ELECTROSTATIC

NOIUNEA DE SARCIN ELECTRIC

Natura electricitii

Mirajul electricitii a strnit imaginaia oamenilor inc din antichitate, din vremea lui Thales din Milet cnd s-a observat c unele substane dup ce sunt frecate de alte materiale pot atrage corpuri mai uoare. Explicarea naturii electricitaii s-a lsat ndelung ateptat. Progresele fizicii in acest domeniu ncep s fie evidente spre sfritul secolului al XVIII-lea i nceputul secolului al XIX-lea, cnd au fost inteprinse experiene mai numeroase, mai ingenioase, iar apoi prin elaborarea teoriei electricitii pe baza unui aparat matematic din ce n ce mai complex. Teoria electricitii macroscopice a nceput s se dezvolte abia dup conturarea mecanicii clasice i descoperirea calcului diferenial i integral i poate fi socotit i ncheiat n cursul secolului al XIX-lea. Clarificarea naturii electricitii, a purttorului microscopic de sarcin electric, a devenit o realitate la sfritul acestui secol, odat cu semnarea actului de natere al fizicii atomice.

Corpurile care prin frecare ar cpta proprietatea de a atrage alte corpuri au fost numite corpuri electrizate, iar ceea ce confer corpurilor aceasta proprietate a fost numit electricitate. n limitele unor concepii naive se admitea existena a dou fluide, unul pozitiv i altul negativ. Care ar conferi corpului electrizat tipul de electricitate. Mai trziu Benjamin Franklin a presupus c electrizarea corpului este efectul prezenei sau absenei unui singur tip de fluid: prezena lui n exces, peste starea electrizat, confer corpului o electricitate negativ, iar absena lui indic o ncrcare cu electricitate pozitiv. Franklin a mai presupus c fluidul negativ este compus din particule, indicnd astfel modul de electrizare a sticlei i a ebonitei, cu 100 de ani naintea descoperirii electronului.

Dup cum se tie, n edificiul structurii atomului exist o parte central, ncrcat pozitivnucleul n jurul cruia se mic electroni, la diferite distane.Notnd sarcina cea mai mic, cunoscut, sau sarcina elementar cu e (e>0), s-a stabilit experimental c sarcina electronului este e, iar sarcina elementar pozitiv este cea a protonului din nucleu (e). Aadar, n orice particul constituent a substanelor, atomi, molecule, exist sarcini pozitive i sarcini negative. Dac particula este neutr, atunci n+ = n- . Deci, n procesul de electrizare, dac vor fi smuli un numr de electroni, corpul respectiv va rmne ncrcat pozitiv, iar corpul care i va prelua se va ncrca negativ. O sarcin macroscopic negativ va fi reprezentat printr-un numr ntreg de sarcini electronice(q- = N-e), iar una pozitiv va fi tot un multiplu de e(q+ = N+e). Condiia ca o substan s fie neutr este deci N+ =N-.

Din punct de vedere al capacitii de micare exist sarcini libere i sarcini legate. Primele se pot mica pe spaii limitate n solide, lichide, gaze. Dac numrul de sarcini libere este constant i nu depinde de temperatur, substana este conductoare. Aceasta este situaia metalelor i a majoritii aliajelor, n care electroni sunt sarcini libere, sau a electroliilor n care ionii pozitivi i negativi sunt sarcini libere. Dac punem sarcini n exces acestea se vor distribui pe suprafa. Corpurile n care sarcinile sunt legate de anumite poziii sunt numite corpuri izolatoare. i materialele izolatoare exist n toate strile de agregare: gaze inerte, cum sunt He, Ne, Ar (sarcinile sunt legate la nivelul atomului), gaze moleculare i lichide moleculare, cum sunt hidrogenul, oxigenul, respectiv apa, cu sarcini legate la nivelul moleculei sau solide formate din ioni, cum este clorura de sodiu.

Distribuia sarcinilor electrice

n condiii normale, n subatane sarcinile pozitive i negative, egale ca mrime, sunt distribuite uniform. Introducerea unei distribuii neuniforme de sarcini pozitive i negative n corpuri(prin frecare) sau ntre pri diferite ale aceluiai corp (prin influen) reprezint un proces de electrizare. Exist o difereniere ntre modul de plasare a sarcinilor electrice, aprute prin electrizare pe de o parte n conductori, pe de alta n izolatorii solizi. n primul caz, sarcina electronic n exces se va distribui pe toat suprafaa, n timp ce n izolatori nu se va mprtia, va rmne localizati se nmagazineaz n adncime.

