Electrostatica - Izolanti si conductori, Explicarea fenomenelor de electrizare

Electrostatica

1. Obiectul electrostaticii

Au trecut mai bine de 2500 de ani de cand pe cale experimentala s-a constatat ca unele corpuri ca rasina, ceara rosie, chihlimbarul, marmura etc., dupa ce acestea au fost frecate, au proprietatea de a atrage obiecte usoare ca fire de bumbac, fulgi de pasare, bucatele de hartie. Insusirea dispare destul de repede dupa incetarea frecarii si reapare imediat dupa o noua frecare.

Mult mai tarziu, prin anul 1600, experimentarile au fost reluate, stabilindu-se si alte corpuri care prin frecare au aceasta proprietate. Dat fiind ca primul corp la care s-a constatat aceasta proprietate a fost chihlimbarul, care in limba greaca este denumit electron, fenomenul s-a numit electrizare.

Cercetarile, in acest domeniu au continuat, s-au stabilit legi de interactiune cu ajutorul carora se calculeaza cantitatile de electricitate si s-au pus bazele electrostaticii.

Electrostatica este studiul electricitatii in echilibru. Ea cuprinde ansamblul fenomenelor caracteristice starii de echilibru a sarcinilor electrice.

Fizicianul Charles du Fay descopera in anul 1733 cele doua feluri de electrizari de semn contrar si anume electrizarea la fel ca sticla si electrizarea la fel ca rasina. Aceasta inseamna ca sticla electrizata respinge corpurile pe care ebonita electrizata le atrage. Prin aceasta s-a facut un pas inainte in domeniul electrostaticii. Electricitatea obtinuta prin frecarea sticlei a fost numita conventional de Franklin, in anul 1746, electricitate pozitiva, iar electricitatea produsa prin frecarea ebonitei, electricitate negativa.

Experientele au dovedit ca corpurile incarcate cu sarcini electrice de semn contrar se atrag, iar cele incarcate cu acelasi fel de electricitate se resping.

Indiferent de corpul care se freaca, el se electrizeaza fie pozitiv, fie negativ, un al treilea fel de sarcina electrica nu exista.

Prin frecarea a doua corpuri, ambele se electrizeaza reciproc, unul negativ, iar celalalt pozitiv.

Frecarea separa cantitati de electricitate egale si de semne contrare, care inainte se neutralizau reciproc. Experientele au dovedit ca orice sarcina electrica apare sau dispare impreuna cu alta sarcina, egala si de semn contrar. Aceasta inseamna ca intr-un sistem izolat presupun initial incarcat cu o anumita sarcina negativa sau pozitiva, orice electrizare ulterioara o face sa ramana neschimabata, deoarece suma algebrica a sarcinilor este nula. Acesta este principiul conservarii electricitatii.

2. Izolanti si conductori

Toate corpurile pot fi electrizate insa unele pastreaza electricitatea in punctele in care aceasta a fost generata (chihlimbarul, sticla, sulful, ebonita, rasina, parafina etc.) in timp ce altele, (metale, tesuturi animale sau vegetale, diverse minerale, solutii saline, bazice sau acide etc.) o lasa sa se propage in intreaga masa.

Aerul si in general gazele in stare uscata si in conditii normale de temperatura si presiune sunt izolanti electici, in schimb in stare umeda devin conductori. Intre izolanti si conductori electrici exista o clasa de corpuri mai putin conducatoare numiti semiconductori si care au o mare importanta stiintifica si tehnica.

3. Explicarea fenomenelor de electrizare

Cercetarile efectuate asupra constitutiei materiei au reusit sa dezlege si fenomenul producerii si natura curentului electric. Originea si interpretarea fenomenelor de electrizare sunt de natura electronica.

Pana nu de mult, atomul a fost considerat ca cea mai mica particula a unui element chimic. El este de fapt cea mai mica fractiune dintr-un corp simplu (substanta chimica), care isi mai pastreaza proprietatile chimice ale corpului respectiv.

Cercetarile fizicienilor au stabilit ca atomul are structura complexa, in compunerea lui intrand particule incarcate cu sarcini electrice (negative si pozitive) si neutre.

Atomul este format dintr-un nucleu incarcat cu sarcini pozitive si dintr-un numar de electroni cu sarcini electrice negative. Nucleul atomului la randul sau este alcatuit din protoni si neutroni cu sarcini electrice negative. Nucleul atomului la randul sau este alcatuit din protoni si neutroni. Protonii au sarcini electrice pozitive, egale si de semn contrar cu ale electronilor, in timp ce neutronii desi au aceeasi masa ca si protonii sunt neutrii din punct de vedere electric, adica sunt lipsiti de sarcini electrice.

