Concepte de Bază ale Teoriei Circuitelor Electrice

1.1 Mărimi electrice

a. Sarcina electrică.

Fenomenele fizice le percepem prin acţiuni ce pot fi forţe sau cupluri. Când aceste fenomene nu le putem explica în baza noţiunilor şi mărimilor fizice cunoscute, trebuie introduse noi mărimi. Aceste mărimi se pot introduce numai din acţiunile pe care le percepem, acţiuni pe care dorim să le caracterizăm. Pentru caracterizarea stării de electrizare de încărcare se introduce prin analogie cu masa m mărimea fizică scalară numită sarcina electrică adevărată. Această sarcină, notată q, reprezintă excesul de sarcină de un semn faţă de sarcina de semn opus ce încarcă un corp conductor. Sarcina elementară este a electronului şi prin convenţie aceasta are valoarea . Orice atom se afla din punct de vedere electric in stare neutra, adică sarcina pozitivă (a protonilor) este egală cu sarcina electronilor Dacă sub acţiunea unei forţe un atom primeşte electroni atunci el devine ion negativ ,iar dacă atomul cedează electroni el se transformă in ion pozitiv. Pentru un corp cu dimensiuni finite aflat în stare de electrizare, sarcina ce-l încarcă este cuantificată cu (număr întreg pozitiv sau negativ). Pentru ca un corp , ce-i format dintr-un mare număr de molecule, să se încarce cu o sarcină de 1C trebuie să cedeze aproximativ 6,2 1018 electroni.(1/(1,6 10-19)=6,24 1018 ).Acest număr este foarte mare , motiv pentru care in exprimarea electrizării unui corp se utilizează submultipli Coulomb-ul

Sarcina electrică este conservativă in sensul că nu poate fi distrusă sau creată ci numai manipulată (deplasată) de pe un corp pe altul sau la nivel microscopic de pe un atom pe altul . Efectul stării de electrizare al corpurilor este perceput prin acţiunile ponderomotoare (forţe sau/şi cupluri) ce se exercită între corpurile electrizate(aflate in aceeaşi stare). Caracterizarea acestor efecte (acţiuni) este realizată prin intensitatea câmpului electric ce reprezintă din punct de vedere fizic intensitatea forţei de natură electrică ce se exercită asupra corpului de probă încărcat cu sarcina q ( )

Forţele exercitate intre două corpuri q si q1 electrizate respectă principiul acţiunii si reacţiunii fiind date de relaţia , stabilită de fizicianul francez Coulomb . Dacă sarcinile sunt de acelaşi semn, forţele sunt de respingere, iar dacă sarcinile sunt de semne opuse, forţele sunt de atracţie;

In consecinţă sarcina q produce un câmp electric de intensitate . Expresia intensităţii câmpului electric necesită următoarele comentarii:

- conţine in expresie sursa câmpului electric (sarcina q)

- modulul intensităţii este invers proporţional cu pătratul distantei (1/r2)

- depinde de permitivitatea mediului in care se calculează câmpul

- sistemul de coordonate fată de care se determină câmpul este centrat pe sursă (sarcina q)

- orientarea vectorului câmp este pe direcţia razei vectoare (liniile de câmp pe direcţia r ).

Liniile de câmp sunt radiale şi orientate de la sarcină spre infinit, dacă sarcina electrică este pozitivă şi în sens invers, dacă sarcina este negativă.

În Sistemul Internaţional de Unităţi (SI), unitatea de măsură a intensităţii câmpului electric se numeşte volt pe metru (V/m)) şi este vectorul câmp electric care acţionează o forţă egală cu un newton asupra corpului punctiform încărcat cu sarcina electrică de un coulomb.

b. Potenţial electric . Diferenţă de potenţial

O consecinţă a forţei exercitate de un câmp electric asupra unei sarcini q este că aceasta posedă o energie potenţială. Energia potenţială a sarcinii este dependentă de valoarea sarcinii q şi de locaţia ei în spaţiu. Ea este similară energiei potenţiale a unui corp de masă m aflat în câmp gravitaţional . Dacă corpul de masă m se află la un nivel h faţă de un nivel de referinţă(de obicei suprafaţa pământului reprezintă nivelul de referinţă) energia potenţială a corpului este Ep=mgh . Lăsând liber corpul energia potenţială tinde să ia valoarea minimă (Ep=0) iar variaţia de energie care are sens fizic este ΔE=mgh .

In câmp electric E , prin alegerea unui nivel de referinţă al energiei potenţiale a sarcinii q (nivel ce poate fi arbitrar ales ), variaţia energiei potenţiale a sarcinii este dW= = =dq =dq v . Potenţialul v aferent sarcinii este dat de relaţia :

(1.1)

şi reprezintă energia potenţiala pe unitatea de sarcină sau densitatea de energie potenţială fiind dependenta de locaţia sarcinii in spaţiu.