De ce se dispune sarcina negativ n exces pe suprafaa conductorilor? Rspunsul este legat de faptul c n metalele n stare neutr sarcina total a ionilor pozitivi, plasai n nodurile reelei cristaline, este egal cu cea a electronilor liberi. Existena unui exces de sarcin electronic face s apar fore de respingere ntre electroni, fore dirijate din interior spre exterior, ceea ce duce la expulzarea sarcinilorn exces spre suprafaa conductorului.

CMPUL ELECTRIC

Generaliti

Descrierea matematic a interaciunilor electrostatice a implicat introducerea mrimii ssarcinii electrice prin intermediul unor mrimi mecanice. Fenomenul nsui este influenat de mediul n care sunt plasate sarcinile, de aceea se poate trage concluzia c el se exercit efectiv printr-o form a materiei, o form care nu mai este perceput direct de simurile noastre. ntocmai ca n cazul atraciei universale, se constat c n jurul unei sarcini electrice, n fiecare punct dintr-o regiune a spaiului, se poate exercita o for de natur electric; se spune c n acea regiune exist un cmp de fore electrice. Cu alte cuvinte, o sarcin electric i exercit aciunile electrostatice asupra altor sarcini situate n spaiul nconjurtor prin intermediul unei stri a materiei numit cmp electric. Sintetiznd, se poate da urmtoarea definiie:cmpul electric este o form de existen a materiei, prin intermediul creia sarcinile electrice interacioneaz ntre ele.

Cmpul electric n zona vrfurilor

Numeroase experiene au artat c n regiunea vrfurilor corpurilor conductoare electrizate exist o mare concentraie a liniilor de cmp, c ele sunt deci sediul unor cmpuri electrice foarte intense. O explicaie riguroas este greu de prezentat n paginile de fa, dar acest fenomen ar fi de neles dac facem o analogie cu aciunea legii curgerii staionare a unui lichid printr-un tub ce prezint unele gtuiri. n zona acestora, viteza curentului este mai mare n raport cu poriunile cu diametru mai mare. n cazul vrfurilor, prezena sarcinilor electrice n poriunile ascuite creeaz o densitate de sarcin superficial, mai mare dect n poriunile netede, deci i un cmp electric mai intens. Datorit acestor cmpuri electrice puternice, pot fi smuli electroni din moleculele aerului nconjurtor i prin vrfuri se produce o scurgere de electricitate; pe un vrf ,,vin sau ,,pleac electroni, dup cum vrful este ncrcat pozitiv sau negativ. Pe acest principiu poate fi construit o moric dintr-un bra metalic cu dou capete ascuite, ce se poate roti n jurul unui suport izolator. S ncrcm lama metalic cu electricitate pozitiv. Din cauza cmpului electric puternic la capete, electronii smuli din moleculele aerului se ndreapt spre moric, o lvesc i se depun pe ea. Prin lovire, se transfer acesteia impulsul ctigat pe spaiul de accelerare parcurs de la apariia lor i pn la depunere, astfel nct morica ncepe s se roteasc.

O aplicaie practic foarte important a vrfurilor conductoare ncrcate electric o constituie filtrul electrostatic, care are funcia de a purifica aerul din incinte nchise sau de a reine particulele eliminate pe courilor fabricilor de ciment sau de alt natur. Prin ionizarea particulelor din jur, acestea sunt atrase spre vrfuri pe care se depun. Filtrul este curat din cnd n cnd pentru a fi reutilizat.

Mecanisme de electrizare. Metode experimentale de electrizare .

Antichitatea cunotea doar dou metode de electrizare: electrizarea prin frecare, descris de Thales din Milet i care a determinat construirea primei maini de electrizare de ctre Otto von Guericke; vechii hindui cunoteau proprietatea de electrizare a unor cristale n urma nclzirii, azi denumit piroelectricitate. Dup secolul al XVIII- lea au mai fost gsite i alte moduri de electrizare: electrizarea prin contact, prin influen; electrizarea norilor, proces deosebit de complex. Au fost descoperite ulterior i alte mecanisme de obinere a electricitii: pila Volta, termoelectricitatea, razele catodice, emisia termoelectric, fotoelectricitatea, radioactivitatea, emisia electronic n urma unor reacii violente.

