμε τη ρήξη μιας χαλύβδινης ράβδου με διάμετρο 1 εκ., χρειάζεται να εφαρμόσουμε σε αυτή φορτίο με βάρος 7-8 τόνους. Η ιδιότητα αυτή των στερεών, κατά την οποία για να διασπαστούν οι δυνάμεις συνοχής των μορίων τους χρειάζεται να ασκηθούν εξωτερικές ελκτικές δυνάμεις, λέγεται συνεκτικότητα (ή αντοχή).
Εφόσον οι μεταβολές τις οποίες παθαίνει ένα στερεό σώμα είναι τέτοιες ώστε, μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού αιτίου, το σώμα να επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, λέμε ότι η ελαστική παραμόρφωση είναι έξω από τα όρια της ελαστικότητας. Η μέγιστη ελαστική παραμόρφωση, μετά την οποία ένα στερεό μπορεί να ξαναγυρίσει στην αρχική του κατάσταση, λέγεται όριο ελαστικότητας. Αν η παραμόρφωση ξεπεράσει το όριο αυτό, τότε ένα μέρος της μένει μόνιμα στο στερεό, ακόμη και όταν σταματήσουν την επίδρασή τους οι εξωτερικές δυνάμεις. Κάθε στερεό έχει διαφορετικό όριο ελαστικότητας. Έτσι το όριο ελαστικότητας του μόλυβδου είναι πολύ μικρό, ενώ του σκληρού ορείχαλκου και του χάλυβα πολύ μεγάλο. Η γνώση αυτών των ορίων έχει τεράστια σημασία για τις τεχνικές κατασκευές και τη σύγχρονη οικοδομική. Τα στερεά, με την επίδραση εξωτερικών αιτίων, μπορούν να μεταβάλουν το μήκος τους, το σχήμα τους, τον όγκο τους ή ταυτόχρονα το σχήμα και τον όγκο τους. Γι' αυτό διακρίνουμε τέσσερα είδη παραμόρφωσης και αντίστοιχες ελαστικότητες: την ελαστικότητα έλξης ή τάσης, την ελαστικότητα κάμψης, την ελαστικότητα στρέψης και την ελαστικότητα συμπίεσης. Στην περίπτωση της έλξης, το σώμα τείνει να διασπαστεί από δυο ίσες και αντίθετες δυνάμεις, ενώ στη συμπίεση το σώμα τείνει να συμπιεστεί από δύο ίσες και αντίθετες δυνάμεις. Στην κάμψη οι δυνάμεις ενεργούν κάθετα στον άξονα του σώματος, που στηρίζεται σε ένα ή σε δύο άκρα. Στη στρέψη οι δυνάμεις αποτελούν ζεύγος με επίπεδο κάθετο στον άξονα της ράβδου, την οποία τείνουν να περιστρέψουν. Παράδειγμα ελαστικότητας στρέψης είναι η συστροφή του στροφαλοφόρου άξονα του αυτοκινήτου, με τον οποίο μεταβιβάζεται η κινητήρια δύναμη στους τροχούς. Στη στρέψη τα μόρια του στερεού απλώς ολισθαίνουν σε μια σπειροειδή γραμμή. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις ισχύει ο νόμος του Χουκ, εφόσον τα φορτία δεν ξεπερνούν τα όρια ελαστικότητας. Ο νόμος εκφράζεται ως εξής: «Μέσα στα όρια της τέλειας ελαστικότητας, οι ελαστικές παραμορφώσεις κάθε είδους είναι ευθέως ανάλογες προς τις ασκούμενες δυνάμεις». Το κοινό «κανταράκι» είναι μια από τις εφαρμογές αυτού του νόμου, ο οποίος εκφράζεται από τη σχέση: όπου Ε είναι το μέτρο ελαστικότητας του Γιαγκ, F η δύναμη, l το αρχικό μήκος και S το εμβαδόν της τομής. Όσο το μέτρο ελαστικότητας έχει μεγαλύτερη τιμή, τόσο λιγότερο παραμορφώσιμο είναι το σώμα. Αντίστοιχο μέγεθος είναι το μέτρο στρέψης.
Αντοχή των υλικών. Τα διάφορα υλικά που χρησιμοποιούνται στις τεχνολογικές εφαρμογές και ειδικά στην οικοδομική δέχονται συνέχεια δράσεις δυνάμεων, οι οποίες προκαλούν παραμορφώσεις και δημιουργούν ελαστικές αντιδράσεις, που παίζουν σοβαρό ρόλο στην ισορροπία μιας κατασκευής ή στην κανονική λειτουργία μιας συσκευής. Απαραίτητη λοιπόν προϋπόθεση για μια κατασκευή είναι ο καθορισμός της αντοχής των υλικών. Θραύση ενός υλικού δημιουργείται, όχι όταν η εξωτερική δύναμη ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή, αλλά όταν το πηλίκο της δύναμης προς το αντίστοιχο εμβαδόν ξεπεράσει την καθορισμένη τιμή. Το σταθερό αυτό πηλίκο λέγεται όριο θραύσης και εκφράζεται σε kgr/mm2.
Επαγωγή, ηλεκτρομαγνητική. Η εμφάνιση τάσης σε ένα κύκλωμα, όταν μεταβληθεί η μαγνητική ροή που περνάει μέσα από αυτό. Η τάση διατηρείται όσο χρόνο διαρκεί η μεταβολή της μαγνητικής ροής και παράγει τα επαγωγικά ρεύματα, τα οποία διαρρέουν το κύκλωμα στον ίδιο χρόνο. Η αιτία της παραγωγής των επαγωγικών ρευμάτων, δηλαδή η μεταβολή της μαγνητικής ροής του κυκλώματος, είναι δυνατό να δημιουργηθεί με τους εξής τρόπους: α) με μεταβολή της μαγνητικής επαγωγής Β ως προς το χρόνο, β) με μεταβολή του εμβαδού της επιφάνειας του κυκλώματος ως προς το χρόνο, γ) με μεταβολή της γωνίας θ που σχηματίζεται από την κάθετο στο επίπεδο της επιφάνειας του κυκλώματος και το διάνυσμα Β της μαγνητικής επαγωγής, σε συνάρτηση με το χρόνο και δ) με διάφορους συνδυασμούς των προηγούμενων.
Η θεωρητική εξήγηση του φαινομένου της επαγωγής και η εμφάνιση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης επαγωγής οφείλονται στην εφαρμογή του νόμου του Λαπλάς. Πραγματικά, αν ένας αγωγός μετακινηθεί με ταχύτητα (υ) κάθετα προς το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής (Β) ενός ομοιόμορφου μαγνητικού πεδίου, τότε, σύμφωνα με το νόμο του Λαπλάς, θα επιδράσουν δυνάμεις FL = e ∙ υ ∙ B πάνω στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού αγωγού. Οι δυνάμεις αυτές έχουν ως αποτέλεσμα τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων προς το ένα άκρο του αγωγού. Η κατανομή αυτή των ηλεκτρονίων έχει ως συνέπεια τη φόρτιση του ενός άκρου του αγωγού θετικά και του άλλου αρνητικά, οπότε και εμφανίζεται ομογενές ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό της ράβδου. Αυτό το πεδίο ασκεί σε κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο δύναμη, όπου l το μήκος του αγωγού. Όταν οι δυνάμεις FL και Fe αποκτήσουν ίσα μέτρα, σταματά η κίνηση των ηλεκτρονίων, και η διαφορά δυναμικού Εεπ αποκτά σταθερή τιμή ίση με Εεπ = υ ∙ Β ∙ l.
Αν τα άκρα του αγωγού συνδεθούν με σύρμα, τότε τα ηλεκτρόνια κυκλοφορούν στο κλειστό κύκλωμα και σχηματίζουν τα επαγωγικά ρεύματα, τα οποία διαρκούν όσο χρόνο διαρκεί και η κίνηση του αγωγού μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Η επαγωγική ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται στο κύκλωμα είναι ανάλογη προς την ταχύτητα μεταβολής της μαγνητικής ροής. Η πρόταση αυτή είναι ο νόμος της επαγωγής και εκφράζεται με τη σχέση (Volt), όπου ΔΦ η μεταβολή της μαγνητικής ροής και Δt η μεταβολή του χρόνου. Το αρνητικό σημείο (-) μπροστά από τον τύπο δηλώνει ότι η επαγωγική ηλεκτρεγερτική δύναμη έχει τέτοια φορά, ώστε αν δημιουργούσε επαγωγικό ρεύμα, τότε αυτό θα ήταν αντίθετο προς τη μεταβολή της ροής, δηλαδή το πεδίο το οποίο θα δημιουργούσε το ρεύμα θα είχε τάση αναίρεσης της μεταβολής της μαγνητικής ροής. Στην περίπτωση που το κύκλωμα είναι ανοιχτό, έχουμε ανάπτυξη επαγωγικής τάσης αλλά δεν έχουμε παραγωγή επαγωγικού ρεύματος.
