Modificarea proprietatilor unor corpuri ce determina aparitia fortelor de atractie sau de respingere reciproca se numeste electrizare, iar proprietatea fizica ce se modifica este starea de electrizare.

Fenomenul a fost observat mai intai la chihlimbar. Filozoful grec Thales din Milet, care trait acum 2500 de ani (secolul VII i.Hr.) este primul care-l aminteste. Apoi a cazut in uitare. Abia pe la 1600 medicul englez Gilbert, reluand cercetarile, constata ca mai sunt si alte corpuri, cu aceeasi propietate si, dupa numele grecesc al chihlimbarului (elektron), numeste electrizare fenomenul care le aduce in aceasta situatie. Vom spune deci ca acele corpuri se electrizeaza prin frecare sau ca se incarca cu electricitate.

Timp de aproape 200 de ani, studiul electricitatii s-a limitat apoi la o acumulare treptata de observatii calitative.

Legatura cantitativa s-a putut stabili numai dupa ce incercarile lui Cavendish, Priestley sau Daniell Bernoulli, urmate de cercetarile sistematice ale lui Charles Auguste de Coulomb au dus la formularea matematica a legii de interactiune, din care putem calcula fortele dezvoltate si putem stabili unitatile de masura pentru ceea ce numim cantitate de electricitate ori sarcina electrica.

De aici inainte intram pe teritoriul adevaratei cercetari stiintifice, prin care determinarile din laborator, unite cu calculul matematic, au dus, in cateva decenii, la inchegarea electrostaticii.

Electrizarea corpurilor prin frecare

Acest procedeu de electrizare a fost descris de Thales din Milet (secolul VII i.Hr. ) pe baza unei observatii facute de o tesatoare, care a constatat ca prin frecarea chihlimbarului cu o stofa de lana, el capata proprietatea de a atrage corpuri usoare. Asemenea observatii le facem si noi cand ne pieptanam parul uscat cu un pieptane din material plasticsau la atingerea mobilei.

Experimentul 1: Luam o placuta din PVC si o apropiem de corpuri usoare (fire de par, bucati de hartie sau bobite de poliester). Frecam placuta cu un material textil si o apropiem din nou de corpurile de proba.

Initial nu se remarca nici un fel de interactiune intre placuta si corpurile de proba. Dupa frecarea placutei, aceasta atrage corpurile de proba.

Starea initala a placutei o vom numi din punct de vedere electric stare neutra, iar starea in care trece dupa frecarea cu materialul textil o vom numi stare electrizata.

Procesul prin care placuta a trecut din stare neutra in stare electrizata se numeste electrizare prin frecare. Trecerea unui corp din starea neutra in starea electrizata este rezultatul interactiunii intre doua corpuri.

Marimea fizica ce constituie o masura a starii de electrizare a fost numita sarcina electrica. Corpurile care au suferit un proces de electrizare sunt numite corpuri electrizate sau corpuri incarcate cu sarcina electrica.

Sarcina electrica se noteaza cu q sau Q .Unitatea de masura in SI este coulombul notat prescurtat C. (Q) SI =1 C

Experimentul 2(fig.1): Obiectele din acelasi material se resping. Unele obiecte din materiale diferite se atrag.

Observatia de mai sus duce la concluzia ca putem imparti corpurile electrizate in doua tipuri de sarcina electrica. Acestor tipuri de sarcina electrica li se pot atribui valori pozitive(+) sau negative(-).

Corpurile aflate in aceeasi stare de electrizare fie(+ +) sau (- -) se resping intre ele, iar cele aflate in stari electrizate diferite (+ si -) sau (- si +) se atrag.

Prin conventie s-a atribuit semnul + (plus) tipului de sarcina care apare pe un corp din sticla frecat cu o bucata de matase si semnul - (minus) tipului de sarcina care apare pe un corp din PVC frecat cu o bucata de blana. Pentru stabilirea sarcinii unui alt corp electrizat se poate analiza interactiunea dintre acesta si un corp din PVC sau sticla electrizata.