Prin frecarea a dou substane este posibil ca electronii de valen ai atomilor unei substane s fie rupi de legturile lor i s treac pe cealalt. Nu este prea uor de stabilit mecanismul intim care are loc la frecare, deoarece este greu de crezut c o simpl activitate mecanic ar duce la ionizare. Este posibil s avem de-a face cu o ionizare termic produs de cldura ce se degaj prin frecare. Nu trebuie neglijat i rolul substanelor ce intr n joc: unele au afinitate mai mare pentru electroni, altele au o afinitate mai mic. Este evident c cle din prima categorie vor accepta parte din electronii cedai de cle din categoria a doua i corpurile se vor ncrca n mod egal cu acceai cantitate de electricitate. Aceste modificri se datoresc interaciunii cmpului electric exterior cu particulele constituiente ale substanelor, interaciuni care nu pot fi simplu descris. Exist o clas de substane care n cmp electric se polarizeaz , adic captul ndreptat spre armtura pozitiv devine negativ i invers. Aceste materiale sunt dielectrici care nu trebuie confundai cu izolatorii. Polarizaera dielectricului poate fi indus de un cmp electric sau poate exista n mod spontan.

Sunt de reinut unele proprieti i obsrvaii referitoare la producerea electricitii prin frecare: cnd se freac doi dielectrici, corpul cu pemetivitatea dielectric mai mare se ncarc cu electricitate pozitiv.

Electrizarea prin contact are loc la contactul a doi sau mai muli conductori aflai la poteniale diferite; unii dintre ei pot chiar s fie neutri naintea contactului, trebuie precizat c trecerea sarcinilor la contactul a dou corpuri are loc numai atunci cnd potenialele sunt diferite i c aceast trecere continu pn cnd se egaleaz cele dou poteniale. n momentul egalizrii, deplasarea global de sarcin nceteaz. Egalizarea prin contact poarte fi neleas mai bine dac se compar starea celor dou corpuri, unul ncrcat la nceput,i cellalt neutru, cu dou vase, unul avnd ap, cellalt fiind gol, care comunic printr-un robinet montat pe linia de legtur.

Electrizarea prin influen are loc la apropreirea unui corp ncrcat de unul neutru. La captul corpului neutru, mai apropiat de cel electrizat, va aprea electricitate de semn opus, iar la captul mai ndeprtat va apare electricitate de acelai semn i n aceeai cantitate cu cea acumulat la cellalt capt. Electrizare prin influen depinde de corpul studiat. Cnd se atinge sfera cu degetul sau cnd se leag la pmnt, se scurg sarcinile de acelai semn cu cea a corpului ncrcat dac semnul este negativ, dar vin electroni din pmnt dac semnul este pozitiv i sfera rmne ncrcat, chiar dup ndeprtarea corpului care a produs influena.Feroelectricitatea

Feroelectricitatea este o proprietate extrem de interesant, pe care o posed unele substane, dintre care cel mai cunoscut este titanatul de bariu(BaTiO3 ). Acest proprietate const n existena unei polarizri spontane, n interiorul unor cristale, n absena cmpului electric exterior. Feroelectricitatea a fost descoperit nb 1921 de Valasek, pe sarea Rochelle, care a fost preparatprima dat n secolul al XVII-lea de doctorul Seignette ca laxativ. De aceea, n Europa aceast ordine spontan este numit si seignettoelectrcitate. Denumirea de feroelectricitate i-a fost atribuit prin analogie cu feromagnetismul, care este proprietatea unor metale i aliaje de a avea ordine magnetic spontan.

Cmpul electric joac un rol n aceste materiale, deoarece n absena lui substana nu apare polarizat spontan, adic nu posed un capt pozitiv, iar cellalt negativ. Fizicienii au demonstrat c ordinea feroelectric exist permanent, n anumite materiale, pe reginui mici, numite domenii feroelectrice , dar acestea sunt orientate astfel nct, n ansamblu, substana nu ne apare polarizat.

Trebuie precizat c ordinea feroelectric este stabil numai pn la o anumit temperatur, caracteristic fiecrei substane. Pentru aceast temperatur ordinea dispare i substana se comport ca un dielectric format din dipoli dezordonai. Menionm aici c exist feroelectrici fr temperatur de tranziie, deoarece temperatura de topire este suficient de sczut pentru ca materialul s se topeasc naintea dispariiei ordinii feroelectrice.

GRBIA Alex

Cls a XI-a C

EMBED MS_ClipArt_Gallery

EMBED MS_ClipArt_Gallery

EMBED MS_ClipArt_Gallery

14