Η φορά του επαγωγικού ρεύματος καθορίζεται από το νόμο του Λεντζ, σύμφωνα με τον οποίο «το επαγωγικό ρεύμα έχει τέτοια φορά, ώστε με την ηλεκτρομαγνητική του δράση αντιδρά στην αιτία που το παράγει». Το επαγωγικό ρεύμα, άσχετα από τη φορά του, χαρακτηρίζεται από την ένταση και το φορτίο που αναπτύσσεται. Το φορτίο είναι, σύμφωνα με το νόμο του Νιούμαν, ανεξάρτητο από την ταχύτητα μεταβολής της μαγνητικής ροής και εξαρτάται μόνο από το μέγεθος της μεταβολής της ΔΦ. Αν ανάμεσα σε δύο σημεία ενός κυκλώματος κλειστού μετακινηθεί ένας μαγνήτης, την πρώτη φορά με μεγάλη ταχύτητα και τη δεύτερη με μικρή, τότε και στις δύο περιπτώσεις το επαγόμενο φορτίο θα είναι το ίδιο, γιατί το φορτίο είναι ανεξάρτητο από το χρόνο μεταβολής της μαγνητικής ροής. Η επαγωγική ηλεκτρεγερτική δύναμη όμως θα είναι μεγαλύτερη στην πρώτη περίπτωση.
Αποτέλεσμα του φαινομένου της επαγωγής είναι η ανάπτυξη των ρευμάτων Φουκό. Αυτά είναι επαγωγικά ρεύματα, που παράγονται μέσα σε μεταλλικές πλάκες, όταν μεταβάλλεται η μαγνητική ροή που περνάει μέσα από αυτές. Ελάττωση της έντασης αυτών των ρευμάτων είναι δυνατή, όταν αντί συμπαγούς πλάκας χρησιμοποιηθούν μεταλλικά ελάσματα, που χωρίζονται μεταξύ τους με μονωτικό βερνίκι. Βασικά, τα ρεύματα Φουκό είναι επιζήμια, γιατί έχουμε μετατροπή της ενέργειας σε θερμότητα λόγω του φαινομένου Τζάουλ. Χρησιμοποιούνται όμως για την απόσβεση των ταλαντώσεων σε ηλεκτρικά όργανα, ως ιδιόμορφα ηλεκτρομαγνητικά φρένα στους ηλεκτρικούς σιδηροδρόμους και ως αντισταθμιστές για τη δημιουργία ισοταχούς κίνησης του δίσκου στους μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας.
Αμοιβαία επαγωγή. Είναι η κατά τέτοιο τρόπο σύζευξη ανάμεσα σε δύο κυκλώματα, ώστε η μεταβολή της έντασης του ρεύματος στο πρώτο κύκλωμα να έχει ως συνέπεια την εμφάνιση ηλεκτρεγερτικής δύναμης στο δεύτερο κύκλωμα. Για να συμβεί αυτό το φαινόμενο θα πρέπει το δεύτερο κύκλωμα να βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο του πρώτου. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη αμοιβαίας επαγωγής δίνεται από τον τύπο, είναι δηλαδή ανάλογη προς την ταχύτητα μεταβολής της έντασης στο πρωτεύον κύκλωμα. Ο συντελεστής (Μ) λέγεται συντελεστής αμοιβαίας επαγωγής και εξαρτάται από τη θέση και το σχήμα των κυκλωμάτων, καθώς επίσης και από τη μαγνητική διαπερατότητα του μέσου που περιβάλλει τα κυκλώματα. Η φυσική σημασία του (Μ) είναι ότι παριστάνει την τάση του παραγόμενου ρεύματος στο δευτερεύον κύκλωμα, όταν η μεταβολή της έντασης στο πρωτεύον είναι 1 Ampere στο δευτερόλεπτο.
Αυτεπαγωγή. Είναι η δημιουργία επαγωγικού ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα, όταν μεταβάλλεται η ένταση του ρεύματος του κυκλώματος, γιατί τότε μεταβάλλεται και η μαγνητική ροή, η οποία περνάει από το κύκλωμα. Δηλαδή εμφανίζεται μια δευτερεύουσα τάση στο κύκλωμα, όταν μεταβληθεί η ένταση του κύριου ρεύματος. Τα ρεύματα που δημιουργούνται μέσα στο κύκλωμα λέγονται ρεύματα αυτεπαγωγής ή επιρρεύματα. Οι νόμοι της αυτεπαγωγής είναι οι εξής: α) Το επίρρευμα διαρκεί όσο και η μεταβολή της έντασης του κύριου ρεύματος. β) Η φορά του επιρρεύματος είναι τέτοια, ώστε να υπάρχει διατήρηση σταθερότητας στη μαγνητική ροή, που διαρρέει το κύκλωμα. Είναι δηλαδή ομόρροπο προς το κύριο ρεύμα όταν αυτό ελαττώνεται και αντίρροπο όταν αυξάνεται. γ) Η ηλεκτρεγερτική δύναμη από αυτεπαγωγή δίνεται από τον τύπο όπου (L) ο συντελεστής αυτεπαγωγής. Επομένως, η ηλεκτρεγερτική δύναμη από αυτεπαγωγή είναι ανάλογη προς την ταχύτητα μεταβολής της έντασης του ρεύματος. Ο συντελεστής (L) παριστάνει την τάση του ρεύματος που παράγεται στο κύκλωμα, όταν η μεταβολή της έντασης του κύριου ρεύματος είναι 1 Ampere στο δευτερόλεπτο. Η μονάδα του συντελεστή αυτεπαγωγής λέγεται Ανρί (Henry) και παριστάνει την αυτεπαγωγή ενός κυκλώματος, στο οποίο δημιουργείται τάση 1 Volt, όταν η μεταβολή της έντασης είναι 1 Ampere στο δευτερόλεπτο (1H = 1V ∙ s/A). Ο συντελεστής (L) έχει μικρή τιμή για ευθύγραμμους αγωγούς, ενώ η τιμή του γίνεται μεγαλύτερη στα πηνία.
Από τη μελέτη του φαινομένου της αυτεπαγωγής εξάγεται το συμπέρασμα ότι η αυτεπαγωγή είναι το αποτέλεσμα της αδράνειας του μαγνητικού πεδίου του ρεύματος.
Στο γενικό φαινόμενο της επαγωγής οφείλεται η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο, με το επαγωγικό πηνίο στο φαινόμενο της επαγωγής.
Επιτάχυνση. Η κατά οποιοδήποτε τρόπο μεταβολή της ταχύτητας, προς το χρόνο μέσα στον οποίο συντελείται η μεταβολή. Στην καθημερινή ζωή, με τον όρο επιτάχυνση εννοείται η ποσοτική μεταβολή της ταχύτητας, ενώ στη Φυσική εκείνο που έχει σημασία είναι ο ρυθμός με τον οποίο ένα σώμα μεταβάλλει την ταχύτητά του. Η ταχύτητα ως διανυσματικό μέγεθος μπορεί να μεταβληθεί είτε κατά το μέτρο είτε κατά τη διεύθυνση είτε κατά τη φορά. Γενικά, μια κίνηση χαρακτηρίζεται ως επιταχυνόμενη, όταν η ταχύτητα δεν παραμένει σταθερή, αλλά μεταβάλλεται σύμφωνα με τον έναν ή τον άλλο τρόπο. Η επιτάχυνση μιας κίνησης είναι ένα χαρακτηριστικό διανυσματικό μέγεθος, του οποίου το μέτρο ισούται με το πηλίκο της μεταβολής της ταχύτητας προς τον αντίστοιχο χρόνο. Όταν ένα σώμα αρχίζει να κινείται από τη θέση ηρεμίας και μετά πάροδο χρόνου (t) αποκτήσει ταχύτητα (υ), η μέση επιτάχυνση (γ) δίνεται από τη σχέση:. Σε μια τυχαία κίνηση, επιτάχυνση κατά μια χρονική στιγμή (t) είναι το όταν Δt  0.