Electronii se invartesc in jurul nucleelor atomice pe diferite orbite fixe, asa cum graviteaza planetele in jurul soarelui.

Dat fiind faptul ca fiecare proton este purtatorul unei sarcini electrice pozitive, egala si de semn contrar cu sarcina unui electron, rezulta ca sarcinile electrice pozitive din nucleul atomului sunt neutralizate de sarcinile negative ale electronilor ce se invartesc pe orbite: deci atomul este neutru din punct de vedere electric.

Electronul este extrem de mic; un electron cantareste 0,9 ∙ 10^-27 g, el este de 1836,5 ori mai mic decat nucleul de hidrogen.

Daca din diferite cauze, de exemplu datorita frecarii, un atom sau o parte din atomii unui corp pierd electroni, corpul respectiv ramane cu un exces de sarcini pozitive, iar electronii cedati se fixeaza pe atomii celuilalt, si-l incarca negativ. Din aceasta cauza, in timpul electrizarii apar, intotdeauna, ambele feluri de electricitate in cantitati egale.

Deci electrizarea prin frecare este o consecinta a schimbului de electroni intre atomii celor doua corpuri.

Se poate spune ca electrizarea pozitiva corespunde unei pierderi de electroni, iar electrizarea negativa corespunde unui adaos de electroni liberi.

Tinand seama de cele aratate mai sus se explica destul de usor principiul conservarii electricitatii uneori pozitiv si alteori, negativ.

In cazul frecarii a doua corpuri, incarcarea pozitiva revine corpului care cedeaza mai usor electronii. Este de remarcat faptul ca schimbul de electroni se poate produce nu numai prin frecare ci si in urma unui contact intim intre doua corpuri diferite. Chiar si prin simplul contact a doua placi metalice diferite se produce o electrizare pentru ca unul dintre metale cedeaza electroni celuilalt.

Izolantii pastreaza electronii stabili mai bine decat conductorii in schimb metalele ii pierd cu mult usurinta.

Atomii care dintr-o cauza oarecare au pierdut sau au in plus unul sau mai multi electroni se numesc ioni. Cand atomul a pierdut electroni (are mai putini) este incarcat pozitiv si se numeste cation, iar cand are in plus electroni este incarcat negativ si se numeste anion.

In unele corpuri, in afara electronilor legati de proton, prin miscarea de rotatie pe care o exercita in jurul sau, mai exista, intre atomi, si electroni liberi raspanditi la intamplare, numarul electronilor liberi putand fi mai mare sau mai mic.

Desi conductorii contin electroni liberi ei sunt totusi neutri din punct de vedere electric, pentru ca numarul lor este egal cu numarul sarcinilor pozitive ale cationilor. Electronii liberi din conductori au o miscare dezordonata, asemanatoare cu miscarea termica a moleculelor unui gaz perfect.

Corpurile in care electronii liberi pot fi usor smulsi din atom sau in care electronii liberi se deplaseaza usor intre atomi se numesc corpuri bune conducatoare de electricitate.

Conductorii tinuti in mana nu pot fi electrizati prin frecare deoarece electronii smulsi din atomi sunt inlocuiti imediat cu altii veniti din pamant prin corpul omenesc.

Prin descoperirea electronului si a proprietatilor lui, fenomenele electrice, multa vreme ramase neexplicate, s-au putut lamuri in cele mai mici amanunte. Cunoscand interpretarea electronica a electrizarii, intelegerea deosebirii de comportare dintre izolant si conductori devine mai usoara.

Izolantii (dielectrici) nu au electronii liberi si din aceasta cauza prin ei nu pot circula sarcini electrice.

Un electron, in momentul trecerii pe un izolant, se fixeaza imediat pe un atom care la randul sau este fixat in reteaua structurala. Sarcina negativa, pe care atomul a primit-o, este astfel imobilizata si deci nu se mai raspandeste. Acelasi fenomen se intampla si cu atomii izolantului care au pierdut electroni si anume excedentul de sarcina pozitiva ramane localizat, pentru ca ei nu pot primi alti electroni, de la atomii din regiunile vecine, care sa aiba menirea de compensare a pierderii.

Cu totul altfel se comporta atomii de metale in cazul primirii si cedarii de electroni. Si intr-un caz si intr-altul sarcinile negative si excesul de sarcina pozitiva se imprastie.

4. Felurile electrizarii

Un corp se poate electriza prin frecare, prin contact si prin influenta.

Electrizarea prin frecare. Prin frecare se poate intampla ca o parte din atomii unui corp sa piarda electroni. Corpul ramane atunci cu un exces de sarcini pozitive, iar electronii cedati se fixeaza pe atomii celuilalt si-l incarca negativ. Deci electrizarea prin frecare se datoreste schimbului de electroni intre cele doua corpuri.

