Sarcina electric ă

1. Sarcinaelectrică

2. Modul în care e alcătuită substanţa a fost multă vreme un mister şi desluşit după numeroase experimente chimice şi fizice. Chimiştii au descoperit că substanţele sunt compuse din molecule ( particule mici care păstrează proprietăţile chimice ale substanţei ). Atomul Dar moleculele sunt compuse din particule şi mai mici,numite atomi (care păstrează proprietăţile elementului chimic). De exemplu molecula de apă conţine 2atomi hidrogen şi 1 atom de oxigen . Ernest Rutherford şi Niels Bohr au elaborat reprezentarea atomului după modelul sistemului solar. Azi se ştie că acest model este incorect (electronii nu au “orbite”regulate ). Atomul este format din nucleuşi înveliş electronic.

3. Nucleul, particula centrală a unui atom, este alcătuit din nucleoni (protoni şi neutroni) concentraţi unul lângă altul. Nucleul (are aproape toată masa atomului, dar este foarte mic- raza sa este de 10000 ori mai mică decât a atomului) Protonul (are masa de cca. 1836 ori mai mare decât a electronului) Neutronul(are masa de cca. 1840 mai mare decât a electronului ) • Protonii sunt particulele pozitive din nucleu. Numărul de protoni (numărul atomic Z ) identifică elementul chimic şi este egal cu numărul de electroni, deci atomul este neutru din punct de vedere electric. Protonul are următoarele caracteristici : • masa ; • sarcina electrică . • Neutronii sunt particulele neutre din nucleu.Numărul neutronilor este (A – Z), A fiind numărul de masă. Neutronul are următoarele caracteristici : • masa ; • sarcina electrică . Învelişul electronic este spaţiul care înconjoară nucleul şi în care se mişcă electronii. Electronul are următoarele caracteristici : - masa ; - sarcina electrică .

4. W. Gilbert (1540-1603) André Marie Ampère (1775 - 1836) Cuşca lui Faraday (experiment) ELECTRIZAREA CORPURILOR Electrizarea corpurilor a fost descoperită cu mai bine de 2500 de aniîn urmă, în Greciaantică. Fenomenul de electrizare, “focul ascuns” ,cum îl numeau vechii greci, a fost pentru mult timp considerat ocuriozitate. Cuvântul “electricitate” a fost introdus în ştiinţele naturiiprobabil la sfârşitul secolului al XVI-lea, fiind atribuit lui W. Gilbert(1540-1603). Scurt istoric Etimologia acestuia, precum şi a tuturor noţiunilorderivate, o constituie cuvântul grecesc pentru chihlimbar (electron), orăşină naturală care a fost utilizată în Grecia antică pentru a obţine“focul ascuns”- adică sarcini electrice acumulate prin electrizare. Abiaîn secolul al XIX-lea, cercetările efectuate de Ampère, Faraday,Maxwell şi mulţi alţii, continuate de fizicienii şi chimiştii secolului alXX-lea , au condus la concluzia că proprietăţile fizice şi chimice a totce ne înconjoară, de la atom la celula vie, sunt în mare parte,determinate de existenţa interacţiunii electrice.

5. - - - Metode de electrizare A. Electrizarea prin frecare Experimental se constată că, în anumite condiţii, deexemplu prinfrecare,corpurile pot fi aduse într-o starecare modifică unele dintreproprietăţile mediului în careacestea se află. Modificarea este pusă înevidenţă prin aceea că alte corpuri, aduse în aceeaşistare, sunt supuseunor forţe. Prin frecarea unei baghete deebonită sau chihlimbar cu o bucată deblană se constată că bagheta atrage bucăţelede hârtie sau fire de păr, praf etc. Dacă bagheta de ebonităeste adusă înapropierea unui pendul electrostatic se constată căbobiţa pendulului este atrasă de către baghetă. Starea baghetei (obţinutăîn acest experiment prin frecare), ce se manifestă prin propietatea acesteia de a atrage corpuri uşoare, se numeşte stare de electrizare. Atunci când un corp nu este electrizat spunem că se află în stare neutră. Procesul prin care un corp trece din stare neutră în stare de electrizare se numeşte electrizare.Prin convenţie s-a stabilit că unele corpuri se electrizează negativ(corpuri din bachelită, chihlimbarul) iar altele se electrizează pozitiv (corpuri de sticlă).

6. Mărimea fizică scalară ce măsoară starea de electrizare se numeşte sarcină electrică (notată cu q sau Q ). • (Coulomb) • În practică se utilizează submultiplii coulombului : • Sarcina electrică este un multiplu de sarcini elementare : • Sarcina elementară (e) este cea mai mică sarcină electrică posibilă (sarcina electronului în valoare absolută) : • Dacă printr-un procedeu oarecare (frecare) se modifică numărul deelectroni din înveliş, atunci atomii devin ioni pozitivi dacă au pierdutelectroni şi ioni negativi dacă există un surplus de electroni faţă denumărul protonilor din nuclee. Prin frecare are loc un transfer de electroni între corpuri : • corpul care cedează electroni se încarcă pozitiv cu sarcina ; • corpul care primeşte electroni se încarcă negativ cu sarcina • (N este numărul de electroni transferaţi). Prin frecare poate fi electrizată orice substanţă, chiar şimetalele, dar trebuie ca acestea să fie prevăzute cumâner izolator, altfel sarcina electrică se scurge princorpul nostru în pământ iar pedulul nu este deviat, caîn figura alăturată.