Από την άποψη των Μαθηματικών, η επιτάχυνση είναι η πρώτη παράγωγος της ταχύτητας ως προς το χρόνο ή η δεύτερη παράγωγος του διαστήματος ως προς το χρόνο. Όταν η ταχύτητα ελαττώνεται με το χρόνο, λέμε ότι έχουμε αρνητική επιτάχυνση ή επιβράδυνση. Μονάδα επιτάχυνσης είναι στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων το 1 m/sec2. Ο άνθρωπος μπορεί να υποφέρει επιτάχυνση το πολύ 90 m/sec2, ενώ για μερικούς οργανισμούς επιτάχυνση 50 m/sec2 έχει ως συνέπεια το χάσιμο των αισθήσεων. Τέτοια επιτάχυνση αποκτά ένα αεροπλάνο που κάνει κάθετη εφόρμηση.
Επιτάχυνση κεντρομόλα. Στην ισοταχή κυκλική κίνηση το μέτρο της γραμμικής ταχύτητας είναι σταθερό, η διεύθυνσή της όμως μεταβάλλεται συνέχεια. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη της κεντρομόλας επιτάχυνσης, η οποία είναι διανυσματικό μέγεθος και κατευθύνεται πάντα προς ένα σταθερό σημείο, που είναι το κέντρο της περιστροφής. Είναι δηλαδή συνέχεια κάθετη προς τη γραμμική ταχύτητα και δίνεται από τον τύπο ή γκ = ω2•R όπου (υ) η γραμμική ταχύτητα και (R) η ακτίνα της περιστροφής. Όταν η περιστροφική κίνηση δεν είναι ισοταχής, τότε η επιτάχυνση της κίνησης αναλύεται σε δύο συνιστώσες κάθετες μεταξύ τους, την κεντρομόλα συνιστώσα, η οποία διευθύνεται προς το κέντρο και προκαλεί μεταβολή της διεύθυνσης της γραμμικής ταχύτητας, και την επιτρόχια συνιστώσα, που προκαλεί τη μεταβολή του μέτρου της γραμμικής ταχύτητας. Στην κυκλική κίνηση εμφανίζεται και η γωνιακή επιτάχυνση που δίνεται από τη σχέση όταν Δt  0.
Επιτάχυνση βαρύτητας. Είναι η επιτάχυνση την οποία αποκτούν όλα τα σώματα τα οποία εκτελούν ελεύθερη πτώση με την επίδραση του βάρους τους και δίνεται από τη σχέση όπου (g) η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης, (Β) το βάρος του σώματος και (m) η μάζα του.
Επιταχυντής.Η μεταστοιχείωση ενός πυρήνα γίνεται όταν βομβαρδίσουμε τον πυρήνα-στόχο με βλήματα μεγάλης ενέργειας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε σήμερα κυρίως τεχνητά βλήματα που είναι σωματίδια, τα οποία επιταχύνουμε με τη βοήθεια ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων για να αποκτήσουν μεγάλη κινητική ενέργεια. Τέτοια σωματίδια είναι τα πρωτόνια, τα δευτερόνια, τα σωματίδια α και τα νετρόνια, που (ως ουδέτερα σωματίδια) έχουν το πλεονέκτημα να μην επηρεάζονται από το φράγμα του δυναμικού που περιβάλλει τον πυρήνα και έτσι φτάνουν εύκολα στους ατομικούς πυρήνες. Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία τέτοιων βλημάτων μεγάλης ενέργειας λέγονται επιταχυντές. Με τους επιταχυντές πετυχαίνουμε πολύ μεγάλες κινητικές ενέργειες και αυτό φαίνεται στο εξής παράδειγμα: τα σωματίδια α όταν εκπέμπονται από τα φυσικά ραδιοϊσότοπα έχουν ενέργεια περίπου 7 MeV, ενώ με το συχνοκύκλοτρο δημιουργούμε σωματίδια α με ενέργεια 900 MeV.
Ο ευκολότερος τρόπος για να επιταχυνθεί ένα φορτισμένο σωματίδιο είναι να μπει στο ηλεκτροστατικό πεδίο δύο ηλεκτροδίων, στα άκρα των οποίων επικρατεί μεγάλη διαφορά δυναμικού. Το σωματίδιο θα επιταχυνθεί με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου και θα αποκτήσει κινητική ενέργεια ίση με το έργο που παράγει το ηλεκτρικό πεδίο.
Για να έχουμε σωματίδια-βλήματα μεγάλης κινητικής ενέργειας απαιτούνται πολύ μεγάλες διαφορές δυναμικού, που δημιουργούν ανυπέρβλητα σχεδόν προβλήματα μόνωσης. Γι' αυτό η απευθείας επιτάχυνση των σωματιδίων έχει σήμερα σχεδόν εγκαταλειφθεί. Μπορούμε να δώσουμε σε ένα φορτισμένο σωματίδιο πολύ μεγάλη ενέργεια, αναγκάζοντάς το να περάσει διαδοχικά από πολλά ηλεκτρικά πεδία. Έτσι το σωματίδιο, μετά την έξοδό του από κάθε πεδίο, αυξάνει την ενέργειά του. Πάνω στην αρχή αυτή λειτουργούν αρκετές επιταχυντικές διατάξεις, όπως ο γραμμικός επιταχυντής, το κύκλοτρο, το συχνοκύκλοτρο, το βήτατρο, το σύγχροτρο ηλεκτρονίων, το σύγχροτρο πρωτονίων κ.ά.
Σημαντικός επιταχυντής που χρησιμοποιείται ευρύτατα είναι ο γραμμικός επιταχυντής, γνωστός και ως linac (linear accelerator). Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, ανάμεσα στα οποία υπάρχει μια σειρά ομοαξονικών μεταλλικών κυλίνδρων. Οι μισοί από τους κυλίνδρους, που παίρνονται εναλλακτικά, συνδέονται με το ένα ηλεκτρόδιο, ενώ οι άλλοι μισοί συνδέονται με το άλλο ηλεκτρόδιο. Όλη η διάταξη βρίσκεται σε τελείως κενό σωλήνα και σε ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο μεγάλης μαγνητικής επαγωγής Β, που παράγεται από έναν ηλεκτρομαγνήτη έτσι ώστε το επίπεδο της διάταξης να είναι κάθετο στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Στα άκρα των δύο ηλεκτροδίων εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση. Έστω ότι μια χρονική στιγμή το δυναμικό του ενός ηλεκτροδίου είναι μεγαλύτερο από το δυναμικό του άλλου. Η ίδια τάση υπάρχει και στον πρώτο κύλινδρο που είναι συνδεδεμένος με το ηλεκτρόδιο υψηλότερου δυναμικού. Το σωματίδιο που είναι φορτισμένο θετικά και βρίσκεται κοντά στο ηλεκτρόδιο θα επιταχυνθεί και θα μπει μέσα στον κύλινδρο, όπου δεν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο, και θα κινηθεί ομαλά σε περιφέρεια κύκλου. Μόλις το σωματίδιο βγει από τον κύλινδρο, αντιστρέφεται η πολικότητα της πηγής, άρα και η πολικότητα των δύο συνεχόμενων κυλίνδρων, οπότε το σωματίδιο καθώς μπαίνει στο νέο κύλινδρο επιταχύνεται ξανά, γιατί υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο που συντελεί σε αυτή την επιτάχυνση. Αυτή η εργασία επαναλαμβάνεται συνέχεια καθώς το σωματίδιο κινείται από το ένα ηλεκτρόδιο προς το άλλο διαμέσου των κυλίνδρων. Η εναλλαγή της πολικότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων και μεταξύ των κυλίνδρων γίνεται αυτόματα, λόγω της εναλλασσόμενης τάσης. Η αντιστροφή αυτή της πολικότητας γίνεται σε ίσα χρονικά διαστήματα. Καθώς το σωματίδιο περνά διαδοχικά από κάθε κύλινδρο με ταχύτητα που αυξάνεται διαρκώς, το μήκος κάθε κυλίνδρου αυξάνεται ανάλογα.