Electrizarea prin contact. Un corp conductor care vine in contact cu un corp electrizat se incarca cu sarcini electrice. La corpurile rau conductoare, electrizarea prin contact se reduce la regiunile imediat vecine cu punctul de atingere, zona respectiva fiind cu atat mai redusa cu cat izolantul este de calitate superioara.

Electrizarea prin influenta. Toate corpurile asezate in vecinatatea unui corp electrizat se electrizeaza prin influenta fara a fi nevoie de contact.

Prin influenta apar intotdeauna atat electricitatea negativa cat si cea pozitiva, in cantitati egale, insa o data cu indepartarea corpului electrizat care determina electrizarea, cele doua sarcini se anuleaza.

Doua sarcini electrice, egale, de semne contrarii si distantate intre ele alcatuiesc un dipol electric. Adesea, in locul denumirii de influenta electrica se foloseste si aceea de inductie electrostatica. In acest caz, corpul electrizat, care exercita actiunea poarta denumirea de inductor, iar cel ce-a primit-o, indus. Daca sarcina inductoare dispare sau daca inductorul se indeparteaza la o distanta foarte mare atunci indusul isi recapata starea neutra initiala prin recombinarea sarcinilor contrari. Pentru a impiedica aceasta neutralizare este suficient sa se atinga un moment indusul cu degetul, inainte de a se indeparta de inductorul. Asa de exemplu, daca inductorul este incarcat pozitiv, sarcina de acelasi semn este respinsa in pamant si in final indusul ramane cu o sarcina negativa, care se raspandeste pe toata intinderea lui.

Fenomenul de inductie da posibilitatea ca un conductor sa fie incarcat cu un fel de electricitate cunoscut, fiindca sarcina ramasa are semnul contrar sarcinii inductoare.

Experientele au demonstrat ca atat fortele de interactiune intre corpurile electrizate, cat si electrizarile prin inductie produse au loc nu numai prin stratul de aer si vid ci si printr-un izolant oarecare ca sticla, ebonita, uleiul, parafina si altele. Acesti izolanti au fost denumiti de Faraday dielectrici.

5. Legea lui Coulomb

Aceasta lege a fost stabilita experimental si se enunta astfel: forta de interactiune (de atractie sau de respingere) dintre doua corpuri electrizate, de dimensiuni foarte mici in raport cu distanta dintre ele, este direct proportionala cu produsul sarcinilor electrice si invers proportionala cu patratul departarii dintre centralele corpurilor electrizate.

Matematic, legea lui Coulomb se exprima astfel:

F = 1 . q₁ ∙ q₂ in care,

ε r

F este forta de interactiune;

ε constanta dielectrica sau permitivitatea;

q₁ si q₂ sarcini electrice cu care sunt incarcate corpurile electrizate;

r distanta dintre centrele corpurilor electrizate.

Tabela 10

Constanta dielectrica pentru diferite medii

In sistemul C.G.S. es. forta de interactiune se masoara in dyne. O dyna reprezinta forta de interactiune intre doua corpuri incarcate cu cate o sarcina unitate CGS electrostatica. Unitatea electrostatica CGS de electricitate fiind foarte mica s-a ales ca unitate practica de cantitate de electricitate coulombul care reprezinta 3.10⁹ unitati de sarcina electrica.

Cea mai mica sarcina de electricitate negativa este sarcina electronului si reprezinta 4,8 ∙ 10^-10 unitati de sarcine electrica (se noteaza cu e).

In sistemul international, forta de interactiune se masoara in newtoni (1 N = 1.10⁵ dyne).

6. Distributia electricitatii pe conductori

Experimental s-a stabilit ca la conductorii in echilibru electric, sarcina se raspandeste numai pe suprafata exterioara, iar fortele electrice nu actioneaza spre interior.

Aceste fenomene au fost descoperite practic de catre Faraday. El s-a inchis intr-o cusca metalice care a fost electrizata la exterior. Aparatele luate in cusca nu au inregistrat prezenta surselor electrice induse. Acelasi lucru s-a constatat si in cazul legarii peretilor custii la pamant. Situatia se prezinta cu totul altfel daca cusca sau un cilindru oarecare sunt izolate fata de pamant. Asa, de exemplu, daca in interiorul custii sau cilindrului se introduce un conductor electrizat, atunci datorita inductiei, pe fata interioara apare o sarcina egala si de semn contrar si de acelasi semn pe cea exterioara.

