Fundamentele fenomenelor electrice

Potrivit cunostintelor noastre actuale, in natura exista particule elementare precum si sisteme mai complexe constituite din astfel de particule. Sistemele formate dintr-un numar mai redus de particule elementare (molecule, atomi) impreuna cu particulele elementare sunt denumite generic microparticule (sau microsisteme).

Una din caracteristicile fundamentale ale materiei este miscarea.

Miscarea este rezultatul interactiunii intre microsisteme.

O clasificare uzitata a interactiunilor se refera la

- interactiuni gravitationale,

- interactiuni slabe,

- interactiuni electromagnetice si

- interactiuni tari.

Interactiunile electromagnetice se manifesta intre microparticule cu o dependenta a intensitatii invers proportionala cu patratul distantei de separatie si nu depind de mas 828f54i a.

Printre caracteristicile de baza ale unora din microparticule se numara si sarcina electrica.

8.1. Sarcina electrica

Experientele au demonstrat ca sarcina electrica este cuantificata, valoarea ei cea mai mica fiind sarcina electronului, notata cu e si numita sarcina elementara.

Conform datelor cunoscute pana acum in fizica experimentala, incarcarea electrica este un multiplu al sarcinii electrice elementare a carei valoare este:

1 e = 1,6· C

Sa mentionam ca in teoria moderna se prevede existenta si a unor particule - numite quark (plural quarci) a caror sarcina ar fi fractionara ( ± ⅓ |e| sau ± ⅔ |e| ). Trebuie insa precizat ca pana la ora actuala, existenta quarcilor nu a fost probata experimental.

Una din caracteristicile fundamentale ale sarcinii electrice este existenta ei in cele doua forme, pozitiva si negativa.

Sarcina electrica purtata de electron este negativa.

Protonul poarta o sarcina electrica egala in marime cu cea a electronului, dar pozitiva.

Toate observatiile facute pana in prezent au confirmat valabilitatea legii conservarii sarcinii electrice:

Neconservarea sarcinii electrice ar fi incompatibila cu continutul actual al teoriei electromagnetismului. Aceasta lege poate fi deci considerata fie o lege empirica fie un postulat al teoriei. Ea este una din legile fundamentale ale naturii.

Electronii pot fi extrasi din atomi sau molecule prin procedee simple (de exemplu prin frecare) procesul fiind numit ionizare.

Corpurile pot primi sau ceda electroni, prin aceasta ele trec in starea de incarcare electrica - pozitiva sau negativa.

Trebuie precizat ca nu este posibila crearea de sarcina si nici distrugerea acesteia. De asemenea, potrivit cu legea conservarii sarcinii electrice, incarcarea electrica a unui corp inseamna ca pe corpul respective s-a produs un dezechilibru intre numarul de sarcini de un semn si numarul de sarcini de celalalt semn. Daca un corp este neutru, din punct de vedere electric, aceasta nu inseamna ca el nu are sarcini electrice, ci faptul ca numarul de sarcini (cantitatea de sarcina) electrice de un semn este egal cu numarul (cantitatea de sarcina) de sarcini de celalalt semn.

Sa recapitulam, intr-o forma condensata principiile fundamentale privitoare la sarcina electrica:

In studiul electromagnetismului se fac doua idealizari cu privire la distributia sarcini electrice. Atunci cand se considera ca sarcina este concentrata intr-un punct se foloseste denumirea sarcina punctiforma. In alte cazuri se considera ca sarcina este distribuita continuu.

O distributie continua de sarcina este considerata ca o mediere facuta asupra unui numar foarte mare de sarcini elementare la fel ca in cazul definirii densitatii unei substante cand nu se tine seama de discontinuitatile existente la nivel microscopic.

Distributia continua a unei sarcini q intr-un volum V (fig.8.1) este descrisa de densitatea volumica de sarcina definita ca (enunt!)sarcina continuta in unitatea de volum cu centrul in punctul (x`, y`, z`).

Sarcina continuta in volumul dV = dx`dy`dz` centrat in punctul considerat este:

dq = dV (8.1)

Daca sarcina este distribuita continuu pe o suprafata sau de-a lungul unui fir, se poate defini densitatea superficiala de sarcina si densitatea liniara de sarcina . Sarcina continuta pe un element de arie dS sau de lungime dl este exprimata prin relatiile:

dq = dS, (8.1`)

dq = dl . (8.1")

Cu privire la marimea elementelor dV, dS si dl precizam ca ele sunt considerate suficient de mici la scara macroscopica, dar suficient de mari la scara atomica, astfel incat sa contina un numar destul de mare de sarcini elementare.

Fig.8.1 Sarcina este continuta intr-un volum dv din volumul V.

Distributie continua de sarcina

8.2. Legea lui Coulomb

Interactiunea intre sarcinile electrice in repaus a fost studiata prima oara de Charles August de Coulomb in anul 1785. El a masurat, cu ajutorul unei balante de torsiune, forta de interactiune intre doua sfere mici electrizate si a stabilit ca doua sarcini electrice punctiforme aflate in repaus se atrag sau se resping cu o forta invers proportionala cu patratul distantei dintre ele. Sarcinile se atrag daca semnele lor difera si se resping daca semnele lor sunt aceleasi.