Επιφανειακή τάση. Η κατάσταση τάσης στην οποία βρίσκονται τα επιφανειακά μόρια ενός υγρού, λόγω των δυνάμεων συνοχής, οι οποίες αναγκάζουν την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού να συμπεριφέρεται ως ελαστική μεμβράνη, που τείνει να καταλάβει όσο το δυνατό μικρότερο εμβαδό. Στην περίπτωση ενός μορίου που βρίσκεται στο εσωτερικό του υγρού, η συνισταμένη των δράσεων όλων των άλλων μορίων του υγρού είναι μηδέν. Για ένα μόριο όμως που βρίσκεται στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού, η συνισταμένη δράσης είναι διαφορετική από το μηδέν και διευθύνεται προς το εσωτερικό του υγρού. Τα επιφανειακά επομένως μόρια περικλείνουν μια πρόσθετη δυναμική ενέργεια, η οποία είναι και η αιτία της ύπαρξης της επιφανειακής τάσης. Όταν το υγρό βρίσκεται σε ευσταθή ισορροπία, πρέπει και η τιμή της δυναμικής του ενέργειας να είναι ελάχιστη. Η επιφανειακή ενέργεια, αφού είναι αποτέλεσμα της ύπαρξης των επιφανειακών μορίων, είναι τόσο μικρότερη όσο λιγότερα μόρια υπάρχουν στην επιφάνεια ή όσο μικρότερη έκταση έχει η επιφάνεια. Η παρατήρηση μιας σταγόνας, που βγαίνει από το άκρο ενός λεπτού σωλήνα, δείχνει ότι η επιφανειακή τάση διαμορφώνει την επιφάνεια της σταγόνας σε σφαιρική, γιατί η σφαίρα από όλα τα σχήματα με τον ίδιο όγκο έχει τη μικρότερη επιφάνεια. Το σχήμα της σταγόνας είναι τελείως σφαιρικό, όταν στην υγρή μάζα δεν επιδρά η βαρύτητα. Ο συντελεστής ο οποίος καθορίζει το μέγεθος της επιφανειακής ενέργειας των μορίων ενός υγρού λέγεται συντελεστής επιφανειακής τάσης και παριστάνει ή τη δύναμη που ενεργεί λόγω της επιφανειακής τάσης σε κάθε εκατοστό (cm) ή την επιφανειακή ενέργεια του υγρού στο τετραγωνικό εκατοστό (cm2). Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εκφράζεται από τη σχέση: α = F/2l, όπου (F) η δύναμη και (l) το μήκος μιας ευθείας επάνω στην οποία δρα η δύναμη, και εξαρτάται από τη φύση του υγρού, από τις ξένες προσμείξεις που υπάρχουν σε αυτό και από τη θερμοκρασία. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, τόσο ο συντελεστής επιφανειακής τάσης ελαττώνεται.
Πολλά φαινόμενα της καθημερινής ζωής οφείλουν τη δημιουργία τους στην ύπαρξη της επιφανειακής τάσης. Μια σταγόνα από λάδι, όταν πέσει στην επιφάνεια νερού, απλώνεται και καταλαμβάνει ολόκληρη την επιφάνεια σχηματίζοντας ένα λεπτό στρώμα. Οι μικρές σταγόνες νερού που αιωρούνται ελεύθερα, παίρνουν σχήμα σφαιρικό. Αν τοποθετήσουμε ένα ξυραφάκι ή μια λεπτή βελόνα επάνω σε ένα τσιγαρόχαρτο που επιπλέει στην επιφάνεια του νερού και στη συνέχεια βυθίζεται, θα δούμε τα δύο αυτά αντικείμενα να επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού. Επίσης στην επιφανειακή τάση οφείλεται το γεγονός ότι τα διάφορα έντομα επιπλέουν ή βαδίζουν στην ελεύθερη επιφάνεια των υγρών χωρίς να βουλιάζουν. Υπάρχει η υπόθεση, που ακόμη δεν έχει αποδειχτεί, ότι και οι ελεύθερες επιφάνειες των στερεών παρουσιάζουν φαινόμενα επιφανειακής τάσης. Το συμπέρασμα όμως είναι ότι επιφανειακή τάση εμφανίζεται πάντοτε στις επιφάνειες διαχωρισμού των διάφορων μέσων.
Ευστάθεια. Ο βαθμός σταθερότητας ενός σώματος που ισορροπεί, κάτω από την επίδραση του βάρους του, καθώς στηρίζεται σε λείο επίπεδο ή επιπλέει μέσα σε υγρό. Στην περίπτωση στερεού σώματος που ισορροπεί κάτω από την επίδραση του βάρους του σε λείο επίπεδο, το στερεό θα ισορροπεί, όταν το επίπεδο στήριξης είναι οριζόντιο και η κατακόρυφη που περνά από το κέντρο βάρους του σώματος συναντά τη βάση στήριξής του. Ανάλογα με τον τρόπο στήριξης του σώματος στο επίπεδο, θα έχουμε και τα αντίστοιχα είδη ισορροπίας που είναι:
α) Ασταθής ισορροπία. Αυτό το είδος ισορροπίας συναντάται, όταν το στερεό σώμα στηρίζεται στο οριζόντιο επίπεδο σε ένα σημείο του ή σε μια ακμή του. Τότε η βάση στήριξης του σώματος είναι μόνο το σημείο ή η ακμή του και το σώμα θα ισορροπεί μόνον όταν η κατακόρυφη που περνά από το κέντρο βάρους του θα περνά και από το σημείο ή την ακμή στήριξης του σώματος. Στην πιο μικρή μετακίνηση του στερεού από τη θέση ισορροπίας του, το κέντρο βάρους του κατεβαίνει και το σώμα ανατρέπεται.
β) Ευσταθής ισορροπία. Όταν το στερεό στηρίζεται στο επίπεδο με μια επιφάνειά του και το μετακινήσουμε λίγο από τη θέση ισορροπίας του, τότε το κέντρο βάρους του σώματος ανεβαίνει και το σώμα επιστρέφει στην αρχική του θέση.
γ) Αδιάφορη ισορροπία. Αν απομακρύνουμε το στερεό από τη θέση ισορροπίας του και το κέντρο βάρους του εξακολουθεί να βρίσκεται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, τότε το σώμα θα ισορροπεί και στη νέα του θέση. Γενικά στη φύση, ένα σώμα που μπορεί να κινείται ελεύθερα, έχει την τάση να πάρει εκείνη τη θέση ισορροπίας στην οποία το κέντρο βάρους του βρίσκεται όσο το δυνατό χαμηλότερα, δηλαδή όλα τα ελεύθερα σώματα στη φύση τείνουν να πάρουν τη θέση της ευσταθούς ισορροπίας.
Στην περίπτωση στερεού σώματος βυθισμένου μέσα σε υγρό, η ευστάθεια είναι συνάρτηση της δράσης δύο δυνάμεων, δηλαδή του βάρους, που εφαρμόζει στο κέντρο βάρους του σώματος, και της άνωσης, που εφαρμόζει στο κέντρο άνωσης. Αν το στερεό είναι ομογενές, τότε τα δύο κέντρα συμπίπτουν, ενώ αν το στερεό δεν είναι ομογενές, τότε τα δύο κέντρα δε συμπίπτουν. Το σώμα θα ισορροπεί, όταν το κέντρο βάρους και το κέντρο άνωσης βρίσκονται στην ίδια κατακόρυφη και το βάρος του σώματος είναι ίσο και αντίθετο με την άνωση. Η ισορροπία του σώματος είναι ευσταθής, όταν το κέντρο βάρους του βρίσκεται κάτω από το κέντρο άνωσης, ενώ αν ισχύει το αντίθετο, τότε η ισορροπία του σώματος είναι ασταθής. Αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση των πλοίων επιφάνειας, των οποίων το κέντρο βάρους βρίσκεται ψηλότερα από το κέντρο άνωσής τους. Η ευστάθεια στην προκειμένη περίπτωση είναι συνάρτηση της θέσης του μετάκεντρου. Εφόσον το κέντρο βάρους (ΚΒ) βρίσκεται κάτω από το μετάκεντρο (Μ), η ισορροπία του πλοίου θα είναι ευσταθής. Μετάκεντρο είναι το σημείο στο οποίο η διεύθυνση της άνωσης τέμνει τον άξονα του πλοίου που περνά από το κέντρο βάρους του. Η ευστάθεια θα είναι τόσο καλύτερη όσο πιο ψηλά από το κέντρο βάρους βρίσκεται το μετάκεντρο του πλοίου. Γενικά, η ευστάθεια των σχημάτων, των πλοίων κτλ. είναι τόσο καλύτερη, όσο χαμηλότερα βρίσκεται το κέντρο βάρους τους.