In cazul unor custi si cilindri neizolati transmiterea sarcinilor inceteaza pentru ca sarcinile induse pe peretele exterior se scurg in pamant.

Pe aceasta insusire se bazeaza si utilizarea ecranelor electrice sau blindajelor, la care nici o sarcina electrica exterioara nu poate trece in interior pe conductorul blindat.

Densitatea electrica. Densitatea electrica superficiala reprezinta raportul intre cantitatea de electricitate si suprafata pe care este raspandita.

Adica σ = q in care,

S

σ este densitatea superficiala in coulombi/m;

q - cantitatea de electricitate in coulombi;

S - suprafata in m.

Densitatea electrica superficiala este mai mare la capetele ascutite si nula in interiorul conductorilor electrizati.

7. Campul electric

Un corp electrizat isi manifesta prezenta prin fortele de atractie sau de respingere cu care actioneaza asupra altor corpuri electrizate, aflate in apropierea lui. Spatiul din jurul unui corp electrizat, in care acesta exercita actiunea sa electrica se numeste camp electric. Electrizarea prin influenta este posibila tocmai datorita existentei campului electric. Intr-un metal exista atat de mult electroni liberi incat orice camp electric va pune in miscare un mare numar dintre ei.

Sa consideram o sarcina electrica Q in jurul careia ia nastere un camp electric. Din aceasta cauza o sarcina electrica + q aflata in acest camp la distanta r de sarcina Q, va fi respinsa cu forta F, in conformitate cu legea lui Coulomb:

F = Q ∙ q .

ε r

Intensitatea campului electric, notata cu E, este o marime electrica numeric egala cu forta care actioneaza asupra unitatii de sarcina electrica aflata in camp.

Adica E = F .

q

Daca se inlocuieste valoarea lui F data de legea lui Coulomb, atunci:

E = __Q__

ε r

Aceasta expresie ne arata ca intensitatea campului intr-un punct oarecare este direct proportionala cu sarcina electrica care-l creeaza si invers proportionala cu patratul departarii de sursa.

8. Potentialul electric

Un camp electric are o energie potentiala ca urmare a producerii de catre fortele electrice a unui lucru mecanic, atunci cand se deplaseaza o sarcina electrica libera aflata intr-un camp.

Sa consideram o sarcina electrica care creeaza in jurul ei un camp electric. In acest camp se deplaseaza sub actiunea fortelor electrice de respingere o sarcina electrica libera, punctuala.

Sa presupunem ca sarcina +q sub actiunea fortelor electrice de respingere se deplaseaza din punctul A in B. Pe timpul deplasarii, forta electrica care actioneaza asupra sarcinii punctuale produce un lucru mecanic L. Aceasta forta scade cu patratul distantei la sarcina electrica care creeaza campul electric. Lucrul mecanic efectuat de fortele electrice intre punctele A si B se exprima prin relatia:

L = Qq (1 - 1)

ε r_A r_B

in care r_A si r_B reprezinta distantele dintre punctele A si B si sarcina Q.

Consideram ca sarcina electrica +q egala cu unitatea (+1) se deplaseaza din punctul A la infinit. Pentru acesta fortele electrice excuta un lucru mecanic, valoarea lui fiind _Q_.

ε r_A

Lucrul mecanic efectuat de fortele electrice necesar deplasarii unitatii de sarcina din punctul A la infinit se numeste potential electric din punctul A si se noteaza cu V_A.

La fel se poate spune si despre punctul B unde potentialul va fi V_B.

Deci,

V_A = _Q_ si V_B = _Q_

ε r_A ε r_B

Pentru a deplasa sarcina electrica +q din A in B este necesar lucrul mecanic L = q (V_A - V_B); expresia reprezinta produsul dintre sarcina electrica q si diferenta de potential dintre cele doua puncte.

Diferenta de potential V_A - V_B intre doua puncte ale campului electric se mai numeste si tensiune electrica.

Unitatea de tensiune electrica este voltul. Spunem ca intre doua puncte ale unui camp electric exista o tensiune de un volt atunci cand este necesar un lucru mecanic de un joule pentru a transporta un coulomb de electricitate inte aceste puncte.

Deci,

1 V = 1 J = __10⁷ergi __ = _1 _u.e.s.

1 C 310⁹u.e.s. 300

In fizica atomica si nucleara, energia se masoara cu electrovoltul (eV), care reprezinta lucrul mecanic produs la deplasarea unui electron intr-un camp electric la o diferenta de potential de un volt.

Deci,

L = 4,8 10^-10 __1__ = 1,6 10¹² ergi = 1,6 10^-5 jouli

310¹²

1 eV = 1m6 10^-12 ergi = 1,6 10^-5 jouli.