Electrizarea corpurilor prin contact

Experimentul 3 (fig.2): Se suspenda o bobita de poliester legata de un fir de ata. Se electrizeaza o placuta din PVC si se apropie pana vine in contact cu bobita de poliester. La inceput se constata ca bobita este atrasa de placuta, iar dupa contact bobita este respinsa.

Prin contactul dintre un corp electrizat si unul neutru , cel neutru trece in aceeasi stare de electrizare ca si corpul electrizat, acest fenomem numindu-se electrizare prin contact. Cele doua corpuri se incarca cu sarcini de acelasi semn.

Electrizarea corpurilor prin influenta sau electrizarea prin inductie

Experimentul 4 (fig.3) : Asezam doua vergele metalice pe doua pahare si apropiem paharele pana cand vergelele vin in contact (fig. 3a). Apropiem placuta din PVC electrizata de vergeaua B fara sa o atingem si apoi indepartam paharele avand grija sa nu atingem vergelele si indepartam placuta din PVC electrizata (fig.3b). Apropiem pe rand de cele doua vergele un pendul electrizat negativ (fig. 3c).

Constatam ca vergeaua B atrage pendulul, iar vergeaua A il respinge, deci prin apropierea unui corp electrizat de un corp metalic un capat al acestuia se electrizeaza pozitiv, iar celalalt negativ. Acest tip de a electriza un corp se numeste electrizare prin inductie sau prin influenta.

Un corp poate fi electrizat si daca in apropierea sa este adus un alt corp incarcat electric (corpul care poate fi electrizat este metalic). Corpul electrizat prin influenta nu-si modifica sarcina electrica, dar la extremitati se incarca cu sarcini de semne contrare.

Explicarea electrizarii

Atomul este format din nucleu si invelis electronic. In nucleu se gasesc particule numite nucleoni, din care exista protoni si neutroni. Protonii sunt particule elementare, avand sarcina electrica pozitiva, iar neutronii sunt nucleoni care nu au sarcina electrica (au sarcina neutra).

Electronii, ce formeaza invelisul electronic, se rotesc in jurul nucleului si au sarcina electrica negativa. Sarcina electronului este qe= - q0, iar sarcina protonului este qp= +q0. Numarul electronilor din invelisul electronic este egal cu numarul protonilor din nucleul atomului.

Sarcina totala a invelisului electronic este Qt= -Zq0, unde Z reprezinta numarul electronilor din invelis, iar q0 este sarcina elementara. Sarcina totala a nucleului va fi Qn = +Zq. Intrucat corpurile electrizate au sarcini mult mai mici decat un coulomb, se

-6

folosesc submultiplii acestuia: microcoulombul( 1mC = 10 C) si nanocoulombul

-9 -19 -19

(1nC = 10 C) qe = -1,6 10 C qp = +1,6 C.

Sa presupunem ca prin frecarea unei placute din PVC pe o stofa, placuta a primit de la stofa "n" electroni. In acest fel, placuta va capata sarcina totala negativa: Q = -n q0, iar stofa sarcina totala pozitiva: Q = +n q0

Astfel numarul sarcinilor luate de pe un corp trebuie sa fie egal cu numarul celor transferate pe un alt corp sau pe un sistem de corpuri. Se remarca faptul ca intotdeauna sarcina totala a unui corp este un multiplu intreg al sarcinii elementare.

Feroelectricitatea

Feroelectricitatea este o proprietate extrem de interesanta, pe care o poseda unele substante, dintre care cel mai cunoscut este titanatul de bariu (BaTiO ). Acesta proprietate consta in existenta unei polarizari spontane, in interiorul unor cristale, in absenta campului electric exterior.