Ηλεκτρικές γεννήτριες. Μηχανές που μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους βασίζεται στο φαινόμενο της επαγωγής και αποτελούνται από τρία κυρίως μέρη: τον επαγωγέα, το επαγώγιμο και το συλλέκτη.
Ο επαγωγέας είναι μόνιμος ή στρεπτός ηλεκτρομαγνήτης που δημιουργεί ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ενώ το επαγώγιμο είναι μόνιμο ή στρεπτό κλειστό κύκλωμα μέσα στο οποίο αναπτύσσεται επαγωγική ηλεκτρεγερτική δύναμη. Τέλος ο συλλέκτης είναι σύστημα με το οποίο τα επαγωγικά ρεύματα που παράγονται στο επαγώγιμο μεταβιβάζονται στο κύκλωμα της κατανάλωσης.
Η λειτουργία των γεννητριών βασίζεται στην ακόλουθη αρχή: Μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο περιστρέφουμε έναν αγωγό σε σχήμα πλαισίου ή μπροστά σε ακίνητο πηνίο περιστρέφουμε ένα μαγνήτη. Το πλαίσιο περιστρέφεται γύρω από άξονα που είναι κάθετος προς τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου (βλ. σχήμα 1). Στα άκρα του πλαισίου συνδέουμε ένα σύστημα από δύο μονωμένους δακτύλιους, κατά τον άξονα περιστροφής, που περιστρέφονται με το πλαίσιο. Επίσης κάθε δακτύλιος είναι σε επαφή με ένα έλασμα. Αν το πλαίσιο στραφεί με σταθερή γωνιακή ταχύτητα, τότε μεταβάλλεται η μαγνητική ροή που περνά απ’ αυτό, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη επαγωγικής τάσης στα άκρα του πλαισίου. Η τάση αυτή γίνεται μέγιστη αν το πλαίσιο είναι παράλληλο προς τις δυναμικές γραμμές του πεδίου, ενώ γίνεται ελάχιστη όταν το πλαίσιο είναι κάθετο προς τις δυναμικές γραμμές. Η ανάπτυξη της επαγωγικής αυτής τάσης έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος στο κύκλωμα του πλαισίου. Αν το κύκλωμα περιλαμβάνει μόνο ωμική αντίσταση, τότε η τιμή της έντασης του ρεύματος γίνεται μέγιστη ή ελάχιστη ταυτόχρονα με την τιμή της επαγωγικής τάσης.
Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος στηρίζονται στην εξής αρχή: Τα άκρα του στρεφόμενου πλαισίου συνδέονται με δύο μονωμένους ημιδακτύλιους που είναι στερεωμένοι στον άξονα περιστροφής. Καθένας από τους ημιδακτύλιους βρίσκεται σε επαφή με ένα έλασμα (βλ. σχήμα 2). Μόλις το πλαίσιο συμπληρώσει μισή στροφή, τότε το καθένα από τα ελάσματα έρχεται σε επαφή με τον άλλο ημιδακτύλιο. Αυτό όμως συμβαίνει μόνο όταν το πλαίσιο είναι κάθετο στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή μόνο όταν αντιστρέφεται η φορά της τάσης. Με αυτόν τον τρόπο το ρεύμα βγαίνει πάντα από το ίδιο έλασμα που είναι και ο θετικός πόλος της γεννήτριας, ενώ το άλλο έλασμα είναι ο αρνητικός της πόλος. Η τάση στους πόλους της γεννήτριας είναι συνεχής, με τιμή που κυμαίνεται περιοδικά μεταξύ των τιμών 0 και Vo. Επομένως και το ρεύμα που θα διαρρέει το εσωτερικό κύκλωμα θα είναι συνεχές, με τιμή που θα κυμαίνεται περιοδικά μεταξύ 0 και Ιο. Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος λέγονται και δυναμοηλεκτρικές μηχανές (dynamo), γιατί ο επαγωγέας τους είναι ηλεκτρομαγνήτης. Όταν ο επαγωγέας είναι μόνιμος μαγνήτης (τηλεφωνικές εγκαταστάσεις, σύστημα ανάφλεξης μηχανών εσωτερικής καύσης), τότε η μηχανή λέγεται μαγνητοηλεκτρική μηχανή (magneto).
Γενικά ο ηλεκτρομαγνήτης των μηχανών διεγείρεται με το ρεύμα που παράγει η ίδια η μηχανή. Στις σύγχρονες γεννήτριες συνεχούς ρεύματος, ο μαλακός σίδηρος του ηλεκτρομαγνήτη διατηρεί πάντα μια ασθενή μαγνήτιση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι γεννήτριες αυτές να είναι αυτοδιεγειρόμενες, δηλαδή μόλις τεθεί το επαγώγιμο σε περιστροφική κίνηση, αυτές αρχίζουν αμέσως να λειτουργούν.
Σε μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, όσο μικρότερες είναι οι απώλειές της (λόγω τριβής, ανάπτυξης θερμότητας Joule, ρευμάτων Foucault κτλ.) τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοσή της.
Η απόδοση μιας τέτοιας γεννήτριας δίνεται από τον τύπο:
όπου Ρμηχ = μηχανική ισχύς που ξοδεύεται για την περιστροφή του επαγώγιμου, Ι = ρεύμα που στέλνει η γεννήτρια στο κύκλωμα κατανάλωσης και V = τάση στους πόλους της γεννήτριας. Η απόδοση των γεννητριών συνεχούς ρεύματος μπορεί να φτάσει τα 97%.
Ευρύτατη είναι σήμερα η χρήση των γεννητριών εναλλασσόμενου ρεύματος που λέγονται και εναλλακτήρες. Στις γεννήτριες αυτές ο επαγωγέας είναι ηλεκτρομαγνήτης που περιστρέφεται γύρω από άξονα και τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα, το οποίο παράγει μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, ενώ το επαγώγιμο είναι ακίνητο, και αποτελείται από δύο πηνία που έχουν κοινό πυρήνα από μαλακό σίδηρο. Το σύρμα τυλίγεται στα δύο πηνία με αντίθετη φορά και τα δύο ελεύθερα άκρα του καταλήγουν σε δύο ακροδέκτες. Όταν περιστρέφεται ο ηλεκτρομαγνήτης, προκαλείται μεταβολή στη μαγνητική ροή των δύο πηνίων, οπότε, αν συνδέσουμε τους ακροδέκτες της μηχανής με έναν εξωτερικό αγωγό, αυτός θα διαρρέεται από ημιτονοειδές εναλλασσόμενο ρεύμα. Έτσι, παράγονται μονοφασικά εναλλασσόμενα ρεύματα, των οποίων η συχνότητα κυμαίνεται μεταξύ 20 και 106 Ηz.
Ηλεκτρικό πεδίο. Ο χώρος μέσα στον οποίο όταν φέρεται ηλεκτρικό φορτίο δέχεται την επίδραση μιας δύναμης. Αν πλησιάσουμε μια φορτισμένη ράβδο σ’ ένα ηλεκτρικό εκκρεμές, τότε θα επιδράσει μια δύναμη σ’ αυτό, που οφείλεται όπως φαίνεται στην παρουσία του φορτίου της ράβδου. Ο χώρος λοιπόν που περιβάλλει τη φορτισμένη ράβδο απέκτησε την ιδιότητα να εξασκεί δύναμη πάνω σε κάθε φορτίο που βρίσκεται μέσα σ’ αυτόν.
Αν σε σημείο ηλεκτρικού πεδίου φέρουμε το φορτίο q, η δύναμη F που θα εξασκηθεί πάνω του θα είναι ανάλογη προ το φορτίο αυτό και θα δίνεται από τον τύπο: F = E • q. Ο συντελεστής Ε λέγεται ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο σημείο αυτό. Η ένταση Ε είναι ανυσματικό μέγεθος με διεύθυνση τη διεύθυνση της δύναμης F που δρα στο μοναδιαίο θετικό φορτίο.
