SarcinaSarcina electricelectricăă

AtomulAtomul

Modul în care e alcătuită substanţa a fost multă vreme un misterModul în care e alcătuită substanţa a fost multă vreme un mister şi şi desluşit după desluşit după numeroase experimente chimice şi fizice. Chimiştii au descoperit că substanţele numeroase experimente chimice şi fizice. Chimiştii au descoperit că substanţele sunt compuse din molecule ( particule mici care păstrează propriesunt compuse din molecule ( particule mici care păstrează propriettăăţţile chimiceile chimice ale ale substanţeisubstanţei ). ).

Dar moleculele sunt compuse din particule şi mai mici,Dar moleculele sunt compuse din particule şi mai mici, numite atomi numite atomi (care (care păstrepăstreaază propză proprrietăţile elementului chimic)ietăţile elementului chimic). De exemplu molecula de ap. De exemplu molecula de apăă con conţţine ine 22 atomi hidrogen atomi hidrogen şşi 1 atom de oxigen i 1 atom de oxigen ..

Ernest Rutherford şi Niels Bohr au elaborat reprezentarea atomului Ernest Rutherford şi Niels Bohr au elaborat reprezentarea atomului după modelul sistemului solar.după modelul sistemului solar. Azi se ştie că acest model este incorect (electronii nu au Azi se ştie că acest model este incorect (electronii nu au “orbite”regulate ). Atomul este format din “orbite”regulate ). Atomul este format din nucleunucleu şi şi înveliş electronic.înveliş electronic.

Nucleul, particula centrală a unui atom, este alcătuit din nucleoni (protoni şi neutroni) concentraţi unul lângă altul.

Protonul (are masa de cca. 1836 ori mai mare decât a electronului) Neutronul (are masa de cca. 1840 mai mare decât a electronului )

Nucleul (are aproape toată masa atomului, dar este foarte mic- raza sa este de 10000 ori mai mică decât a atomului)

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 .

271,66 10pm kg 191,6 10pq C

Neutronii sunt particulele neutre din nucleu.Numărul neutronilor este (A – Z), A fiind numărul de masă. Neutronul are următoarele caracteristici :

- masa ;

- sarcina electrică .

271,66 10nm kg

0nq CÎnvelişul electronic este spaţiul care înconjoară nucleul şi în care se mişcă electronii. Electronul are următoarele caracteristici :

- masa ;

- sarcina electrică .

319,110em kg 191,6 10eq C

ELECTRIZAREA CORPURILOR Scurt istoric

Etimologia acestuia, precum şi a tuturor noţiunilor derivate, o constituie cuvântul grecesc pentru chihlimbar (electron), o răşină naturală care a fost utilizată în Grecia antică pentru a obţine “focul ascuns”- adică sarcini electrice acumulate prin electrizare.

Abia în secolul al XIX-lea, cercetările efectuate de Ampère, Faraday, Maxwell şi mulţi alţii, continuate de fizicienii şi chimiştii secolului al XX-lea , au condus la concluzia că proprietăţile fizice şi chimice a tot ce ne înconjoară, de la atom la celula vie, sunt în mare parte, determinate de existenţa interacţiunii electrice.

Electrizarea corpurilor a fost descoperită cu mai bine de 2500 de ani în urmă, în Grecia antică. Fenomenul de electrizare, “focul ascuns” , cum îl numeau vechii greci, a fost pentru mult timp considerat o curiozitate. Cuvântul “electricitate” a fost introdus în ştiinţele naturii probabil la sfârşitul secolului al XVI-lea, fiind atribuit lui W. Gilbert (1540-1603).

W. Gilbert (1540-1603)

André Marie Ampère (1775 - 1836)

Cuşca lui Faraday (experiment)

A. Electrizarea prin frecare Experimental se constată că, în anumite condiţii, de exemplu prin frecare, corpurile pot fi aduse într-o stare care modifică unele dintre proprietăţile mediului în care acestea se află. Modificarea este pusă în evidenţă prin aceea că alte corpuri, aduse în aceeaşi stare, sunt supuse unor forţe. Prin frecarea unei baghete de ebonită sau chihlimbar cu o bucată de blană se constată că bagheta atrage bucăţele de hârtie sau fire de păr, praf etc.

Metode de electrizare

- -

Dacă bagheta de ebonită este adusă în apropierea unui pendul electrostatic se constată că bobiţa pendulului este atrasă de către baghetă. Starea baghetei (obţinută în 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).

-

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 de electroni din înveliş, atunci atomii devin ioni pozitivi dacă au pierdut electroni şi ioni negativi dacă există un surplus de electroni faţă de numărul 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).

1SI

q C

q N e

191,6 10e C

1q N e

2q N e

3 6 9 121 10 10 10 10C mC C nC pC

Prin frecare poate fi electrizată orice substanţă, chiar şi metalele, dar trebuie ca acestea să fie prevăzute cu mâner izolator, altfel sarcina electrică se scurge prin corpul nostru în pământ iar pedulul nu este deviat, ca în figura alăturată.