Feroelectricitatea a fost descoperita in 1921 de Valasek, pe sarea Rochelle, care a fost preparata prima data in secolul al XVII-lea de doctorul Seignette ca laxativ. De aceea, in Europa aceasta ordine spontana este numita si seignettoelectrcitate. Denumirea de feroelectricitate i-a fost atribuita prin analogie cu feromagnetismul, care este proprietatea unor metale si aliaje de a avea ordine magnetica spontana. Campul electric joaca un rol in aceste materiale, deoarece in absenta lui substanta nu apare polarizata spontana, adica nu poseda un capat pozitiv, iar celalalt negativ. Fizicienii au demonstrat ca ordinea feroelectrica exista permanent in anumite materiale, pe regiuni mici, numite domenii feroelectrice , dar acestea sunt orientate astfel incat, in ansamblu, substanta nu ne apare polarizata.

Trebuie precizat ca ordinea feroelectrica este stabila numai pana la o anumita temperatura, caracteristica fiecarei substante. Pentru aceasta temperatura ordinea dispare si substanta se comporta ca un dielectric format din dipoli dezordonati. Mentionam aici ca exista feroelectrici fara temperatura de tranzitie, deoarece temperatura de topire este suficient de scazuta pentru ca materialul sa se topeasca inaintea disparitiei ordinii feroelectrice.

LEGEA LUI COULOMB

In 1785, Coulomb a gasit experimental relatia cantitativa care exprima forta de interactiune, in functie de sarcinile electrice in prezenta si de distanta respectiva. El s-a servit de o balanta de torsiune.

O bara izolanta, cat mai usoara, este suspendataa cu un fir subtire. Ea poarta, la un capat, o mica sfera conductoare, iar la capatul opus e lipita o aripioara de hartie, care amortizeaza oscilatiile si, totodata echilibreaza greutatea sferei.

O a doua sfera, egala in diametru, este fixata rigid, pe un suport izolant, la nivelul primei si la aceeasi distanta, fata de firul de suspensie al barei.

Tot sistemul este introdus intr-un cilindru protector, de sticla, unde o substanta hidroscopica absoarbe vaporii de apa, ca sa asigure o cat mai buna izolare.

1. In prima serie de cercetari, se incarca ambele sfere cu cate o sarcina electrica oarecare. Ele se atrag sau se resping si, cu ajutorul unghiului de torsiune al firului, putem determina forta de interactiune.

Rezultatul experientelor ne duce la concluzia ca aceasta forta este invers proportionala cu patratul distantei dintre centrele sferelor.

2. In a doua srie de cercetari, cele doua sfere, prealabil electrizate, sunt descarcate treptat, prin atingere cu o a treia sfera izolata, de aceeasi marime, dar neelectrizata.

Prin atingeri succesive, se poate reduce sarcina oricareia din sfere, intai la jumatate din valoarea initiala, apoi la un sfert si asa mai departe.

Rasucind capatul de sus al firului de suspensie, asa ca sa reducem, de fiecare data, sferele la distanta la care se gaseau inainte de electrizare, unghiul de torsiune respectiv ne permite iarasi sa calculam forta de interactiune, pentru diferitele valori ale sarcinilor.

Iar daca notam cu Q si Q' sarcinile initiale, constatam experimental ca, dupa diferitele descarcari succesive,

pentru sarcinile Q si Q' forta masurata este F

pentru sarcinile Q/2 si Q' forta masurata este F/2

pentru sarcinile Q/2 si Q'/2 forta masurata este F/4

si asa mai departe.

De aici se vede ca, indiferent de unitatile in care am exprima sarcinile electrice, forta de interactiune, la o distanta data, este proportionala cu produsul lor.

Aceste doua serii de cercetari ne duc impreuna la concluzia ca forta de interactiune F, intre doua corpuri, incarcate cu sarcinile Q₁ si Q₂ si situate la distanta r , se poate exprima prin relatia :

in care constanta de propartionalitate ε caracterizeaza mediul separator, din punct de vedere electric si se numeste constanta dielectrica sau permitivitate.