9. Capacitatea electrica

Unele corpuri au nevoie de o cantitate de electricitate mai mare decat altele pentru a ajunge la acelasi potential, deoarece capacitatea lor electrica este mai mare. Prin urmare, intre cantitatea de electricitate raspandita pe un corp si potentialul pe care-l capata corpul exista un raport constant egal cu Q .

V

Raportul dintre cantitatea de electricitate raspandita pe un conductor si potentialul pe care-l capata acest conductor electrizat poarta denumirea de capacitate electrica si se noteaza cu C.

Deci,

C = Q

V

Unitatea de masura a capacitatii electrice este faradul (F), si corespunde capacitatii electrice a unui conductor care incarcat cu 1 coulomb de electricitate isi mareste potentialul cu 1 volt.

Deci,

1 F = 1 C

1 V

inlocuind valorile lui C si V obtinem:

1 F = 1 C = 3 ∙ 10⁹ = 9,10 cm.

1 V 3 ∙ 10²

Practic, ca unitate de masura se foloseste microfaradul si picofaradul.

10. Condensatorul electric

Condensatorul electric este un ansamblu de doua conductoare electrice (armaturi) separate printr-un mediu izolant. Daca la armaturile unui condensator se aplica o tensiune electrica continua, acestea se incarca cu sarcini electrice egale si de semne contrare.

In raport de forma armaturilor se deosebesc condensatoare plane, sferice si cilindrice.

Caracteristicile electrice principale ale condensatoarelor sunt capacitatea electrica, tensiunea de strapungere si pierderile de putere.

Fenomenul de acumulare a sarcinilor electrice pe armaturi se numeste incarcarea condensatorului si are loc in urma aplicarii unei tensiuni electrice la borne.

Fenomenul de neutralizare totala sau partiala a sarcinilor electrice de pe armaturi se numeste descarcarea condensatorului si are loc prin mijlocirea unui curent de regim, care este curentul de descarcare.

Condensatorul este folosit ca acumulator de sarcina electrica in electrotehnica, ca element principal in circuitele electrice alternative etc.

11. Electricitatea atmosferica

Pe timp linistit, senin, deasupra unui camp sau unei mari, potentialul electric creste cu aproximativ 100 V/m. Aceasta crestere, raportata la variatia de inaltime defineste intensitatea campului electric din jurul Pamantului.

Valoarea numerica de 100 V/m este medie pentru intreaga suprafata a Pamantului si se refera la paturile inferioare ale atmosferei.

La peste 9000 m gradientul scade pana la 2 V/m. Liniile de forta ale campului se orienteaza, de regula, de sus in jos, ceea ce inseamna ca atmosfera este incarcata pozitiv, iar Pamantul negativ.

Pentru ca atmosfera sa poata fi electrizata ea trebuie sa contina un anumit numar de molecule ionizate.

S-a stabilit ca ionizarea este produsa de ceva din afara Pamantului si anume, in principal, de razele cosmice.

In afara de ionii constituiti din molecule mai exista si alte tipuri de ioni. Particulele extrem de mici de praf plutesc in aer si se incarca cu electricitate.

Ioni se mai produc si in urma spargerii unui val marin. Stropii de aer foarte fini, in scurt timp se evapora, iar cristalele de Na Cl plutesc in aer si se incarca cu electricitate, devenind "ioni mari".

Ionii mici, formati sub actiunea razelor cosmice sunt mai mobili, miscandu-se in aer cu o viteza mare - 1 cm/s, intr-un camp de 100 V/m.

La nivelul solului si in conditii normale, fiecare centimetru cub de aer contine 500 - 600 ioni. Exista mai multi ioni pozitivi decat negativi, fapt care face ca sarcinile electrice pozitive sa domine. Astfel se explica de ce campul electric, intre atmosfera si Pamant, are sensul constant.

Datorita deplasarilor de ioni conductibilitatea aerului creste cu altitudinea.

Pamantul este incarcat negativ, iar potentialul atmosferic este pozitiv.

Gradientul de potential atmosferic sufera variatii periodice, de la zi la noapte sau de la vara la iarna cu efecte spectaculoase. In unitatea de volum numarul ionilor creste, iar gradientul de potential poate sa ajunga sau sa depaseasca chiar 10000 V/m.

In acest caz, in afara de fulgere si trasnete se mai produc si efluvii in varfurile ascutite si efectul corona in jurul obiectivelor mai inalte. Astfel de fenomene pot fi vazute de marinari in jurul catargelor sau de alpinisti in jurul bastoanelor pe care se sprijina.

Furtunile cu fulgere transporta sarcini negative pe Pamant. Trasnetul aduce sarcini negative pe Pamant, in cantitati destul de mari.