7. 2 3 1 - + + + + + + + + + + + - - - - - - - + + B. Electrizarea prin contact Dacă o baghetă, electrizată prin frecare, este adusă în apropierea unuipendul electric cu bilă metalică (poziţia 1), se constată căîn prima etapă bagheta atrage bila (poziţia 2) dar imediat o respinge (poziţia 3). Se trage concluzia că după ce s-aatins bila de baghetă se produce o electrizare abilei cu acelaşi fel de sarcină electrică care sedistribuie pe toată suprafaţa ei. La contactul dintre două corpuri, unul încărcat electric cu sarcina şi celălalt neutru , electronii trec de pe primul corp pe cel de-al doilea. Deci : Q1 Q2 Q02 Q01 - primul corp va avea sarcina ; - al doilea corp va avea sarcina . Corpurile îşidistribuie sarcinile proporţional cudimensiunea lor, încât, dacă sistemul esteizolat, are loc conservarea sarcinilor electrice: + + În urma electrizării prin contact corpurile vor avea acelaşi fel de sarcină electrică, fie numai pozitivă, fie numai negativă. După atingere bilele se resping.

8. -- + + + + + + + -- + -- + + + + + + + -- + -- + -- + + + + + + -- -- -- + + + + + + -- -- + + + + + + -- -- -- + + + + + + -- -- + -- + -- -- + + -- -- -- - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + C. Electrizarea prin influenţă În cazul conductoarelor metalice este specifică existenţa unui număr mare de electroni care se pot mişca aproximativ liber în interiorul materialului. Dacă în apropierea unui corp metalic, izolat, se apropie o baghetă de ebonită electrizată prin frecare, se produce o deplasare a electronilor liberi, determinând opolarizarea corpului (o parte negativă şi una pozitivă). Dacă se conectează corpul la pământ, printr-un fir conductor,sarcina pozitivă este anihilată de către electronii ce vin din pământ, iar pe corp rămân numai sarcini electrice negative. După ce se desface legătura cu pământul, se poate îndepărta bagheta căci corpul rămâne electrizat, prin influenţă, cu sarcină electrică negativă, care se distribuie uniform pe toată suprafaţa corpului. Electrizarea prin influenţă se poate realiza şi lacorpurile izolatoare, unde, în prezenţa câmpului electric, forţele electrice producdeformarea învelişurilor electronice ale atomilor realizându-se dipoli electrici care se orientează ordonat. Aceastăelectrizare este locală dar la capetele corpului sevor găsi straturi subţiri de sarcini electrice “legate” pe feţele acestuia. Din cele prezentate mai sus rezultă clar că prin electrizare nu se generează sarcini electrice, ci doar se transferă sarcini de la un corp laaltul sau se redistribuie sarcina electrică pe un sistem de corpuri.

9. -F F + + r LEGEA LUI COULOMB Experimental s-a constatat că două corpuri electrizate interacţionează între ele prin forţe de atracţie sau de repulsie după cum ele au sarcini electrice diferite sau au acelaşi fel de sarcină electrică. Pe baza datelor experimentale, fizicianul Charles Coulomb a formulat în anul 1785 legea interacţiunii dintre corpurile electrizate: Între două corpuri punctiforme, purtătoare de sarcini electrice şi , se exercită forţe orientate pe linia ce uneşte corpurile, de valoare proporţională cu produsul sarcinilor şi invers proporţională cu pătratul distanţei r dintre corpuri : Constanta de proporţionalitate k depinde de mediul în care se aflăsarcinile electrice şi de sistemul de unităţi de măsură. Pentru vid constanta are valoarea

10. - - - - - Probleme rezolvate 1. Câţi electroni a primit un corp electrizat cu o sarcină Q = - 10 C ? Cu cât a crescut masa corpului după electrizare ? Q = - 10 C N = ? Δm = ? electron Corp Unde : N = numărul de electroni şi = sarcina unui electron Unde : = variaţia masei şi = masa electronului

11. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + q1 q2 q q q -F q F + + r • 2. Două corpuri mici, identice, încărcate electric cu sarcinile şi, respectiv, se aduc în contact şi apoi se depărtează la distanţa r = 1m în aer. Se cere : • sarcină electrică pe care o va avea fiecare corp după punerea în contact ; • forţele de interacţiune electrostatică . a) Corpurile fiind identice, după contact, vor avea sarcini electrice egale. • r = 1 m • q = ? • F = ? b) Pentru aer .

12. T F G R 3. Două sfere metalice identice, cu masele egale m=0,1g,situate în aer, sunt suspendate din acelaşi punct prindouă fire izolatoare, de lungime l =20cm. Care suntsarcinile electrice (egale) ale celor două sfere, dacăunghiul format de cele două fire este? Sfera este în echilibru dacă rezultanta dintre greutate şi forţa electrică are acelaşi modul ca tensiunea din fir,aceeaşi direcţie şi sens opus.

13. F1 F2 - + + x r 4. Două corpuri punctiforme, încărcate cu sarcinile şi respectiv, , se află la o distanţă r = 1m în aer. Determină poziţia x (faţă de ) în care trebuie plasată o sarcină astfel încât, indiferent de valoarea ei, să se afle în echilibru. Cele două corpuri, fiind ambele încărcate pozitiv, vor atrage sarcina a treia şi ea trebuie plasată între corpuri pentru a rămâne în echilibru. Primul corp atrage sarcina cu o forţă F1 şi al doilea cu o forţă F2. Condiţia de echilibru este ca cele două forţe să fie egale ca modul.