Το ηλεκτρικό πεδίο είναι εντελώς καθορισμένο, όταν σε κάθε σημείο του χώρου είναι γνωστή η ένταση του Ε. Επειδή όμως το εποπτικό διάγραμμα όπου φαίνεται το άνυσμα της έντασης κάθε σημείου του ηλεκτρικού πεδίου είναι αδύνατο να σχηματιστεί λόγω του πλήθους των ανυσμάτων, προτιμάται το σχέδιο των δυναμικών γραμμών. Ως «δυναμική γραμμή» ηλεκτρικού πεδίου ορίζουμε κάθε γραμμή σε κάθε σημείο της οποίας είναι εφαπτόμενη η ένταση του πεδίου. Όπου οι δυναμικές γραμμές είναι πυκνότερες, εκεί και το ηλεκτρικό πεδίο είναι ισχυρότερο.
Συνάρτηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου είναι και η ηλεκτρική ροή (βλ. σχήμα). Αν θεωρήσουμε μια επιφάνεια S μέσα σ’ ένα ηλεκτρικό πεδίο έντασης Ε και αν η κάθετη n στην επιφάνεια αυτή σχηματίζει τη γωνία α με το άνυσμα της έντασης, τότε ηλεκτρική ροή Φ διερχόμενη μέσα από την επιφάνεια S είναι Φ = Ε • S • συνα.
Συναφής έννοια προς το ηλεκτρικό πεδίο είναι και το δυναμικό του.
Ομογενές ηλεκτρικό πεδίο είναι το πεδίο στο οποίο η ένταση Ε είναι η ίδια σε κάθε σημείο του.
Βιολογικές επιπτώσεις από την έκθεση σε ηλεκτρικό πεδίο. Η επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου στην υγεία του ανθρώπου άρχισε να εξετάζεται τα τελευταία χρόνια καθώς αυξήθηκε ο αριθμός των πυλώνων για μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος υψηλής τάσης μέσα από κατοικημένες περιοχές όπως επίσης και μετά την εξάπλωση εγκατάστασης κεραιών των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Τα πειραματικά αποτελέσματα που έρχονται στο φως της δημοσιότητας αναφέρονται μόνο σε μετρήσεις για βραχυχρόνιες επιδράσεις.
Τα ηλεκτρικά πεδία που οφείλονται στα δίκτυα μεταφοράς τριφασικού ηλεκτρικού ρεύματος είναι μικρής έντασης και λόγω απόστασης από τους αγωγούς αλλά και γιατί η σύνθεση των τάσεων του τριφασικού ρεύματος περιορίζει την ένταση του πεδίου. Ένας άνθρωπος που βρίσκεται σε απόσταση 50 εκατ. από μονό καλώδιο ηλεκτρικής συσκευής που λειτουργεί υπό τάση 220V, βρίσκεται σε ηλεκτρικό πεδίο έντασης 0,5ΚV/m. Επειδή όμως τα καλώδια χρησιμοποιούνται κατά ζεύγη, η ένταση του πεδίου είναι πρακτικά αμελητέα.
Για υψηλότερης συχνότητας κύματα που παράγονται από κεραίες δικτύων κινητής τηλεφωνίας υπάρχουν πολλές μετρήσεις, οι οποίες οδηγούν στο συμπέρασμα ότι όσο μικρότερη είναι η ισχύς των πομποδεκτών, τόσο μικρότερη είναι η έκθεση των χρηστών στην ακτινοβολία άρα και τόσο μικρότερες οι πιθανές βιολογικές επιπτώσεις.
Ηλεκτρισμός. Mία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (βαρύτητα, ισχυρή και ασθενής πυρηνική δύναμη). Όπως είναι γνωστό, οι δυνάμεις βαρύτητας δεν είναι οι μόνες που δρουν ανάμεσα σε υλικά σώματα. Άλλες δυνάμεις, μερικές φορές πολύ μεγαλύτερες, εμφανίζονται στην ύλη. Μικρός μαγνήτης ανυψώνει χαλύβδινο καρφί, χτένα, η οποία τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα, τραβά κομμάτια χαρτιού. Αυτές είναι αντίστοιχα μαγνητική και ηλεκτρική δύναμη. Οι αρχαίοι Έλληνες είχαν εξοικειωθεί με τις ιδιάζουσες ιδιότητες του μαγνητισμού και του ηλεκτρισμού. Μάλιστα η λέξη ηλεκτρισμός προέρχεται από την ελληνική λέξη «ήλεκτρο» (κεχριμπάρι). Λέγεται ότι ο Έλληνας φιλόσοφος Θαλής ο Μιλήσιος ανακάλυψε πως το υλικό αυτό έχει την ιδιότητα όταν τρίβεται σε μαλλί να τραβά ελαφρά αντικείμενα.
Παρ’ όλα αυτά μόνο κατά τη διάρκεια της αναγέννησης αναπτύχθηκε συστηματική μελέτη του ηλεκτρισμού, ενώ οι φυσικοί δεν πέτυχαν σαφή αντίληψη του φαινομένου πριν από το τέλος του 19ου αιώνα. Ποτέ επιστημονικό επίτευγμα δεν είχε τόσες βαθιές και μεγάλες επιδράσεις στην όλη πορεία της ανθρωπότητας. Έγιναν αναρίθμητες πρακτικές εφαρμογές. Η χαλιναγώγηση της ηλεκτρικής ενέργειας και η ανάπτυξη των ηλεκτρικών επικοινωνιών άλλαξε τον όλο τρόπο της ζωής. Από επιστημονικής πλευράς μάθαμε ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις ελέγχουν τη δομή των ατόμων και μορίων. Ο ηλεκτρισμός συνδέεται με πολλά βιολογικά φαινόμενα, όπως π.χ. με τη δράση των νεύρων και του εγκεφάλου.
Θα εξεταστούν στη συνέχεια μερικά γεγονότα ηλεκτρικής συμπεριφοράς και θα ζητηθεί η ερμηνεία τους. Έτσι μπορούμε να παραθέσουμε αριθμό πειραμάτων, όπου εμφανίζονται ηλεκτρικές δράσεις. Ένα απλό πείραμα είναι η τριβή γυάλινης ράβδου με ύφασμα από μετάξι. Αυτή τη γυάλινη ράβδο την αναρτούμε οριζόντια με μια μεταξωτή κλωστή. Κατόπι, τρίβουμε μια δεύτερη γυάλινη ράβδο κατά τον ίδιο τρόπο και την πλησιάζουμε στην πρώτη. Παρατηρούμε ότι οι δύο ράβδοι απωθούνται μεταξύ τους (βλ. σχήμα 1). Αν το ίδιο πείραμα επαναληφθεί με πλαστικές ράβδους (ράβδους εβονίτη) οι οποίες τρίβονται με κομμάτι από γούνα, θα έχουμε το ίδιο αποτέλεσμα. Τέλος το ίδιο πείραμα επαναλαμβάνεται κατά τον εξής τρόπο: Τρίβουμε μια γυάλινη ράβδο με ύφασμα από μετάξι και μια πλαστική ράβδο με κομμάτι από γούνα και τις πλησιάζουμε τη μια κοντά στην άλλη. Τότε οι δύο ράβδοι έλκονται μεταξύ τους. Τέτοια πειράματα μπορούν να γίνουν με πολλά άλλα υλικά. Γενικά, αντικείμενα από το ίδιο υλικό ηλεκτριζόμενα με τον ίδιο τρόπο, πάντα απωθούνται. Αντικείμενα από διαφορετικό υλικό, είτε έλκονται είτε απωθούνται, όταν ηλεκτρίζονται. Βρίσκουμε έτσι ότι αντικείμενα ηλεκτριζόμενα κατατάσσονται σε δύο ομάδες. Μόνο δύο ηλεκτρικές καταστάσεις υπάρχουν, μια ίδια προς την κατάσταση της γυάλινης ράβδου και μια ίδια προς την κατάσταση της πλαστικής ράβδου. Ακολουθώντας τη συνήθεια η οποία χρονολογείται από την εποχή του Βενιαμίν Φραγκλίνου, ορίζουμε ότι η γυάλινη ράβδος και όλα τα άλλα ηλεκτρισμένα αντικείμενα τα οποία συμπεριφέρονται όμοια μ’ αυτήν είναι «θετικά φορτισμένα». Αντίθετα η πλαστική ράβδος και όλα τα άλλα ηλεκτρισμένα αντικείμενα που συμπεριφέρονται όμοια μ’ αυτήν είναι «αρνητικά φορτισμένα». Με βάση αυτούς τους ορισμούς βλέπουμε ότι αντικείμενα θετικά φορτισμένα απωθούνται μεταξύ τους (φαίνεται από το πείραμα που περιγράψαμε πιο πάνω) και το ίδιο συμβαίνει και με αντικείμενα φορτισμένα αρνητικά. Αντίθετα, οποιοδήποτε αντικείμενο «θετικά φορτισμένο» έλκει οποιοδήποτε αντικείμενο «αρνητικά φορτισμένο».