In fiecare zi se produc aproximativ 300 furtuni pe intreaga suprafata a Pamantului si datorita lor se mentine o diferenta de potential in straturile superioare ale atmosferei.

Datorita curentilor de aer, ionilor si picaturilor de apa pe particule de gheata intr-o furtuna, sarcinile pozitive si negative sunt separate. Sarcinile pozitive sunt transportate in sus spre varful norului, iar cele negative sunt descarcate pe Pamant sub forma de trasnete. Sarcinile pozitive parasesc varful norului, intra in straturile de mare altitudine in care aerul este mai bun conducator, iar in zilele senine sunt conduse incet spre Pamant de ionii de aer, ioni formati din razele cosmice.

Dat fiind ca norii se incarca negativ la baza si pozitiv in straturile superioare, intre ei pot sa apara mari diferente de potential.

Descarcarea electrica luminoasa care se produce intre nori, se numeste fulger. Lungimea obisnuita a scanteilor electrice, care strabat norii sub forma de fulger este de 1 - 2 km, dar uneori poate sa ajunga la 10 - 15 km.

Intesitatea curentului pe care-l transporta este de ordinul a 10000 pana la 20000 amperi. Intr-o miime de secunda puterea debitata de un fulger, sub o intensitate de 20000 amperi si diferenta de potential de 250 milioane volti este de 5.10^-9 kW.

Descarcarea electrica, care se produce intre nor si un corp de pe Pamant se numeste trasnet. Ca si fulgerul, trasnetul este insotit de bubuituri puternice numite tunete.

Cum se produce practic trasnetul ? Potentialul norului este mult mai mare decat al Pamantului, motiv pentru care electronii negativi vor fi accelerati spre Pamant. Se formeaza o "coloana" in trepte prin care electronii negativi se deplaseaza (o pata luminoasa) de la nor cu viteza foarte mare (o sesime din viteza luminii). Dupa ce se misca aproximativ 50 m, sta circa 50 microsecunde, dupa care se deplaseaza din nou si asa mai departe. Deci, catre Pamant, miscarea se face in trepte, de-a lungul unui traseu.

Coloana incarcata cu sarcini negative provenite din nor ionzeaza aerul, care devine conductor pe acest traseu.

In momentul in care "coloana" atinge Pamantul se formeaza "un fir conductor incarcat negativ, care strabate intregul traseu pana la nor. Trasnetul se deplaseaza extrem de rapid de jos in sus (de pe Pamant) pana la nor si constituie partea cea mai stralucitare, numita si linie de intoarece. Aceasta linie produce lumina foarte stralucitoare, cladura, iar printr-o destindere rapida a aerului, tunetul.

Dupa cateva sutimi de secunda, cand linia de intoarcere a disparut o alta "coloana" coboara. Astfel, trasnetul se repeta o data, de doua ori, iar in unele cazuri, de cinci sau de mai multe ori.

Cateodata, "coloana" poate dezvolta o ramura trimitand doua trepte, ambele catre Pamant, insa in directii oarecum diferite.

Alte ori, apare un gen de fulger destul de interesant, numit fulger globular. El este o descarcare electrica foarte rara, caracterizata prin aparitie in timp de furtuna a unui glob luminos de cativa centimetri in diametru, care pluteste in aer. Acest glob purtat de curentii de aer poate patrunde in incaperi, pe usi, ferestre deschise, iesind eventual pe cos sau sa dispara cu zgomot la atingerea unui obiect sau a peretelui.

Fulgerul globular prezinta un mare pericol pentru incaperile in care se lucreaza cu lichide inflamabile, putand da nastere la incendii.

Deoarece fulgerul este un fenomen electric, el poate produce aceleasi efecte ca orice trecere de curent printr-un conductor sau de traversare a curentului printr-un material rau conductor sau izolant.

Urme vizibile de incalzire, efecte de topire pot fi observate frecvent la sarme de antena, sarme subtiri de otel, sarme zincate.

La trecerea curentului prin materialele rau conducatoare de electricitate, o mare parte din energie este transformata in caldura care vaporizeaza continutul de apa din lemn, din caramida si din alte asemenea materiale. Din cauza suprapresiunii, a duratei scurte a fenomenului se produce spargerea de natura exploziva a copacilor, a stalpilor de lemn, a grinzilor si a zidurilor. La trecerea prin arbori trasnetul alege partea umeda a lemnului. In solurile cu rezistenta electrica mare (nisip quartos) se produc topiri (se formeaza sticla) de nisip, in punctele atinse de trasnet.

Daca trasnetul loveste intr-o stanca are loc o faramitare a acesteia la suprafata, in calea scurgerii lui catre Pamant.