Valoarea ei numerica si dimensiunile fizice depind de sistemul unitatilor folosite.

Aceasta relatie, fundamentala in electrostatica, exprima legea lui Coulomb. Cantitatile de electricitate Q, pe care le-am numit sarcini electrice vor fi considerate ca punctiforme, adica raspandite pe corpuri cu dimensiuni geometrice practic neglijabile, in comparatie cu distanta care le separa.

Formula lui Coulomb este analoga cu formula lui Newton, prin care am exprimat fortele de interactiune ale maselor gravitationale. De aceea sarcinile elctrice se mai numesc uneori si mase electrice, dar aceasta denumire tinde sa fie parasita. Din acelasi motiv, tot asa cum fortele gravitationale se mai numesc si newtoniene, vom numi coulombiene fortele de interactiune electrica.

In concluzie : Fortele coulombiene, ce apar intre doua corpuri electrizate, sunt direct proportionale cu produsul sarcinilor electrice si invers proportionale cu patratul distantei care le separa.

Intensitatea acestor forte scade, cand creste permitivitatea mediului dielectric.

Experientele lui Coulomb, care au dus la formularea legii, repetate chiar si in conditiile de astazi, duc la rezultate destul de neprecise, fiindca fortele de masurat sunt foarte mici.

Ele au mai mult o importanta istorica si de aceea este preferabil sa consideram aceasta lege doar ca o ipoteza fundamentala si sa o verificam indirect, prin consecintele ei.

Distributia sarcinilor electrice

In conditii normale, in substante sarcinile pozitive si negative, egale ca marime, sunt distribuite uniform. Introducerea unei distributii neuniforme de sarcini pozitive si negative in corpuri (prin frecare) sau intre parti diferite ale aceluiasi corp (prin influenta) reprezinta un proces de electrizare. Exista o diferentiere intre modul de plasare al sarcinilor electrice, aparute prin electrizare pe de o parte in conductori, pe de alta parte in izolatorii solizi. In primul caz, sarcina electronica in exces se va distribui pe toata suprafata, in timp ce in izolatori nu se va imprastia,ci va ramane localizata si se va inmagazina in adancime.

De ce se dispune sarcina negativa in exces pe suprafata conductorilor?

Raspunsul este legat de faptul ca in metalele in starea neutra sarcina totala a ionilor pozitivi, plasati in nodurile retelei cristaline, este egala cu cea a electronilor liberi. Existenta unui exces de sarcina electronica face sa apara forte de respingere intre electroni, forte dirijate din interior spre exterior, ceea ce duce la expulzarea sarcinilor in exces spre suprafata conductorului.

CAMPUL ELECTRIC

Descrierea matematica a interactiunilor electrostatice a implicat introducerea marimii sarcinii electrice prin intermediul unor marimi mecanice. Fenomenul insusi este influentat de mediul in care sunt plasate sarcinile, de aceea se poate trage concluzia ca el se exercita efectiv printr-o forma a materiei, o forma care nu mai este perceputa direct de simturile noastre. Intocmai ca in cazul atractiei universale, se constata ca in jurul unei sarcini electrice, in fiecare punct dintr-o regiune a spatiului, se poate exercita o forta de natura electrica; se spune ca in acea regiune exista un camp de forte electrice. Cu alte cuvinte, o sarcina electrica isi exercita actiunile electrostatice asupra altor sarcini situate in spatiul inconjurator prin intermediul unei stari a materiei numita camp electric. Sintetizand, se poate da urmatoarea definitie:campul electric este o forma de existenta a materiei, prin intermediul careia sarcinile electrice interactioneaza intre ele.