Πώς όμως φορτίζεται ένα σώμα και παίρνει αρνητικό ή θετικό ηλεκτρισμό; Η ύλη αποτελείται από άτομα. Κάθε άτομο αποτελείται από ηλεκτρόνια «αρνητικά φορτισμένα» και από τον πυρήνα που αποτελείται βασικά από πρωτόνια «θετικά φορτισμένα» και νετρόνια με ουδέτερο ηλεκτρισμό. Όταν το γυαλί τρίβεται από κομμάτι μεταξιού φαίνεται πως υπερισχύουν σ’ αυτό τα θετικά φορτία, ως αποτέλεσμα της μεταφοράς ηλεκτρονίων από το γυαλί στο μετάξι. Όταν ο εβονίτης (μείγμα καουτσούκ και θείου) τρίβεται με γούνα, ηλεκτρόνια φεύγουν από τη γούνα, πηγαίνουν στον εβονίτη και τον φορτίζουν αρνητικά.
Σε συνέχεια των προηγούμενων πειραμάτων, κάνουμε το εξής: Κρεμάμε μια ελαφρά κοίλη σφαίρα από μεταξένιο νήμα. Έπειτα φέρνουμε σε επαφή το ένα άκρο μιας οριζόντιας μεταλλικής ράβδου με τη σφαίρα. Στο άλλο άκρο αυτής της ράβδου φέρνουμε σε επαφή μια «θετικά» φορτισμένη γυάλινη ράβδο. Τότε παρατηρούμε ότι η σφαίρα απομακρύνεται (βλ. σχήμα 2). Επαναλαμβάνουμε το πείραμα με μια πλαστική ράβδο στη θέση της μεταλλικής. Τότε η σφαίρα δεν κινείται καθόλου. Αυτή η διαφορετική δράση της μεταλλικής και της πλαστικής ράβδου εξηγείται ως εξής: Η «θετικά» φορτισμένη γυάλινη ράβδος αφαιρεί αρνητικά φορτία από τη σφαίρα, οπότε αυτή φορτίζεται «θετικά» (ομώνυμα) και επομένως απωθείται. Έχουμε δηλαδή μετακίνηση φορτίων διαμέσου της μεταλλικής ράβδου, η οποία παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερη. Ουσίες οι οποίες συμπεριφέρονται όπως το μέταλλο λέγονται «αγωγοί», ενώ ουσίες που συμπεριφέρονται όπως το πλαστικό λέγονται «μονωτές». Φαίνεται καθαρά ότι οι αγωγοί περιέχουν ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρικά σωματίδια, όχι όμως και οι μονωτές.
Για την ανίχνευση των ηλεκτρικών φορτίων χρησιμοποιούνται τα ηλεκτροσκόπια. Με αυτά μπορούμε να δούμε ποιοι είναι αγωγοί και ποιοι είναι μονωτές.
Δε χρειάζεται να φέρουμε σ’ επαφή δύο επιφάνειες για να ηλεκτριστεί η μία από την άλλη. Αρκεί να φέρουμε κοντά ένα ηλεκτρισμένο σώμα σ’ έναν ουδέτερο αγωγό και τότε αυτός θα ηλεκτριστεί τοπικά ταχύτατα. Έτσι αν πλησιάσουμε σε μια ουδέτερη γυάλινη ράβδο μια άλλη φορτισμένη με αρνητικά φορτία, τότε στην άκρη της πρώτης όπου βρίσκεται πλησιέστερα η δεύτερη, συγκεντρώνονται θετικά φορτία, οπότε στην άλλη άκρη συγκεντρώνονται αρνητικά φορτία. Ο διαχωρισμός αυτός θετικών και αρνητικών φορτίων σ’ έναν αγωγό, με τη βοήθεια ενός άλλου φορτισμένου γειτονικού αγωγού, λέγεται «ηλεκτροστατική επαγωγή» και η τοπική περίσσεια από θετικό ή αρνητικό φορτίο λέγεται «επαγωγικό φορτίο». Το σημείο του συσσωρευμένου ηλεκτρικού φορτίου στο ένα ή στο άλλο άκρο βρίσκεται με το ηλεκτροσκόπιο, αφού αυτό φορτιστεί με ηλεκτρισμό γνωστού σημείου. Εάν γειώσουμε την ουδέτερη γυάλινη ράβδο με την ασυμμετρία στην κατανομή των φορτίων, η ράβδος θα φορτιστεί θετικά γιατί τα ηλεκτρόνια μεταναστεύουν προς τη γη, η οποία θεωρείται μία τεράστια καταβόθρα ηλεκτρονίων. Η ηλεκτροστατική επαγωγή μας κάνει ικανούς να εννοήσουμε τη δύναμη έλξης που ασκείται από ένα ηλεκτρικό σώμα σε έναν ουδέτερο αγωγό.
Ο ηλεκτρισμός, λοιπόν, αναφέρεται στην ηλέκτριση διαφόρων σωμάτων, στη δημιουργία ηλεκτροστατικού πεδίου, στις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των φορτίων κτλ. Επιπλέον ο ηλεκτρισμός αναφέρεται και σε άλλα φαινόμενα τα οποία εξηγούνται αναλυτικά σ’ άλλα λήμματα. Τέτοια είναι: α) Η κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων που μακροσκοπικά εμφανίζεται ως ηλεκτρικό ρεύμα. β) Η αγωγιμότητα υγρών, αερίων και κενού. γ) Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. δ) Το φαινόμενο του ηλεκτρομαγνητισμού. ε) Διάφορες ηλεκτρονικές εφαρμογές κτλ.
Ηλεκτρικό φορτίο. Θεμελιώδες φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει κάθε ηλεκτρισμένο σώμα. Αν φέρουμε πολύ κοντά δύο ράβδους γυαλιού που έχουν ηλεκτριστεί με τριβή, θα δούμε ότι απωθούνται μεταξύ τους. Το ίδιο συμβαίνει και με δύο ηλεκτρισμένες ράβδους εβονίτη. Αν όμως πλησιάσουμε σε μια ράβδο εβονίτη (ηλεκτρισμένη) μια ράβδο γυαλιού, θα παρατηρήσουμε ότι οι δύο ράβδοι έλκονται μεταξύ τους. Το ηλεκτρικό φορτίο που αναπτύσσεται με τριβή στη ράβδο του γυαλιού ονομάζεται θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ το φορτίο που αναπτύσσεται με τριβή στη ράβδο εβονίτη ονομάζεται αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Από το παραπάνω πείραμα φαίνεται ότι τα ομώνυμα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται, ενώ τα ετερώνυμα έλκονται. Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb.
Αν θεωρήσουμε δύο ηλεκτρικά φορτία Q1 και Q2 σε απόσταση μεταξύ τους R, τότε η αμοιβαία έλξη ή άπωση που αναπτύσσεται μεταξύ των δύο φορτίων, δίνεται από τον τύπο του Κουλόμπ:
όπου η σταθερά Κ έχει τιμή στο κενό ίση με Κ = 9 ∙ 109 Ν ∙ m/C2.
Το μικρότερο ηλεκτρικό φορτίο που έχει ανακαλυφθεί στη φύση είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου. Η απόλυτη τιμή του φορτίου αυτού είναι:
= 1,60219 ∙ 10-19C, επομένως 1 Coulomb ηλεκτρικού φορτίου ισούται με το φορτίο 6,3 ∙ 1018 ηλεκτρονίων.