La trecerea transnetului de durata mica si de intensitate mare printr-un material combustibil sau usor combustibil, acesta nu este aprins ci imprastiat (fan, paie etc.). In schimb, daca are loc descarcari de mica intensitate si de lunga durata, aprinderea este posibila. De obicei, descarcarea principala este urmata de descarcari ulterioare de mica intensitate.

Trasnetul poate sa loveasta direct intr-un obiectiv (actiune principala), sa patrunda in interior prin intermediul retelei de iluminat, de apa, sau sa loveasca la anumite distante (actiune secundara). Actiunile secundare nu sunt altceva decat fenomene care apar in interiorul cladirii datorita inductiei electrostatice si electromagnetice. Protectia impotriva trasnetelor se asigura prin instalatii de paratrasnet care se construiesc de diferite tipuri.

12. Electricitatea statica in industrie

In cursul desfasurarii a numeroase procese tehnologice din diferite intreprinderi fenomenul de electrizare se produce destul de des.

In timpul functionarii mecanismelor si masinilor unelte, datorita frecarii, se acumuleaza pe partile metalice electricitate statica creand astfel in jurul lor un camp electric, deci apare pericolul descarcarilor electrice. Daca aceste descarcari au loc intr-un mediu inflamabil sau exploziv, declansarea incendiilor si exploziilor este iminenta.

Este suficient sa amintim ca in industria unde se lucreaza cu substante fin macinate (industria zaharului, a sulfului, a produselor fainoase, in minele de carbuni etc.) un mare numar de explozii se datoresc scanteilor electrice produse de electricitate statica.

In fabricile de cauciuc si talpa artificiala se produce electrizarea materialelor de baza (cauciuc, benzina etc.), care mentin timp indelungat sarcinile electrice.

Sarcini electrice se produc si la fabricarea firelor sintetice, a foliilor de clorura de polivinil si in general la fabricarea si manipularea materialelor plastice, bineinteles datorita frecarii.

Practica ne arata ca cel mai mare pericol il creeaza sarcinile electrice, care se produc la pomparea, incarcarea si descarcarea produselor petroliere, la spalarea tesuturilor cu lichide inflamabile si la transmisiile prin curele.

La introducerea in rezevor a unui combustibil incarcat electrostatic, in urma frecarii lichidului pe timpul pomparii si transportului pe conducta, sarcinile electrice se indreapta atat spre peretele rezervorului cat si pe suprafata libera a lichidului ca o consecinta a respingerii reciproce.

Sarcinile electrice care ajung la peretele rezervorului prin atragerea si combinarea cu sarcinile de semn contrar din materialul peretelui, determina separarea lor, in timp ce sarcinile de acelasi semn rezultate se aduna pe suprafata exterioara a peretelui. In schimb, sarcinile care ajung la suprafata libera a lichidului se combina cu multa greutate si astfel apare o diferenta de potential intre acestea si sarcinile opuse de pe partea interioara a peretelui.

Acumularea sarcinilor electrice este insotita intotdeauna de cresterea intensitatii campului electric ce se produce in spatiul de vapori din rezervor.

Cantitatea sarcinilor electrostatice care se produc in unitatea de timp, in curentul de lichid, depinde de natura si cantitatea impuritatilor continute in produsul petrolier, de calitatea suprafetei interioare a rezervorului sau conductelor si de starea lor, de proprietatile dielectrice, de densitatea si vascozitatea lichidului, de viteza de curgere a lichidului, de lungimea si diametrul conductei respective.

La o curgere laminara a lichidului combustibil, marimea incarcarii electrostatice este proportionala cu viteza de miscare si nu depinde de diametrul conductei. Prezenta in produsele petroliere a urmelor de apa, a aerului si a gazelor nedizolvate sau a particulelor coloidale, intensifica incarcarea electrostatica.

La un rezervor umplut incomplet, sarcinile electrice se acumuleaza pe suprafata libera a lichidului incombustibil. Cu cat suprafata este mai mare cu atat sarcinile electrice se acumuleaza in cantitati mai mari. Cantitatea de sarcini electrice acumulate este determinata de produsul dintre densitatea acestora si suprafata libera a lichidului pe care se acumuleaza.

Pulverizarea si agitarea lichidelor atrage dupa sine formarea sarcinilor electrostatice, care in functie de conductibilitatea electrica a lor se pot acumula sau scurge la pamant.

Sarcini electrice se produc si pe timpul spalarii manuale a textilelor, adica la introducerea si scoaterea brusca a obiectelor respective in vas, la frecarea lor in lichid si a firelor textile intre ele.

