Starea electrocinetica. Tensiunea electromotoare (t.e.m.)

Starea electrocinetica. Tensiunea electromotoare (t.e.m.)

Experienta arata ca in anumite conditii corpurile conductoare se pot afla in stare electrocinetica. Daca se realizeaza o diferenta de potential intre doua puncte sau regiuni ale unui corp conductor se constata ca poate apare o deplasare ordonata a purtatorilor de sarcina prin conductor.

Se numeste curent electric deplasarea ordonata de sarcina electrica. Starea electrocinetica poate fi pusa in evidenta prin anumite efecte:

- efectul magnetic - in vecinatatea conductoarelor parcurse de curenti electrici asupra unui ac magnetic se manifesta forte si cupluri care nu existau in lipsa starii electrocinetice. Aceste forte si cupluri actioneaza atat asupra corpurilor aflate in miscare si incarcate cu sarcina electrica cat si asupra unor corpuri aflate in stare de magnetizare;

- efectul mecanic - acesta trebuie corelat cu efectul magnetic deoarece este vorba de forte ce se exercita asupra conductoarelor parcurse de curenti electrici aflate in camp magnetic sau intre conductoarele parcurse de curenti electrici;

- efectul caloric - conductoarele parcurse de curenti se incalzesc;

- efectul chimic - la trecerea curentilor electrici prin solutii de acizi, baze sau saruri in interiorul acestora apar reactii chimice;

- efectul luminos - apare in anumite conditii ca o consecinta a efectului caloric (ex. Filamentul unei lampi cu incandescenta) sau alteori apare independent, ca in cazul descarcarilor electrice in gaze rarefiate.

Un exemplu de aparitie a starii electrocinetice este urmatorul: se considera un disc metalic de raza r (fig. 21) ce se poate roti in jurul axei sale. Daca discul se roteste cu o anumita viteza unghiulara w se constata ca apare o tensiune electrica U intre axul discului si periferie. Aceasta tensiune depinde de viteza unghiulara a discului, tensiunea anulandu-se la anularea vitezei.

Calitativ, fenomenul se poate explica astfel: cilindrul metalic este constituit din reteaua cristalina - caracteristica metalului utilizat - si electronii liberi in miscarea lor de agitatie termica:

cand discul nu se misca, in interiorul sau sarcinile electrice pozitive si negative se compenseaza, deci la scara macroscopica nu apare camp electric;

prin rotirea discului, forta centrifuga ce actioneaza asupra tuturor punctelor materiale din disc, va centrifuga fluidul electronilor liberi spre periferia discului. In acest fel periferia discului se incarca cu sarcina electrica negativa, iar zona centrala va ramane incarcata cu sarcina electrica pozitiva. Astfel, intre zona centrala si periferie va apare un camp electric ce actioneaza la randul sau prin forta asupra electronilor liberi din disc si tinde sa-i readuca in zona centrala:

- la o turatie constanta a discului, forta centrifuga va fi echilibrata de forta electrica si prin disc nu va exista curent electric de conductie. Putem spune ca din acest punct de vedere in disc exista un regim electrostatic ce se caracterizeaza prin relatia:

(1)

- in timpul variatiei turatiei discului, datorita necompensarii celor doua forte, va apare o deplasare ordonata de sarcina intre periferie si zona centrala. Prin urmare va apare o stare electrocinetica in disc, ce se caracterizeaza prin relatia:

(2)

In experimentul descris, forta centrifuga este aceea care actioneaza asupra sarcinii electrice din disc. Ea este o forta neelectrica ce actioneaza asupra sarcinilor electrice si de aceea se mai numeste forta imprimata. Raportul dintre forta neelectrica (forta imprimata) si sarcina electrica asupra careia actioneaza se numeste intensitate de camp electric imprimat:

(3)

Impartind relatiile (1) si (2) la q, se obtine pentru regimul electrostatic:

(4)

iar pentru regimul electrocinetic:

(5)

Prin definitie, integrala de linie a sumei dintre intensitatea campului electric imprimat si intensitatea campului electric coulombian se numeste tensiune electromotoare si se noteaza cu e sau u_e:

(10)

Tensiunea electromotoare este numeric egala cu lucrul mecanic efectuat de forta rezultanta pentru deplasarea sarcinii electrice unitare pe conturul inchis C:

(11)

Integrala (10) poate fi descompusa sub forma:

(12)

Prin urmare tensiunea electromotoare este egala cu integrala pe contur inchis a intensitatii campului electric imprimat, deoarece pentru campul electric coulombian este valabila relatia

Sursele de t.e.m. se simbolizeaza in circuitele electrice prin simbolurile din fig. 22. De remarcat faptul ca tensiunile electromotoare ale diferitelor surse pot fi produse si prin alte procedee decat prin accelerare mecanica: prin efecte chimice, prin difuzie, prin fenomene de contact sau prin alte efecte.

Fig. 22

In cazul unor campuri electrice imprimate, sursele de t.e.m. actioneaza ca niste "pompe electrice" ce pun in miscare, pe cale neelectrica, sarcinile electrice.

1 Curentul electric. Densitatea de curent

Deplasarea ordonata de sarcina electrica sub actiunea campului electric, numita curent electric, se caracterizeaza prin marimea fizica numita intensitate a curentului electric si notata cu i.

Intensitatea curentului electric se defineste, in raport cu o anumita suprafata in general deschisa (fig. 23).

Fig. 23

In cazul teoriei macroscopice, intensitatea curentului electric este egala cu sarcina electrica a purtatorilor mobili care strabate suprafata considerata in unitatea de timp:

(16)

Marimea fizica i, intensitatea curentului electric, este o marime fizica scalara. Ea are semn pozitiv daca sensul ales pentru i coincide cu sensul de deplasare al sarcinii electrice pozitive. Prin urmare sensul curentului electric i este opus sensului de deplasare al electronilor din conductoarele metalice (curent electric de conductie).

In regim stationar, cand i este constant, curentul electric se numeste curent continuu (c.c.). In regim variabil, cu i se noteaza valoarea intensitatii curentului electric la un moment dat i=i(t), numita si valoare instantanee sau valoare momentana.

Starea electrocinetica se caracterizeaza local prin marimea denumita densitate de curent, notata cu In cazul curentului electric de conductie din conductoarele metalice, intensitatea curentului prin suprafata S se poate scrie:

(17)

unde este densitatea de curent intr-un punct oarecare al suprafetei S (fig. 24) iar este elementul de arie din acel punct: , fiind versorul normal (sau normala) la suprafata S in punctul considerat.

Densitatea curentului electric este o marime fizica vectoriala si derivata.

In sistemul de unitati S.I. unitatea de masura a densitatii curentului electric se numeste amper pe metru patrat (A/m²). In practica se foloseste frecvent unitatea A/mm² = amper pe milimetru patrat (1A/mm² = 10⁶ A/m²).

Orientativ, valorile uzuale ale densitatii curentului electric sunt:

la linii electrice aeriene J = 2 10 A/mm²;

la aparate si masini electrice J = 2 4 A/mm^2.

Pentru cazul curentului continuu, repartitia densitatii de curent in sectiunea conductorului este uniforma, iar daca sectiunea este transversala se poate scrie i = J A.