Το ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται κατά τις μεταβολές που συμβαίνουν στη φύση και είναι κβαντισμένο, δηλαδή ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου του ηλεκτρονίου. Άλλες ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου είναι ότι συγκεντρώνεται πάντα στην επιφάνεια των αγωγών και κατανέμεται ομοιόμορφα μόνο όταν έχουμε σφαιρικούς αγωγούς. Επίσης όταν ο αγωγός έχει μια προεξοχή, π.χ. μια ακίδα, τότε παρατηρείται μεγάλη συγκέντρωση του ηλεκτρικού φορτίου του αγωγού στην ακίδα, με επακόλουθο τη διαρροή του διαμέσου της ακίδας στον αέρα που περιβάλλει τον αγωγό και τη γρήγορη εκφόρτισή του.
Ηλεκτρόλυση. Η κίνηση των ιόντων τα οποία προϋπάρχουν μέσα σ’ ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη, με την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, και η εξουδετέρωση αυτών των φορτίων που γίνεται μόνο πάνω στα δύο ηλεκτρόδια.
Η εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος στους αγωγούς είναι αποτέλεσμα της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων, σε αντίθεση με τους υγρούς αγωγούς (ηλεκτρολύτες), όπου φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα ιόντα. Ιόντα είναι τα άτομα στοιχείων, όταν προσλάβουν ή χάσουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα την καταστροφή της ηλεκτρικής ουδετερότητας του ατόμου και την αντίστοιχη εμφάνιση αρνητικού ή θετικού φορτίου. Δηλαδή τα ιόντα είναι άτομα ή και συμπλέγματα ατόμων με περίσσευμα ή έλλειμμα ηλεκτρονίων. Έτσι το θειικό οξύ αποτελείται από ένα πλήθος μορίων H2SO4. Η διάλυση όμως του οξέος μέσα σε νερό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρολυτικής διάσπασης, οπότε τα ουδέτερα μόρια χωρίζονται σε ιόντα Η+ και ιόντα. Ανάλογο φαινόμενο συμβαίνει στο χλωριούχο νάτριο καθώς και σε όλες τις ετεροπολικές ενώσεις. Υγρά τα οποία περιέχουν ιόντα, όπως τα διαλύματα των οξέων, των βάσεων, των αλάτων κ.ά. λέγονται ηλεκτρολύτες.
Η διέλευση του ρεύματος μέσα από ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα εξηγείται με τη θεωρία της ηλεκτρολυτικής διάστασης, η οποία διατυπώθηκε από τον Σβάντε Αρένιους (1883). Ο Αρένιους παρατήρησε ότι οι ηλεκτρολύτες επιδρούν πάνω στη θερμοκρασία πήξης και βρασμού του νερού περισσότερο από τις ουσίες που δεν είναι ηλεκτρολύτες, όπως η γλυκερίνη, το οινόπνευμα κτλ. Η θεωρία του εξηγεί την αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών καθώς και τη σημαντική τους επίδραση στη θερμοκρασία βρασμού και πήξης του νερού.
Η βασική ιδέα της θεωρίας του Αρένιους είναι ότι οι ηλεκτρολύτες που βρίσκονται μέσα σ’ ένα διάλυμα διασπώνται σε ιόντα. Η διάσπαση του χλωριούχου νατρίου μέσα στο νερό δίνεται από την εξίσωση: NaCl →Νa+ + Cl-. Η διάσπαση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό παρουσιάζει μόνιμη ροπή ηλεκτρικού διπόλου, με αποτέλεσμα την καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος του ΝαCl.
Η δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου στο χώρο του ηλεκτρολυτικού διαλύματος έχει ως συνέπεια την κίνηση και τον προσανατολισμό των ιόντων προς τα ηλεκτρόδια που έχουν αντίθετη πολικότητα.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η διάσπαση των οξέων, βάσεων και αλάτων σε ιόντα συμβαίνει κατά τη στιγμή της διάλυσής τους μέσα στο νερό και δεν έχει σχέση με τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι συσκευές με τις οποίες γίνεται δυνατή η παρατήρηση του φαινομένου της ηλεκτρόλυσης λέγονται βολτάμετρα. Το ένα από τα δύο ηλεκτρόδια του βολτάμετρου συνδέεται με το θετικό πόλο πηγής συνεχούς ρεύματος και λέγεται άνοδος, ενώ το άλλο που συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της πηγής λέγεται κάθοδος.
Κοινό παράδειγμα ηλεκτρόλυσης είναι η ηλεκτρόλυση υδατικού διαλύματος θειικού οξέος. Έτσι, αν ηλεκτρολυθεί υδατικό διάλυμα θειικού οξέος (H2SO4) μέσα σε βολτάμετρο που έχει ηλεκτρόδια από πλατίνα, το θειικό οξύ ιονιζόμενο από το νερό θα διασπαστεί σε θειικά ιόντα. Τα θετικά ιόντα (κατιόντα) το υδρογόνου έλκονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο, ενώ τα αρνητικά ιόντα (ανιόντα) της θειικής ρίζας έλκονται από το θετικό. Όταν το υδρογόνο (Η+) φτάσει στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, προσλαμβάνει ηλεκτρόνια και μετατρέπεται σε ουδέτερο μόριο σχηματίζοντας φυσαλίδες. Κατά τον ίδιο τρόπο στο θετικό ηλεκτρόδιο συγκεντρώνεται το οξυγόνο. Στην περίπτωση αυτή ο όγκος του υδρογόνου είναι διπλάσιος του όγκου του οξυγόνου.
Στην ηλεκτρόλυση διαλύματος θειικού χαλκού, σε βολτάμετρο με ηλεκτρόδια από χαλκό, στην κάθοδο συγκεντρώνεται συνέχεια χαλκός, ενώ η άνοδος καταστρέφεται και η μάζα της ελαττώνεται.
Το 1833 ο Φαραντέι, έπειτα από μια σειρά πειραμάτων, διατύπωσε το νόμο της ηλεκτρόλυσης σύμφωνα με τον οποίο: «Η ποσότητα του ανιόντος ή του κατιόντος που αποτίθεται στα ηλεκτρόδια είναι ανάλογη προς την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, το χρόνο της διέλευσής του και είναι συνάρτηση του είδους του ιόντος». Σύμφωνα με πιο γενική διατύπωση, ο νόμος της ηλεκτρόλυσης εκφράζει ότι «η απαιτούμενη ποσότητα ηλεκτρισμού για την έκλυση σε μια ηλεκτρόλυση ενός γραμμοϊσοδύναμου οποιουδήποτε ιόντος, είναι σταθερή και ίση με 96.500 Cb». Η σταθερή αυτή ποσότητα λέγεται σταθερά του Φαραντέι (Faraday) και συμβολίζεται με το (F).
Η μαθηματική διατύπωση του νόμου της ηλεκτρόλυσης δίνεται από τη σχέση: όπου Ι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, t ο χρόνος διέλευσής του, Α το ατομικό βάρος του στοιχείου και n το σθένος του στοιχείου, όταν βρίσκεται σε κατάσταση ιόντος.
Με βάση το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης και τον ποσοτικό νόμο του Φαραντέι, ορίστηκαν οι διεθνείς μονάδες Αμπέρ και Κουλόμπ (Coulomb). Έτσι ως Αμπέρ θεωρείται η ένταση ρεύματος το οποίο ελευθερώνει 0,001118 γραμμάρια αργύρου από ένα διάλυμα νιτρικού αργύρου σε 1 δευτερόλεπτο, ενώ Κουλόμπ είναι η ποσότητα του φορτίου που απαιτείται για την αποδέσμευση 0,001118 γραμμαρίων αργύρου από ένα διάλυμα νιτρικού αργύρου.
Από την άποψη πρακτικής χρησιμότητας, η ηλεκτρόλυση βρίσκει εφαρμογή: α) στη βιομηχανική παρασκευή χημικών προϊόντων, β) στη λήψη χημικά καθαρών μετάλλων, γ) στη γαλβανοπλαστική, δ) στη συγκριτική βαθμολόγηση διάφορων οργάνων μέτρησης, ε) στον ορισμό των μονάδων Αμπέρ και Κουλόμπ και στ) στην κατασκευή των συσσωρευτών.

No comments:

Post a Comment