Cu cat lichidul se agita mai mult, adica se produce o turbulenta, un barbotaj, cu atat cantitatea de sarcini electrice este mai mare. Sarcini electrice iau nastere chiar si la stergerea mainilor cu o carpa inmuiata in benzina. Dintre toate tesaturile cel mai mult se electrizeaza cele din matase artificiala si sintetice (nylon, relon, rolan etc.), apoi cele de bumbac si lana. In mod teoretic, la orice separare a corpurilor solide de cele lichide apar sarcini electrice.

Pe timpul spalarii, impurificarea din ce in ce mai mult a lichidului contribuie la cresterea sarcinilor electrice. Pericolul apare in momentul formarii scanteilor electrice, ca urmare a descarcarilor electrice. La descarcarea electricitatii, intensitatea curentului este foarte mica si nu poate ajunge, in cazul formarii scanteilor, decat la miimi de miliamperi, totusi suficient pentru a putea aprinde vaporii de lichide combustibile.

O sarcina electrica de peste 1000 V poate produce scantei cu putere de inflamare a benzenului. La 1000 V se inflameaza benzina, la 3000 V aproape toate gazele combustibile, iar la 5000 V se aprind cele mai multe dintre prafurile combustibile.

In tabela 11 se dau tensiunile in volti care se pot forma prin frecare, pe cateba materiale plastice, cauciuc, fibre sintetice etc.

La unele transmisii cu curele se creeaza potentiale mari care pot depasi chiar 45 kV.

Tabela 11

Potentialul format prin frecarea diferitelor corpuri

Sarcinile electrice se produc in timpul invartirii rotii conductoare (motrice) si anume cand cureaua antrenata se desprinde de pe roata. Datorita antrenarii si desprinderii, roata si cureaua se incarca cu electricitate de semne contrarii; de regula, roata se incarca pozitiv si cureaua negativ. Sarcinile electrice de pe roata se scurg la pamant prin lagare, parti metalice, roata gasindu-se intotdeauna la potentialul zero.

Sarcinile de pe cureaua de transmisie se acumuleaza pe partea ei interioara incepand de la locul de desprindere de pe roata conductoare si pana la roata condusa. In momentul trecerii curelei pe roata condusa sarcinile se neutralizeaza, ca ele sa apara din nou de indata ce cureaua se desprinde de pe roata. Astfel petrecandu-se fenomenul, ambele jumatati ale curelei sunt incarcate cu sarcini electrice de acelasi semn. Pe lungimea curelei potentialul nu este acelasi; are valoarea zero in momentul infasurarii pe roata conductoare, creste pana la o anumita valoare ca apoi sa descreasca si sa devina iarasi zero, in momentul infasurarii pe roata condusa. Dupa parasirea rotii motrice potentialul creste brusc, apoi se mentine cam la aceeasi valoare, ca inainte de contact cu roata condusa sa scada brusc. Pentru jumatatea superioara a curelei, roata motrica si cureaua se desprinde de pe ea, constituie generatorul de sarcini electrice, in timp ce roata condusa constituie consumatorul acestor sarcini; pentru jumatatea inferioara fenomenul se petrece invers (roata condusa genereaza sarcini electrice, iar cea motrica le neutralizeaza).

In afara capacitatii curelei, asupra potentialului sarcinilor electrostatice mai influenteaza o serie de factori ca: umiditatea aerului inconjurator, impuritatile depuse pe suprafata interioara a curelei, incarcarea transmisie, viteza de miscare si latimea curelei.

Numai curelele de transmisie cu viteza de miscare de peste 5 m/s si cu putere de transmisie de 6 - 8 CP pot fi socotite periculoase.

Cantitati insemnate de electricitate statica se produc si la transportul prafului organic prin conducte sau la miscarea lui in aer.

Separarea contactului suprafetelor dielectric-conductor sau dielectric-dielectric este intotdeauna insotita de aparitia pe ele a sarcinilor electrice, a caror marime depinde de proprietatile fizice ale substantelor, precum si de marimea si starea suprafetei de contact.

In orice proces tehnologic de prelucrare si de transport al materialelor pulverulente (dielectrice) se pot delimita doua zone: zona de incarcare, in care materialul prelucrat se incarca electric si zona de descarcare, in care se descarca.

In zona de incarcare se gasesc, de obicei, conductele de transport pneumatic, dispozitivele de pulverizare, de amestecare si alte dispozitive tehnologice, in care materialul relativ neincarcat intra energic in contact cu peretii utilajului. In aceasta zona descarcarea prin scantei de la material (cu exceptia particulelor izolate) nu are loc, si protectia utilajului metalic contra descarcarii se obtine prin punerea la pamant a acestuia.