Campul electric in zona varfurilor

Numeroase experiente au aratat ca in regiunea varfurilor corpurilor conductoare electrizate exista o mare concentratie a liniilor de camp, ca ele sunt deci sediul unor campuri electrice foarte intense. O explicatie riguroasa este greu de prezentat in paginile de fata, dar acest fenomen ar fi de inteles daca facem o analogie cu actiunea legii curgerii stationare a unui lichid printr-un tub ce prezinta unele gatuiri. In zona acestora, viteza curentului este mai mare in raport cu portiunile cu diametru mai mare. In cazul varfurilor, prezenta sarcinilor electrice in portiunile ascutite creeaza o densitate de sarcina superficiala, mai mare decat in portiunile netede, deci si un camp electric mai intens. Datorita acestor campuri electrice puternice, pot fi smulsi electroni din moleculele aerului inconjurator si prin varfuri se produce o scurgere de electricitate; pe un varf ,,vin' sau ,,pleaca' electroni, dupa cum varful este incarcat pozitiv sau negativ. Pe acest principiu poate fi construita o morisca dintr-un brat metalic cu doua capete ascutite, ce se poate roti in jurul unui suport izolator. Se incarca lama metalica cu electricitate pozitiva. Din cauza campului electric puternic la capete, electronii smulsi din moleculele aerului se indreapta spre morisca, o lvesc si se depun pe ea. Prin lovire, se transfera acesteia impulsul castigat pe spatiul de accelerare parcurs de la aparitia lor si pana la depunere, astfel incat morisca incepe sa se roteasca.

O aplicatie practica foarte importanta a varfurilor conductoare incarcate electric o constituie filtrul electrostatic, care are functia de a purifica aerul din incinte inchise sau de a retine particulele eliminate pe cosurilor fabricilor de ciment sau de alta natura. Prin ionizarea particulelor din jur, acestea sunt atrase spre varfuri pe care se depun. Filtrul este curatat din cand in cand pentru a fi reutilizat.

Aplicabilitatea electrizarii corpurilor in viata de toate zilele

Studiind aceste fenomene, ne putem explica de ce atunci cand atingem caroseria unui autovehicul dupa oprirea acestuia simtim o descarcare electrica sau cand dezbracam un pulover din material sintetic se aud pocnete insotite de scantei apar aceleasi manifestari; de asemenea si functionarea diferitelor aparate electrocasnice constituie modul de manifestare a fenomenelor electrice, care se folosesc de energia electrica. Vara in regiunile muntoase, cand norii coboara, varfurile brazilor se inconjoara cu o stralucire aurie, la fel ca si extremitatile catargelor metalice care se electrizeaza prin inductie sub actiunea norilor si se descarca lent in atmosfera, producand efecte luminoase care sunt de fapt manifestari ale electricitatii atmosferice.

Dezvoltarea industriei, agriculturii, transporturilor, cresterea gradului de confort si civilizatie se realizeaza prin folosirea unor tehnologii bazate pe utilizarea energiei electrice.

Mai demult, oamenii foloseau la actionarea masinilor si utilajelor surse primare de energie ca cea hidraulica, mecanica sau manuala la actionarea masinilor si utilajelor. Dupa explicarea fenomenelor electrice si descoperirea electricitatii acestea au fost perfectionate incat sa fie actionate cu ajutorul energiei electrice, care are la baza fenomenele studiate la electrizarea corpurilor. Au aparut ramuri noi ale industriei bazate pe fenomene specifice din domeniul electricitatii, unul din domeniile de varf fiind cel al informaticii, neimaginandu-se viata societatii omenesti fara computer.

Iata importanta studiului electrizarii corpurilor in viata noastra.

Bibliografie

Manual de fizica clasa a VII, editura Didactica si Pedagogica, 1978

Autori: Iosif Barna, Petru Jumanca
Manual de fizica clasa a VIII, editura Didactica si Pedagogica, 1982

Autori: Emanuel Nichita, Mircea Fronescu, Grigore Ilie

Elemente fundamentale de fizica vol. II, editura Dacia Cluj Napoca, 1985

Autori: Gheorghe Cristea, Ioan Ardelean

Electricitatea la indemana experimentatorului, editura Stiintifica si Enciclopedica Bucuresti, 1989