Aceasta lege se exprima prin relatia:

(8.2)

in care q₁ si q₂ sunt sarcinile ce interactioneaza, si ` sunt fortele de interactiune care se exercita asuapra fiecarei particule, - distanta dintre sarcini si - vectorul unitar al directiei ce uneste sarcina q₂ cu q₁.

Fig. 8.2. Pentru deducerea legii lui Coulomb

Constanta k din legea lui Coulomb depinde de sistemul de unitati si de mediul in care sunt situate sarcinile. In cele ce urmeaza vom considera sarcinile in vid, si vom folosi exclusiv Sistemul International de unitati (SI). In acest sistem unitatea de sarcina electrica este (asa cum am amintit mai sus) coulombul (C). Aceasta unitate poate fi definita simplu cu ajutorul unitatii fundamentale introdusa pentru electricitate in SI, amperul. Din relatia:

q = I . t

unde I reprezinta intensitatea curentului si t - timpul, unitatea de sarcina se defineste astfel: 1C = 1A . 1s. Amperul ca unitate fundamentala se defineste atunci cand se studiaza interactiunea dintre doi curenti electrici. Cunoscand unitatile marimilor ce intervin in relatia (8.2), rezulta pentru constanta k unitatea Valoarea ei, determinata experimental, este k = 9.10⁹ N..

Este convenabil ca aceasta constanta sa se exprime sub forma:

k = (8.3)

in care se numeste permitivitatea electrica a vidului.

Cu aceste notatii, legea (8.2) se scrie:

(8.4)

Legea lui Coulomb este valabila numai in aproximatia sarcinilor punctiforme. Ea a fost verificata experimental pentru distante cuprinse in intervalul 10⁴ - 10^-15m.

INTREBARI

1.Care sunt caracteristicile importante ale sarcinii electrice?

a) Existenta sarcinii sub doua forme distincte (pozitiva si negativa), conservarea sarcinii, incarcarea electrica reprezinta un dezechilibru intre numarul de sarcini electrice de un fel si numarul de sarcini electrice de celalalt fel, sarcina este discreta, ea este un multiplu intreg de sarcini elementare.

b) Existenta sarcinii sub doua forme distincte (pozitiva si negativa), conservarea sarcinii, incarcarea electrica reprezinta un dezechilibru intre numarul de sarcini electrice de un fel si numarul de sarcini electrice de celalalt fel, sarcina este discreta, ea este un multiplu intreg de sarcini elementare, distributia continua de sarcini.

c) Existenta sarcinii sub doua forme distincte (pozitiva si negativa), sarcina este punctiforma, conservarea sarcinii, incarcarea electrica reprezinta un dezechilibru intre numarul de sarcini electrice de un fel si numarul de sarcini electrice de celalalt fel, sarcina este discreta, ea este un multiplu intreg de sarcini elementare

d) Existenta sarcinii sub doua forme distincte (pozitiva si negativa), incarcarea electrica reprezinta un dezechilibru intre numarul de sarcini electrice de un fel si numarul de sarcini electrice de celalalt fel, sarcina este discreta, ea este un multiplu intreg de sarcini elementare.

e) Existenta sarcinii sub doua forme distincte (pozitiva si negativa), conservarea sarcinii, incarcarea electrica reprezinta un dezechilibru intre numarul de sarcini electrice de un fel si numarul de sarcini electrice de celalalt fel, sarcina este discreta, ea este un multiplu intreg de sarcini elementare, distributia continua de sarcini.

2. Valabilitatea legii lui Coulomb este limitata numai la sarcinile:

a) pozitive,

b) distribuite uniform,

c) punctiforme,

d) aflate in repaus,

e) aflate in miscare uniforma.

3. Constanta k din expresia legii lui Coulomb depinde de:

a) distanta deintre sarcini,

b) valorile sarcinilor,

c) sistemul de unitati de masura,

d) sistemul de unitati de masura si proprietatile mediului,

e) este o constanta universala cu valoare determinata.

4. Constanta k din expresia legii lui Coulomb se masoara in:

a)

b)

c)

d)

e)

5. Dependenta fortei lui Coulomb este urmatoarea:

a) proportionalitate directa cu produsul sarcinilor intre care se exercita, cu distanta dintre sarcini si proportionalitate inversa cu constanta dielectrica a mediului,

b) proportionalitate directa cu produsul sarcinilor intre care se exercita, cu patratul distantei dintre sarcini si proportionalitate inversa cu constanta dielectrica a mediului,

c) proportionalitate directa cu produsul sarcinilor intre care se exercita, si proportionalitate inversa cu constanta dielectrica a mediului si cu distanta dintre sarcini,

d) proportionalitate directa cu produsul sarcinilor intre care se exercita, si proportionalitate inversa cu constanta dielectrica a mediului,

e) proportionalitate directa cu produsul sarcinilor intre care se exercita, si proportionalitate inversa cu constanta dielectrica a mediului si cu patratul distantei dintre sarcini.