B. Electrizarea prin contact

Dacă o baghetă, electrizată prin frecare, este adusă în apropierea unui pendul electric cu bilă metalică (poziţia 1), se constată că în prima etapă bagheta atrage bila (poziţia 2) dar imediat o respinge (poziţia 3). Se trage concluzia că după ce s-a atins bila de baghetă se produce o electrizare a bilei cu acelaşi fel de sarcină electrică care se distribuie pe toată suprafaţa ei.

- primul corp va avea sarcina ; - al doilea corp va avea sarcina . Corpurile îşi distribuie sarcinile proporţional cu dimensiunea lor, încât, dacă sistemul este izolat, are loc conservarea sarcinilor electrice:

01 02 1 2Q Q Q Q

În urma electrizării prin contact corpurile vor avea acelaşi fel de sarcină electrică, fie numai pozitivă, fie numai negativă. După atingere bilele se resping.

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 :

01 ( )Q N e 02 0Q tN

1 ( ) ( )tQ N N e 2 ( )tQ N e

+++

++++

++++++

++

-

1

23

- - --

--

-

Q01Q02

Q2Q1

Electrizarea prin influenţă se poate realiza şi la corpurile izolatoare, unde, în prezenţa câmpului electric, forţele electrice produc deformarea învelişurilor electronice ale atomilor realizându-se dipoli electrici care se orientează ordonat. Această electrizare este locală dar la capetele corpului se vor 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 la altul sau se redistribuie sarcina electrică pe un sistem de corpuri.

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 o polarizarea 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 numaisarcini 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.

++

++

+--

----

--

--+ + + + ++

+ ++ + ++

+ + + + ++

+ ++ + ++

--

----

--

--

+ + + + ++

+ ++ + ++

--

----

--

--

--

--

--

--

--

--

--

- +

- +

- +

- + - + - +

- +

- +

- + - +

- + - +

++++

Constanta de proporţionalitate k depinde de mediul în care se află sarcinile electrice şi de sistemul de unităţi de măsură. Pentru vid constanta are valoarea

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 :

1q 2q1 2q q

+ +F-F

r

1 22

q qF k

r

9 2 20 9 10 /k N m C

Probleme rezolvate1. 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 = ?Corp

electron

----

1919

106,25 10

1,6 10ee

QQ N q N N electroni

q

Unde : N = numărul de electroni şi = sarcina unui electron eq

19 31 126,25 10 9,1 10 56,875 10em N m m kg

Unde : = variaţia masei şi = masa electronului m em

-

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 :

a) sarcină electrică pe care o va avea fiecare corp după punerea în contact ;

b) forţele de interacţiune electrostatică .

1 1q C

2 3000q nC

61 1 10q C C

62 3000 3 10q nC C

r = 1 m

a) q = ?

b) F = ?

+++

+ +

+++

++ +

++

++

+

+++

+

q1 q2 q q

a) Corpurile fiind identice, după contact, vor avea sarcini electrice egale.

1 21 2 1 2 2

2

q qq q q q q q q q

6 6 6610 3 10 4 10

2 102 2

q C

b) Pentru aer . ok k

+ +F-F

r

q q

2629 3

2

2 109 10 36 10 36

1

qF k F N mN

r

3. Două sfere metalice identice, cu masele egale m = 0,1 g, situate în aer, sunt suspendate din acelaşi punct prin două fire izolatoare, de lungime l = 20 cm. Care sunt sarcinile electrice (egale) ale celor două sfere, dacă unghiul format de cele două fire este ?90

40,1 10

20 0,2

90

?

m g kg

l cm m

q

T

G

F

2

2

2

r

R

Sfera este în echilibru dacă rezultanta dintre greutate şi forţa electrică are acelaşi modul ca tensiunea din fir,aceeaşi direcţie şi sens opus.

2

2

2

2sin 2 sin2 2

Ftg

G

qF k

rr

r ll

2

2 24 sin2

qF k

l

G mg

2

2 22

2 2

4 sin2

2 2 4 sin2

qkl kq

tg tgmg l mg

2 24

99

4 sin 2 10 102 2 22 sin 2 0,2 94,28 10 94,282 2 9 10

l mg tg mg tgq l C nC

k k

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.

1 1q C 2 3q C1q 3q

61

62

1 10

3 3 10

1

?

q C C

q C C

r m

x

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.

3q

x r

3q1q 2qF1 F2

+ +-

1 2

1 31 2

2 32 2

F F

q qF k

xq q

F kr x

1 21 3 2 3 1 22 22 2

q qq q q q q qk kx x x r xr x r x

1 2 62

61

10,366 36,6

3 101 110

rr x q x q x m cm

qq